基于蜗杆廓形的齿轮展成磨削力分析模型.docx

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1、基于蜗杆廓形的齿轮展成磨削力分析模型目录1 .简介12 .现状描述13 .齿轮展成磨削模型34 .齿轮展成磨齿过程中的微相互作用特性45 .研究目标和研究方法55.1. 基于砂轮齿面形貌图的仿真模型的扩展56 .结果讨论71. 1.仿真模型扩展性的验证76. 2.展成齿轮磨削工艺的能量计算方法97 .结论101 .简介连续展成磨削工艺是用于提升齿轮齿面几何精度以及啮合性能的主要工艺方式。在磨削过程中，大部分的切屑力会转换成热量。取决于不同的工艺技术参数，大概60%到90%的展成磨削热量会转移到工件上。磨削中的摩擦会导致接触区域的高温，有可能会导致共建磨削烧伤。为了更好理解和控制展成磨削传递到工

2、件的热量，首先有必要明确磨削能量的分布情况。经过Hahn的工作，建立了基于三种不同机械运动形式的材料去除模型：摩擦、犁耕和剪切。每一种材料去除模型都能够解释一部分能量转换到工件中的机理。在材料去除的三个阶段中所产生的磨粒能量取决于磨粒与工件的微相互作用特性，如磨粒接触长度、磨粒穿透深度和磨粒截面面积。这些微相互作用特性受到磨粒形貌和磨粒与材料相互作用的显著影响。然后，根据过程运动学和过程参数，表征了砂轮微小磨粒与齿轮之间的相互作用。为了研究产生齿轮磨削过程的适当的磨削能量计算模型，需要根据所提交的工艺参数，考虑每个晶粒在接触区如何相互作用。在本研究中，采用了现有的基于渗透计算方法的展成齿轮磨削

3、过程仿真模型。并进一步，提出了该模型的扩展范围，考虑了磨削砂轮的真实齿面形貌模型和磨削砂轮在此过程中的宏观运动。仿真结果显示了齿轮齿面在整个磨削过程中的微相互作用特性。最后，计算产生齿轮研磨过程中的力和能量过程中，应用了所获得的微相互作用特性。2 .现状描述齿轮展成磨削工艺是热后齿轮硬齿面精加工最有效的工艺之一。在此过程中，圆柱形磨削蜗杆砂轮，其齿廓相当于横断面上的齿条轮廓，与所磨削的齿轮形成相互啮合关系。齿轮的渐开线是由磨削蜗杆砂轮和工件的连续展成运动产生的。如图1所示，该过程的一个特殊特征是，在砂轮转过程中，磨削蜗杆砂轮和所磨削齿轮的接触点在磨削过程中连续变化。图I齿轮展成磨削工艺根据磨削

4、砂轮的廓形、工艺参数和过程运动，每一个磨粒的微相互作用特性是不同的。最终，这些差异会影响磨削接触区域内的力和能量。为了预测该过程的力和能量，在过去的几年中已经建立了仿真模型，考虑了展成齿轮研磨的复杂运动学和微摩擦特性。在下一节中，会对其中一个模拟模型进行回顾。此外，还回顾了软件中目前考虑的微相互作用特性。此外，还结合微相互作用特性，介绍了展成齿轮磨削能量的计算方法。3 .齿轮展成磨削模型制造过程的建模可以通过一种渗透计算的方法来完成。在渗透计算中，可以考虑工件和工具的运动学和几何形状来计算过程特征值。利用截面平面将三维模型简化为二维模型。在BreCher等人的工作中，描述了个仿真模型，如图2所

5、示。Origina1statusofsimu1ationmode1Readingtheinputdata0OW111Oo1o1oII1wo101101001000PositioningbetweenwormandgearWormsegmentSecta1p1anesGrindingwormandgearpreparationTrochoidGenerating1incrementRemova1ofmateria1一WormsegmentCtactgeometry图2模型分析流程Inthesimu1ation,themovementsbetweengearandwormarecombinedin

6、toatrhoidmotion仿真工作分几个步骤进行。在第一步中，输入相关数据，如齿轮集合形状及刀具的几何图形和工艺参数。然后，生成基于截面平面的磨削蜗杆和被切削齿轮模型。磨削蜗杆中的截面平面代表了刀具的轮廓。为了保持尽可能低的计算工作量，只考虑一段实际的磨削蜗杆进行模拟，由图2中间的起始角度定义为中Oy。下一步，在仿真模型中引入了对实际切削运动学的简化，以降低建模的复杂性。在的运动学中，磨削蜗杆段相对于齿轮定位，遵循一个曲线进行旋转。仿真模型中的磨削蜗杆的回转展成生运动代表了在实际加工过程中发生的齿轮和刀具运动的组合。尽管有运动学的简化，但在模拟结束时实现了相同的完整条件和材料去除情况。通过

7、定义的展成增量$进行处理，在第一和最后一个展成进给$之间，可以对齿槽的截面平面进行完整的加工。在图2的中间下方，计算了所有进给展成位置的磨削蜗杆段和齿轮之间的接触几何形状。现在，仿真模型只考虑了刀具和齿轮之间的宏观相互作用。然而，对于能量速率和力的计算，磨削的蜗杆和齿轮之间的微相互作用也具有很高的相关性。在模拟模型中使用的过程运动学的简化，如果没有准确的刀具旋转和切削速度的关联，便不可能实现微相互作用的建模。刀具表面的旋转运动对磨削杆与材料的相互作用有显著影响。在此过程中，旋转运动对于磨削颗粒和齿轮之间的接触路径的产生是必不可少的，如果需要分析微观间隙，不能忽视它在模拟中的作用。4 .齿轮展成

8、磨齿过程中的微相互作用特性在HUbner的工作中，实现了对法向力计算的研究（见“齿轮展成磨削过程建模”一节）。他的工作成功的将由Wemer开发的法向力模型被应用到展生齿轮研磨中，见图3上方所示的公式。除确定的力k外，所有变量均在模拟模型中计算。在HUbner的工作中，通过测量单个颗粒的二维轮廓来模拟研磨蜗杆的顶部轮廓。这些单独的颗粒由手动配置被快速地映射到磨削砂轮上。虽然这种方法适用于单层磨削砂轮，但不能够准确体现实际砂轮中的磨削颗粒分布不规则性的。因此，HUbner采用的方法没有考虑到蜗杆砂轮形貌的两个重要因素。第一个因素是颗粒与研磨砂轮形貌的突起程度不同，这导致了并非所有来自磨削砂轮形貌的

9、颗粒都与工件接触的情况。第二个因素是工件与磨削蜗杆接触时的阴影效应。阴影效应描述了与工件接触的第一磨对随后立即与材工件接触的磨粒的耦合的影响。工艺过程能量EW对应于去除材料所需的能量，并且通常被假定等于主轴能量。在TeiXeira之前的工作中，提出了一种能量模型，考虑单个磨粒参与产生磨削的铁屑形成过程。该模型是基于1inke的工作，其主要内容为设定每个铁屑形成过程的所需要能量是不同的，考虑其表面磨削过程的具体方面。在TeiXeira模型中，1inke的工作扩展到展成齿轮磨削的过程，如图3右上所示，并进行了单磨粒试验。对每个铁屑形成机理的能量计算方法的更详细的描述见相关参考文献。为了计算每个铁屑

10、形成过程所需的能量，需要关于晶粒的微相互作用特性的信息，如接触长度1,磨粒截面面积A,和铁屑厚度。最后，将工艺能量EW计算为每个铁屑形成过程的所有能量之和，即参与材料去除的所有磨粒，见图3的右上角。尽管对齿轮磨削的力和能量模拟模型进行了不同的研究，但在考虑过程的复杂运动和刀具旋转运动的情况下，利用更真实地研究微相互作用特性。考虑砂轮形貌和磨削主轴旋转，可以更详细地计算齿轮磨削过程的能量。Norma1forcemode1accordingtoWernerkACUN.1nWormprofi1es(m)Ctactgeometryatanspecificro11ingposition=Kkcunwo/

11、=Specificforce=Cross-sectiareaKinematiccuttingedgesContact1ength=Materia1cstant12,13)Nmm2mm21mm2mmHGrindingenergyEwca1cu1ationCsiderationofmicrointeractionsofeachgraininthectactZoneP1owingenergy=u(0c(0Shearingenergyrf1ESh=IFShearOdrJoEfrFrictienergy(J)FeNorma1forceNIcCtact1ength(mm)Epi=P1owingenergy

12、JAcu=Graincross-sectiareamm2HHardnessNmm2EthShearingenergyJF1hShearforceN二高才亚势含图3相关计算分析过程5 .研究目标和研究方法基于“现状描述”中解释的关于磨削蜗杆形貌和砂轮主轴旋转运动的仿真模型的差异，定义了本工作的目标。这项工作的目的是建立一个考虑到展成齿轮磨削的工艺运动学和磨削蜗轮形貌以及齿轮的微相互作用的力和能量模型。5.1. 基于砂轮齿面形貌图的仿真模型的扩展在本节中，我们描述了在仿真模型中实现的扩展。有两种不同类型的测试：(1)磨削用蜗杆砂轮形貌和(2)磨削蜗杆的旋转运动。首先描述了蜗杆形貌在仿真模型中的实现

13、，如图40MeasurementofwormtopographyOptica1measurementsofanareaofthegrindingworm图4关于磨削蜗杆形貌图的模拟模型的扩展PreparationofwormsegmentProjectionoftopographycurvetotheprofi1eofthewormsegmentOrigina1wormprofi1eWormprofi1ewithtopography第一步是用激光扫描显微镜对磨削蜗杆形貌进行光学测量。测量以20倍的分辨率进行，在足够大的区域进行选取整个磨杆规格的代表性样品。在地图软件的支持下对光学测量进行分析。

14、在软件中，沿Z轴的几个位置提取形貌曲线，如图4o接下来，将形貌曲线带到磨削蜗杆上。如图4底部所示的蜗杆由称为工具剖面的几个面组成。实际磨削蜗杆的每个形貌曲线投影到一个不同的刀具轮廓上。最后，真正的形貌将会取代模型中的理论形貌，用于进行分析。仿真模型中需要的第二个扩展是关于蜗杆相对于齿轮位置的磨削主轴旋转运动。在原始版本的模拟模型中，蜗杆的位置沿着模拟位置而变化，但蜗杆本身并不改变或旋转。此外，蜗杆的所有刀具配置文件都是相同的。在扩展仿真模型中，磨削蜗杆的每个刀具轮廓都有不同的形貌曲线。磨削蜗杆的旋转运动是通过在模拟过程中改变每个刀具轮廓的位置来实现的，见图5oDuringonegenerati

15、ngincrement,thewormsegmentshou1drotateatota1theoretica1angu1ardistanceofaForeachgeneratingincrement:图5关于磨削蜗杆砂轮旋转运动的仿真模型的扩展刀具轮廓位置的变化与工艺参数和展成进给&相关。在展成一个增量时，蜗杆砂轮应旋转的理论角度位移为。根据角度位移为，定义了刀具剖面的位置需要改变的次数。刀具轮廓位置的变化通过单次旋转进给量进行，直到达到理论角度位移。在达到设定的角度位移距离后，模拟继续到下一个展成进给&，并且在新的展成进给量中重复改变刀具轮廓位置的过程。在此基础上，对仿真模型和旋转运动的实际考虑进行了扩展。6 .结果讨论在本节中，执行并讨论了基于磨粒与齿轮材料结合的微相互作用特性的展成齿轮磨削过程的力和能量的计算。6.1. 仿真模型扩展性的验证通过对仿真模型的扩展，得到了仿真过程中与齿轮接触的所有磨粒的微相互作用特性。根据仿真模型中的微相互作用特性，根据Werner的模型（见图3）,计算了产生齿轮磨削的