螺旋锥齿轮铣刀结构设计及其铣削加工过程的仿真分析

发布时间：2017-05-22 16:07

  本文关键词：螺旋锥齿轮铣刀结构设计及其铣削加工过程的仿真分析，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：螺旋锥齿轮是机械传动的基础元件,被广泛应用于各类高速运转的机械和一些对稳定性要求较高的低速传动中。目前国内外切削加工格里森齿制螺旋锥齿轮所采用的刀具是格里森铣刀盘。但是,格里森铣刀盘的结构复杂且造价高,铣刀盘的安装和调整也较为繁琐,刀齿磨损后需要专门的刃磨机对其进行刃磨。斜直齿螺旋锥齿轮由于结构复杂和独特,在工业上应用不广泛。常用切齿刀具是盘状齿轮成形铣刀或刨刀,刨刀由于体积小,加之切削热和冲击力的作用,刀齿失效快。本文依据产形线切齿理论设计的斜直齿螺旋锥齿轮铣刀的制造、安装、调整及刀齿的刃磨简单,且铣刀的成本大大降低。由于铣削加工具有多刃断续切削和变厚度加工的特点,铣刀齿的受力情况复杂,本文采用理论建模和软件分析相结合的方法对齿轮毛坯的铣削加工过程进行仿真。目前国内利用相关有限元仿真软件进行三维的切削加工物理仿真,尤其是在工件和刀具相对运动较为复杂的状态下对切削力、切削热和刀具磨损等情况进行分析的文献并不多见。利用有限元软件对螺旋锥齿轮切削加工过程中相关物理参数进行仿真分析的文献则几乎没有。 本文以产形线切齿法理论为基础,设计符合要求的斜直齿螺旋锥齿轮铣刀并对所设计的铣刀进行几何仿真和物理仿真分析。通过软件的模拟能够及早发现铣削加工过程中存在的问题并且对加工过程中的主要物理参数进行预报,对铣刀结构的设计和加工参数的选择有着重要的作用,可以达到发挥铣刀的最佳切削性能的目的,是研发新型铣刀及其在铣削过程中金属塑性变形理论的一种行之有效的方法。对实际加工过程有着理论指导和验证意义。本文所做的研究工作如下： (1)以产形线切齿法理论为基础,结合金属切削原理及刀具设计理论,通过计算确定铣刀的外径和刀齿切削刃的主要几何尺寸。由于受到能够切削出完整齿面的产形线尺寸和齿轮小端齿槽尺寸的限制,铣刀直径较大而厚度较小。为了增加刀齿结构的刚度,将铣刀齿的前刀面设计成上窄下宽的梯形结构。考虑到铣刀的制造、装夹和刀齿刃磨等问题,采用机械夹固式的镶齿结构。建立铣刀的三维实体模型。将模型在AutoCAD中转换成二维工程图纸,绘制铣刀的装配图和各组成部件的零件图,用于铣刀的加工制造。 (2)合理选择铣削用量并初步计算铣削力。利用大型通用有限元软件ANSYS建立刀齿的有限元模型并施加边界条件。将计算得到的铣削力作为载荷施加到刀齿上,对刀齿强度进行静力学分析,得出刀齿的应力分布图和位移等值线图,从而可以掌握刀齿的强度敏感部位。 (3)在数控加工仿真软件VERICUT中建立机床、刀具系统、毛坯和夹具系统的三维实体模型。选择合适的控制系统,将切齿运动方程计算得出的数据点编写成G-Code并生成控制文件。对斜直齿螺旋锥齿轮左旋小轮和右旋大轮的齿面进行虚拟的实时加工仿真,直观的观察切削运动过程并检验加工过程中是否存在碰撞、过切、欠切等情况。达到验证切齿运动方程的正确性和合理选择铣刀几何参数的目的。 (4)铣削过程属于多齿断续切削和变厚度加工,加之铣刀和齿轮毛坯之间的运动关系复杂。因此,本文针铣刀齿的受力情况进行了深入的分析。利用大型商用有限元软件DEFROM—3D作为计算平台,对切削仿真过程中的切屑分离准则、刀—屑之间的接触和摩擦关系、热力耦合理论等关键技术进行分析。设置相关参数,建立了刀具和工件的热力耦合有限元模型,按照实际加工中要求的刀具和工件的三轴联动运动关系,在两种不同的铣削宽度条件下对铣削加工进行三维数值模拟研究。得出了铣刀的应力、应变、铣削力、切削热和刀具磨损等物理量,对上述物理量进行深入的分析。将两组仿真结果进行比对,从如何减小铣刀的塑性变形、疲劳破损和延长刀具使用寿命的角度为铣削用量的选择提供依据。在满足刀齿强度和刚度的条件下达到发挥铣刀最佳切削性能的目的。
【关键词】：铣刀 有限元 热力耦合 仿真分析
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TG714
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 引言10
• 1.2 国内外螺旋锥齿轮加工刀具研究现状10-14
• 1.2.1 国内外弧齿锥齿轮加工刀具研究现状12-13
• 1.2.2 国内外斜直齿锥齿轮加工刀具研究现状13-14
• 1.3 计算机切削加工仿真技术的研究现状14-16
• 1.4 课题研究的目的和意义16-17
• 1.5 课题的主要内容17-20
• 第2章 螺旋锥齿轮铣刀结构设计与刀齿强度有限元分析20-36
• 2.1 铣刀结构设计的理论基础—产形线切齿理论20
• 2.2 铣刀的结构设计20-28
• 2.2.1 斜直齿螺旋锥齿轮铣刀基本几何参数的确定22-23
• 2.2.2 刀具材料的选择23-24
• 2.2.3 铣刀齿数的确定24
• 2.2.4 铣刀切削刃角度的选择24-25
• 2.2.5 铣刀三维实体图25-28
• 2.3 铣削参数的选择及刀齿强度有限元分析28-34
• 2.3.1 铣削用量的选择28-29
• 2.3.2 铣刀铣削力的初步计算29-31
• 2.3.3 刀齿强度静力学分析31-32
• 2.3.4 模型计算结果分析32-34
• 2.4 本章小结34-36
• 第3章 数控机床切削加工几何仿真36-51
• 3.1 数控加工仿真软件VERICUT简介36-37
• 3.2 机床坐标系的定义和仿真原理说明37-39
• 3.2.1 机床坐标系的定义37-38
• 3.2.2 仿真原理说明38-39
• 3.3 切削加工斜直齿螺旋锥齿轮仿真关键技术39-47
• 3.3.1 斜直齿螺旋锥齿轮NC机床运动模型的建立39
• 3.3.2 机床控制系统的选择与修改39-40
• 3.3.3 毛坯和刀具建模40-41
• 3.3.4 切削加工仿真所依据的运动方程和初始位置参数41-42
• 3.3.5 加工仿真初始位置参数的设置42-43
• 3.3.6 G-Code的编写43-47
• 3.4 仿真结果47-49
• 3.5 本章小结49-51
• 第4章 铣削加工过程的有限元仿真及计算结果分析51-71
• 4.1 有限元模拟软件DEFORM-3D简介51-52
• 4.1.1 DEFORM-3D软件的理论基础51
• 4.1.2 DEFORM-3D软件中的迭代算法51-52
• 4.2 刚(粘)塑性有限元模拟的关键技术52-56
• 4.2.1 刚(粘)塑性力学的基本假设52
• 4.2.2 有限元仿真过程中常用的屈服准则52-53
• 4.2.3 金属切削本构方程53-54
• 4.2.4 切屑与工件分离准则的选择54
• 4.2.5 热力耦合理论54-55
• 4.2.6 刀具磨损模型55-56
• 4.3 铣削加工有限元模型的建立56-62
• 4.3.1 几何模型的建立56-57
• 4.3.2 模型网格的划分57-58
• 4.3.3 工件和刀具材料的选择58-59
• 4.3.4 设置对象间接触关系及刀屑摩擦模型的选择59-60
• 4.3.5 运动关系的添加60-61
• 4.3.6 热边界条件的设置61
• 4.3.7 切屑断裂准则61-62
• 4.4 铣削模型计算结果及分析62-70
• 4.4.1 切屑的形成62
• 4.4.2 铣削力计算结果及分析62-64
• 4.4.3 铣削加工应力分析64-67
• 4.4.4 铣削加工应变分析67
• 4.4.5 刀、屑接触面温度场分析67-69
• 4.4.6 铣刀刀齿前刀面磨损计算结果及分析69-70
• 4.5 本章小结70-71
• 第5章 结论和展望71-73
• 5.1 结论71-72
• 5.2 展望72-73
• 参考文献73-76
• 致谢76

【引证文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 李国和;蔡玉俊;阎兵;;弧齿锥齿轮加工仿真技术的研究[J];机械传动;2013年04期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 李栎楠;产形线切齿法加工准双曲面齿轮研究[D];吉林大学;2011年

中国硕士学位论文全文数据库 前4条

1 杨yN旭;螺旋锥齿轮磨削砂轮设计及其磨削过程仿真[D];吉林大学;2012年

2 翁志凯;球面渐开线螺旋锥齿轮的干铣削技术研究[D];吉林大学;2012年

3 宋靖安;螺旋锥齿轮新型切齿法与切齿机床研究[D];吉林大学;2012年

4 陈小芬;轨道车辆门系统双头丝杠传动工作性能与加工工艺的仿真研究[D];南京理工大学;2013年

  本文关键词：螺旋锥齿轮铣刀结构设计及其铣削加工过程的仿真分析，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：386180