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1、齿轮车齿加工的表面形貌及偏差仿真分析目录1 .齿轮简介12 .研究概述13 .车齿加工24 .分析模型35 .仿真验证56 .齿轮外齿廓形貌图的研究57 .进给速度对齿轮齿面形貌的影响68 .倾角对齿轮形貌分布的影响79 .结论81 .齿轮简介汽车、航空航天和风力涡轮机等领域，高精度齿轮的制造技术一直是最关键的基础。由于电气化和可持续性发展战略的推行，齿轮的制造量不断增加，预计将达到新的顶点。在航空航天工业中，如果工业要实现其可持续发展目标，就需要达到一系列的目标关键绩效指标(KPI)。根据航空航天技术研究所制定的目标，包括将噪音和排放水平分别降低65%和90%,这就需要使用非常高效的变速箱，
2、以达到这些目标。观察齿轮机械加工所涉及的制造过程，如齿轮滚齿和车齿加工，均能够实现所需的产量和满足应用的质量。由于节拍时间的减少和内齿轮及外齿轮同时加工的能力，车齿加工尤其成为该领域研究的焦点。这一过程的历史记录始于18世纪。随后是相当长时间的中断，在此期间，机床制造的进步使工业规模的实现成为可能。近年来，工业和学术研究项目一直集中在车齿加工工艺上，包括建模、研究和优化该制造过程中的理论和实验方法。本文中提出的研究扩展了基于CAD的仿真工作，通过研究通过车齿加工产生的齿轮的表面形貌和研究刀具对所生产齿轮的几何形状的特性，本研究补充了加工过程中所需的切削力。2 .研究概述传统上，对生产专业人员的
3、理解和优化都是通过广泛的实验活动来实现的，这导致了生产设备的较高运营成本和停机时间。近年来，制造工艺的仿真模型和数字挛生被用来增加对切削工艺的理解，支持决策和最优工艺参数的选择。仿真模型增加了对机械加工过程的理解，而没有与机械加工试验相关的成本。模型可以根据尺度(宏观、中观和微观层面)和在过程模拟中使用的方法进行分类。研究人员提出了有限元模型、分析模型和数值模型，以研究模拟制造过程的切削力、表面质量和微观结构。AltintaS等人对在该领域使用的主要模拟方法进行了综述，概述了每种方法的优点。与更传统的工艺一样，在齿轮制造中，已经开发了一系列的模型，以优化切削工艺，并预测已开发的切削力和齿轮齿面
4、形貌。由于大多数齿轮制造过程都具有复杂的运动链，由于切削过程的结果受到一系列参数的影响，仿真模型可以作为以经济有效的方式，优化切削工艺的关键工具。在车齿加工方面，分析、实验和基于CAD的模型己经被开发出来，以了解切削力的变化，铁屑的几何形状和在较小程度上的最终齿轮的质量。Guo等人的研究小组采用数学模型研究了车齿加工的切削力学问题，重点研究了姿态误差对最终齿轮质量的影响和刀具几何测量的设计。通过车齿加工齿轮的刀具剖面图的设计和六轴机床加工方法的设计是Tsai研究的重点。基于多面体的模型的发展是另一个当代研究主题，研究人员使用双重或三重基于多面体的模型来预测齿轮几何形状和过程的切割力。Kang等
5、人也提出了嵌入软件中的数学模型，提出了这样一个模型，并将运动学嵌入VeriCUt,以提取齿轮特性的信息。JanSen的文章专注于提高内齿轮的精度，他所做的部分工作还考察了切削力的计算和测量。本文的其余部分的组织结构如下：“车齿加工”介绍了车齿加工过程的运动学。在“仿真模型”中提出了所开发的仿真方法，以及切削力计算算法的细节。“仿真验证”描述了由模型得到的结果，以及对实验结果的验证。“齿轮齿廓”的研究是了齿轮齿廓修形特征的研究。最后，“结论”包含了总结性的和结尾性的评论。3 .车齿加工车齿加工的复杂运动学过程，由于过程的连续加工的性质，它可以提供增加的加工速度。运动学的主要过程如图1所示。图1内
6、齿(b)和外齿轮的齿轮车齿加工过程运动学传统上，刀具位于相对于齿轮轴的倾斜位置，这种倾斜为刀具提供了齿轮齿槽加工所需的切削速度。在加工外齿轮的情况下，刀具的旋转与工作齿轮的旋转方向相反，而对于内齿轮，刀具的旋转方向与工作齿轮的旋转方向相同。图2显示了该过程中涉及的切削速度，图中也是在铁屑形成过程中起着至关重要作用的副前角。模型中的两个滚动速度必须精确调整，以便刀具和工作齿轮相互配合。由于上述的倾角，存在一个额外的速度，即该过程的切削速度。图2车齿加工时的切削速度（V2工件旋转，V2刀具旋转，VC切削速度）该过程的运动学可以受到一系列参数的影响，这些参数反过来会影响最终工作齿轮的几何形状、铁屑的
7、几何形状和最终齿轮的质量特性。表1总结了在此过程中可以更改的参数。以9为例，增加的副前角导致齿轮齿槽上的不同进给，并允许切削力穿过齿轮的轴线，从而促进加工过程的稳定性。虽然副前角的增加并没有影响，在很大程度上改变了铁屑的几何形状，该工具的方法会导致铁屑的横截面面积的变化。4 .分析模型一个精确的模型是一个分析的关键，它将提高切削过程的优势，切削力和最终齿轮形貌和齿轮质量的生产。仿真模型必须利用计算几何图形和CAD平台上的最新技术。因此，在本研究中预先开发的模拟包是基于一个最先进的CAD包，允许开发最新的计算机建模平台。所开发的模型名为Skive3D,它被嵌入到一个CAD环境指导中，命令在软件的
8、核心上，以提高模拟速度。图3显示了SkiVe三维模型的信息流程图。如图所示，初始步骤是仿真模型中仿真数据的输入。数据由算法解释，该算法反过来启动一系列设计功能，负责创建切削刀具轮廓，并开发一个实体模型，表示刀具在切削运动过程中的前处理文件轨迹。只创建与切削操作相反的旋转位置，以实现精益的方法，并增加需要它们的数据密度。通过在整个轮齿轨迹中引入一系列的刀具轮廓，因此该算法保证了刀具的姿态和形状，可以产生较高的精度结果。该模型的结果是通过刀具路径与各自齿轮几何形状的交集的计算生成的，并存储为三维实体部件。Case DataWorkgear dataCutting tool dataProcess
9、parametersSimulation modelRake face tool profile creationProcess kinematics calculationDevelopment of cutting tooltrajectory swept volumeMaterial removal processthrough Boolean operationsCreation of solid chip andworkgear geometriesGear Gap AnalysisCalculation ofinvolute curveRetrieval of gear geome
10、tryCalculation of deviations ofworkgear from involute curveChipAnaIysisRetrieval of chip geometryCalculation of chip cross sectionsCalculation cutting forcesbased on淤（耐谈齿轮图3Skive3D流程图研究结果可以进一步分析，提取出有关切削过程的关键数据。对铁屑几何形状的分析将产生对切削过程中的切削力的估计，而对齿面几何形状的分析可以提供关于齿轮质量的关键数据结果。更详细地说，切削力使用KienZeI的从未变形的铁屑几何特性中估算切
11、削力的方程式。计算过程中，考虑了理想的工具几何形状，而不考虑工具几何测量中的任何刀具磨损或缺陷。如图4所示，SkiVe3D模型的算法自动提取所有切削位置的铁屑截面。这些位置被称为旋转位置，并沿着切削方向按顺序编号。在图4的右上方，显示了这些旋转位置的一个小子集。对于每一个横截面，它分割铁屑几何在基本区域，其中可以应用KienZIeViCtor模型。由此产生的力随后被加起来并转化为平衡坐标系。为了便于说明，Z方向中的切削力如图4所示。Input dataChip geometryCuttingtool dataProcess parametersMaterial dataCuttingforce
12、calculationRetrieverakefacepositionsSectionchipgeometryRetrievetheCrossectionofthechipontherakefaceSegmentthechipinelementaryareasCalculatethetotalcuttingforcesduringapassofthetool图4切削力计算算法齿侧齿面的分析是基于齿轮的仿真代码执行后的固体几何形状。实心齿轮的几何形状包括加工标记和由于刀具轮廓引起的任何形状误差。影响刀具轮廓的系统错位，如破损、刀具角度误差或刀具磨损，也可以包括在模型中。SkiVe3D算法可以计算
13、铅和轮廓偏差。第一步是基于齿轮的几何特性创建设计的渐开线曲线，这条曲线是用来找出理想的和实际加工的几何图形。该曲线还用于计算可以测量齿向偏差的平面。该算法可以提取点云数据，可以进一步分析，以了解齿轮偏差的空间变化。5 .仿真验证模型验证是开发任何模拟算法的关键步骤。因此，Skive3D已经通过切削力的文献和控制齿面几何曲线的分析关系与实验数据进行了验证。图5显示了模拟结果的有效性。从图的左侧可以看出，切削力大小的模拟结果与JanSen的实验结果非常吻合。预测的切削力与实验结果吻合较好，特别是在在大小和形式方面Z和Y方向上。在X方向上，在大小上有很好的一致性。mn=3mm, an=20Deg,
14、hat=3ODeg, hag=ODeg, t=3ODeg z1z2=42126 fa=lmmwrev42CrMo4Vmn=lmm, an=2ODeg, hat=2ODeg, hag=ODeg, t=ODeg z1z2=521O5 fa=0.1mmwrev 42CrMo4V(Erl0 Ual 匚Q313845525966一图, 5切渐力i左）和表面形貌验证（右）Radius (mm) 53.5由于仿真模型是基于切削过程中的非变形铁屑几何动力学现象，因此在计算中没有考虑不同齿面铁屑之间的碰撞、挤压等。由于切削过程的性质，X方向更容易出现这种现象。在图的右侧，将模拟的侧侧几何形状与渐开线曲线轮廓进行
15、了比较。在齿轮轮廓验证的情况下，基于渐开线曲线方程的理想齿侧曲线生成为三维曲线，并根据径向测量了通过Skive3D产生的曲线与实心几何之间的差值。6 .齿轮外齿廓形貌图的研究图5中所述的齿轮齿面部分提供了齿轮质量的情况，然而，该部分的空间变化并不清楚。在SkiVe3D模型中引入了一种新的轮廓算法，该模型负责排除整个齿轮长度上的数据，因此给出了所加工齿轮几何形状中所有偏差的空间图像。图6给出了由该算法生成的偏差图。在图的左侧，是表面的三维视图，而图的右侧是与理想渐开线曲线相比的齿面偏差的顶视图。我们很容易注意到，模拟表面似乎有一系列周期性的进给标记，相对于齿轮的轴倾斜，并与轴向进给相匹配。由于齿轮轴向进给率和模块相对较小，总偏差小于lm-lnn, a-20Deg, 2ODeg,卜t-ODeg, 2./:.-52/105/,-0.X*vrev42CrMoav图6工作齿轮形貌偏差三维视图（左）和顶视图（右）Ci 二euou WQjq cfiffoo可以看出，该仿真模型能够预测从切削过程中产生的进给标记，并可用于验证该过程中使用的进给速度。这些形貌被用于了解关键参数对齿轮形貌偏差的影响。作为研究的一部分，研究了两个关键参数，即切削进给率和刀具倾角。7 .进给速度对齿轮齿面形貌的影响切削进给是生产齿轮质量和零件生产时间的决定因素。与其他过程一样，在车齿
