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電鍍CBN硬珩齒加工過程分析及齒面優化

電鍍CBN硬珩齒加工過程分析及齒面優化

用標準漸開線電鍍CBN硬珩齒刀加工齒輪后,一般情況下在齒輪節圓附近會出現“中凹”誤差,但是,“中凹”誤差形成的因素很復雜,很難用解析法給出精確的解釋,為此,利用 Pro/E軟件和ANSYS軟件,對電鍍CBN硬珩齒加工過程進行模擬接觸分析,得到齒輪接觸面上的等效應力,找到其應力集中的部位,認為該部位即為“中凹”誤差產生的地方。并且根據這一區域的數據對齒面進行優化,減少其應力集中現象,通過回歸分析,使其接觸應力最大值降到整齒嚙合過程中的平均值。在制作電鍍CBN硬珩齒刀時,對珩齒刀齒面進行必要的修形,消除或減小齒形誤差,提高被加工齒輪的加工精度,這對于進一步推廣這種珩磨技術具有重要意義。

電鍍立方氮化硼(CBN)硬珩齒加工技術具有硬度高、精度高、珩削效率高及壽命長等特點。用電鍍CBN硬珩齒刀加工齒輪,能有效改善被加工齒輪的表面質量,明顯修正齒輪的齒形誤差和齒向誤差,可以對熱處理后的硬齒面齒輪進行精加工。然而,用標準漸開線電鍍CBN硬珩齒刀加工齒輪后,一般情況下在齒輪節圓附近會出現"中凹"誤差。"中凹"誤差的形成明顯會影響到被加工齒輪的傳動精度,增大傳動噪聲,縮短齒輪使用壽命;為此,筆者運用Pro/E軟件和ANSYS軟件,對電鍍CBN硬珩齒加工過程進行模擬接觸分析,得到了齒輪接觸面上的等效應力,找到其應力集中的部位,而應力集中的位置和程度與齒形誤差有一定的對應關系。根據這一對應關系,認為該應力集中部位即為"中凹"誤差產生的地方。

本文通過回歸分析,得到了珩齒刀齒面型值點坐標與齒輪接觸最大應力之間的關系,以此對齒輪表面進行優化,減少其應力集中現象。

珩齒加工實體建模

首先基于Pro/E軟件平臺,對珩齒刀和被加工齒輪進行參數化實體建模。本文選用實際生產中常用的標準盤狀硬珩齒刀,其基本參數為:

法向模數mn=4mm,齒數z=53,法向壓力角αn =20°,螺旋角β=15°,齒寬B=20mm。

被加工齒輪基本參數為: 法向模數 m'n=4mm,齒數z'=19,壓力角α'n=20°,螺旋角β'=0°,齒寬B'=20mm。

需要注意的是硬珩齒刀用漸開線方程生成的齒廓曲線需要用樣條曲線表示,而且在Pro/E軟件中會自動在樣條曲線適當位置添加一定數量的型值點,保存型值點參數文件,方便以后在珩齒刀齒面優化設計中使用。把硬珩齒刀和被加工齒輪實體模型進行仿真嚙合裝配,并將裝配模型拉動到某一輪齒剛進入接觸的位置,從這一瞬態開始,進行下一步的接觸應力迭代運算。

珩齒接觸分析

硬珩齒刀與被加工齒輪的嚙合過程是以交錯軸圓柱齒輪嚙合原理為基礎的,是典型的點接觸無側隙嚙合,是一個既滑動又滾動的復雜摩擦過程。在珩磨滑移過程中,硬珩齒刀與被加工齒輪可以看作是彈塑性體之間的接觸。隨著珩齒刀表面切削磨粒切入齒輪表面,會形成一定的壓切深度,這樣齒面間的點接觸就變成了很小的面接觸。

模型的網格劃分

基于ANSYS軟件與Pro/E的連接模塊,將Pro/E中的裝配模型導入ANSYS中,進入LS-DYNA 模塊。為了提高計算效率,需要對模型進行修改簡化,將珩齒刀和被加工齒輪只保留相接觸輪齒和相鄰輪齒。選擇單元類型為4節點顯式結構薄殼單元和8節點顯式結構實體單元。定義硬珩齒刀為剛體,被加工齒輪為雙線性等方材料及相關材料性質。在劃分網格時,需對整個模型進行網格控制,接觸面附近網格細分,這樣可得到更精確的計算結果,而其他部位網格稀疏一些,方便計算。但是單元尺寸的差度一般不要太大,否則會出現長條畸形單元,容易產生計算錯誤。接觸面網格化模型如圖1 所示。

在珩齒嚙合過程中,把珩齒刀定義為主動,被加工直齒輪定義為從動。對珩齒刀上部的圓弧面進行圓柱約束,軸向固定,切向自由,給珩齒刀施加20rad/s的轉速,以模擬真實工況下珩齒刀帶動被加工齒輪自由旋轉。對被加工齒輪下部的圓弧面進行全約束,施加一個反向的76N·m力矩,以壓緊兩接觸面。

求解運算結果分析

設置求解控制參數后便可進行計算。在ANSYS的后處理器中,可以顯示接觸面的接觸應力、間隙和位移等結果。本文就一個齒面接觸過程一共設置了80個子步,主要關心嚙合面上的接觸應力。齒面接觸應力云圖如圖2所示。

 
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