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电镀CBN硬珩轮珩齿机理及动态仿真分析

张满栋  
【摘要】: 齿轮制造创新技术的研究和应用,是提高齿轮传动质量的关键环节。齿轮的齿形及齿距误差,直接影响其传递扭矩的能力。齿面的微观几何形貌,则对齿轮传动产生的噪声,以及使用性能和寿命影响很大。为了提高现有齿轮的承载推力,各国普遍采用硬齿面技术,即通过提高齿面硬度以缩小装置的尺寸。 对于渐开线淬硬齿面齿轮精加工,我国现行的方法主要是采用磨齿或软珩齿。磨齿加工虽能满足齿形精度要求,但其生产效率低、成本大,导致产品竞争力下降,并且齿面的微观几何形貌也不利于降低齿轮的传动噪声。而软珩轮基体是弹性体,因而导致软珩轮的静态精度在珩齿时将遭到破坏,并倾向于服从齿坯的精度,导致软珩齿加工质量不稳定。 用超硬材料立方氮化硼(CBN)与金属结合剂电镀于钢质基体上,制成的电镀CBN硬珩轮,由于其基体具有很好的刚性,使得被加工齿轮不仅可明显改善表面质量,而且对齿形误差、齿向误差、周节累积误差等可得到有效校正,加工效率也将显著提高。 然而,由于种种原因,用电镀CBN硬珩轮对淬硬齿面精加工,还存在诸多问题亟待探讨和解决,硬珩轮的珩齿机理以及硬珩轮的制作技术也未得到圆满解决。本文在此方面进行了一些深入探讨,并得到一些有益的结论,为推广电镀CBN硬珩轮对淬硬齿面的加工技术具有重要的现实意义。本文主要进行了以下几方面的工作: 运用齿轮啮合、微分几何、磨削加工、摩擦学、弹性力学等理论,推出了珩齿加工珩削深度的计算模型和各个相关参数的计算方法,实现了对珩齿加工齿形误差的理论预测,揭示了硬珩齿加工齿形误差(如中凹和挖根误差)形成的内在因素,这一切均与实际相吻合。 实现了珩磨轮和齿轮的参数化建模和参数化装配,对构成珩磨轮齿面的渐开线实现样条化处理,并对样条上的型值点实现了参数化,为珩磨轮齿面优化修形奠定了基础。 运用有限元动态分析软件,根据实际加工条件确定模型的边界条件,对电镀CBN硬珩轮珩齿过程进行了动态仿真分析,通过对接触应力数据的采集,得到了接触应力沿啮合点的分布图,进一步揭示了齿面接触应力波动造成齿形误差的内在原因,也揭示了因重叠系数不同即齿数变化,造成齿形误差的差异。运用有限元静态分析方法,揭示了被珩齿轮齿面法向变形趋势,也从另一方面揭示了齿形误差趋势。 利用有限元分析及优化软件,对珩磨轮齿面进行优化修形,通过对样本点回归分析,得到了齿形修改参数的最佳值,反馈到珩磨轮CAD模型,实现了珩磨轮齿面修形,齿面接触应力分布有了较大改观,为指导生产实践提供了有力保障。 研究表明,采用电镀CBN硬珩轮珩齿加工,在齿形中部(尤其在齿数较少时),因接触应力波动较大,会产生齿形“中凹”误差,而在齿根部分,因珩削滑移距离最大,接触应力也较大而产生“挖根”误差,在珩磨轮制作方面应考虑上述因素,从而达到降低齿形误差,提高珩齿加工质量的目的。毫无疑问,这些研究结论对生产实践有重要的指导意义。


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