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螺旋锥齿轮磨削砂轮设计及其磨削过程仿真

杨祎旭  
【摘要】:螺旋锥齿轮是机械传动中的重要零件,其优点是噪音低、承载能力强、传动平稳,被广泛应用在汽车、飞机、机床、工程机械和矿山机械等机械产品中。由于螺旋锥齿轮的设计和制造极其复杂,加工技术极难掌握,因而广泛采用工程近似的方法进行加工。其中螺旋锥齿轮的磨削关键技术一直以来都被美国Gleason等公司垄断。虽然目前我国许多大专院校及研究所在螺旋锥齿轮的磨削加工方法、工艺及齿面修形等方面进行了大量的研究,但是这些研究仍然是基于Gleason、奥利康等的齿面成形机理,加工时避免不了原理误差。 本文基于产形线切齿法,研究了螺旋锥齿轮齿面的生成原理,并根据磨削加工工艺要求对斜直齿螺旋锥齿轮磨削砂轮的结构进行了设计,并运用ANSYS软件对砂轮基体的结构进行模态分析、谐响应分析和应力分析,运用DEFORM-3D软件进行了螺旋锥齿轮的单磨粒磨削仿真实验,最后在数控机床上进行了螺旋锥齿轮的磨削试验。基于新的齿面生成原理的螺旋锥齿轮磨削加工方法的研究,对于改善我国螺旋锥齿轮加工技术受制于发达国家的现状以及我国螺旋锥齿轮加工制造业的发展都具有比较重要的意义。本文所做的主要工作包括以下几个方面: (1)基于产形线切齿原理和磨削加工工艺要求,并考虑到尽可能使砂轮结构简单、加工制作容易、装卸调整方便等因素,对磨削斜直齿螺旋锥齿轮的电镀CBN砂轮的结构进行了设计。主要包括砂轮基体材料的选择、截面形状的确定和基体尺寸的确定,之后进行了砂轮装配方案的设计。在CATIA中建立了砂轮的三维实体模型,并应用AutoCAD绘制了二维工程图,用于砂轮的加工制造。 (2)模态分析是对确定结构的固有频率和固有振型进行分析,是其它动力学分析的基础和起点,而谐响应分析是对确定结构的持续动力特性进行预测。本文应用ANSYS有限元软件对电镀CBN砂轮基体分别进行了模态分析、谐响应分析和应力分析。通过模态分析得到了砂轮基体的固有频率和固有振型,以及砂轮基体在不同固有频率下的振动传递情况;通过谐响应分析得到了砂轮基体在周期载荷作用下的响应,确定了砂轮关键部位的幅值响应;通过应力分析得到了砂轮在一定速度下的应力分布情况。 (3)本文应用有限元仿真软件DEFORM-3D建立了砂轮和工件的热力耦合有限元模型,并进行了单磨粒磨削加工过程的仿真分析,计算出了磨削加工过程中的磨削力和磨削热,得到了磨削力随时间变化的曲线和不同磨削参数对磨削力的影响规律,以及磨削过程中应力、应变和温度场的分布情况。 (4)选择合理的磨削用量在数控机床上进行了螺旋锥齿轮的磨削试验,不仅验证了产形线切齿原理的正确性,同时为产形线切齿原理在实际齿轮加工中的应用奠定了一定的基础。


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