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螺旋锥齿轮磨削界面力热耦合与表面性能生成机理研究

明兴祖  
【摘要】: 螺旋锥齿轮是国防、能源、运载、装备制造业及交通等领域中重要装备的关键零件,其精密加工方法广泛采用数控磨削。由于螺旋锥齿轮空间形状和加工过程复杂,其磨削关键技术长期被美国Gleason等公司垄断,我国在近十年也研发出了螺旋锥齿轮磨削机床,但磨削质量的提高一直我国螺旋锥齿轮制造的难点。美国Gleason公司磨齿机加工螺旋锥齿轮可达2级精度,而国内目前螺旋锥齿轮磨削仅能达4-6级精度,易产生磨削表面粗糙度不稳定、磨削烧伤与裂纹等表面质量缺陷。螺旋锥齿轮磨齿质量与磨齿机及磨齿工艺密切相关,提高磨齿机本体精度及认识磨齿机理、实现磨齿参数的最优预控是解决我国螺旋锥齿轮磨削质量问题的根本途径,而我国目前在螺旋锥齿轮磨削机理及工艺参数控制方面的研究尤其缺乏。本论文以提高螺旋锥齿轮磨削表面质量为目的,根据螺旋锥齿轮加工原理与工艺特点,开展螺旋锥齿轮磨削界面力热耦合与表面性能生成机理的研究,主要内容叙述如下。 螺旋锥齿轮磨削界面力热耦合机理研究。根据螺旋锥齿轮六轴五联动数控加工原理,进行了螺旋锥齿轮磨削调整计算与磨削机理分析,建立了物理意义上的磨削力计算公式,应用单磨粒热模型得出了热量分配比,采用矩形分布热源计算了磨削热流量;采用数值有限元方法建立了螺旋锥齿轮3D单齿模型。在此基础上,运用热传导理论、热弹塑性理论,对螺旋锥齿轮磨削温度场进行了力热耦合的有限元仿真分析,并进行了实验验证。采用PRANDTL-REUSS方法,建立了磨削界面应力应变场本构关系,仿真分析了螺旋锥齿轮不同齿面磨削位置的应力与应变场分布。 螺旋锥齿轮磨削残余应力及其影响因素研究。结合螺旋锥齿轮啮合原理,运用矢量分析法建立齿面方程,通过“自底向上”的实体建模方法建立了分析螺旋锥齿轮磨削残余应力的实体模型。根据VonMises屈服准则、Mises流动准则和MISO模型建立了齿轮的材料关系模型。按照Gleason接触原理,得出了磨削基本参数的数学模型。基于力热耦合,对螺旋锥齿轮磨削残余应力进行了模拟分析,并进行了实验验证,得出了磨削残余应力随磨削工艺参数变化的规律。 螺旋锥齿轮磨削表面粗糙度研究。运用空间坐标变换原理,通过构造弧齿锥齿轮展成磨削的齿面坐标系、刀具切削面和磨削啮合方程,建立了磨削齿面的数学模型。根据磨削表面粗糙度的包络形成机理及其影响因素分析,采用齿面网格节点的约束求解法计算磨削加工轨迹;然后,由沿齿高方向的各横向截面上2D理论残留面积高度,得出3D理论残留面积高度,并考虑塑性侧向隆起现象,建立了螺旋锥齿轮磨削表面粗糙度的理论模型,并进行了实验验证,得出了磨削工艺参数对磨削表面粗糙度的影响规律。 螺旋锥齿轮磨削表层性态实验研究。运用力热耦合机理和位错理论,实验检测与分析了螺旋锥齿轮磨削表层显微硬度、组织的变化规律。通过对螺旋锥齿轮磨削温度、表层显微硬度与组织的检测与分析,得出了产生磨削烧伤的临界条件,获得了磨削烧伤与裂纹的生成规律与影响因素。 在上述的磨削界面力热耦合与表面性能生成机理研究基础上,进行了螺旋锥齿轮磨削工艺参数优选与磨削表面性能的实验优化分析。根据磨削正交实验结果,采用极差分析法和方差分析法,获得了螺旋锥齿轮磨削工艺参数优选配置。运用多元非线性最小二乘法,得出了磨削评价指标的实验回归模型。通过磨削表面性能的实验优化分析,磨削表面粗糙度Rα值比一般磨削工艺下要小0.1μm以下,其它磨削表面综合性能良好,为螺旋锥齿轮磨削表面质量的提高提供了依据。


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