等前角圆弧剐齿刀剐削过程热-力耦合建模与分析制造技术

本发明专利技术涉及剐齿加工领域，特别是等前角圆弧剐齿刀剐削过程热‑力耦合建模与分析，以弥补现有剐齿加工过程中对切削力和切削热研究的空白。本技术方案的建模方法为基于剐削热的生成机制，以剐削过程中的切削速度、切削受力、刀‑屑接触特性和切削温度作为参数，将剐削过程转化为斜角切削过程以建立模型的方法。本技术方案的分析方法为设定与理论计算相同的参数，进行等前角圆弧剐齿刀剐削加工内圆弧直齿齿轮的剐削实验，并采集切屑温度和刀具温度。相对于背景技中所有的剐削研究理论，本技术方案属于开创性发明专利技术，在以建立了切削热传递模型，结合切屑几何形态研究了切屑载热能力和温升的量化表征。

【技术实现步骤摘要】
等前角圆弧剐齿刀剐削过程热-力耦合建模与分析
本专利技术属于剐齿加工领域，具体是等前角圆弧剐齿刀剐削过程热-力耦合建模与分析。
技术介绍
剐齿加工技术是一种全新的齿轮加工技术，该技术直到21世纪以来才真正得以实现。剐齿加工技术不但能够完成薄壁、非贯通内斜齿等特殊结构齿轮的加工，而且具有高效、高精、绿色环保等特点。因此，众多学者对剐齿加工技术进行了研究。Spath和Volker等从刀具设计和剐削性能两方面对剐齿加工技术进行了研究。Hartmut和Stadtfeld等针对剐齿加工方法进行了研究，并取得了相应刀具方面的专利。李佳等以圆柱齿轮加工为载体对剐齿加工原理进行了研究，提出了剐齿加工成形运动模型。郭二阔等提出了一种Skiving刀具设计方法，通过修正压力角以减少刃形误差。毛世民等对前苏联提出的车齿技术(工艺方法与剐齿类似)进行了研究，分析了车齿齿形及加工齿面的理论误差。尽管众多学者和齿轮制造厂商已经在剐齿加工技术方面取得了突破性的研究成果，但是该技术的相关难题至今尚未被攻克，比如，切削加工过程中刀具干涉严重、齿形两侧齿面加工质量本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.等前角圆弧剐齿刀剐削过程热-力耦合建模，其特征在于：基于剐削热的生成机制，以剐削过程中的切削速度、切削受力、刀-屑接触特性和切削温度作为参数，将剐削过程转化为斜角切削过程以建立模型的方法。/n

【技术特征摘要】
1.等前角圆弧剐齿刀剐削过程热-力耦合建模，其特征在于：基于剐削热的生成机制，以剐削过程中的切削速度、切削受力、刀-屑接触特性和切削温度作为参数，将剐削过程转化为斜角切削过程以建立模型的方法。


2.根据权利要求1所述的等前角圆弧剐齿刀剐削过程热-力耦合建模与分析，其特征在于：包括以下步骤；
S1，基于单齿-齿槽为载体，将处于切削状态的刀齿-齿槽等效为斜角切削，并根据参与切削的切削刃建立相应的切削平面、基平面和等效截面；
S2，根据设定的剐齿刀具转速和工件进给速度，并结合曲面共轭剐齿刀设计原理定量表示参与切削的切削刃的切削速度；S3，在等效截面上建立局部坐标系，用以阐述前刀面和剪切面上的受力与速度关系；
S4,基于金属切削理论，根据能量守恒原理，并结合几何关系定量表示刀-屑接触长度；
S5，将步骤4中等效截面划分为剪切变形区、工件、切削和刀具，此时将切削速度转化为矢量坐标，利用三角函数关系将切削速度表达为剪切带速度、剪切滑移速度、等效截面前角和等效截面切角，具体化刀具与工件之间的瞬时齿槽；
S6,将产生的切屑进行受力分析，在忽略刀面发生磨损的情况下，分析切屑的受力来源，①前刀面的压力和摩擦力②工件剪切面的法向压力和剪切力，在稳定切削状态下，切屑受力平衡；
S7，考虑到工件材料在切削加工过程中的热软化对刀具-切屑接触面摩擦系数的影响，构建摩擦角和剪切角，以模拟表达前刀面剐削时的摩擦系数和温度之间的关系；
S8，基于上述步骤构建的参数，表达剪切变形热、刀-屑摩擦热、刀具-工件摩擦热，其中影响切屑温度的热源主要包括剪切变形热源和刀-屑摩擦热源，随后引入工件材料的热扩散系数、剪切变形区的相对滑移、面积系数、刀具材料的热导率、工件材料的热导率、刀具初始温度、切屑的热导率和切屑的热扩散系数以表达模拟工件材料的应变硬化、应变率硬化以及热软化之间的关系；
S9，在剐削过程中代入JC模型作为金属材料的本构模型推导塑性材料流动时的剪切本构模型，以塑性剪切功的热转换系数参数表达刀-屑摩擦引起的温升随后利用泰勒展开以推导以下情况：
A)剪切变形区温度；
B)由刀-屑摩擦引起的温升；
C)刀-屑接触面上任意点处由刀-屑摩擦引起的温升；
D)刀-屑接触面上由刀-屑摩擦引起的平均温升；
E)由刀-屑摩擦引起的切屑上任意点处的温升和平均温升；
F)由刀-屑摩擦引起的刀具前刀面上任意点处的温升和平均温升；
G)将由剪切变形和刀-屑摩擦分别引起的切屑温升与工件初始温度求和，可得切屑上任意点处的温度和平均温度；
H)由刀-屑摩擦引起的刀具温升与刀具初始温度求和，可得刀具前刀面上任意点处的温度和平均温度；
S10，进行剐削过程热-力耦合模型计算参数，借助DEFORM-3D有限元软件进行仿真。


3.根据权利要求2所述的等前角圆弧剐齿刀剐削过程热-力耦合建模与分析，其特征在于：所述S1中切削平面、基平面和等效截面分别以Ps、Pr和Pe表示，tp表示参与切削的切削刃切向矢量，np表示前刀面的法向矢量，lp表示等效截面与前刀面交线方向上的矢量，lr表示等效截面与基平面交线方向上的矢量，lp和lr之间的夹角即为等效截面前角γe，vx表示参与切削的切削刃上的切削速度，而且vx垂直于lr。


4.根据权利要求3所述的等前角圆弧剐齿刀剐削过程热-力耦合建模与分析，其特征在于：所述步骤2中切削速度vx为：
vx＝ω2×r2-ω1×r1-f(1)
式中，



上述公式中，ω1和ω1分别表示齿轮工件转速的矢量和标量，ω2和ω2分别表示剐齿刀具转速的矢量和标量，f和f分别表示进给速度的矢量和标量，r1和r2分别表示工件坐标系中的工件齿面和刀具坐标系中的共轭面，i1、j1、k1分别表示工件坐标系的三个坐标轴的单位矢量，k2表示刀具坐标系z向坐标轴的单位矢量，a表示剐齿刀具和齿轮工件的中心距。


5.根据权利要求4所述的等前角圆弧剐齿刀剐削过程热-力耦合建模与分析，其特征在于：所述步骤4中将等效截面定义为Pe其中切屑流动速度为vch，则各个速度之间的关系可用以下公式表示：



式中，vn表示垂直于剪切带的速度分量，vs1和vs2表示剪切变形区域内的剪切滑移速度，γe表示等效截面前角，φe表示等效截面剪切角。


6.根据权利要求5所述的等前角圆弧剐齿刀剐削过程热-力耦合建模与分析，其特征在于：所述步骤6中刀具前刀面的压力表示为Fn和摩擦力表示为Ff，Fn与Ff的合力表示为Fr，工件剪切面的法向压力为Fns和剪切力为Fs，Fns与Fs的合力为Frs；
在稳定切削状态下，切屑受力平衡，根据受力平衡原理可以推导得到各力之间的关系式为：



式中，Fx表示主切削力，Ft表示切深抗力，βe表示刀屑接触面的摩擦角，切屑受到工件剪切面的剪切力Fs为：



式中，akc表示切削厚度，akw表示切削宽度，σs表示工件材料的屈服强度，ψλ表示流屑角。


7.根据权利要求6所述的等前角圆弧剐齿刀剐削过程热-力耦合建模与分析，其特征在于：所述步骤7和步骤8中考虑到工件材料在切削加工过程中的热软化对刀具-切屑接触面摩擦系数的影响，前刀面接触区的摩擦系数和温度之间存在的关系可用下式表达
μ(T)＝0.41-0.103(T-25)/1000(6)
由摩擦系数可进一步求得摩擦角
βe＝arctanμ(7)；
剪切角根据Lee-Shaffer方程可得



前刀面最大压应力，假设前刀面上的压应力垂直指向前刀面，压应力大小服从指数分布



式中，σr表示前刀面压应力，σro表示前刀面所受到...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴晓强，王利华，乌兰，齐伟，闫伟，
申请(专利权)人：内蒙古民族大学，
类型：发明
国别省市：内蒙古;15