Προσομοίωση της κατεργασίας οδοντώσεων με φραιζάρισμα με κύλιση και διερεύνηση των τεχνολογικών της παραμέτρων

Abstract

Every high performance gear transmission module is composed of involute gears. External involute gears can be manufactured with a series of methods, the most widely applied of which being gear hobbing. The prediction of the quality of the produced gear and the determination of the cutting forces involved are of great importance. The present thesis introduces a novel simulation code called HOB3D that simulates the process of gear hobbing. This code can simulate the complex movements involved in gear hobbing with the best available accuracy, which is achieved by embedding the developed algorithm in a commercial CAD environment. The simulation code calculates the solid gap and non-deformed chip geometries. The latter where used to calculate the total cutting forces as well as the cutting forces in every cutting edge involved in the cutting process using Kienzle Victors’ equations. These equations predict the cutting forces in relation to the non-deformed chip geometry dimensions in the rake face of the cutter. The results of the model have been verified either with the use of analytic equations and experimental results, in the case of the profile of the produced gear gap, or with the use of experimental results found in the references, regarding the cutting forces. HOB3D is also equipped with a fully functional user friendly graphical user interface where the user can enter the simulation data, keep track of the simulation course, view and analyze the results. Moreover, a finite element program was used to simulate the flow of the chip in the confined space of a gear gap, as well as the determination of the developed cutting forces. Appropriate pre-processors were developed in order to prepare the data taken from HOB3D for an easier and error proof insertion in the finite element program selected. In order to verify the results of the model, the trajectories that the cutter forms where compared to the ones created by ΗΟΒ3D. The cutting forces that were calculated were also verified with the HOB3D corresponding results. Finally, the effect of the different machining data on the resulting cutting forces was studied. Parameters like the module and the number of teeth of the produced gear, the number of hob columns and origins, and the axial feed was studied with respect to the maximum and minimum developed cutting force components.

Η κατασκευή οδοντώσεων συνθέτει διεθνώς μια από τις πλέον σημαντικές παραγωγικές διαδικασίες, με υψηλό τεχνολογικό και οικονομικό ενδιαφέρον. Είναι χαρακτηριστικό ότι ο αριθμός των παραγόμενων οδοντωτών τροχών υψηλής ακρίβειας ξεπερνά τα ένα δισεκατομμύριο τεμάχια ετησίως. Ως εκ τούτου, είναι φανερό ότι η βελτιστοποίηση του παραγωγικού εξοπλισμού, των διαδικασιών και της ποιότητας των τελικών προϊόντων στις κατεργασίες οδοντώσεων συνθέτουν θέματα ερευνητικής αιχμής. Η συντριπτική πλειοψηφία των τελικών προϊόντων οδοντώσεων παράγεται μέσω της κατεργασίας του φραιζαρίσματος με κύλιση οδοντώσεων (gear hobbing). Η σύνθετη κινηματική της εν λόγω κατεργασίας, αλλά και η πολύπλοκη γεωμετρία των κοπτήρων, αποτελούν δύο μόνο από τα σημαντικά προβλήματα που ανακύπτουν, μέσω των προσπαθειών βελτιστοποίησής της. Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου μοντέλου (HOB3D) με τη βοήθεια ενός συστήματος CAD, το οποίο θα είναι σε θέση να προσομοιώσει την κατεργασία οδοντώσεων με φραιζάρισμα με κύλιση. Για την καλύτερη υλοποίηση του στόχου χρησιμοποιήθηκε η ακρίβεια ενός εμπορικού πακέτου CAD για τη μοντελοποίηση της γεωμετρίας του κοπτικού εργαλείου καθώς και για τη μοντελοποίηση της σύνθετης κινηματικής της κατεργασίας. Έτσι τα παραγόμενα αποτελέσματα του μοντέλου έχουν τη μέγιστη δυνατή ακρίβεια και περιλαμβάνουν τη τρισδιάστατη γεωμετρία του τελικού τροχού και όλων των ενδιάμεσων απαραμόρφωτων αποβλίττων και τις αναπτυσσόμενες δυνάμεις κοπής. Τα αποτελέσματα του μοντέλου επιβεβαιώθηκαν επίσης, είτε με αναλυτικές σχέσεις και πειραματικά δεδομένα στη περίπτωση της γεωμετρίας της παραγόμενης αυλάκωσης, είτε με αποτελέσματα πειραμάτων που αντλήθηκαν από τη βιβλιογραφία και αφορούν τις δυνάμεις κοπής, τόσο σε κάθε ένα κοπτικό δόντι, όσο και συνολικά σε όλο το κοπτικό εργαλείο. Το μοντέλο εξοπλίστηκε με ένα πλήρως λειτουργικό περιβάλλον μέσα από το οποίο ο χρήστης μπορεί να εκπονήσει προσομοιώσεις καθώς και να αναλύσει τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων αυτών. Στη συνέχεια και προκειμένου να συγκριθεί το μοντέλο που αναπτύχθηκε με αντίστοιχα γενικότερα μοντέλα που χρησιμοποιούν πεπερασμένα στοιχεία, αναπτύχθηκε αντίστοιχο μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων με τη βοήθεια του λογισμικού Deform. Το μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για την ανάλυση της ροής του αποβλίττου μέσα στο αυλάκι καθώς και, επιπλέον των ανωτέρω, για επιβεβαίωση των υπολογισμένων με το λογισμικό HOB3D απαραμόρφωτων αποβλίττων και των αναπτυσσομένων δυνάμεων κοπής. Για την κατασκευή του μοντέλου πεπερασμένων στοιχείων χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από το μοντέλο προσομοίωσης με χρήση συστήματος CAD για τους συμμετέχοντες παράγοντες της κοπής (εργαλείο, τεμάχιο) ενώ τα αποτελέσματά του επιβεβαιώθηκαν με αντίστοιχα αποτελέσματα από τη διεθνή βιβλιογραφία. Τέλος, έγινε διερεύνηση των βέλτιστων συνθηκών κατεργασίας ανά περίπτωση, με βάση το μοντέλο που αναπτύχθηκε