CAD-based simulation of spiral bevel gear manufacturing processes and investigation of optimal process parameters

Abstract

The present doctoral dissertation focuses on the simulation of spiral bevel gear manufacturing processes. The ultimate goal of the study is to build the necessary simulation models for the optimization of the spiral bevel gear machining methods so that costly machining experiments can be avoided. The kinematics of the two most important spiral bevel gear machining processes, face milling and face hobbing, are simulated using BevelSim3D, an algorithm developed as part of this thesis. The algorithm models the blank gear, either pinion or crown, and cutting tool geometries, and creates the tool trajectory achieving the simulation of the process kinematics. As a result, the tooth flank generation and chip formation processes are revealed and the solid work gear and undeformed chip geometries are generated. The generated tooth flank topography can be used for further analysis to determine the effect of process parameters on tooth surface quality. To validate the simulation results, the BevelCurve3D algorithm is developed to compare the simulated tooth surface to the theoretical one. The validation process is carried out using a simple geometric approach by comparing the simulated with the theoretical 3D tooth surface coordinates and calculating the deviation between them. In addition to evaluating the surface topography, kinematic simulation can also be used to calculate the cutting forces that occur during the process. Utilizing the simulation results, the BevelForce3D algorithm calculates the cutting forces by analyzing the undeformed chip geometry. This is realized by dividing the solid chip geometry into elementary chips. Local cutting forces calculated on the revolving tip of the cutting blade can be used to predict tool wear, whereas global forces calculated at a fixed point on the work gear can be used to predict work gear deformation and specify the fixture type and clamping force that must be applied prior to machining. Finally, after the simulation and cutting forces algorithms are developed, several simulations are executed to investigate the effect of crucial cutting parameters on the quality of the simulated surface and the developed cutting forces. More specifically, the study revealed that generation feedrate has a major effect on the quality of both tooth flanks and finishing stock allowance, plunge feedrate and generation feedrate greatly impact the developed cutting forces.

H παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην προσομοίωση της κατασκευής ελικοειδών κωνικών οδοντώσεων. Ο στόχος της συγκεκριμένης μελέτης είναι η δημιουργία των κατάλληλων προσομοιωτικών εργαλείων για την ανάλυση και βελτίωση των κατεργασιών κοπής ελικοειδών κωνικών οδοντώσεων χωρίς να είναι απαραίτητη η διεξαγωγή χρονοβόρων και δαπανηρών πειραμάτων κατεργασίας. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής αναπτύχθηκε το προσομοιωτικό μοντέλο BevelSim3D το οποίο βασίζεται σε ένα αναγνωρισμένο σύστημα CAD. To μοντέλο επιτυγχάνει την κινηματική προσομοίωση των δύο σημαντικότερων κατεργασιών κοπής ελικοειδών κωνικών οδοντώσεων, του μετωπικού φραιζαρίσματος (FM - face milling) και του μετωπικού φραιζαρίσματος με κύλιση (FH - face hobbing). Αποτέλεσμα της κινηματικής προσομοίωσης των κατεργασιών είναι η μοντελοποίηση της προσομοιωμένης γεωμετρίας του εκάστοτε κωνικού οδοντωτού τροχού και η παραγωγή των απαραμόρφωτων στερεών αποβλίττων που προκύπτουν ως αποτέλεσμα της κατεργασίας. Οι γεωμετρίες που προκύπτουν από την προσομοίωση χρησιμοποιούνται για την περαιτέρω ανάλυση και διερεύνηση της κατεργασίας. Πιο συγκεκριμένα, η τρισδιάστατη γεωμετρία του οδοντωτού τροχού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διερεύνηση της επίδρασης των παραμέτρων της κατεργασίας στην ποιότητα της κατεργασμένης επιφάνειας. Αντίστοιχα, τα τρισδιάστατα απαραμόρφωτα απόβλιττα χρησιμοποιούνται για την ανάλυση της διαδικασίας δημιουργίας του αποβλίττου της κατεργασίας καθώς και τον υπολογισμό των δυνάμεων κοπής. Για την επαλήθευση του μοντέλου προσομοίωσης αναπτύχθηκε ο κώδικας BevelCurve3D, ο οποίος συγκρίνει την τελική προσομοιωμένη επιφάνεια του δοντιού με τη θεωρητική επιφάνεια που εξάγεται από ένα αναγνωρισμένο λογισμικό υπολογισμού και σχεδιασμού οδοντώσεων. Επιπλέον, αναπτύχθηκε ο αλγόριθμος BevelForce3D, ο οποίος κάνει χρήση των αποτελεσμάτων της κινηματικής προσομοίωσης, και πιο συγκεκριμένα των απαραμόρφωτων αποβλίττων της κατεργασίας, για τον υπολογισμό των δυνάμεων κοπής. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της ανάλυσης της στερεής γεωμετρίας του κάθε αποβλίττου η οποία διακριτοποιείται σε στοιχειώδη απόβλιττα. Οι τοπικές δυνάμεις κοπής, οι οποίες υπολογίζονται στην κοπτική ακμή του εργαλείου, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην πρόβλεψη της φθοράς του εργαλείου. Οι καθολικές δυνάμεις κοπής, που υπολογίζονται σε ένα σταθερό σημείο του κατεργαζόμενου τροχού, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην εκτίμηση της απαραίτητης δύναμης συγκράτησης του κατεργαζόμενου τροχού, στην επιλογή της κατάλληλης διάταξης συγκράτησης αλλά και στην εκτίμηση της παραμόρφωσης του οδοντωτού τροχού ως αποτέλεσμα της κατεργασίας.Τέλος, μετά την ανάπτυξη των αλγορίθμων προσομοίωσης και υπολογισμού των δυνάμεων κοπής, πραγματοποιήθηκε μια σειρά προσομοιώσεων για τη διερεύνηση της επίδρασης κρίσιμων παραμέτρων της κατεργασίας στην ποιότητα της προσομοιωμένης επιφάνειας αλλά και στις αναπτυσσόμενες δυνάμεις κοπής. Πιο συγκεκριμένα, η μελέτη ανέδειξε τη μεγάλη επίδραση της πρόωσης κύλισης στην ποιότητα της τελικής προσομοιωμένης επιφάνειας αλλά και την απόκλισή της από την θεωρητική επιφάνεια για τις κατεργασίες face hobbing και face milling. Επιπλέον, μελετηθηκε η επίδραση τριών κρίσιμων παραμέτρων στις δυνάμεις κοπής σε κατεργασία face hobbing κορώνας, και συγκεκριμένα η επίδραση της πρόωσης ξεχονδρίσματος, της πρόωσης κύλισης σε κατεργασία μονού σταδίου και του εναπομείναντος προς αποπεράτωση υλικού. Διαπιστώθηκε ότι και οι τρεις παράμετροι επιδρούν σημαντικά στο μέγεθος και τη μορφή των δυνάμεων κοπής της κατεργασίας.