关键词：
小模数齿轮
缓进深切磨削
温度场仿真
残余应力场仿真
摘要：
目前,小模数齿轮在航空航天、工业机器人、精密仪器、新能源等领域的应用越来越广泛,对于高精度、高质量小模数齿轮的需求越来越大。而小模数齿轮整体尺寸小,结构复杂,这使传统加工工艺难以实现高效精密加工。缓进深切磨削工艺是继高速磨削之后发展起来的一种高效精密磨削技术,与普通磨削相比,该工艺切深大、进给速度缓慢,能够在获得零件要求的加工精度和表面质量的同时拥有极高的材料去除率,适用于复杂型面结构的加工。然而缓进深切磨削工艺中磨削烧伤和残余应力以及其它各种热损伤问题依然有待解决。为此,研究缓进深切磨削工艺加工小模数齿轮,理解磨削过程中的温度演变和分布特征,实现小模数齿轮的高效精密加工是有潜力的。本文开展了小模数齿轮缓进深切成形磨削温度仿真与实验研究。
首先,采用陶瓷结合剂CBN砂轮对模数为1.25mm的标准渐开线齿轮齿槽进行了缓进深切磨削加工实验,从磨削功率、磨削烧伤以及砂轮磨损等方面对CBN砂轮磨削性能进行了评价。根据测量的功率信号,分析了在磨削过程中磨削功率的变化趋势。通过金相法和显微硬度法相结合的方式判断磨削烧伤,分析了不同进给速度下齿槽横截面边缘处的金相组织变化和硬度值变化。通过复印法得到了砂轮的轮廓,采用边缘提取的方式间接获取了每次磨削的砂轮轮廓曲线,最终得到了砂轮的宏观和微观磨损情况。
其次,通过分析齿轮缓进深切成形磨削过程中砂轮-工件的接触关系,建立了齿轮齿槽上接触面积和接触弧长分别与磨削参数(工件进给速度、磨削时间、磨削深度、砂轮半径)之间的接触关系模型;基于接触关系模型,建立了砂轮-工件接触面上三维热流密度分布模型,即在进给方向沿接触弧长呈三角形分布,在齿高方向随接触弧长变化的分布规律;通过考虑传入砂轮、工件、磨削液和磨屑各部分的比例,建立了缓进深切磨削热分配比模型,得到了传入工件和磨屑热量之和的比例;在不同的给定磨削参数下,开展了基于‘生死单元’的小模数齿轮缓进深切成形磨削有限元温度场仿真和实验研究。结果表明,1)在同一磨削参数下两侧材料充足时齿槽磨削温度较低,两侧材料不足时温度最高,两侧材料不对称时,材料少的一侧磨削温度较高,材料多的一侧磨削温度较低。另外随着进给速度的增大,磨削温度均会不同程度的增大,对于两侧材料不对称的几何磨削环境,材料较少侧更容易发生磨削烧伤。2)随着磨削过程的进行,磨削接触区面积以及磨削深度的不断变化,磨削温度的最高值出现在切出段。
最终,以砂轮-工件接触面上三维温度场分布结果为热载荷,开展了小模数齿轮缓进深切成形磨削齿槽应力场仿真分析工作,分析了所加工齿槽两侧均有材料、一侧有材料,一侧无材料、以及两侧均无材料三种情况下的残余应力场分布特征。结果表明,1)残余应力在工件表面是非均匀分布的,且集中在磨削出口处。2)磨削热在工件表面产生的应力为磨削拉应力,三种情况下工件的齿底和两齿廓面分布着残余压应力,在靠近磨削出口处的齿顶位置集中着残余拉应力,最大残余应力均分布在磨削出口处。
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