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制造技术与机床:成形法加工螺旋锥齿轮切削力模型研究

2023-05-24
摘要:本文通过推导成形法铣齿过程中的瞬时未变形切削面积,结合剪切区应力计算结果,构建了成形法加工螺旋锥齿轮大轮的瞬时切削力模型,并设计实验对理论模型进行了验证。

  【作 者】罗静;康先强

  【前 言】

  锥齿轮机床铣齿切削力研究一直是切削过程研究的重点问题,同时也是铣齿振动刀具磨损、工艺参数优化等研究的基础。目前对铣齿切削力建模的方法主要包括3种:一是根据金属切削理论,将切削力表达为进给量、主轴转速和背吃刀量等加工参数的函数,但这种方法需要进行大量的正交实验,确定加工参数前面的系数;二是机械模型,将刀具切削刃沿轴向进行离散,对离散后的微段切削刃进行求解,对微段切削刃积分即可求解出刀具上的切削力;三是根据简化切削力模型,将切削力当作切削面积和切削力系数的乘积,其中切削力系数由刀具材料和齿坯材料决定。

  对于上述模型,国外Yang Y[1]、 Pradeep K B[2]、Korkut I[3]等学者分别对其进行了相应的应用。Andersson C[4]建立了一种适用于多齿加工的切削力模型,对各参数与总切削力之间的影响进行了分析。国内贾新杰[5]通过正交实验标定铣削力系数,并对瞬时切削面积进行推导,建立了成形法加工螺旋锥齿轮大轮切削力模型,但铣削力系数是通过正交实验进行标定,应用效率需要进一步提高。王勇[6]采用切人法加工螺旋锥齿轮大轮的原理,推导了齿坯、刀具和机床坐标系的关系模型。石锐[7]等人根据材料Johnson-Cook本构方程和斜角切削理论,对剪切区的剪切应力进行计算,并结合瞬时切削面积构建展成法粗铣小轮的铣削力模型。Zheng F Y[8]等人对展成法加工螺旋锥齿轮过程中的未变形切屑面积进行了归纳总结,在此基础上提出了一种高效、准确的面铣切削力预测模型。

  本文通过推导成形法铣齿过程中的瞬时未变形切削面积,结合剪切区应力计算结果,构建了成形法加工螺旋锥齿轮大轮的瞬时切削力模型,并设计实验对理论模型进行了验证。

  【结 语】

  (1)通过推导成形法加工螺旋锥齿轮过程中的瞬时未变形切削面积,结合齿坯材料剪切区应力计算结果,构建了成形法加工螺旋的切削力模型,并使用Matlab编写了仿真计算程序。

  (2)设计铣齿实验,对理论模型进行验证,经验证后发现,在X,  Y, Z这3个方向上切削力的理论计算结果和实验结果相对误差分别为9.24% ,13.18%, 13.25%。理论切削力模型计算结果和实验结果误差在14%范围内,说明所建立的切削力模型具有较好的精度,为锥齿轮机床的设计,铣齿振动、刀具磨损研究等奠定了理论基础。

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