GQ50型钢筋切断机主传动机构的设计与运动仿真【三维PROE】【20张CAD图纸与说明书全套资料】
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三维PROE
20张CAD图纸与说明书全套资料
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基于CAD仿真生产正齿轮和漩涡齿轮中滚切加工 摘要：以一个精确且实际的滚齿过程模拟为目标，辅以三维计算机辅助设备，本文介绍了一个有效且真实的近似值。滚齿机运动学直接应用于齿轮间隙。每个生成位置公式化一个将穿接体积绑定到工件的空间曲面路径。三维表面路径由滚齿和工件齿轮的相对旋转与位移结合生成。这些滚齿和工件齿轮用于分离遭受体积的同时创建碎片和余下工件齿轮的立体几何图形。利用商业CAD软件包的建模和图形能力，HOB3D开发软件程序精准仿真了正齿轮和漩涡齿轮的生产过程。但三维立体的几何数据结果以及碎片和齿轮提供的完整几何信息需要进一步的研究，如切削阻力的预测、滚齿过程的优化过程中工具压力和磨损的发展等。 关键词：滚齿；制造仿真；CAD建模1、前言滚齿广泛成熟应用于制造任何旋转中心一致的外部齿形。与传统机器（如车削和铣削）相比，滚铣过程就是一项先进的金属切削技术。尽管它在齿轮初步加工中使用最为广泛，但是滚铣过程的复杂性和成本使人们对这项技术所知甚少。该工程的运动性原理是基于工件与滚刀之间三个相关联的运动。像制作正齿轮或螺旋齿轮，工件以恒角速度循着它的对称轴旋转，同时又循着相对的齿轮滚刀旋转。根据使用的滚齿机器，工作台和滚刀可能根据已经选择的进给速率沿着工作轴运动。旨在确定未变形切片的几何图形、切削力组件和工具磨损的发展，关于不同近似值的滚齿过程的仿真已经随着数值与分析模型的发展而提出。这三个仿真结果的工业分量与优化滚齿过程中每件产品损耗的效率息息相关。在决定切削力组件中，是必不可少的参数。同时，未变形切片的几何图形能预先定义工具磨损的发展状况。而在滚齿过程的相关数据中，切削力组件与工具磨损是非常重要的损耗。滚刀设计参量与调准误差的偏差的具有有效规范，Kim提出能够以参数形式描绘滚刀齿形轮廓几何图形的工具，并且该工具决定展成法齿轮作为滚刀设计参量和通过数字模型生成过程而生成动作规范的曲面方程。Fan提出霍布斯螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮的啮合、齿面生成的数学模型的仿真，同时，齿的接触分析程序也有所发展。该研究提供了关于滚齿过程数值建模的基本理论，随后根据类似的建模策略，一些全新的近似值也将提出。提出这些近似值是为了决定滚齿过程的结果，但是这些值最大的特点是为达到简化的目的，将真实的三维过程还原成平面模型。那之前的近似值的应用使用了平面模型，并没有体现出与精度直接相关的（如计算位面的数量等不同的输入参数）切片和齿轮的精确立体几何。此外，任何后面的提取的切片和齿轮平面几何图形（如有限元分析）需要附加的数据处理来支持插入的二维结果。着眼于真实且精准的滚齿过程的仿真，减去不可避免的建模不足，本文阐述了制造正齿轮和螺旋齿轮的仿真技术。利用HOB3D软件程序强有力地建模和图形能力，HOB3D用于引导CAD系统。HOB3D根据可视化Basic语言中计算机代码编制而成，并根据相同的切割原理将这种能力扩展到其他切割过程中。固体模型结果的输出格式提供真实的零件、切片和工作齿轮，这样更容易胜任今后的个体研究或者作为任何其他CAD,CAM 或FEA商业软件系统的输入方式。2、HOB3D 的建模程序滚刀和工件间的辗扩原理让滚齿过程不同于传统的碾磨。如图1所示，被切齿轮的几何特征被指定，将要使用的滚刀将与其产生运动学，这就是该过程的问题。6个参数基本上能够描述结果齿轮的几何图形：模块（m），齿的数量（Z2）、外径（dg）、螺旋角（ha）、齿轮宽度（W）和压力角（an）。这些参数的关联自动忽略了滚刀模块（m）。然而，外径、列数（ni）、缘起的数字（z1）、轴向间距（）和螺旋角（）等其他道具几何参数却能进行选择。一旦两个部分的几何参数建立，动力学链将初始化。滚刀和工作齿的螺旋角被称为两个部分间的安装角，并且它能描述这两个部分相互运动的路线。刀具旋转的坐标轴、工具轴向位移和工件旋转的坐标轴能决定不同的切削运动。通过这些方式，轴向进给（fa）可描述两个不同滚铣策略：上爬式（CL）或上切式（UC）。假定螺旋齿轮的两个附加的变分存在，工具的螺旋角（）与齿的螺旋角（ha）相比，如果齿螺旋角的指向与滚刀的螺旋角指向一致，则该过程称为等向向型（ED），否则为反向型（CD）。如图2所示，立体几何图形输入初始化后，工具齿置于CAD中且一个滚刀齿耙的前面截形是精确且可视的。同时，这也决定有效切割的滚刀齿（N）的装配。由于轴对称配置问题的存在。滚齿过程的运动也直接应用于齿轮的三维齿隙。此外，结合滚刀和工作齿的配置，计算如同铁轨般的空间样条，每一个生成的位置都能形成三维表面（如连续的齿缝）。这些三维表面用于分辨未变形的切片几何图形，分离受体量并最终创造切片和余下工作齿的几何图形。3 HOB3D的仿真策略在HOB3D方法中，在仿真过程中，发生在滚刀和工作齿之间每次旋转和位移都直接转移到滚刀上。如图3所示，这两部分的总体坐标系统固定在工件的上层中心上，为移动提供一个稳定的引用系统。在以前的数值近似研究工作已经显示的动力学图形（引言中有提及）得以调整。不考虑整体的损耗，滚刀可以用齿数命名为齿0。标示的齿0的向量vO来源于滚刀的Yh坐标轴上的CH并且它的尾部位于前刀面的中间部位，形成了相当于dh/2的模型。在XYZ球形坐标中建立垂直距离L1该向量决定了滚刀坐标系统XhYhZh中的Zh坐标轴且位于球形Z坐标和切割开始的方位。一旦仿真参数建立，工作齿的立体图形生成，有效切割的滚刀齿能够使用。滚齿仿真开始时可看做时间为0。此时，YZ平面和YhZh平行且它们的水平距离平行且在整个仿真过程中趋于稳定，公式为：L2=（dh/2）+(dh/2)-t。在实际操作中，L2的距离决定切割的深度，使用者将其看做一个输入参数。为了决定安装角s，滚刀坐标系统XhYhZh沿着坐标轴Xh旋转，这样仿真过程才能被完整的描述。考虑滚刀几何轴的输入参数使用空间向量vO容易计算每个有效齿的N中的与vO相关的向量v1。 在切割仿真中，独立的参数1计算滚刀工具Yh轴的转动角。参数2决定工作齿中滚刀的转动角，fa依赖1且它们的值根据角的值（如图3）确定。有效切割滚刀齿的正向运动发生在齿缝间。据此，判断vO和考虑切割滚刀齿vf的第一个识别向量得以确定。正向运动首先运用到vf，接着后面的向量vi，直到最后一个切割滚刀齿的工作周期vl，从而精准地仿真整个生产过程。假如仿真螺旋齿轮的装配，为了增加或减少旋转工件的角速度，确保滚铣切割和齿轮切割角度相契合，齿轮的旋转系统中需增加特别的角量。根据滚铣过程的种类，为使整个运动链中2,加速或减速，需插入新的角参数d.计算d的参数值需在齿节圆中进行，如图3最下边细节图所示。如图4，在CAD中，运动链用于构建三维立体样条路径。该样条路径由切割滚刀齿的向量vi生成的的插值点产生，同时在仿真参数12 fa作用下得以适当的转变和旋转。同理，在i-th切割齿每次旋转位置，表4中单位向量（CHn1）i和（CHn2）i为了生成适合三维空间的平面而进行转换和旋转。如图4中间部分所示，二维空间中切割滚刀齿的侧面由空间平面生成。沿着轨迹制造的空间样条，通过构建的开放剖面模线,三维立体开放表面由齿轮间隙空间创造。该表面的路径描绘i-th切割齿的生成位置并限制进入工件的穿透体积。使用布尔运算和CAD的制图能力，该表面路径可帮助分辨每个生成位置中切片的几何图形。切片的几何图形受限于外部创建表面中工作齿轮间隙瞬间形成的外部体积。然后，被识别的立体几何图形从工件中减去并导致下一个是切片和余下工作齿的三维立体图形的生成。由于仿真过程中立体结果部分的输出形式，之后任何种类的过程都能简单实用，如图4右下部图A，在特定的旋转位置可以检测切片的立体几何图形厚度的最大值。在CAD中使用HOB3D仿真就能获取图4所示信息。图像处理程序通过增加词语、阶段和箭头使图片获得更好的解释。之前提到的有关仿真的所有工作都由操控CAD图形能力的HOB3D控制。它迫使生成的图形实物进入，又从中收集图形数据，同时完成编程数值计算。CAD与程序的数值计算不间断交叉在算法上如图5所示。使用者插入程序参数后进入初始化并形成工作轮的柱面图形，有效切割齿的数量N也得到估算。空间向量v0成为一个固定的数值。空间平面的基本要素切割齿的数量参数i设定为f（第一次切割齿数量）、向量vi和单位向量(CH n1)i 和 (CH n2)i相较于v0有了确定数值。滚铣过程的向前运动应用于这些向量。结果数值、描述3D的样条点集和3D平面用于生成CAD中相应的实体。生成的3D点集在CAD中插补3D样条的建设。对于每个创建的样条平面，齿形以数值形式描画在CAD系统中。循着3D样条轨迹形成切割齿的3D表面路径。样条表面的立体几何图形包括从工作齿中减去另存为i切片图形（见图4）。I计数器设值为i+1且不断重复相同过程直到i变为1（最后切割齿数）。 为了减少计算时间和精力，对于每次有效滚齿i的生成位置，滚刀Yh轴的整体旋转限制在0-180度。这样在整个仿真过程中，只有影响结果立体图形的位移，对过程的充分性没有任何影响。每个样条表面相继组建和切片立体几何图形减少的完成。齿缝由收集的每个生成位置形成。4.H0B3D仿真结果HOB3D的扩展程序用于正齿轮和螺旋齿轮的制造，它后加工的代码用于决定立体切片厚度的发展。之前的研究工作通过使用HOB3D生成的齿轮缺口的立体几何图形，建议计划得到验证和确定。那些缺口的剖面与Perti和DIN3972介绍的标准型作比，平均误差小于10m齿轮产生的工作深度。这样微不足道的偏差满足计算精度的期望,并验证开发的代码的充分性。4.1 正齿轮的制造过程仿真HOB3D用于仿真正齿轮的制造过程。图6展示了上切式案例处理的输入数据和输出切片提出了坚实的几何图形的生成位置。左边的图片显示滚刀的切削方向，并从滚刀位置观察切片。测试切片的三维立体几何图形，我们发现切片形状的极端图形变化能够确定，尽管值不止跨越一个域。 程序扩展的后加工代码用于每次旋转点中每个切线工作循环中最大厚度。旋转点属于使用的运动生成点，设定为0-90。假设切片的立体几何图形中旋转点相互交叉，厚度的最大值能够被识别记录。这个序列导致如图6所示的每个切片最大厚度值的生成。右边的图所示测量发生在十九旋转点,该旋转点范围为45到63。为改善结果的可视化图表,图6是分开的两个部分(上、下)。图的上部分展示十六分之一的切片生成,生成对应位置-18至3。这些数值的最大厚度范围为0-0.6毫米。从中可以观察, 第一个旋转位置切片厚度接近于零时，最大值接近结束的切片。当厚度取最高至0.57毫米，切片生成点为-18，表示切片的生成点冲-17到-3，其最大厚度在0.1至0.3间摆动。减少切片的厚度值并保持，切片的生成位置为-2至13.这也是图下方下个16生成点的范围为0至0.1毫米。它可以很容易地观察到最高值后切片的厚度是一样的且如同第一个十六分之一，从0.1毫米的最高值出现生成位置2，工作周期停在生成位置13，这时切片最大厚度值非常接近于零。上切式案例仿真数据用于仅通过改变轴向 (fa)输入寻找上爬式结果的近似值。评定切片的立体几何图形后，HOB3D的后加工用于测试切片厚度的最大值，也就是如之前所描述的。图7中，上切式和上爬式的每个生成点的最大厚度都有记录和测绘。图7的两个图所示,两个案例中第一个有效的(渗透)生成的位置是规定一个切割滚刀齿为i=18。上切式案例的最后有效生成点为i=13而上爬式案例则是vi= v14。除了在第一个产生的位置测量的上切式最大的切片厚度接近0.6毫米，可以看出两种情况下的测量结果是0-0.3毫米范围内振荡。对于最大厚度最高的测量值的上切式和上爬式分别为0.57毫米（生成点为-18）和0.32毫米（生成点为-14）。4.2 螺旋齿制造的仿真为了制造螺旋齿，根据所选的过程参数，也就是在HOB3D模型中所描述的，需要介绍四种不同的滚刀策略。这些策略的示意图如图8所示，表示螺旋齿轮生产过程中的螺旋角 (ha 0)。HOB3D使用这四种策略仿真当螺旋角为30度时螺旋齿的制造。除了工具的螺旋角和轴向进给，检测物的输入数据值是完全相同的。如图8和图9所示，这些参数表示每种情况下滚刀策略。评估四种不同策略下切片的立体几何图形后，HOB3D的后加工用于测算切片最大厚度，如之前描述的策略。反向上切式测试案例、反向上爬式测试案例、等向上切式测试案例和等向上爬式测试案例的每个生成点上的最大厚度都被记录和绘制，如图9所示。如图9第四图所示，反向上切式案例的第一个有效（渗透）生成点为当切割滚刀值为22至-7.这也是图片中黑色箭头向左指用于表示切削齿的顺序。反向上爬式出现同样情况是当vf=v-7，vl=v18。这是工件的左旋转和滚刀的工具齿的数量造成的。等向案例中，当等向上切式案例为vf=v-20，vl=v7，且等向上爬式案例为时，箭头是反向的，这是由于工件的右旋转和滚刀的工具齿的数量。应该注意到,四个策略的的最大切片厚度振动在同一范围，即0毫米到0.52毫米,和每个的最高值近似为0.5毫米的值。同时,应该注意,反向上切式的图例和等向上爬式图例中出现的相同振荡行为,也适用于反向和等向上切式案例。有HOB3D生成用于仿真等向上切式滚齿过程的3D切片立体图形如图10所示。输入的数据处理如下图。左边的图片显示滚刀的切削方向，并从滚刀位置观察切片。测试切片的三维立体几何图形，我们发现切片形状的极端图形变化能够确定，尽管值不止跨越一个域。 程序的后加工代码扩展再一次用于每次旋转点中每个切线工作循环中最大厚度。旋转点属于使用的运动生成点，设定为0-90。假设切片的立体几何图形中旋转点相互交叉，厚度的最大值能够被识别记录。这个序列导致如图10所示的每个切片最大厚度值的生成。右边的图所示测量发生在16旋转点,该旋转点范围为45到60。为改善结果的可视化图表,图10是分开的两个部分(上、下)。图的上部分展示十三分之一的切片生成,生成对应位置-7至5。这些数值的最大厚度范围为0-0.36毫米。从中可以观察,
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