滚齿机上硬质合金刀具疲劳性断裂调查

外文翻译外文资料名称： Fatigue Fracture Investigation of Cemented Carbide Tools in Gear Hobbing (用外文写)外文资料出处： Journal of Manufacturing Science and Engineering 附 件： 1.外文资料翻译译文 2.外文原文 指导教师评语： 签名： 年 月 日滚齿机上硬质合金刀具疲劳性断裂调查第1部分:飞滚铣刀的FEM模型与实验结果的计算说明安东尼亚 卫达克斯 比来丽斯 作者卞文超 译滚齿机是一个具有高灵敏度并采用大规模生产外部齿轮的生产工具。然而，切削滚铣刀复杂的形状造成了它几乎完全用高速钢作为刀具材料。高速钢的切削性能有限，即使是涂层高速钢，也限制了高速钢的切削速度和现代数控滚齿机工具的充分利用。硬质刀具的应用被视为一个代替现代生产的潜在要求。在以前的滚齿机实验调查中，所谓的飞滚铣刀应用是在齿轮上用指定的硬质合金刀具的切削性能进行加工。这些实验彻底的表明，裂缝是没法预料的，可能会在某个切割情况下导致整个刀具的早期失效。为了解释这些失败的原因，运用先进的软件工具开发了一个切削加工工序的FEM模型,能够确定滚齿机上的切屑物和切削力。这些计算结果阐述了机制并且证明他们和实验结果是一致的。本文的第一部分为各种切割案件运用了验证参数化FEM模型，表明了切齿能够导致疲劳危险。第二部分进一步说明了不同的技术和几何参数对刀具寿命的影响。因此，通过切削参数的适当选择启用优化切削工序，它可以消除硬质合金切削刀具的危险，从而达到令人满意的成本效益。1. 简介考虑到在生产力和实现成本效率的增加,高速切削的应用被认为是最强大的生产策略。然而，尽管高精密数控滚齿机加工工具不断进化，但高速切削在齿轮制造业尚未实现。最主要的原因是几乎完全用高速钢作为滚齿刀具材料，在高速钢滚刀上应用的涂层技术显著提高了工具的切割性能。然而，由于高速钢切割速度的限制，即使是在100-150m/min上的涂层，也低于现代化生产的要求。此外，干切削不适用于涂层或涂层高速钢工具，这不符合当前的世界各地的环境发展趋势。即使带有涂层高速钢工具的干式切削，切削参数的选择也限制了效率和滚齿机工具的切割性。切削滚刀最适合的替代材料来自在大规模生产广泛应用的刀片硬质合金等，尽管滚齿机工具的几何形状复杂，但可以通过硬质合金来实现。硬质合金工具的成本增加很摊销，无疑相对于磨损来说高速钢比较有优势。然而，脆性硬质合金可能会引起疲劳失败的早期阶段，由于连续芯片生产发生在滚齿机上。这种现象在特殊切割实验1,2中有重大的发现。这些失败收益率差归于硬质合金刀具的磨损性能，因为它们的外观使整个滚齿机工具失灵。脆性疲劳失效通常在不同的切削刀具上产生，而且会选错切割参数。图1 在不同工件位置间的切屑形成与典型切屑图2 从流程图到FRSFEM图本文讲了在滚齿机工具上的定量分析，旨在解释工具早期疲劳失败计算。为了完成这一任务，使用了特殊的软件工具，这能形成切屑机制并得到精确计算的切割组成部分。最后，参数化有限元模拟切削齿的发展对各种案件和切割工艺参数形成了工具应力场，应力结果与刀具材料现有的力学性能相比较，并用这样的方法规定他们的疲劳期望。因为这将是提出计算结果与实验的是一致的有利解释，证明了有限元模型的利用和分析的有效性。此外，本文第二部分中提出的参数分析阐述了各种日常工具的切削参数的影响，使几乎每一个具体的削减情况得到优化。2. 滚齿机上的几何芯片与切削力成分图1是滚齿机的原理图。齿轮是在单独的GP下用工具连续穿透形成一个个齿而制造出来的，这是复杂的运动学，很难被模仿。此外，根据齿轮差距之间工具位置，一些循环的立场是用来描述产生的相应位置。一个决定性因素决定了的工具的行为是切屑形成机制，这也很复杂.由于复杂的切削运动,所以每个芯片类型负责某些切削力组件，那样有助于整体切削负荷。这芯片被插入数字相同的各种发电场的底部。数学模型为发电场量化为每个切屑形成是现在明确规定和广泛用于 3-10 的。这些模式都进一步用来预测切削力元件的过程中表现出对工具寿命的显著影响力。在FRSWEAR模型的配合下，考虑到它的可制造性，符合工艺技术的刀具及工件和切削运动11-13，滚齿机的芯片模拟尺寸都出于制造的角度。在本文中这种有限元模拟滚齿机新模块已添加到FRSWEAR模型里。图2是这种新模块FRSFEM的结构。上述插入数据交互使用现代的软件环境，对滚齿机运动学的具体的削减情况有着有利的数学描述。未经芯片交叉部分的发展的前沿决定着每一步。切削力组件部分可在这个阶段确定，因为它们依赖于芯片尺寸和实验测定常数14-17。使用这些切削力，在滚齿机上使用的工具就能确定。除了这些输出FRSWEAR模型能够预测该工具磨损的进展情况，并提出适当的滚刀切割数据，为了达到甚至高于历届切削齿18的发展。整个软件具有开放和模块化结构，提供了带有互动通信的数据输入和结果输出的图形用户界面。FRSFEM模型在一定生产情况下产生的典型现象如图3所示。切削齿渗透后整个剩余部分完全的呈现出来。那个模型具有旋转和移动路径的特殊坐标系工具，这一立场的离散在各种发电循环场显现在这个图上。这些相同数字的平均值表明，芯片分布沿着的连续循环场发展延伸。根据旋转部分计算出所需要的数值，它也是一个可变参数。在工具协调系统下切削力的计算部分在图3的右半部分提出。所有这些结果都存储在每一个适当的部分，即需要形成一个齿轮差距。图3 个别位置切削力组成部分的测定图4 在FRSFEM程序下滚刀齿的FEM模尽管事实说明滚齿机在FRSFEM模型分析下可以得到复杂的运动学，但实验程序是很复杂的。原因就是每个切割齿切割一定的部分并且连续循环渗透到工件的每一个齿，由于重复同样轴向进给速度的程序。因此，一些切割齿常随着芯片的尺寸的削减和受到高切削从而导致击穿。由于这个原因，包括劣质工具的使用，这一切削过程的实验研究变得更加困难。另一方面，完整的几何工具的复杂性让他们把机器刀具主轴拆卸和随后的试验评价很难。由于这些原因，为了提高实验效率并促进测试结果的评价，用带有一个切削齿的工具进行实验，即所谓的飞滚铣刀。在这种制造技术里，把切割工具改为圆柱形手柄，这样切削齿就很容易安装和拆卸。切削齿的几何尺寸对应严格按照3972标准规定19。这种做法准确地描述了滚齿机的来源。两个完整的切削齿的不同模拟了第二个来源。这样做的目的是让一个已产生位置的与另外一个分离，有能力全面的研究他们对刀具磨损失效的产生和进程的影响。因此，每个工具切削每个产生的位置，这是考虑到目前的分析，这将做进一步的解释。3. 切削齿的FEM模和机械性能为了确定滚齿机上齿轮的受力部分，将用现代CAE技术进行计算。之所以选择FEM分析软件计算压力,工件复杂的几何形状,进程运动学，以及高度可变切削力组件, 是因为考虑到所涉及的参数数量，使用参数办法可以产生一种灵活和重现模式。图4是切削齿建模策略。该模型通过ANSYS参数化设计语言建立在参数方面，模块利用ANSYS有限元分析的代码。整个几何切割工具和直径作为模块的功能按照DI N3792标准规范制造，因此，把这些条件参数模拟成日常用的，还考虑到工具清除角度和厚度。由于复杂的牙齿结构，利用一个自下而上的建模策略，正如它在相同的数字图中提出的。特此确定要点，线，区域和数量的顺序，从而形成了三维实体模型这种方式。该模型由六个面组成，以便靠近工具工件接触区和远离这些地区的粗网啮合。这样一来，适当分配现有的计算机资源，从而增加了FEM计算的准确性。节点密度也因参数优化的目的作为一个变量。优化模式包括2 内容，以啮合这种方式表现出来（见图4右边）。在一个密集的网格里更多的内容也无法提高计算精确度，因为CPU的解决时间是无法得到增加。切削力组件适当分布到节点在图3中解释，考虑到芯片图5 硬质合金刀具材料的静态和疲劳性能的压缩比，使用特殊的APDL语言例程，包括每个节点20的几何位置。该模型是具有弹性的，因此，它只需要工具的弹性模量和泊松常数。上述力学性能的有限元也是变量，允许高速钢和硬质合金刀具的适用性。在本次分析里ISO-P 40硬质合金中的力学性能被使用到该模型中。图5总结了这种材料的静态和疲劳性能。左边的图大部分展示硬质合金的硬度钴含量21的比较。通过细粒度P 40硬质合金的计算分析证明符合本实验数据。出于这个原因，从这个图到1430的高压值发现维氏硬度这种材料。此值，包括这种材料的塑性变形抵抗，可用于确定其静态应力限制，考虑到脆性材料这一脆度等于金字塔硬度的三分之一22,23。另一方面，图5左边的表说明了硬质合金疲劳极限，也作为其钴含量21的功能 。即载入108个周期,细化P 40硬质合金的连续耐力植等于83 N/mm2 。图6 切削力和Mises应力在滚刀齿上的分布对于特殊材料的静态和疲劳应力限制也适用于Woehler图，正如图5中间的一张表格所示。考虑到目前分析的目的，此图的横坐标表示的是连续削减中的周期数。当压力上升到一定值的时候，我们就可以从这张图确定其周期，也就是说连续削减的数量，这是用P 40 硬质合金做出的工具将预制定一个疲劳失效机制。 这也是检查FEM模型效率的一个很好的工具。实验证明，在一些切削情况下切削量是导致工件失败的原因，在Woehler图里的压力值必须符合FEM模的计算。最初的模型是用于计算每个对实验结果有用的位置间的切削力。考虑到要描述每个产生位置在连续循环位置上细分，这是合理的解决循环位置形成更大的切屑部分，因此削减负荷更大。图6说明某些的位置在上升和均衡方向的削减情况的计算方法。左上图显示被检测部位的循环位置的计算。相应的切削力的工具刀面适用于该模型，并在同张图的中间显示出来。很明显，切削力组件允许生产切屑的形成。具体的削减情况下解决方法提出了切削齿的变形,这也显示在同张图的左下部分。4. 计算和实验有关的结果FEM模型进一步用来计算之前提到的每个特定位置切削力的过程。图7左边总结了计算结果，其中在三个临界位置介绍了最大von Mises力。在起始和最后之间的过渡区域领分别表示工件首尾两端的应力值。应力结果表明最危险的地区是切削刀具的图7 在个别位置的最大应力和滚刀和切削齿的疲劳预测尾刀面。应力的变化是由于芯片不相同尺寸所造成的不平衡区域，并且工件两侧与工具头之间产生碰撞。正如之前飞滚铣刀连续轴向进给实验结果所述。因此，切削齿在每个一定的位置切削，就有对应的应力图。 评价实验结果时，必须强调对集中疲劳负载进行理论计算24。当前应力切削情况相对应于同一张图的横线部分，也就是等于3100 N/mm2 。本次切割中提出的硬质合金刀具做出的实验结果在图7的右半部分，就是过渡区域和工作齿轮OLC两侧的磨损的对应图1。图7可以说明切削刃在过渡区早期失效后实验就已经结束。OLC可以轻易的知道连续切割传动比，切割速度和适用轴向进给的数据。对于这种情况，OLC 对应于4050连续切割相当于85毫米。在使用Woehler图里的刀具材料下，那个计算结果和实验结果在图7中进行了比较，此图所得到的切割数据接近2960N/mm2 的应力，是大约计算结果的4 以上 。 这种差异是完全合理的，不能包括FEM模型预期的算术错误和其他因素。在反向滚齿机中，在过渡区整体切割磨损的结果在图8中1。对于这种情况，OCL相对于31950连续切削等于710 毫米。计算结果和实验结果之间的比较指出,取得了相当于2450 N/mm2应力的一些切削数据，是大约计算结果的6 以上。该法还适用于其他各领域的切割也包括实验研究。在此，图9说明在同一台切割滚齿机上加工的两个芯片的典型变化，即均衡和反向之一。这一数字的每个部分说明了两个不同方面芯片的发展。对于具体循环的立场，这些芯片更小的图表用来解释了工具被切削掉的部分。这些图表之间的关系是显而易见的。例如，在左上角的对图图8 切削齿的疲劳预测和反方向铣削表，循环的位置从尾翼上部分产生芯片，再在该工具头的三分之一处终止。 因此，该模型在同一区域都受到切削组件影响。FEM仿真刀具在上述各领域的情况下得到的结果插在图10里 。左边的图表说明了连续均衡的方向von Mises的应力分布。关键区域也同样在图7提到。实验过程中显示从17到9。根据计算得出的结果，他们的水平或多或少没达到预期所希望的那样。同样的切削条件，而危险区从6到15，这也符合的实验结果1。实验和计算结果比较表明，发达国家模型制作适当的模拟滚刀切削齿。评价计算的应力场设法解释早期疲劳失败硬质合金滚刀齿计算。是否有足够的FEM建模策略也证明实验结果。审定的模拟使我们能够进一步扩大削减切割计算，而不需要艰苦的实验工作。这样的工具可以预见工件组合的一切可能的变化,包括切削材料和切削条件。 出于这一目的第二部分提出了一种参数分析这种互动，这可能有助于优化每个切削条件。通过这种方式，无疑硬质合金工具的磨损性能可以利用，通过避免切割条件，导致无法预料的早期工具疲劳失效。图9 切屑和切削力在均衡和反方向上的分布5. 结论在这项工作中硬质合金滚刀的早期疲劳失效实验，借助数值分析和软件工具。FRSFEM 模型的应用能为每次切割测定芯片和切削力组件。FEM滚刀齿几何的模拟产生了可靠的固体模型，能够计算出发生在滚齿机与硬质合金工具精确的应力应变场。该模型可用于工具的实验结果。因此，通过计算应力及力学性能的刀具材料，我们可以估计刀具的预期寿命和切削条件以避免出现早期断裂。该模型能够使我们为工具和工件的组合建立一个最佳切削条件的数据库。图10 滚齿机刀具裂缝和反方向的关键位置6. 命名GP = Generating PositionRP = Revolving PositionHV = Vickers Pyramid Hardness daN/mm2TRS = Traverse Rapture StrengthFEM = Finite Elements MethodTF = Cutting tooth Trailing FlankLF = Cutting tooth Leading FlankH 5= Cutting tooth HeadOCL = Overall Cutting Length mmsA = Axial feed mm/revt = Cutting depth mmv = Cutting speed m/minm = Work gear and hob tool module mmni = Number of hob columnsz1 = Number of hob originsz2 = Number of work gear teethd2 = External work gear diameter mmb2 = Gear helix angle Fi j = Force component at direction i of coordinate system jNSEQV = Von Mises Equivalent Stress N/mm2Sy = Yield Strength N/mm参考文献1 Sulzer, G., 1971, Leistungssteigerung bei der Zylinderradherstellung durchgenaue Erfassung der Zerspankinematik, Ph.d. thesis, TH Aachen.2 Venohr, G., 1985, Beitrag zum Einsatz von hartmetall Werkzeugen beimWaelzfraesen, Ph.d. thesis, TH Aachen.3 Bouzakis, K., and Koenig, W., 1981, Process Models for the Incorporation ofGears Hobbing into an Information Center for Machining Data, CIRP Ann.,30, pp. 7782.4 Bouzakis, K. 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