基于nx二次開(kāi)發(fā)的斜齒輪滾齒加工仿真方法

基于nx二次開(kāi)發(fā)的斜齒輪滾齒加工仿真方法

0齒輪加工仿真虛擬車輪加工是精確建模齒輪的主要方法，也是研究車輪加工的重要手段。目前,國(guó)內(nèi)外研究者已經(jīng)能夠通過(guò)計(jì)算機(jī)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)齒輪虛擬加工。蒲太平、汪中厚等人為實(shí)現(xiàn)齒輪三維精確建模,利用CATIAV5的二次開(kāi)發(fā)功能構(gòu)建出齒輪虛擬加工系統(tǒng)。徐銳、周太平等利用AutoCAD二次開(kāi)發(fā)技術(shù),完成了滾齒加工過(guò)程仿真,實(shí)現(xiàn)了齒輪三維精確建模,并對(duì)滾刀設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性進(jìn)行仿真切齒驗(yàn)證。熊越東等基于VC與AutoCAD聯(lián)合開(kāi)發(fā)環(huán)境提出了準(zhǔn)雙曲面齒輪控加工幾何仿真的基本實(shí)現(xiàn)方法,建立了準(zhǔn)雙曲面齒輪數(shù)控加工仿真系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)其精確幾何建模。K.-D.Bouzakis、OrestisFriderikos等利用編程語(yǔ)言MATLAB開(kāi)發(fā)出滾齒加工幾何仿真系統(tǒng),并且將其幾何仿真結(jié)果應(yīng)用于所建立的基于有限元物理仿真模型,仿真結(jié)果揭示了滾齒切屑復(fù)雜流動(dòng)機(jī)制、闡釋了滾刀刀齒崩刃現(xiàn)象的原因。VasilisD、TapoglouN等基于CAD實(shí)現(xiàn)了滾齒加工過(guò)程仿真,仿真結(jié)果不僅輸出齒輪幾何模型,同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了未變形切屑精確建模,并將其應(yīng)用于動(dòng)態(tài)滾切力預(yù)測(cè)。由上可知,在齒輪加工仿真方面,國(guó)內(nèi)研究局限于齒輪幾何建模、仿真切齒實(shí)驗(yàn)等幾何仿真,而國(guó)外在幾何建模研究的基礎(chǔ)上,能夠?qū)缀畏抡娼Y(jié)果與物理模型進(jìn)行聯(lián)系,實(shí)現(xiàn)對(duì)齒輪加工過(guò)程機(jī)理的深入研究。綜上,本文以NX為建模平臺(tái),利用其方便的二次開(kāi)發(fā)功能模擬真實(shí)滾齒加工過(guò)程,開(kāi)發(fā)出斜齒輪加工仿真系統(tǒng);該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了斜齒輪幾何精確建模,同時(shí)也提取出工件材料去除過(guò)程中形成的未變形切屑,為滾齒加工過(guò)程物理模型的建立奠定基礎(chǔ)。1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本文開(kāi)發(fā)的斜齒輪滾齒加工仿真系統(tǒng)建立在Windows開(kāi)發(fā)平臺(tái)下,使用VisualStudio2008編程工具、matlab數(shù)值計(jì)算工具以及NX軟件二次開(kāi)發(fā)模塊建立起來(lái)的。圖1所示為仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖。當(dāng)輸入加工參數(shù)之后,仿真系統(tǒng)將自動(dòng)創(chuàng)建工件幾何實(shí)體,求解滾刀刀齒前刀面數(shù)學(xué)模型并對(duì)其進(jìn)行空間幾何建模。同時(shí),程序也將求解出滾刀工作刀齒數(shù)目。依據(jù)滾刀和工件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系、位置關(guān)系確定每個(gè)工作刀齒在切削過(guò)程中所走過(guò)的刀齒運(yùn)動(dòng)軌跡并對(duì)其進(jìn)行空間曲線精確建模。刀齒前刀面幾何模型與刀齒運(yùn)動(dòng)軌跡曲線聯(lián)合生成滾刀刀齒掃掠體,刀齒掃掠體與瞬時(shí)齒槽幾何實(shí)體之間的布爾運(yùn)算形成未變形切屑以及新的瞬時(shí)齒槽。仿真結(jié)束后將輸出各個(gè)刀齒在展成切削過(guò)程中去除的未變形切屑以及最終齒輪齒廓幾何模型。2不同刀齒的安裝研究采用零前角單頭右旋標(biāo)準(zhǔn)齒輪滾刀,以逆銑方式對(duì)右旋斜齒輪進(jìn)行加工。表1為滾齒加工過(guò)程中的所涉及的工藝參數(shù)。圖2所示為滾齒加工示意圖。為了方便滾齒加工過(guò)程數(shù)學(xué)模型建立,假設(shè)工件靜止不動(dòng),滾刀既繞其自身軸線旋轉(zhuǎn),又圍繞工件做螺旋運(yùn)動(dòng)。加工斜齒輪,滾刀繞其自身軸旋轉(zhuǎn)角度為θ1時(shí),其繞工件軸旋轉(zhuǎn)過(guò)的角度為θ2,沿工件軸線進(jìn)給長(zhǎng)度為f,三者之間的關(guān)系如下:工件坐標(biāo)系Sg(Xg,Yg,Zg)固定于待加工工件上表面,Zg為工件軸線,Yg為加工齒輪齒槽中線,Xg、Yg、Zg構(gòu)成右手笛卡爾坐標(biāo)系。滾刀坐標(biāo)系Sh(Xh,Yh,Zh)與滾刀固定連接,Xh為滾刀軸線,Yh位于創(chuàng)成中心刀齒齒廓曲線對(duì)稱中心線,Xh、Yh、Zh構(gòu)成左手笛卡爾坐標(biāo)系。設(shè)定加工初始時(shí)刻時(shí),Xg、Yg構(gòu)成的平面與Xh、Yh構(gòu)成的平面相平行,滾刀中心與工件上表面之間的距離為L(zhǎng),中心距為L(zhǎng)1。滾刀刀齒坐標(biāo)系Sn(Xn,Yn,Zn),Xn平行于滾刀軸線,Yn為滾刀刀齒前刀面曲線對(duì)稱中心線,Xn、Yn、Zn構(gòu)成右手笛卡爾坐標(biāo)系。滾刀安裝角:Γ=β-γ。設(shè)定滾刀位于創(chuàng)成中心的刀齒為0號(hào)刀齒,前列及后列的刀齒編號(hào)如圖3所示。0號(hào)刀齒坐標(biāo)系與滾刀坐標(biāo)系相重疊,n號(hào)刀齒坐標(biāo)系與滾刀坐標(biāo)系的相對(duì)位置可通過(guò)其與0號(hào)刀齒之間的軸向間距xn與相位角фn來(lái)表示:由上可知,通過(guò)工件坐標(biāo)系、滾刀坐標(biāo)系、刀齒坐標(biāo)系之間的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,以及聯(lián)立滾刀與工件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系,可以得出加工過(guò)程中滾刀n號(hào)刀齒坐標(biāo)系Sn(Xn,Yn,Zn)下任意一點(diǎn)坐標(biāo)(Xn,Yn,Zn)在工件坐標(biāo)系Sg(Xg,Yg,Zg)下的坐標(biāo)(Xg,Yg,Zg):3刀齒掃掠體及齒廓實(shí)體構(gòu)建齒輪毛坯幾何實(shí)體構(gòu)建:斜齒輪毛坯采用圓柱體,根據(jù)加工齒輪的齒數(shù)Zp、模數(shù)mn以及齒寬w要求確定出圓柱體的底面半徑和高度,進(jìn)而通過(guò)NX二次開(kāi)發(fā)函數(shù)UF_MODL_create_cyl1創(chuàng)建毛坯幾何實(shí)體。滾刀刀齒掃掠體構(gòu)建:工件材料去除過(guò)程,實(shí)際上是滾刀每個(gè)刀齒去除材料的過(guò)程;仿真中刀齒切削去除的材料可視為刀齒掃掠體與瞬時(shí)齒槽幾何實(shí)體之間的重疊幾何實(shí)體。如圖4所示,滾刀刀齒掃掠體由刀齒前刀面幾何模型沿其運(yùn)動(dòng)軌跡曲線掃略所形成的幾何體。刀齒前刀面由滾刀的幾何參數(shù)確定,運(yùn)動(dòng)軌跡是刀齒前刀面頂刃中點(diǎn)K在滾刀運(yùn)動(dòng)過(guò)程中相對(duì)于工件運(yùn)動(dòng)所走過(guò)的軌跡。滾刀刀齒掃掠體由NX二次開(kāi)發(fā)函數(shù)UF_MODL_create_sweep創(chuàng)建。齒廓實(shí)體與切屑實(shí)體的構(gòu)建:如圖所示為滾刀刀齒掃掠體與瞬時(shí)齒槽幾何實(shí)體,它們之間進(jìn)行求交和求差運(yùn)算,分別形成此時(shí)參與切削刀齒所形成的未變形切屑與下一個(gè)刀齒切削時(shí)的瞬時(shí)齒槽;所有刀齒切削完成后,形成最終的齒輪齒廓幾何實(shí)體。4模型建立與驗(yàn)證仿真刀具采用GB/T60842001標(biāo)準(zhǔn)齒輪滾刀,斜齒輪參數(shù)為:模數(shù)mn=3,齒數(shù)Zp=36,壓力角α=20°,螺旋角β=15°,進(jìn)給量1mm/rad,hc=全齒深。圖6所示為加工仿真之后所形成的斜齒輪幾何模型;圖7為斜齒輪法向齒廓;在UG二次開(kāi)發(fā)環(huán)境下提取出齒輪法向齒廓線數(shù)據(jù)點(diǎn),并在matlab軟件中對(duì)其進(jìn)行曲線擬合,將擬合后形成的仿真法向齒廓曲線和理論漸開(kāi)線齒廓進(jìn)行比較。如圖8所示為仿真齒廓在加工過(guò)程中不考慮任何外在誤差引入、即理想加工狀態(tài)下相對(duì)于理論漸開(kāi)線的滾刀刀齒截?cái)嗾`差的分布曲線,誤差值在0.7μ~0.9μ之間,說(shuō)明本文所采用仿真方法準(zhǔn)確性與合理性。表2所示為不同刀齒在其展成位置時(shí)所形成的未變形幾何切屑。5實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析基于NX二次開(kāi)發(fā)技術(shù),建立了斜齒輪滾齒加工仿真系統(tǒng);斜齒輪仿真法