Βελτιστοποίηση των τεχνολογικών παραμέτρων για τις κατεργασίες οδοντώσεων πλάνισης και αποφλοίωσης με κύλιση

Abstract

Gears are one of the most crucial machine elements, widely used in the industry, due to their capability to provide accurate, flexible and reliable rotary motion. Billions of gears are produced every year, while the global gear demand is growing constantly. While automotive industry is the primary consumer of gears, other industries also require huge amounts of gears such as the aerospace industry, agricultural machinery or power stations. As such, the optimization of gear manufacturing processes is a subject of great importance for the construction industry. Gear shaping and power skiving are some of the most characteristic gear cutting processes. Gear shaping is the primary process for manufacturing internal gears, while power skiving found application only recently with the development of five-axis CNC machines, greatly increasing productivity. The purpose of the current thesis is the development of a complete and reliable simulation model, which is embedded in a commercial CAD software, and is able to simulate the gear manufacturing processes of gear shaping and power skiving. The simulation model includes the creation of the cutting tool profile, the generation of the 3D trajectory of the cutting tool and the simulation of the complex kinematics of each manufacturing process. For the generation of the tool profile and trajectory, optimal discretization is used, which along with the high accuracy of the CAD software ensure the maximum accuracy of the model. Simulation results include the geometry of the final machined gear and the undeformed 3D chips generated during each manufacturing process. The geometry of the undeformed chips is used for the calculation of the developed cutting forces, which are then transformed in four different coordinate systems. For each gear manufacturing process, a graphical user interface is developed, in which a user may input process data, execute or store a simulation, but also view and export the simulation results. The verification of the simulation model is accomplished in three distinct stages. Initially the geometry of the gear gap flanks is validated through the comparison to the theoretical equations of the expected curves. The second stage involves the validation of the undeformed chip geometry. For the verification of the calculated cutting forces, the simulation results are compared to experimental results obtained from the literature. Finally, in order to analyze the effect of the cutting parameters of each cutting process, a series of simulations is executed for external and internal gear manufacturing. The results are used to derive the optimal cutting conditions for each process, regarding the effect of the parameters on the developed cutting forces.

Οι οδοντωτοί τροχοί αποτελούν ένα από τα πιο σημαντικά στοιχεία μηχανών, ευρέως διαδεδομένοι στη βιομηχανία λόγω της ικανότητάς τους για ακριβή, ευέλικτη και αξιόπιστη μετάδοση περιστροφικής κίνησης και ισχύος. Κάθε έτος παράγονται δισεκατομμύρια τεμάχια οδοντωτών τροχών, ενώ η παγκόσμια ζήτηση τους αυξάνεται συνεχώς. Η αυτοκινητοβιομηχανία αποτελεί τον βασικό καταναλωτή τους, ενώ ακολουθούν η αεροναυπηγική βιομηχανία, η αγροτική βιομηχανία, οι σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής κ.λπ., με επίσης τεράστιες απαιτήσεις σε οδοντωτούς τροχούς. Έτσι, η βελτιστοποίηση των διαδικασιών παραγωγής οδοντώσεων είναι ένα από τα σημαντικότερα διεθνή ζητήματα στην κατασκευαστική βιομηχανία. Η πλάνιση με κύλιση και η αποφλοίωση με κύλιση οδοντώσεων αποτελούν δύο από τις πιο χαρακτηριστικές κατεργασίες παρασκευής οδοντωτών τροχών. Η πλάνιση με κύλιση οδοντώσεων είναι η πρωταρχική έως τώρα κατεργασία κατασκευής εσωτερικών οδοντωτών τροχών, ενώ μόλις τα τελευταία χρόνια έχει βρει εφαρμογή και η αποφλοίωση με κύλιση, λόγω κυρίως της ανάπτυξης των σύνθετων κέντρων κατεργασίας, αυξάνοντας σημαντικά τους ρυθμούς παραγωγής. Το αντικείμενο της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου και αξιόπιστου μοντέλου προσομοίωσης, το οποίο εκτελείται σε ένα εμπορικό σύστημα CAD και προσομοιώνει τις κατεργασίες κατασκευής οδοντώσεων της πλάνισης και της αποφλοίωσης με κύλιση. Τα στάδια της προσομοίωσης περιλαμβάνουν τη δημιουργία της κοπτικής κατατομής, τον υπολογισμό της τροχιάς του κοπτικού εργαλείου και στη συνέχεια την προσομοίωση της πολύπλοκης κινηματικής για κάθε κατεργασία. Η δημιουργία του κοπτικού εργαλείου και της τροχιάς που ακολουθεί γίνεται με τη μεγαλύτερη δυνατή διακριτοποίηση, η οποία σε συνδυασμό με την υψηλή ακρίβεια του λογισμικού CAD εξασφαλίζουν τη μέγιστη ακρίβεια της προσομοίωσης. Τα παραγόμενα αποτελέσματα του μοντέλου περιλαμβάνουν την τελική γεωμετρία του κατεργαζόμενου τροχού καθώς και τα τρισδιάστατα απαραμόρφωτα απόβλιττα που παράγονται κατά τη διάρκεια κάθε κατεργασίας. Η γεωμετρία των απαραμόρφωτων αποβλίττων χρησιμοποιείται στη συνέχεια για τον υπολογισμό των αναπτυσσόμενων δυνάμεων κοπής οι οποίες μετασχηματίζονται σε τέσσερα διαφορετικά συστήματα. Για την αποτελεσματική λειτουργία του μοντέλου δημιουργείται για κάθε κατεργασία ένα ολοκληρωμένο περιβάλλον γραφικής διεπαφής, μέσω του οποίου οι χρήστες μπορούν να εισάγουν δεδομένα, να εκτελέσουν και να αποθηκεύσουν προσομοιώσεις, αλλά και να εξάγουν όλες τις παραγόμενες πληροφορίες που προκύπτουν από την εκτέλεση αυτών. Η επιβεβαίωση του προσομοιωτικού μοντέλου γίνεται σε τρία στάδια. Αρχικά, μέσω θεωρητικών σχέσεων επαληθεύεται η γεωμετρία του αυλακιού του κατεργαζόμενου τροχού, η οποία είναι τμήμα εξελιγμένης καμπύλης του βασικού κύκλου. Στη συνέχεια γίνεται επαλήθευση της γεωμετρίας των απαραμόρφωτων αποβλίττων με σύγκρισή τους με αντίστοιχα της βιβλιογραφίας. Το τρίτο στάδιο αφορά την επαλήθευση των υπολογισμένων δυνάμεων κοπής, η οποία πραγματοποιείται μέσω της σύγκρισής τους με πειραματικά αποτελέσματα από τη βιβλιογραφία. Τέλος, το μοντέλο που αναπτύσσεται χρησιμοποιείται για την εκτέλεση μεγάλου πλήθους προσομοιώσεων των δύο κατεργασιών για εξωτερικές και εσωτερικές οδοντώσεις. Τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων αυτών αναλύονται για τη μελέτη της επίδρασης των διαφόρων παραμέτρων κάθε κατεργασίας στις αναπτυσσόμενες δυνάμεις κοπής.