基于nx二次开发的斜齿轮滚齿加工仿真方法

基于nx二次开发的斜齿轮滚齿加工仿真方法

0齿轮加工仿真虚拟车轮加工是精确建模齿轮的主要方法，也是研究车轮加工的重要手段。目前,国内外研究者已经能够通过计算机编程来实现齿轮虚拟加工。蒲太平、汪中厚等人为实现齿轮三维精确建模,利用CATIAV5的二次开发功能构建出齿轮虚拟加工系统。徐锐、周太平等利用AutoCAD二次开发技术,完成了滚齿加工过程仿真,实现了齿轮三维精确建模,并对滚刀设计的准确性进行仿真切齿验证。熊越东等基于VC与AutoCAD联合开发环境提出了准双曲面齿轮控加工几何仿真的基本实现方法,建立了准双曲面齿轮数控加工仿真系统,实现其精确几何建模。K.-D.Bouzakis、OrestisFriderikos等利用编程语言MATLAB开发出滚齿加工几何仿真系统,并且将其几何仿真结果应用于所建立的基于有限元物理仿真模型,仿真结果揭示了滚齿切屑复杂流动机制、阐释了滚刀刀齿崩刃现象的原因。VasilisD、TapoglouN等基于CAD实现了滚齿加工过程仿真,仿真结果不仅输出齿轮几何模型,同时也实现了未变形切屑精确建模,并将其应用于动态滚切力预测。由上可知,在齿轮加工仿真方面,国内研究局限于齿轮几何建模、仿真切齿实验等几何仿真,而国外在几何建模研究的基础上,能够将几何仿真结果与物理模型进行联系,实现对齿轮加工过程机理的深入研究。综上,本文以NX为建模平台,利用其方便的二次开发功能模拟真实滚齿加工过程,开发出斜齿轮加工仿真系统;该系统实现了斜齿轮几何精确建模,同时也提取出工件材料去除过程中形成的未变形切屑,为滚齿加工过程物理模型的建立奠定基础。1系统总体结构本文开发的斜齿轮滚齿加工仿真系统建立在Windows开发平台下,使用VisualStudio2008编程工具、matlab数值计算工具以及NX软件二次开发模块建立起来的。图1所示为仿真系统总体结构图。当输入加工参数之后,仿真系统将自动创建工件几何实体,求解滚刀刀齿前刀面数学模型并对其进行空间几何建模。同时,程序也将求解出滚刀工作刀齿数目。依据滚刀和工件之间的运动关系、位置关系确定每个工作刀齿在切削过程中所走过的刀齿运动轨迹并对其进行空间曲线精确建模。刀齿前刀面几何模型与刀齿运动轨迹曲线联合生成滚刀刀齿扫掠体,刀齿扫掠体与瞬时齿槽几何实体之间的布尔运算形成未变形切屑以及新的瞬时齿槽。仿真结束后将输出各个刀齿在展成切削过程中去除的未变形切屑以及最终齿轮齿廓几何模型。2不同刀齿的安装研究采用零前角单头右旋标准齿轮滚刀,以逆铣方式对右旋斜齿轮进行加工。表1为滚齿加工过程中的所涉及的工艺参数。图2所示为滚齿加工示意图。为了方便滚齿加工过程数学模型建立,假设工件静止不动,滚刀既绕其自身轴线旋转,又围绕工件做螺旋运动。加工斜齿轮,滚刀绕其自身轴旋转角度为θ1时,其绕工件轴旋转过的角度为θ2,沿工件轴线进给长度为f,三者之间的关系如下:工件坐标系Sg(Xg,Yg,Zg)固定于待加工工件上表面,Zg为工件轴线,Yg为加工齿轮齿槽中线,Xg、Yg、Zg构成右手笛卡尔坐标系。滚刀坐标系Sh(Xh,Yh,Zh)与滚刀固定连接,Xh为滚刀轴线,Yh位于创成中心刀齿齿廓曲线对称中心线,Xh、Yh、Zh构成左手笛卡尔坐标系。设定加工初始时刻时,Xg、Yg构成的平面与Xh、Yh构成的平面相平行,滚刀中心与工件上表面之间的距离为L,中心距为L1。滚刀刀齿坐标系Sn(Xn,Yn,Zn),Xn平行于滚刀轴线,Yn为滚刀刀齿前刀面曲线对称中心线,Xn、Yn、Zn构成右手笛卡尔坐标系。滚刀安装角:Γ=β-γ。设定滚刀位于创成中心的刀齿为0号刀齿,前列及后列的刀齿编号如图3所示。0号刀齿坐标系与滚刀坐标系相重叠,n号刀齿坐标系与滚刀坐标系的相对位置可通过其与0号刀齿之间的轴向间距xn与相位角фn来表示:由上可知,通过工件坐标系、滚刀坐标系、刀齿坐标系之间的坐标转换,以及联立滚刀与工件之间的运动关系,可以得出加工过程中滚刀n号刀齿坐标系Sn(Xn,Yn,Zn)下任意一点坐标(Xn,Yn,Zn)在工件坐标系Sg(Xg,Yg,Zg)下的坐标(Xg,Yg,Zg):3刀齿扫掠体及齿廓实体构建齿轮毛坯几何实体构建:斜齿轮毛坯采用圆柱体,根据加工齿轮的齿数Zp、模数mn以及齿宽w要求确定出圆柱体的底面半径和高度,进而通过NX二次开发函数UF_MODL_create_cyl1创建毛坯几何实体。滚刀刀齿扫掠体构建:工件材料去除过程,实际上是滚刀每个刀齿去除材料的过程;仿真中刀齿切削去除的材料可视为刀齿扫掠体与瞬时齿槽几何实体之间的重叠几何实体。如图4所示,滚刀刀齿扫掠体由刀齿前刀面几何模型沿其运动轨迹曲线扫略所形成的几何体。刀齿前刀面由滚刀的几何参数确定,运动轨迹是刀齿前刀面顶刃中点K在滚刀运动过程中相对于工件运动所走过的轨迹。滚刀刀齿扫掠体由NX二次开发函数UF_MODL_create_sweep创建。齿廓实体与切屑实体的构建:如图所示为滚刀刀齿扫掠体与瞬时齿槽几何实体,它们之间进行求交和求差运算,分别形成此时参与切削刀齿所形成的未变形切屑与下一个刀齿切削时的瞬时齿槽;所有刀齿切削完成后,形成最终的齿轮齿廓几何实体。4模型建立与验证仿真刀具采用GB/T60842001标准齿轮滚刀,斜齿轮参数为:模数mn=3,齿数Zp=36,压力角α=20°,螺旋角β=15°,进给量1mm/rad,hc=全齿深。图6所示为加工仿真之后所形成的斜齿轮几何模型;图7为斜齿轮法向齿廓;在UG二次开发环境下提取出齿轮法向齿廓线数据点,并在matlab软件中对其进行曲线拟合,将拟合后形成的仿真法向齿廓曲线和理论渐开线齿廓进行比较。如图8所示为仿真齿廓在加工过程中不考虑任何外在误差引入、即理想加工状态下相对于理论渐开线的滚刀刀齿截断误差的分布曲线,误差值在0.7μ~0.9μ之间,说明本文所采用仿真方法准确性与合理性。表2所示为不同刀齿在其展成位置时所形成的未变形几何切屑。5实验结果与分析基于NX二次开发技术,建立了斜齿轮滚齿加工仿真系统;斜齿轮仿真法