CAD-based simulation of spiral bevel gear manufacturing processes and investigation of optimal process parameters
Authors: Ευσταθίου Χαρίκλεια 
Published: February 2023

H παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην προσομοίωση της κατασκευής ελικοειδών κωνικών οδοντώσεων. Ο στόχος της συγκεκριμένης μελέτης είναι η δημιουργία των κατάλληλων προσομοιωτικών εργαλείων για την ανάλυση και βελτίωση των κατεργασιών κοπής ελικοειδών κωνικών οδοντώσεων χωρίς να είναι απαραίτητη η διεξαγωγή χρονοβόρων και δαπανηρών πειραμάτων κατεργασίας. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής αναπτύχθηκε το προσομοιωτικό μοντέλο BevelSim3D το οποίο βασίζεται σε ένα αναγνωρισμένο σύστημα CAD. To μοντέλο επιτυγχάνει την κινηματική προσομοίωση των δύο σημαντικότερων κατεργασιών κοπής ελικοειδών κωνικών οδοντώσεων, του μετωπικού φραιζαρίσματος (FM - face milling) και του μετωπικού φραιζαρίσματος με κύλιση (FH - face hobbing). Αποτέλεσμα της κινηματικής προσομοίωσης των κατεργασιών είναι η μοντελοποίηση της προσομοιωμένης γεωμετρίας του εκάστοτε κωνικού οδοντωτού τροχού και η παραγωγή των απαραμόρφωτων στερεών αποβλίττων που προκύπτουν ως αποτέλεσμα της κατεργασίας. Οι γεωμετρίες που προκύπτουν από την προσομοίωση χρησιμοποιούνται για την περαιτέρω ανάλυση και διερεύνηση της κατεργασίας. Πιο συγκεκριμένα, η τρισδιάστατη γεωμετρία του οδοντωτού τροχού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για διερεύνηση της επίδρασης των παραμέτρων της κατεργασίας στην ποιότητα της κατεργασμένης επιφάνειας. Αντίστοιχα, τα τρισδιάστατα απαραμόρφωτα απόβλιττα χρησιμοποιούνται για την ανάλυση της διαδικασίας δημιουργίας του αποβλίττου της κατεργασίας καθώς και τον υπολογισμό των δυνάμεων κοπής. Για την επαλήθευση του μοντέλου προσομοίωσης αναπτύχθηκε ο κώδικας BevelCurve3D, ο οποίος συγκρίνει την τελική προσομοιωμένη επιφάνεια του δοντιού με τη θεωρητική επιφάνεια που εξάγεται από ένα αναγνωρισμένο λογισμικό υπολογισμού και σχεδιασμού οδοντώσεων. Επιπλέον, αναπτύχθηκε ο αλγόριθμος BevelForce3D, ο οποίος κάνει χρήση των αποτελεσμάτων της κινηματικής προσομοίωσης, και πιο συγκεκριμένα των απαραμόρφωτων αποβλίττων της κατεργασίας, για τον υπολογισμό των δυνάμεων κοπής. Αυτό επιτυγχάνεται μέσω της ανάλυσης της στερεής γεωμετρίας του κάθε αποβλίττου η οποία διακριτοποιείται σε στοιχειώδη απόβλιττα. Οι τοπικές δυνάμεις κοπής, οι οποίες υπολογίζονται στην κοπτική ακμή του εργαλείου, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην πρόβλεψη της φθοράς του εργαλείου. Οι καθολικές δυνάμεις κοπής, που υπολογίζονται σε ένα σταθερό σημείο του κατεργαζόμενου τροχού, μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην εκτίμηση της απαραίτητης δύναμης συγκράτησης του κατεργαζόμενου τροχού, στην επιλογή της κατάλληλης διάταξης συγκράτησης αλλά και στην εκτίμηση της παραμόρφωσης του οδοντωτού τροχού ως αποτέλεσμα της κατεργασίας.Τέλος, μετά την ανάπτυξη των αλγορίθμων προσομοίωσης και υπολογισμού των δυνάμεων κοπής, πραγματοποιήθηκε μια σειρά προσομοιώσεων για τη διερεύνηση της επίδρασης κρίσιμων παραμέτρων της κατεργασίας στην ποιότητα της προσομοιωμένης επιφάνειας αλλά και στις αναπτυσσόμενες δυνάμεις κοπής. Πιο συγκεκριμένα, η μελέτη ανέδειξε τη μεγάλη επίδραση της πρόωσης κύλισης στην ποιότητα της τελικής προσομοιωμένης επιφάνειας αλλά και την απόκλισή της από την θεωρητική επιφάνεια για τις κατεργασίες face hobbing και face milling. Επιπλέον, μελετηθηκε η επίδραση τριών κρίσιμων παραμέτρων στις δυνάμεις κοπής σε κατεργασία face hobbing κορώνας, και συγκεκριμένα η επίδραση της πρόωσης ξεχονδρίσματος, της πρόωσης κύλισης σε κατεργασία μονού σταδίου και του εναπομείναντος προς αποπεράτωση υλικού. Διαπιστώθηκε ότι και οι τρεις παράμετροι επιδρούν σημαντικά στο μέγεθος και τη μορφή των δυνάμεων κοπής της κατεργασίας.