title: CAD-based simulation of spiral bevel gear manufacturing processes and investigation of optimal process parameters

title: Προσομοίωση των κατεργασιών κοπής κωνικών ελικοειδών οδοντώσεων μέσω συστήματος CAD και διερεύνηση των βέλτιστων παραμέτρων κατεργασίας
 
Creators: name: Ευσταθιου Χαρικλεια
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2022

description: The present doctoral dissertation focuses on the simulation of spiral bevel gear manufacturing processes. The ultimate goal of the study is to build the necessary simulation models for the optimization of the spiral bevel gear machining methods so that costly machining experiments can be avoided. The kinematics of the two most important spiral bevel gear machining processes, face milling and face hobbing, are simulated using BevelSim3D, an algorithm developed as part of this thesis. The algorithm models the blank gear, either pinion or crown, and cutting tool geometries, and creates the tool trajectory achieving the simulation of the process kinematics. As a result, the tooth flank generation and chip formation processes are revealed and the solid work gear and undeformed chip geometries are generated. The generated tooth flank topography can be used for further analysis to determine the effect of process parameters on tooth surface quality. 
To validate the simulation results, the BevelCurve3D algorithm is developed to compare the simulated tooth surface to the theoretical one. The validation process is carried out using a simple geometric approach by comparing the simulated with the theoretical 3D tooth surface coordinates and calculating the deviation between them. In addition to evaluating the surface topography, kinematic simulation can also be used to calculate the cutting forces that occur during the process. 
Utilizing the simulation results, the BevelForce3D algorithm calculates the cutting forces by analyzing the undeformed chip geometry. This is realized by dividing the solid chip geometry into elementary chips. Local cutting forces calculated on the revolving tip of the cutting blade can be used to predict tool wear, whereas global forces calculated at a fixed point on the work gear can be used to predict work gear deformation and specify the fixture type and clamping force that must be applied prior to machining. 
Finally, after the simulation and cutting forces algorithms are developed, several simulations are executed to investigate the effect of crucial cutting parameters on the quality of the simulated surface and the developed cutting forces. More specifically, the study revealed that generation feedrate has a major effect on the quality of both tooth flanks and finishing stock allowance, plunge feedrate and generation feedrate greatly impact the developed cutting forces.

description:  H παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην προσομοίωση της κατασκευής ελικοειδών κωνικών οδοντώσεων. Στα πλαίσια της διατριβής αναπτύχθηκε το προσομοιωτικό μοντέλο BevelSim3D το οποίο βασίζεται σε ένα αναγνωρισμένο σύστημα CAD. To προσομοιωτικό μοντέλο επιτυγχάνει την κινηματική προσομοίωση των δύο σημαντικότερων κατεργασιών κοπής ελικοειδών κωνικών οδοντώσεων, του μετωπικού φραιζαρίσματος (face milling) και του μετωπικού φραιζαρίσματος με κύλιση (face hobbing). Ο αλγόριθμος μοντελοποιεί τον ακατέργαστο τροχό, πινιόν ή κορώνα, τη γεωμετρία του κοπτικού εργαλείου, και δημιουργεί την τροχιά του κοπτικού εργαλείου επιτυγχάνοντας την προσομοίωση της κινηματικής της κατεργασίας. 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 μπορούν να χρησιμοποιηθούν 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 κοπής στην ποιότητα της κατεργασμένης επιφάνειας. Αντίστοιχα, τα τρισδιάστατα απαραμόρφωτα απόβλιττα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανάλυση της διαδικασίας δημιουργίας του αποβλίττου της κατεργασίας καθώς και τον υπολογισμό των δυνάμεων κοπής.
Για την επαλήθευση των αποτελεσμάτων του μοντέλου προσομοίωσης BevelSim3D, αναπτύχθηκε ο αλγόριθμος επαλήθευσης BevelCurve3D. O αλγόριθμος επαλήθευσης συγκρίνει την τελική προσομοιωμένη επιφάνεια της οδόντωσης με τη θεωρητική επιφάνεια η οποία εξάγεται από ένα καθιερωμένο πρόγραμμα υπολογισμού και σχεδιασμού οδοντωτών τροχών. Η διαδικασία επαλήθευσης πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας μια απλή γεωμετρική προσέγγιση, συγκρίνοντας τις προσομοιωμένες με τις θεωρητικές συντεταγμένες των τρισδιάστατων παρειών των δοντιών του τροχού και υπολογίζοντας την απόκλιση μεταξύ τους.
Εκτός από την αξιολόγηση της ποιότητας της επιφάνειας, η κινηματική προσομοίωση μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί για τον υπολογισμό των δυνάμεων κοπής που αναπτύσσονται κατά τη διάρκεια της κατεργασίας. Ένας από τους βασικούς στόχους της προσομοίωσης των κατεργασιών με αφαίρεση υλικού είναι η μείωση της φθοράς των εργαλείων κοπής η οποία συνεπάγεται μείωση του κόστους παραγωγής. Χρησιμοποιώντας τα αποτελέσματα του μοντέλου BevelSim3D, το μοντέλο BevelForce3D υπολογίζει τις δυνάμεις κοπής που αναπτύσσονται κατά την κατεργασία, μέσω της ανάλυσης της τρισδιάστατης γεωμετρίας του παραγόμενου αποβλίττου σε στοιχειώδη απόβλιττα. Οι τοπικές δυνάμεις κοπής στις ακμές του περιστρεφόμενου κοπτικού εργαλείου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διερεύνηση των παραμέτρων κοπής με στόχο τη μείωση της φθοράς του κοπτικού εργαλείου. Οι καθολικές δυνάμεις κοπής που υπολογίζονται σε ένα σταθερό σημείο του κατεργαζόμενου τροχού μπορούν να χρησιμοποιηθούν στην εκτίμηση της απαραίτητης δύναμης συγκράτησης και της κατάλληλης διάταξης συγκράτησης του ακατέργαστου τροχού πριν ξεκινήσει η κατεργασία καθώς και στην εκτίμηση της παραμόρφωσης του οδοντωτού τροχού και των παραμένουσων τάσεων μετά το πέρας της κατεργασίας.
Τέλος, τα δύο μοντέλα προσομοίωσης της κατεργασίας και υπολογισμού των δυνάμεων κοπής χρησιμοποιήθηκαν για τη διερεύνηση της επίδρασης σημαντικών παραμέτρων κοπής αφενός μεν στην ποιότητα της προσομοιωμένης επιφάνειας και αφετέρου στις δυνάμεις κοπής. Η μελέτη έδειξε ότι η πρόωση κύλισης έχει σημαντική επίδραση στην ποιότητα και των δύο παρειών της οδόντωσης και επίσης το εναπομείναν προς αποπεράτωση υλικό, η πρόωση ξεχονδρίσματος και η πρόωση κύλισης επηρεάζουν σε μεγάλο βαθμό τις δυνάμεις κοπής.