硬质合金插齿刀设计及有限元分析 毕业设计

编号

本科生毕业设计

硬质合金插齿刀设计及有限元分析The Design and FEA Of Carbide Cutter

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指导教师

学院

二〇一一年六月

摘要

传统插齿刀的前刀面为锥面或平面，而采用硬质合金材料的插齿刀存在构形精度和抗崩刃能力之间相互制约的弊端。在加工一定数量的工件后，插齿刀会出现微崩刃和侧刃顶部的急剧磨损现象。因此，有必要分析插齿加工时插齿刀的应力、应变以及危险点的分布。

本文根据插齿刀的构形方法，在CATIA环境下建立插齿刀参数化实体模型，重点完成了对复杂曲面的建模。并将实体模型导入CATIA有限元分析模块对侧刃进行插齿主切削力静态分析。从而得知插齿切削力对硬齿面硬质合金插齿刀的磨损和崩刃影响较小，在主切削力作用下刀尖部位为危险点，齿根部位为次危险点。分析结果为继续研究硬质合金插齿刀奠定了理论基础。同时，为了加工应用，利用AutoCAD软件绘制了二维工程图纸。

关键词：硬质合金插齿刀 CATIA实体建模有限元分析

Abstract

The traditional shaper cutter’s rake face is taper surface or flat. The use of carbide material leads a drawback that the shaper cutter’s configuration accuracy and ability of anti-chipping restricts each other. After machined a certain number of jobs, micro chipping will appears and the top of side edge will wear rapidly. Therefore, it is necessary to analyze the distribution of shaper cutter’s stress, strain and dangerous point.

This article according to the shaper cutter’s configurati on method, established its parametric solid models in the CATIA environment, focus on the completion of the modeling of complex surface. And import solid models into CATIA finite element analysis module for the static analysis of the main cutting force. At last we got the result that the main cutting force has little effect on carbide shaper cutter’s wear and chipping. Under the action of main cutting force the corner is dangerous point, the tooth roots part is the minor dangerous point. The analysis results laid a theoretical foundation of further study of carbide shaper cutter. Meanwhile, for practical application, used AutoCAD software to draw two-dimensional engineering drawings.

Keywords: Carbide material; Shaper cutter; CATIA solid modeling; Finite element analysis

目录

摘要 (1)

Abstract (2)

目录 (3)

第1章绪论 (1)

1.1 硬齿面插齿技术概述 (1)

1.1.1 插齿技术在齿轮加工中的地位 (1)

1.1.2 硬齿面插齿技术的国内外发展现状 (1)

1.2 插齿刀技术的发展 (3)

1.2.1 涂层技术的开发应用 (3)

1.3插齿刀变位系数的限制因素 (3)

1.3.1内插齿刀的最大变位系数（X0）max的限制因素 (4)

1.3.2内插齿刀的最小变位系数（X0）min 的限制因素 (4)

1.4 本课题研究的主要内容 (4)

第2章硬质合金插齿刀的建模 (6)

2.1 硬质面插齿刀的构形理论 (6)

2.2 插齿刀的具体设计参数 (6)

第3章 CATIA环境下的插齿刀实体建模 (16)

3.1 CATIA软件简介 (16)

3.2 曲面造型技术 (17)

3.3 凸曲面插齿刀实体建模 (18)

3.4 插齿刀实体造型的作用 (23)

第4章插齿刀有限元分析 (24)

4.1 关于有限元分析法的有关问题 (24)

4.2 有限元分析原理及步骤 (26)

4.3 插齿刀有限元具体分析过程 (28)

4.4 刀齿插齿主切削力受载分析 (32)

4.4 总结 (36)

结论 (37)

参考文献 (38)

致谢 (39)

第1章绪论

1.1硬齿面插齿技术概述

随着机械工业的发展，硬齿面齿轮的应用越来越广泛。而且现代工业对传动系统和变速系统中齿轮精度和机械性能的要求越来越高，齿轮正朝着高精度、低噪声、高承载、高速度、轻量化及长寿命方向发展。伴随着高精度硬齿面齿轮的广泛应用，国内外都对硬齿面齿轮的加工进行了大量研究，致力于如何以高效率和低成本来实现硬齿面的精加工。在齿轮的切削加工方法中，插齿技术是目前高精度硬齿面齿轮加工的一种广泛应用的切齿方法。

1.1.1插齿技术在齿轮加工中的地位

齿轮的切削加工方法按其原理可分为仿形法和展成法两类，其中展成法是目前齿轮加工中应用最普遍的方法，它是利用一对齿轮啮合或齿轮与齿条啮合的工作原理来加工的，如滚齿、插齿、剃齿和梳齿等工艺方法。

硬齿面齿轮的精插削是用硬质合金插齿刀精加工热处理后硬度为HRC45-64硬齿面齿轮。硬齿面精加工通常采用磨削工艺，即齿轮在淬火前进行粗切齿，淬火后用磨齿的方法精加工。此工艺的特点是效率低、成本高，其应用受到很大的限制。20世纪70年代，国内外开始采用硬质合金刀具精加工的研究，相继开发了硬质合金滚刀、硬质合金插齿刀等精切硬齿面齿轮的新技术，均已取得了一定的成效，从工艺上保证了淬硬齿轮的广泛应用的可能性。但是到目前为止刀具都存在易崩刃、寿命短的问题，使这类刀具即使在稳定的工况上也难于使用。

对于插齿工艺来说，由于插齿时刀具的齿距累积误差和机床传动链误差都将反映到被加工的齿轮上，因此插齿刀不易加工出精度很高的齿轮，其加工效率亦相对低于滚齿工艺。滚齿生产具有高效率、高精度及加工范围广等特点，因此滚齿工艺是实际生产中应用最为广泛的切齿方法，在齿轮加工中一直居优势地位。然而有些情况，特别是对内齿轮、阶梯齿轮或多联齿轮、无空刀槽的人字齿轮及某些非标准齿轮的加工，插齿加工方法具有不可替代性，因而插齿工艺在整个齿轮加工业中仍占有很大的比例。

随着工业技术水平的提高，插齿技术也得到很大发展，对插齿机床和插齿刀具的有效改进，使得其生产效率和加工精度与滚齿生产的差距日益缩小，加之其所具有的加工特性，在实际生产中至今仍被广泛采用，因此，它是一种不可取代的齿轮加工技术。

1.1.2 硬齿面插齿技术的国内外发展现状

齿轮传动作为机械传动的主要形式和机器结构的基本部件，随着科学技术的发展，齿轮的传动装置朝着大功率、小体积和高寿命方向发展，这就对齿轮的承载能力、使用寿命、制造精度等方面提出了越来越高的要求。为了满足这些要求，