Modelling of generating dry grinding process for automotive gear production

La seguente tesi presenta il lavoro svolto durante il dottorato, focalizzato sulla definizione di un modello per la simulazione e l’ottimizzazione del processo di rettifica a secco di ingranaggi per impiego automobilistico. L’obiettivo dello studio è quello di sviluppare una strategia di modellazione che consenta una simulazione del processo di rettifica. La simulazione dovrà essere impiegata in ambito industriale per ottimizzare i parametri di processo al fine di ottenere particolari di elevata qualità, privi di difetti geometrici e metallurgici. Gli elevati requisiti di accuratezza dovranno essere ottenuti assicurando volumi produttivi competitivi rispetto a quelli tipici dei processi lubrificati. Il problema è stato articolato su due livelli gerarchici. Un primo livello ha previsto lo studio e la modellazione delle interazioni tra un singolo grano abrasivo ed il materiale in lavorazione al fine di calcolare le forze di taglio e predire la quantità di energia termica sviluppata durante l’asportazione di materiale. In un secondo livello di modellazione si sono applicati i risultati conseguiti nella prima fase alla geometria complessa di un dente di ingranaggio ed alla cinematica del processo di generazione. In questa fase si sono calcolate le temperature raggiunte sul componente rettificato ed il gradiente termico generato durante il contatto mola-pezzo per determinare l’insorgenza di danneggiamenti termici del materiale. I due modelli, consentono di predire lo stress termico cui è soggetto l’ingranaggio durante la rettifica a secco consentendo un’ottimizzazione dei parametri di taglio al fine di ottenere la massima produttività. L’intero dottorato è stato condotto in collaborazione con Samputensili Machinetools ed ha visto la diretta applicazione industriale delle tematiche affrontate. Test sperimentali sono stati condotti nei laboratori del Georgia Tech di Atlanta, USA e del RWTH Aachen, Germania, per la validazione del modello microscopico mentre le prove di produzione e la validazione del modello macroscopico è stata effettuata presso Samputensili.The following thesis presents work done during the Ph.D., focused on definition of a model for simulation and optimization of a new dry grinding process for automotive gears. The objective of the study is to develop a model that allows a virtual simulation of gear grinding. The simulation must be applied to an industrial scenario to optimize process parameters and high quality parts, free from geometric and metallurgical defects. The high accuracy requirements typical of gears for automotive applications must be obtained by ensuring competitive production volumes compared to those typical of lubricated processes. In order to address the unique challenges of grinding, further complicated by the specific characteristics of gear grinding, the problem has been divided into two hierarchical levels. A first level involved the study and modeling of interactions between a single abrasive grain and the material being processed to calculate the characteristic cutting forces and predict the amount of thermal energy developed during material removal. In a second level the results obtained in the first phase were applied to the complex geometry of a gear tooth and kinematics of the generation process. In this phase, temperatures attained on the ground component and the thermal gradient generated during grinding were calculated to determine the occurrence of thermal damage to the material. The two models, working in synergy, allow prediction of the thermal stress to which the gear is subject during dry grinding, allowing optimization of the cutting parameters to obtain maximum productivity. The entire doctorate was conducted in collaboration with Samputensili Machinetools and saw the direct industrial application of the issues addressed. Experimental tests were carried out in the laboratories of Georgia Tech in Atlanta, USA and RWTH Aachen, Germany, for validation of the cutting model. Production tests and validation of the thermal model were performed at Samputensili