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[其他] 飞轮外齿槽的高效加工

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发表于 2015-4-16 21:34:03 | 显示全部楼层 |阅读模式

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飞轮外齿槽的高效加工

飞轮外齿槽的高效加工

        图1  电喷发动机飞轮

        发动机飞轮实际为一个大模数的齿轮,通常采用滚削、插削等工艺进行加工,但存在着诸多缺点。实践证明,以拉削方式替代滚削、插削加工大模数、多齿数渐开线齿轮,是一项行之有效的工艺创新。本文详细分析了国产拉刀的设计和制造要点,并阐述了国产拉刀的使用效果。
        飞轮是发动机装在曲轴后端的较大的圆盘状零件,它具有较大的转动惯量,具有如下功能:将发动机做功行程的部分能量储存起来,以克服其他行程的阻力,使曲轴均匀旋转;通过安装在飞轮上的离合器,把发动机和汽车传动系统连接起来;装有与起动机接合的齿圈,便于发动机起动;通过飞轮上齿槽用传感器给发动机电脑发出点火信号。
        神龙汽车有限公司1.6L电喷发动机的转速传感器不仅传递发动机转速信息,同时也包括确定活塞上止点及曲轴转角。如图1所示,电喷发动机飞轮齿圈在1缸上止点前114°位置缺2个齿,发动机转速传感器正是根据缺齿来反馈上止点位置的,电脑以此作为基本参数来控制点火提前角。
       

飞轮外齿槽的高效加工

飞轮外齿槽的高效加工

        工艺加工方案选择
        发动机飞轮实际为一个大模数的齿轮,其材料通常采用铸铁、铸钢。目前,大模数、多齿数渐开线齿轮的加工通常采用滚削、插削等加工工艺。但是,上述传统加工方法存在诸多缺点:
        1.加工效率低
        加工一个模数为4mm、齿数为60、压力角为20°及有效加工长度为30mm的渐开线齿轮需要2h。
        2.尺寸精度不高
        渐开线齿轮的滚削、插削加工采用展成加工原理,齿形加工精度较低,周节累积误差较大,齿轮加工精度只能达到8级。
        3.表面粗糙度差
        滚削和插削加工时冲击力较大,加工过程不稳定,造成被加工表面粗糙度较差,通常只能达到Ra6.3mm。
        4.加工设备及加工过程复杂
        滚削和插削加工运动分为主运动、进给运动及其他辅助运动,设备复杂,操作繁琐。
        为了克服传统加工方法的缺点,采用拉削工艺替代滚齿工艺是一种理想的选择。飞轮外齿参数如图2所示,拉刀结构形式如图3所示。拉刀设计为20把一组 (配套使用),均匀分布于发动机飞轮的圆周上。拉刀镶装在一个圆套筒内,每把拉刀上有3个齿。
        在拉床上进行拉削加工时,拉刀装配关系如图4所示,镶装拉刀的圆套筒是固定的,拉刀前端朝下,尾端朝上。工件装夹在套筒中心的驱动架上,由下往上移动,即由拉刀的第1齿逐渐移动到最后一齿,一次走刀即可完成工件的粗加工、半精加工和精加工。
       

飞轮外齿槽的高效加工

飞轮外齿槽的高效加工

        图4  拉刀装配关系

        拉刀的设计与制造
        在拉刀的设计过程中,应注意以下几点:拉刀与圆套筒的装配质量直接影响齿轮的加工精度,应尽可能提高其装配精度;严格控制拉刀孔距公差,以保证拉刀能顺利安装在圆套筒上;为保证拉刀的使用性能,根据被加工工件的材料、硬度、有效加工长度及加工精度等要求,合理选择拉刀的各项技术参数;拉刀齿形坐标的计算是拉刀设计的关键环节,应保证设计计算的精确性,制造拉刀时应尽可能减少齿形加工误差;大模数、多齿数渐开线齿轮通常齿形较高,故应考虑工件侧面的易拉伤问题;为减少加工时的换刀次数,应保证刀具有较长的使用寿命;应考虑拉刀(尤其是拉刀齿形)的检测手段,以保证检测精度。
        1.拉刀的设计
        根据加工要求及前述设计要点对拉刀进行设计。为保证拉刀能顺利安装于圆套筒中,将刀体上的孔距公差严格控制在±0.15mm之内;考虑到热处理后孔距会增大,在热处理前的半成品工序按2.5/1000的比例对孔距作适当压缩。
        根据工件材料硬度和有效加工长度,选取前角为15°,后角为2°,齿升量为0.043mm。经计算,工件单面深度为5mm,拉刀拉削余量设计为5.23mm,即第1齿高为35.6mm,校准齿高为40.83mm;工件厚度L=28mm,经计算拉刀齿距T=7.94mm,取T=8mm;容屑系数K=310,齿升量a=0.043mm,计算容屑槽深度h=2.14mm,取h=3mm,选取刃宽为2.5mm。
       

飞轮外齿槽的高效加工

飞轮外齿槽的高效加工

        计算拉刀齿形坐标。渐开线上任意一点M(xm,ym)的坐标方程为
        xm=rm×sin(nm×180/π)
        ym=rm×cos(nm×180/π)式中 nm=n0+invαm
        n0=π/z - s/(2r)-invα
        αm= cos-1(r0/rm)
        α= cos-1(r0/r)
        r0=(m×z/2)×cosα
        invα=tanα-π×α/180
        invαm=tanαm- π×αm/180
        式中 m——渐开线齿轮模数;
        z——齿数;
        α——分度圆压力角;
        αm——任意圆压力角;
        s——分度圆弧齿厚;
        r——分度圆半径;
        r0——基圆半径;
        rm——任意圆半径。
        为减小齿形误差,提高设计精度,可采用计算机辅助编程计算拉刀齿形坐标,然后将计算结果通过坐标变换转换为拉刀原始齿形坐标。
        由于刀齿较高,为保证拉削加工时不会拉伤工件侧面,应采用抬高加工的方法,使刀齿形成一定侧后角40′。为此,需对拉刀齿形进行修正,具休方法如下:
        根据计算出的拉刀原始齿形坐标,相应降低Y坐标,X坐标不变,即:x=xm,y=ym-Δy,Δy=ym×y×Δh/h。其中,Δh为拉刀全长抬高量,h为拉刀齿形高度(即第一齿与校正齿高度差)。若形成侧后角为40′,则Δh计算结果应为0.53?mm。拉刀原始齿形及修正后的齿形如图5所示 。
       

飞轮外齿槽的高效加工

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        图7  拉刀装配实物

        2.拉刀的制造
        (1)拉刀在高精度数控平磨或数控拉刀磨床上进行加工。加工拉刀前,需要编制NC加工程序,修磨成形砂轮,并注意控制齿形中心位置。首先加工试磨块,用20倍放大模板在投影仪上检测其齿形,齿形合格后即可开始加工拉刀。加工拉刀时,可用量棒及千分表测量两边高度,以控制齿形对称度及齿形高度H,如图6所示。
        (2)为延长拉刀使用寿命,减少换刀次数,拉刀材料选用进口钴高速钢(硬度67~69 HRC)。加工这种材质的拉刀时,在精磨工序应注意减小进给量,勤修砂轮,防止发生刀齿磨糊、磨掉现象。如条件允许,最好在热处理后、精磨前对拉刀进行时效、去应力处理,以防止出现磨削裂纹。
        拉刀的使用及加工效果
        使用国产拉刀(见图7)进行拉削加工时应注意以下几点:
        1.根据实际拉削力选用合适吨位的液压传动立式拉床 (实际拉力应为额定拉力的75%以下),要求机床能无级调速,且运动平稳性良好。
        2.拉削工作行程为2m,导轨与基准面的垂直度误差为0.05/300mm,拉削的理想速度为3~6m/min,现场实际为12m/min,为高速拉削。
        3.被加工工件硬度应在175~255HB范围内,有效加工长度分段为:10~30mm,30~50mm,50~80mm;被加工工件外径范围为100~300mm。
        4.选用植物油(或乳化油),含量为(20~25)/100的乳化液作为切削液最好。
        使用过程,要注意保证拉刀刃磨的质量,否则拉削力变大,使振动变大,会影响拉刀寿命。
        结语
        以拉削方式替代滚削、插削加工大模数、多齿数渐开线齿轮,是一项行之有效的工艺创新。与传统工艺相比其具有以下优势:
        1. 加工运动简单
        拉削加工只需一个主运动,其进给运动通过拉刀的齿升量来实现,拉削设备易于操作。
        2. 加工效率高
        在一次拉削行程中即可完成粗加工、半精加工及精加工,加工一件模数为4、齿数为60的大齿轮齿形只需1~2min。
        3. 尺寸精度和表面质量高
        拉削切削层较薄,拉削速度较低,易获得较高的加工表面质量(表面粗糙度可达Ra1.25mm,被加工齿轮的齿形误差可达0.01mm,圆周等分累积误差可达0.015mm,高于7-7 -8级齿轮精度)。
        经过多年的实践证明,该国产拉刀的换刀频次达到12000件,加工时间为1.03min,完全达到了国外拉刀(ASP23粉末冶金高速钢)的加工水平,且刀具成本很低,与进口拉刀相比每套可节约20万元。
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