飞轮外齿槽的高效加工

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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

        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

        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

        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 。

       

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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。