螺旋錐齒輪擺輾成形凹模電極的設(shè)計與制造

史雙喜

(桂林電子科技大學(xué)信息科技學(xué)院,廣西桂林541004)

采用冷擺輾成形工藝來精密成形傘齒輪是近年來被采用的先進的齒輪加工工藝。該工藝既可避免熱鍛時加熱所帶來的種種缺陷,同時也克服了普通冷鍛時變形抗力過大、模具壽命低等缺陷;而且采用冷擺輾成形,省去了加熱設(shè)備及有關(guān)的能量消耗,又由于擺輾件金屬纖維的合理分布,擺輾過程中的強化,大大提高了成品零件的機械性能,其加工精度、表面質(zhì)量也大大提高。所以,冷擺輾精密成形工藝在齒輪加工領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。

螺旋錐齒輪的擺輾成形模具由凹模型腔和擺頭組成,其中凹模型腔的加工精確程度是保證錐齒輪精密成形的關(guān)鍵。而凹模的型腔是采用電火花加工得到的,所以工具電極的齒形設(shè)計將對凹模型腔的加工精度起到重要作用[2-3]。合理地設(shè)計制造電極,是擺輾成形工藝的重要環(huán)節(jié)之一,但模具齒形和電火花加工電極的設(shè)計理論和方法卻缺少必要的系統(tǒng)總結(jié),設(shè)計方法也不盡合理。本文以某螺旋錐齒輪的擺輾成形為例,對工具電極的齒形設(shè)計進行了詳細的分析。

1 電極齒形精度因素

螺旋錐齒輪鍛件的齒形尺寸與凹模的齒形尺寸相同,因此在設(shè)計工具電極齒形時主要應(yīng)考慮電極加工時的放電間隙和電極的燒損對電極齒形精度的影響。冷擺輾成形工藝中,在設(shè)計工具電極的齒形尺寸時,以零件齒輪的齒形尺寸為基礎(chǔ),計入放電間隙的影響,可得到燒損后的電極齒輪;再計入電極的燒損,就可得到最終的電極齒輪的齒形[4]。這就是螺旋錐齒輪“齒輪零件-凹模型腔-電極”之間的幾何尺寸傳遞關(guān)系(圖1)。

圖1 螺旋錐齒輪-凹模型腔-電極之間的幾何關(guān)系

1.1 放電間隙對電極齒形的影響

由于在電火花加工中,凹模型腔齒形與電極齒形之間存在放電間隙 δ。根據(jù)電火花加工的放電性質(zhì),假設(shè)放電間隙值沿電極表面法向相等,則凹模型腔齒廓尺寸減去放電間隙 δ就是電火花加工終止時的電極齒廓尺寸。因此,電極可使用與模腔齒廓相同的齒形參數(shù)及刀具,將齒形進行等移距量的徑向負移距來加工。徑向移距量為:

式中:α0為當量模腔齒廓漸開線的壓力角,即螺旋錐齒輪零件的壓力角。

1.2 電極的燒損對電極齒形的影響

在電火花加工過程中,電極會有一定量的燒損,這會使加工前后的電極齒形參數(shù)發(fā)生變化。電火花加工時,電極齒輪的小端和齒頂部分加工時間長,其損耗較齒根和大端多,從而使齒頂厚度相對變薄,引起齒形漸開線的畸變,體現(xiàn)為壓力角的增大。故設(shè)計電極齒輪時,應(yīng)相應(yīng)地減小壓力角[5]。根據(jù)公式,要使凹模齒形的壓力角為 α0,則工具電極齒輪的壓力角為:

由于電極燒損的影響,使電極的齒厚減薄、齒頂圓和齒根圓的直徑減小,則應(yīng)對電極齒輪進行相應(yīng)的正變位加工:Δ h2=W·H·sinφ。

綜合考慮,可將兩者的移距量進行代數(shù)疊加,即:

在電極精加工時,電極燒損量W·H一般在0.18 mm左右,放電間隙 δ在0.05～0.06 mm,則移距量∑Δ h的數(shù)量級為10-2mm。這個值在實際加工中是非常小的,所以變位加工移距量可忽略不計。電極齒形壓力角為22.3°,與齒輪壓力角相比有所減小,其他電極齒形參數(shù)不變。

2 電極設(shè)計

2.1 電極材料

工具電極必備的基本條件是[5]:

(1)具備良好的電火花加工性能,可穩(wěn)定維持加工過程。因此要求工具電極導(dǎo)電性好、熔點高、沸點高、導(dǎo)熱性好、機械強度高。

(2)制造工藝性好,易保證精度和表面質(zhì)量。

(3)電腐蝕困難,電極損耗小。

針對螺旋錐齒輪的特殊結(jié)構(gòu),基于提高齒輪的加工精度兼顧加工效率的思路,紫銅電極的耐蝕性較好,電阻率較低,符合要求。

2.2 電極結(jié)構(gòu)形式

螺旋錐齒輪電極結(jié)構(gòu)見圖2。電極上的直徑60 mm和直徑10 mm的孔分別與螺旋銑齒機上的定位芯軸和周向定位銷對應(yīng),保證各個電極加工時的重復(fù)精度和更換電極的重復(fù)定位精度,均有加工距中心線60+0.07mm的直徑為10+0.015mm的圓柱定位削孔。用直徑10-0.009mm圓柱銷塞入削孔,可保證電極切齒加工時,齒槽對削孔的位置精度。

圖2 螺旋錐齒輪電極結(jié)構(gòu)圖

3 電極制造與檢測

螺旋錐齒輪電極的外直徑為246 mm,而市面供應(yīng)的紫銅棒料直徑超過200 mm的較少,所以選擇尺寸規(guī)格為250 mm×250 mm×45 mm的紫銅板。電極制造過程如下:①首先根據(jù)電極的尺寸,購買電極材料;②通過機械切削加工電極毛坯;③通過專用的螺旋銑齒機床加工電極齒形。電極加工裝夾見圖3,電極參數(shù)檢測見圖4。

圖3 電極加工示意圖

圖4 電極參數(shù)檢測示意圖

4 結(jié)論

(1)分析了電火花加工中影響電極齒形精度的因素,并提出相應(yīng)的電極齒形參數(shù)設(shè)計方法。

(2)以螺旋錐齒輪擺輾成形凹模電極為例,對電極的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計,并在專用設(shè)備上進行加工和檢測,為齒輪擺輾成形凹模電極設(shè)計制造提供了科學(xué)依據(jù)。

[1] 王華君,孫世為,夏巨諶,等.從動螺旋傘齒輪擺動輾壓三維有限元模擬[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2005(3):93-94.

[2] 馬名峻,蔣亨順,郭潔民.電火花加工技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[3] 華林.齒輪精鍛模加工電極設(shè)計制造和檢測[J].汽車研究與開發(fā),1999(5):34-35.

[4] 張銳,楊秀芝,韓從亞.齒輪電火花加工中電極齒形和模具設(shè)計模塊實現(xiàn)[J].電加工與模具,2006(2):20-22.

[5] 田福祥.加工傘齒輪模具型腔的新型電極設(shè)計[D].青島:青島建筑工程學(xué)院學(xué)報,2005,6(24):6-8.