小齒輪鑄鋁件去毛刺機的設(shè)計*

黎少輝，紀海賓，湯文成

(1.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221140；2.東南大學(xué) 機械工程學(xué)院，南京 211875)

小齒輪鑄鋁件去毛刺機的設(shè)計*

黎少輝1，紀海賓1，湯文成2

(1.徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221140；2.東南大學(xué) 機械工程學(xué)院，南京 211875)

為解決結(jié)構(gòu)小巧又復(fù)雜的小齒輪鑄鋁件去毛刺費時費力問題，研究設(shè)計了一種用于小齒輪鋁壓鑄件自動去毛刺機，能有效去除鑄鋁小齒輪的齒間及端面毛刺，提高生產(chǎn)效率，降低勞動強度，且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，成本低，體積小，易于維護。

小齒輪；鑄鋁件；去毛刺機；結(jié)構(gòu)設(shè)計

0 引言

小齒輪鑄鋁件廣泛應(yīng)用于汽車、航空等行業(yè)，相對于其它加工成形工藝，壓鑄是制造小齒輪的一種高效成形方法。在壓鑄生產(chǎn)過程中，由于模具動定模裝配誤差、澆道、排氣設(shè)計不合理及各種注射條件與參數(shù)設(shè)置非最佳等原因，造成壓鑄件在分型面、型芯配合邊緣及澆注口處出現(xiàn)毛刺。因此，毛刺的存在是壓鑄件最常見的問題，這會對零件的裝配精度、使用要求、設(shè)備運行安全等方面產(chǎn)生不良的影響[1-2]。針對結(jié)構(gòu)小巧又復(fù)雜的小齒輪鋁鑄件，企業(yè)去毛刺方法主要是手工去毛刺[3]，借用銼刀、砂紙、鋼刷、放大鏡等工具完成，勞動強度大，生產(chǎn)效率低，質(zhì)量難保證；而現(xiàn)有的工業(yè)機器人、熱能、光能、電能、化學(xué)能等方法卻又存在不同程度的適應(yīng)范圍和局限性，很難同時實現(xiàn)高效率、高質(zhì)量和低成本的毛刺去除效果[4-8]。尋找一種效率高、可靠性高、成本低、適合小齒輪鑄鋁件結(jié)構(gòu)的去毛刺方法成為必需。

本文設(shè)計了一種用于小齒輪鋁壓鑄件自動去毛刺機，能實現(xiàn)自動上料、夾緊、去毛刺、下料等加工過程，有效去除鑄鋁小齒輪的齒間及端面毛刺，提高生產(chǎn)效率，降低勞動強度，且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，成本低，體積小，易于維護。

1 小齒輪鑄鋁件概述

上海某金屬制品公司接受一批鋁合金小齒輪加工訂單，完成訂單的時間緊、任務(wù)重、產(chǎn)品質(zhì)量要求高。小齒輪鑄鋁件的實體結(jié)構(gòu)如圖1所示, 齒數(shù)為20齒，由于最大端面為分型面，小齒輪鑄件多個輪齒間存在鴨蹼狀的碎片，輪齒的邊緣存在飛邊毛刺，齒輪端面的四個加強筋上存在四處澆注口毛刺。加工初期，公司采用人工去毛刺，去毛刺的順序為：先用齒間銼刀去掉各齒間鴨蹼狀的毛刺及輪齒邊緣飛邊毛刺，再用端面銼刀去除端面澆注口毛刺，最后用砂紙拋光，毛刷清理碎屑。但是，在實際去毛刺過程中，由于輪齒間鴨蹼狀碎片具有較好的韌性, 導(dǎo)致齒間挫后碎片毛刺翻轉(zhuǎn)粘連在輪齒外邊緣，進行端面挫時，碎片毛刺又翻轉(zhuǎn)回輪齒間，不易去除，費時費力，返修率較高，增加小齒輪的生產(chǎn)成本。

為提高加工效率,首先應(yīng)考慮如何減少毛刺的生成及毛刺生成的位置, 其次從加工效率方面考慮去毛刺的方法及設(shè)備工具。由于壓鑄生產(chǎn)工藝及齒輪結(jié)構(gòu)要求在訂單中已確定，生產(chǎn)率的提高只有改善去毛刺的方法。

圖1 小齒輪鑄鋁件實體圖

2 去毛刺機總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及工作原理

小齒輪鑄鋁件去除毛刺機結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括支撐架、帶傳動夾具、磨具、磨具支架、限位桿、滑動桿、曲柄機構(gòu)、電機等部件，夾具的側(cè)面設(shè)置有彈性砂紙。其工作過程如下：把小齒輪鑄鋁件放在傾斜槽中，在重力作用下小齒輪鑄鋁件自行滑到傾斜槽的下端；按下啟動開關(guān)，電機M1、M2、M3開始工作，電機M1帶動曲柄機構(gòu)工作，實現(xiàn)磨具左右運動，電機M2帶動傳動帶夾具逆時針運行，電機M3帶動磨具旋轉(zhuǎn)；當(dāng)傳動帶夾具運行到右端時自動張開，夾具上的圓柱桿插入傾斜槽底端的小齒輪鑄鋁件中心孔中，拾起小齒輪，后續(xù)的小齒輪在重力作用下自行滑到傾斜槽下端；隨著傳送帶的運行，夾具逐漸加緊小齒輪，實現(xiàn)自動上料、夾緊。當(dāng)小齒輪通過磨具時，小齒輪先在磨具兩端設(shè)置的圓錐形磨具作用下調(diào)整輪齒位置，實現(xiàn)小齒輪與磨具完全嚙合，左右移動的磨具對小齒輪鑄鋁件齒間的毛刺進行打磨，轉(zhuǎn)動的磨具帶動小齒輪旋轉(zhuǎn)，小齒輪端面在夾具側(cè)面設(shè)置的彈性砂紙作用下實現(xiàn)端面毛刺的去除，實現(xiàn)齒間毛刺與端面毛刺同時去除。當(dāng)打磨好的小齒輪運行到傳送帶的左端時，夾具張開，小齒輪在重力作用下脫落，完成小齒輪鑄鋁件的去毛刺工作。

1.支架 2.傾斜槽 3.夾具 4.磨具 5.毛刷 6.磨具支架 7.限位桿 8.滑動支撐桿 9.曲柄機構(gòu) M1：曲柄機構(gòu)驅(qū)動電機 M2：夾具機構(gòu)驅(qū)動電機 M3：磨具驅(qū)動電機 SB1：停止按鈕 SB2：啟動按鈕

圖2 去毛刺機主體結(jié)構(gòu)圖

3 主要零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計

總體結(jié)構(gòu)圖對零部件細節(jié)的描述不夠詳細，下面針對主要部件的設(shè)計進行補充說明。

3.1 夾具機構(gòu)

夾具結(jié)構(gòu)如圖3所示，夾具通過螺栓固定在傳送帶上，夾具上設(shè)置有圓柱桿及半圓柱形的彈性砂紙。傳動帶運動方向如圖中箭頭所示，夾具在傳送帶的左右兩端自動張開，在右端張開時，圓柱桿穿過小齒輪鑄件的中心孔，拾起小齒輪鑄件。當(dāng)夾具通過右端的傳動輪后自動夾緊小齒輪，通過磨具時，彈性砂紙對旋轉(zhuǎn)的小齒輪端面進行打磨。夾具運行到傳送帶左端時自動松開打磨好的小齒輪。

圖3 夾具結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 打磨機構(gòu)

打磨機構(gòu)如圖4所示，磨具4包括中間圓柱形磨具4.1和兩端為圓錐形磨具4.2，圓錐形磨具主要調(diào)整小齒輪鑄件與磨具之間的位置，實現(xiàn)小齒輪鑄件與圓柱形磨具4.1有效嚙合。磨具支撐架6包括支撐桿6.1及曲柄滑塊6.3，兩者通過圓柱形鉸鏈6.2聯(lián)接在一起。磨具在接觸小齒輪鑄件或脫離小齒輪鑄件后，支撐桿6.1落在圖1所示的限位桿7上，避免磨具與夾具碰撞。

圖4 打磨機構(gòu)示意圖

3.3 曲柄機構(gòu)

為保證曲柄機構(gòu)運行時的穩(wěn)定性，在滿足工作行程及工作行程速比系數(shù)的情況下應(yīng)實現(xiàn)最大壓力角最小，曲柄機構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。假設(shè)：曲柄長度為a，連桿長度為b，機構(gòu)偏心距為e，極位角為θ，行程速比系數(shù)為K，曲柄轉(zhuǎn)角為φ，工作行程為H，機構(gòu)在兩個極限位置的壓力角為α1和α2，滑塊行進中壓力角為α。

則曲柄機構(gòu)工作行程：

(1)

曲柄機構(gòu)極位角θ與行程速比系數(shù)K之間的關(guān)系為：

(2)

機構(gòu)在兩個極限位置的壓力角為：

(3)

機構(gòu)在兩個極限位置的壓力角與極位角之間的關(guān)系為：

(4)

滑塊行進中連桿水平夾角為：

(5)

由式(1)、式(2)、式(4)可知：設(shè)計變量參數(shù)H、K、a、b、e、θ中有三個獨立的自變量。

圖5 曲柄滑塊機構(gòu)示意圖

取滑塊行程速比系數(shù)K=1.2，滑塊工作行程H=100mm。采用Pro/E5.0中自上而下的設(shè)計方法，基于運動骨架模型，在“工具”菜單中添加關(guān)系式來驅(qū)動運動骨架模型尺寸，并進入“機構(gòu)”模塊進行運動學(xué)仿真，然后對骨架模型中的參數(shù)進行優(yōu)化分析和選取，從中找出合適的參數(shù)，滿足工作行程及工作行程速比系數(shù)確定的情況下實現(xiàn)最大壓力角最小[8-9]。根據(jù)上述方法計算獲得優(yōu)化后的機構(gòu)尺寸為θ=16.4°，a=48.4mm，b=100mm，e=21.6mm，優(yōu)化后的最大壓力角為25.06°。根據(jù)獲得的a、b、e三個參數(shù)可實現(xiàn)去毛刺機的曲柄機構(gòu)設(shè)計。

4 試驗分析

試驗去毛刺結(jié)果達到需求效果，如圖6所示，去毛刺速度可實現(xiàn)每分鐘10個，10倍于人工去毛刺的速度，有效降低生產(chǎn)成本。試驗中發(fā)現(xiàn)，傳送帶的運行速度、磨具的旋轉(zhuǎn)速度、曲柄機構(gòu)的運行速度這三個速度選擇一定要協(xié)調(diào)才能保證磨具與小齒輪鑄件的良好嚙合，也就是說選擇合適的M1、M2、M3電機參數(shù)，或通過速度控制器調(diào)節(jié)電機的旋轉(zhuǎn)速度。前一種方法成本低，但在設(shè)計傳動機構(gòu)時要注意結(jié)構(gòu)尺寸與電機的速度相協(xié)調(diào)；后一種方法需要添加電機的速度控制器，成本相對較高。

圖6 小齒輪鑄鋁件去毛刺前后對比

5 結(jié)束語

壓鑄成型是一種高效的機械零件生產(chǎn)方式，在機械工業(yè)生產(chǎn)中的比重逐年增加，鑄件的去毛刺方法仍是壓鑄行業(yè)中的關(guān)注焦點，針對鑄件的結(jié)構(gòu)特點及毛刺類型設(shè)計相應(yīng)的處理設(shè)備與工藝是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。本文可以看出：根據(jù)小齒輪鑄鋁件結(jié)構(gòu)特征及毛刺的分布特點，再結(jié)合齒輪嚙合傳動方式，開發(fā)相應(yīng)的去毛刺設(shè)備。試驗證明，該設(shè)備能有效去除小齒輪鑄鋁件齒間與端面毛刺，提高生產(chǎn)效率。且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，成本低，體積小，易于維護。這為其它鑄件去毛刺機設(shè)計提供參考。

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[10] 二代龍工作室.Pro/ENGINEER Wildfire5．0 機構(gòu)/運動分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2010．

(編輯 李秀敏)

The Burring Machine Design of Pinion Aluminum Die Casting

LI Shao-hui1,JI Hai-bin1,TANG Wen-cheng2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering,Xuzhou College of Industrial Technology, Xuzhou Jiangsu 221140,China;2. School of Mechanical Engineering,Southeast University,Nanjing 221875,China)

In order to solve the small gear casting deburring time-consuming problem, studied and designed an automatic deburring machine for pinion aluminum die casting, The device can effectively remove the burr of aluminum small gear tooth and end surface , improve production efficiency and reduce labor intensity ,at the same time ,the equipment has the advantages of simple structure, low cost, small volume, easy to maintain.

pinion；aluminum casting；deburring machine；structure design

1001-2265(2017)02-0154-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.02.040

2016-04-20；

2016-05-16

江蘇省“青藍工程”資助項目(QLGC-2013-04)；江蘇省高職院校高級訪問學(xué)者計劃項目資助(2015FX085)

黎少輝(1974—)，男，鄭州人，徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，博士，研究方向為機械CAD/CAM/CAE應(yīng)用技術(shù)，(E-mail)lishaohui@mail.xzcit.cn。

TH122;TG65

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