王斌
陜西法士特齒輪有限責任公司 陜西寶雞 722409
中小客車變速器和輕卡變速器的超速擋齒輪,因內(nèi)孔較小,無法設(shè)計脹套式滾齒夾具,目前普遍采用心軸式滾齒夾具(見圖1),該結(jié)構(gòu)夾具因裝卸工件需要,工件內(nèi)孔與心軸須設(shè)計一定配合間隙,該間隙的存在,造成加工與齒部精度檢測時不同心,進而對工件的齒距累積偏差評價產(chǎn)生明顯影響[1]。
圖1 心軸式滾齒夾具
以心軸式滾齒夾具為例,通過分析裝夾偏心對齒距累積精度的影響值,說明減小該配合間隙對提升齒距累積誤差的效果,并提供一種配合間隙較小且經(jīng)濟可行的夾具方案。
加工現(xiàn)狀:以某一產(chǎn)品為例,工件內(nèi)孔φ39.775/39.755m m,其滾齒夾具心軸尺寸φ39.747/39.742mm,配合間隙為+0.008~+0.033mm。
使用心軸式滾齒夾具,徑向圓跳動值調(diào)整至0.005mm以內(nèi),連續(xù)滾齒加工30件,檢測并統(tǒng)計滾齒測量結(jié)果見表1。
表1 使用心軸式滾齒夾具測量結(jié)果
問題分析:本次30件試驗件,內(nèi)孔為連續(xù)加工,一致性較好,內(nèi)孔尺寸φ39.77mm,滾齒夾具心軸尺寸φ39.742mm。
滾齒機為新設(shè)備,滾齒夾具心軸徑向圓跳動0.005mm以內(nèi),可認為滾齒夾具回轉(zhuǎn)中心線與工作臺中心線重合。
測量設(shè)備為格里森齒輪測量中心,檢驗心軸為格里森階梯心軸,此工件滾齒序齒距累積要求7級精度,試驗結(jié)果有1/3超出要求。
對裝夾誤差進行分析:如圖2所示,建立工件安裝偏心幾何模型,O為被加工齒輪的幾何中心,O1為齒輪磨床主軸回轉(zhuǎn)中心,將安裝偏心OO1用矢量e表示,將安裝偏心e沿OD和O1D(與OB垂直)方向分解。
圖2 工件安裝偏心幾何模型
由幾何關(guān)系得,OD與AB相等。由于AB的長度為微米級的,所以近似認為BF與漸開線CBFE相切于B點,則直線AB與BF的夾角為α,AF垂直于OA。
將漸開線CBFE定義為1號齒的左齒面,則齒輪安裝偏心對其齒距累積偏差的影響值為:eFpk=e·[sin(θ-θ1+360j/z)+cos(θ-θ1+360j/z)·tanα]-e·[sin(θ-θ1)+cos(θ-θ1)·tanα],其中eFpk為齒輪安裝偏心對其齒距累積偏差的影響值;θ1=tanα-α;α為分度壓力角;z為被測齒輪的齒數(shù);j=0,1,2…,z-1;k=1,2,…,z-1[2]。
該產(chǎn)品齒部參數(shù)為:mn=2.67,a=21°,z=20,β=27.8°,其安裝偏心與齒距累積偏差的數(shù)值關(guān)系[2]如圖3所示,當安裝偏心最大為0.028mm時,齒距累積偏差約0.044mm,其滾齒、剃齒齒部精度報告如圖4、圖5所示。
圖3 安裝偏心與齒距累積偏差關(guān)系
圖4 滾齒序齒距累積精度
圖5 剃齒序齒距累積精度
因而,針對此類產(chǎn)品的滾剃加工,需盡可能減小配合間隙,便于裝卸工件,同時使用具有結(jié)構(gòu)簡單、精度較高、壽命長和經(jīng)濟性較好的滾剃工藝裝備。
有一種在精密儀器上用于定心的結(jié)構(gòu):密珠襯套(見圖6),該襯套在精密檢測設(shè)備、精密加工設(shè)備上應(yīng)用較多,具有制造及回轉(zhuǎn)精度較高、摩擦力矩小、承載能力強、使用壽命長、應(yīng)用范圍廣和性價比較高等優(yōu)點[3]。
圖6 標準輪磨床上的密珠襯套
其使用原理如圖7所示,類似于軸承的結(jié)構(gòu)原理,被加工工件等同于軸承外圈,夾具心軸等同于軸承內(nèi)圈,鋼珠和鋼珠保持架等同于鋼珠和軸承保持架。
圖7 密珠襯套使用原理
此類襯套所用鋼珠通常為滾動軸承用鋼珠,由專業(yè)滾動軸承鋼珠廠家按GB/T 308.1—2013《滾動軸承球第一部分:鋼球》標準生產(chǎn),材料為軸承鋼,硬度63HRC以上,襯套所用鋼珠的精度通常為GB/T 308.1 G10等級,球直徑的最大變動量0.25μm,以軸承鋼珠目前技術(shù)水平,該等級的鋼珠直徑公差可控制在1μm以內(nèi),故可以忽略鋼珠直徑公差。
與軸承不同之處為軸承鋼珠在固定軌道中轉(zhuǎn)動,密珠襯套鋼珠放置在襯套的固定位置,隨襯套整體移動。
此類密珠襯套在很多購物商城上,也叫鋼珠襯套、鋼珠套,其保持架材質(zhì)有銅套、鋁套、塑膠套,尺寸選擇時,密珠襯套外徑計算公式:外徑=內(nèi)徑+(2×鋼球直徑),有標準尺寸,也可非標定制。
設(shè)計時,密珠襯套應(yīng)在夾具上有一定的軸向移動量,配合反向軸用彈性擋圈和反向孔用彈性擋圈,可精簡軸向尺寸,且便于裝卸工件。裝入時,將襯套靠近外端,工件放入后,工件隨襯套內(nèi)移,整體滑入;卸下工件時,工件帶動襯套外移,襯套移動,帶動鋼珠向外滾動,裝卸過程中,均有鋼珠的滾動,在給定合適的過盈量配合時,裝卸較為省力,且定心好。
密珠襯套夾具設(shè)計時,在直徑方向存在過盈量,過盈量過大時,心軸和工件表面會留有鋼珠的運動痕跡。影響定心精度和裝卸順暢性[4]。
我國推薦采用的過盈量為2~4μm,德國豐譜公司推薦的過盈量為7~12μm,其對應(yīng)的鋼珠承載力見表2。
表2 過盈量為7~12μm所對應(yīng)的鋼珠承載力
另外,鋼珠個數(shù)不宜過多,否則滾動摩擦阻力隨之增大,影響裝卸順暢性。
設(shè)計時,鋼珠直徑和鋼珠數(shù)量可參考密珠襯套廠家的推薦值,因工件結(jié)構(gòu)和加工環(huán)境不同,密珠夾具制造完成后,應(yīng)進行一次試裝卸驗證,確定適合該工件的配合關(guān)系,避免因配合關(guān)系不當造成裝卸時劃傷工件內(nèi)孔,影響后序加工及檢測。
現(xiàn)針對本文的試驗產(chǎn)品設(shè)計密珠襯套滾齒、剃齒夾具(見圖8、圖9),該工件內(nèi)孔φ39.775/39.755m m,根據(jù)廠家推薦,鋼珠直徑選3 mm,設(shè)計該滾齒、剃齒夾具心軸外徑33.77/33.773mm,夾具到貨后,加工4種內(nèi)孔尺寸工件,進行過盈配合試驗(結(jié)果見圖10、表3)。
表3 密珠襯套滾齒夾具與工件配合間隙工藝試驗數(shù)據(jù)
圖8 密珠襯套滾齒夾具
圖9 密珠襯套剃齒夾具
圖10 配合間隙試驗
確定工件內(nèi)孔尺寸為φ39.79/39.77mm,連續(xù)加工30件試驗件,應(yīng)用密珠襯套滾齒夾具、密珠襯套剃齒夾具。
與文中開頭的試驗同等條件下,密珠襯套夾具連續(xù)加工30件,滾齒剃齒測量統(tǒng)計結(jié)果見表4。
表4 應(yīng)用密珠襯套夾具齒部累積統(tǒng)計
1)工件與密珠襯套滾齒夾具合適的過盈量關(guān)系:工件內(nèi)孔尺寸為φ39.79/39.77mm,密珠襯套夾具(φ33.77/33.773mm+φ6mm)(φ6mm為兩個滾珠的直徑),過盈量-0.003~+0.02mm,為過渡配合。
2)在過渡配合情況下,密珠襯套夾具裝卸方便,該配合對心軸式夾具,很難裝卸。
3)密珠夾具到貨后,應(yīng)進行一次試裝卸驗證,確定適合該工件的配合關(guān)系。
4)相對心軸式夾具,密珠襯套夾具使用中不容易夾切屑,對內(nèi)孔清潔度不敏感。