螺旋锥齿轮摆辗成形凹模电极的设计与制造

史双喜

(桂林电子科技大学信息科技学院,广西桂林541004)

采用冷摆辗成形工艺来精密成形伞齿轮是近年来被采用的先进的齿轮加工工艺。该工艺既可避免热锻时加热所带来的种种缺陷,同时也克服了普通冷锻时变形抗力过大、模具寿命低等缺陷;而且采用冷摆辗成形,省去了加热设备及有关的能量消耗,又由于摆辗件金属纤维的合理分布,摆辗过程中的强化,大大提高了成品零件的机械性能,其加工精度、表面质量也大大提高。所以,冷摆辗精密成形工艺在齿轮加工领域有着广阔的应用前景[1]。

螺旋锥齿轮的摆辗成形模具由凹模型腔和摆头组成,其中凹模型腔的加工精确程度是保证锥齿轮精密成形的关键。而凹模的型腔是采用电火花加工得到的,所以工具电极的齿形设计将对凹模型腔的加工精度起到重要作用[2-3]。合理地设计制造电极,是摆辗成形工艺的重要环节之一,但模具齿形和电火花加工电极的设计理论和方法却缺少必要的系统总结,设计方法也不尽合理。本文以某螺旋锥齿轮的摆辗成形为例,对工具电极的齿形设计进行了详细的分析。

1 电极齿形精度因素

螺旋锥齿轮锻件的齿形尺寸与凹模的齿形尺寸相同,因此在设计工具电极齿形时主要应考虑电极加工时的放电间隙和电极的烧损对电极齿形精度的影响。冷摆辗成形工艺中,在设计工具电极的齿形尺寸时,以零件齿轮的齿形尺寸为基础,计入放电间隙的影响,可得到烧损后的电极齿轮;再计入电极的烧损,就可得到最终的电极齿轮的齿形[4]。这就是螺旋锥齿轮“齿轮零件-凹模型腔-电极”之间的几何尺寸传递关系(图1)。

图1 螺旋锥齿轮-凹模型腔-电极之间的几何关系

1.1 放电间隙对电极齿形的影响

由于在电火花加工中,凹模型腔齿形与电极齿形之间存在放电间隙 δ。根据电火花加工的放电性质,假设放电间隙值沿电极表面法向相等,则凹模型腔齿廓尺寸减去放电间隙 δ就是电火花加工终止时的电极齿廓尺寸。因此,电极可使用与模腔齿廓相同的齿形参数及刀具,将齿形进行等移距量的径向负移距来加工。径向移距量为:

式中:α0为当量模腔齿廓渐开线的压力角,即螺旋锥齿轮零件的压力角。

1.2 电极的烧损对电极齿形的影响

在电火花加工过程中,电极会有一定量的烧损,这会使加工前后的电极齿形参数发生变化。电火花加工时,电极齿轮的小端和齿顶部分加工时间长,其损耗较齿根和大端多,从而使齿顶厚度相对变薄,引起齿形渐开线的畸变,体现为压力角的增大。故设计电极齿轮时,应相应地减小压力角[5]。根据公式,要使凹模齿形的压力角为 α0,则工具电极齿轮的压力角为:

由于电极烧损的影响,使电极的齿厚减薄、齿顶圆和齿根圆的直径减小,则应对电极齿轮进行相应的正变位加工:Δ h2=W·H·sinφ。

综合考虑,可将两者的移距量进行代数叠加,即:

在电极精加工时,电极烧损量W·H一般在0.18 mm左右,放电间隙 δ在0.05～0.06 mm,则移距量∑Δ h的数量级为10-2mm。这个值在实际加工中是非常小的,所以变位加工移距量可忽略不计。电极齿形压力角为22.3°,与齿轮压力角相比有所减小,其他电极齿形参数不变。

2 电极设计

2.1 电极材料

工具电极必备的基本条件是[5]:

(1)具备良好的电火花加工性能,可稳定维持加工过程。因此要求工具电极导电性好、熔点高、沸点高、导热性好、机械强度高。

(2)制造工艺性好,易保证精度和表面质量。

(3)电腐蚀困难,电极损耗小。

针对螺旋锥齿轮的特殊结构,基于提高齿轮的加工精度兼顾加工效率的思路,紫铜电极的耐蚀性较好,电阻率较低,符合要求。

2.2 电极结构形式

螺旋锥齿轮电极结构见图2。电极上的直径60 mm和直径10 mm的孔分别与螺旋铣齿机上的定位芯轴和周向定位销对应,保证各个电极加工时的重复精度和更换电极的重复定位精度,均有加工距中心线60+0.07mm的直径为10+0.015mm的圆柱定位削孔。用直径10-0.009mm圆柱销塞入削孔,可保证电极切齿加工时,齿槽对削孔的位置精度。

图2 螺旋锥齿轮电极结构图

3 电极制造与检测

螺旋锥齿轮电极的外直径为246 mm,而市面供应的紫铜棒料直径超过200 mm的较少,所以选择尺寸规格为250 mm×250 mm×45 mm的紫铜板。电极制造过程如下:①首先根据电极的尺寸,购买电极材料;②通过机械切削加工电极毛坯;③通过专用的螺旋铣齿机床加工电极齿形。电极加工装夹见图3,电极参数检测见图4。

图3 电极加工示意图

图4 电极参数检测示意图

4 结论

(1)分析了电火花加工中影响电极齿形精度的因素,并提出相应的电极齿形参数设计方法。

(2)以螺旋锥齿轮摆辗成形凹模电极为例,对电极的结构进行设计,并在专用设备上进行加工和检测,为齿轮摆辗成形凹模电极设计制造提供了科学依据。

[1] 王华君,孙世为,夏巨谌,等.从动螺旋伞齿轮摆动辗压三维有限元模拟[J].锻压装备与制造技术,2005(3):93-94.

[2] 马名峻,蒋亨顺,郭洁民.电火花加工技术在模具制造中的应用[M].北京:化学工业出版社,2004.

[3] 华林.齿轮精锻模加工电极设计制造和检测[J].汽车研究与开发,1999(5):34-35.

[4] 张锐,杨秀芝,韩从亚.齿轮电火花加工中电极齿形和模具设计模块实现[J].电加工与模具,2006(2):20-22.

[5] 田福祥.加工伞齿轮模具型腔的新型电极设计[D].青岛:青岛建筑工程学院学报,2005,6(24):6-8.