薄壁齒圈產(chǎn)品的夾持變形分析

■ 一汽轎車(chē)發(fā)傳中心 （吉林長(zhǎng)春 130013） 孫銀軍

卡盤(pán)夾持薄壁類(lèi)齒圈零件，面臨的最大問(wèn)題是卡爪夾緊時(shí)齒圈發(fā)生彈性變形，車(chē)削加工修整了局部的變形。如車(chē)削內(nèi)孔去除了多余的變形材料，當(dāng)卡爪松開(kāi)后彈性變形恢復(fù)至原始狀態(tài)，加工去除的多余材料就成為影響齒圈類(lèi)薄壁產(chǎn)品質(zhì)量的主要原因。我廠一齒圈產(chǎn)品在試制過(guò)程中，成品齒圈內(nèi)孔形狀公差超差嚴(yán)重，嚴(yán)重影響其裝配和使用，本文用軟件分析模擬齒圈受力變形的情況，尋找利于改善變形的夾持方式。

本次計(jì)算齒輪材料20MnCrS5，模數(shù)m＝1.3，齒數(shù)z＝102，齒寬b＝11.15mm，壓力角α＝20°，齒側(cè)倒棱C＝0.5mm×0.7mm，齒頂圓直徑147mm，齒根圓直徑139mm，內(nèi)孔直徑119mm，內(nèi)孔寬度11.35mm，齒面寬度11.15mm。進(jìn)口臥式車(chē)床自定心卡盤(pán)和自定心節(jié)圓卡盤(pán)夾持加工。

1. 齒圈夾持方式和受力

齒圈產(chǎn)品在加工內(nèi)孔時(shí)，主要采用自定心卡盤(pán)齒頂圓和節(jié)圓夾緊的方式固定零件，個(gè)別易變形零件也可采用薄膜卡盤(pán)端面夾緊的方式固定零件。本次計(jì)算分別以齒頂圓夾緊和節(jié)圓保持架夾緊等方式，分析其應(yīng)力分布和變換趨勢(shì)。計(jì)算選用完整齒圈進(jìn)行仿真和分析，再對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行圓周展開(kāi)，得到內(nèi)孔整個(gè)圓周的應(yīng)力分布，薄壁齒圈模型如圖1所示。齒圈受夾緊力Fr＝100N，其受力示意如圖2所示。

圖1 薄壁齒圈模型

2. 齒圈內(nèi)孔應(yīng)力分析

對(duì)齒圈建模并網(wǎng)格化，加載夾緊力Fr，齒圈沿夾緊力方向發(fā)生彈性變形（見(jiàn)圖3）。齒圈受夾緊力作用位置內(nèi)孔收縮，兩側(cè)臨近位置內(nèi)孔張大，齒圈孔壁受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力交替作用，此時(shí)加工內(nèi)孔，孔壁切除材料不均勻。卸載夾緊力后，齒圈恢復(fù)至原始狀態(tài)，內(nèi)孔出現(xiàn)圓度誤差，此形狀誤差與夾緊方式和夾緊力相關(guān)。特別是熱后精加工，夾持齒圈發(fā)生彈性變形的大小和趨勢(shì)是影響成品內(nèi)孔形狀誤差和內(nèi)孔質(zhì)量的重要因素。

由于計(jì)算齒圈齒數(shù)z＝102，三等分后得到完整齒數(shù)33和齒槽數(shù)34?？紤]夾持力在齒頂曲面和齒槽曲面的均勻分布，設(shè)定夾持齒頂圓齒數(shù)分別為T(mén)1、T5、T11、T21和T31；夾持節(jié)圓齒槽數(shù)分別為P2、P6、P10、P20和P30；在內(nèi)孔上邊緣和下邊緣建立傳感器S1和S2，依次加載夾緊力Fr，則薄壁齒圈內(nèi)孔上下截面的應(yīng)力分布如圖4所示。

圖4a～d顯示，無(wú)論采用齒頂夾緊還是節(jié)圓夾緊，齒圈內(nèi)孔應(yīng)力集中都隨著夾持區(qū)域的增加而逐漸減小，應(yīng)力分布趨于均勻，其壓應(yīng)力和拉應(yīng)力差值逐漸減小，拉應(yīng)力區(qū)域增加，壓應(yīng)力區(qū)域減少，也就是內(nèi)孔的彈性變形逐漸減小和均勻。在保持夾緊力不變的情況下，增加接觸區(qū)域可有效減小應(yīng)力，減小彈性變形。圖4e～f顯示，節(jié)圓夾緊與齒頂夾緊相比，齒圈內(nèi)孔平均應(yīng)力減小10%；同時(shí)由于斜齒輪螺旋角的影響，兩種夾持方式內(nèi)孔應(yīng)力分布在相位上有一些差異，但是不影響進(jìn)一步分析和解決問(wèn)題。

圖2 夾持受力示意

圖3 齒圈彈性變形示意

3. 試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論

綜合分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，薄壁齒圈在相同夾緊力作用下，由于夾持方式和夾持區(qū)域的差異，內(nèi)孔彈性變形和應(yīng)力分布呈現(xiàn)如下規(guī)律：

1）薄壁齒圈內(nèi)孔彈性變形隨著夾持區(qū)域的增加而減小，隨著夾持力的增加而增加。

2）應(yīng)用自定心卡盤(pán)夾緊節(jié)圓保持架和夾緊齒頂相比，內(nèi)孔應(yīng)力平均值減少約10%。

3）在相同夾緊力作用下，自定心節(jié)圓卡盤(pán)夾緊齒面，其內(nèi)孔應(yīng)力最大，彈性變形最大。

圖4 薄壁齒圈內(nèi)孔應(yīng)力分布

綜上所述，針對(duì)薄壁齒圈產(chǎn)品的夾持方式，自定心節(jié)圓卡盤(pán)夾持節(jié)圓齒面易引起內(nèi)孔較大彈性變形，因其接觸區(qū)域較小，應(yīng)力集中比較明顯。自定心卡盤(pán)夾持齒頂和節(jié)圓保持架，通過(guò)改變卡頭尺寸和圓弧半徑，易于調(diào)整夾持接觸區(qū)域大小，可較大程度改善內(nèi)孔的加工質(zhì)量。如有齒面精加工的需求，小批量推薦采用節(jié)圓保持架夾緊，自動(dòng)化推薦采用齒頂夾緊，同比齒面磨削余量應(yīng)增加0.03mm（Max）。

專(zhuān)家點(diǎn)評(píng)

薄壁齒圈在相同夾緊力作用下，由于夾持方式和夾持區(qū)域的差異，內(nèi)孔彈性變形也不相同。作者從節(jié)圓夾持和齒頂圓夾持兩個(gè)方向分析齒圈彈性變形的趨勢(shì)，并采用軟件分析模擬齒圈受力變形的情況，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，總結(jié)出薄壁齒圈內(nèi)孔應(yīng)力分布的規(guī)律和改善變形的夾持方式，提高了加工質(zhì)量的穩(wěn)定性。

文章的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)用科學(xué)的方法，模擬薄壁齒圈在不同夾緊狀態(tài)下的彈性變形，用模型化思維去分析原因，解決問(wèn)題，將復(fù)雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化。