高妮萍

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，陜西 西安 710300)

近年來，機(jī)械零件加工向智能化、高效化方向發(fā)展，隨著加工材料的多樣化，對(duì)加工零件的技術(shù)要求也越來越高。高硬度弧齒錐齒輪因具有傳動(dòng)平穩(wěn)、表面硬度高、耐磨性好、傳動(dòng)噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，在飛機(jī)、汽車、冶金、鉆井等工程機(jī)械傳動(dòng)中應(yīng)用廣泛。隨著材料的不斷升級(jí)，許多精密設(shè)備對(duì)齒輪的要求越來越高。高硬度齒輪因其具有良好的耐磨性和抗氧化性、使用壽命長等優(yōu)勢(shì)得到了眾多企業(yè)的青睞。目前弧齒錐齒輪加工主要是依靠傳統(tǒng)的展成法進(jìn)行，加工精度較低，周期較長，成本高，并且弧齒錐齒輪齒面為復(fù)雜曲面，加工精度很難保證[1]?，F(xiàn)有的齒輪加工刀具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易磨損，嚴(yán)重影響齒輪加工精度，對(duì)于高硬度齒輪就更難保證加工精度。電解加工適用于高硬度材料復(fù)雜曲面的零件加工，其通過合理設(shè)計(jì)弧齒錐齒輪陰極結(jié)構(gòu)，平衡陽極和陰極間隙，在加工中利用工具陰極凸起型面不斷向工件陽極靠近，將工件上多余材料溶解并通過電解液帶走，從而形成與陰極結(jié)構(gòu)相同的形狀[2]。目前，大多數(shù)電解加工陰極結(jié)構(gòu)主要針對(duì)簡單的光滑平面，對(duì)于空間復(fù)雜型面的研究較少。也有很多學(xué)者通過電解加工方法對(duì)難加工材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，雖實(shí)現(xiàn)了正常的零件加工，但其在尺寸精度及零件表面質(zhì)量的控制方面還存在問題。通過對(duì)刀具陰極結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計(jì)，使齒輪零件在電解加工中獲得更高的精度和質(zhì)量，是有待進(jìn)一步研究的難題。

1 弧齒錐齒輪模型建立

由于弧齒錐齒輪齒形面是一種復(fù)雜空間曲面，因此采用空間點(diǎn)齒面設(shè)計(jì)方法建立弧齒錐齒輪模型[3]。繪制齒型面曲線，以弧齒錐齒輪端面與基準(zhǔn)軸線的交點(diǎn)為中心，建立坐標(biāo)系OgXgYgZg。本文選用格里森(Gleason)制弧齒錐齒輪，為防止兩齒輪嚙合傳動(dòng)配合間隙不足，發(fā)生熱膨脹頂死現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致齒輪傳動(dòng)失效，引入了合理的齒頂高系數(shù)和頂隙系數(shù)，見表1。

表1 弧齒錐齒輪設(shè)計(jì)參數(shù)

采用取樣點(diǎn)偏置法，在齒型面上隨機(jī)選取一系列參考點(diǎn)，將參考點(diǎn)沿著錐齒輪法向進(jìn)行一段位置的偏移，得到偏置點(diǎn)并繪制出偏置點(diǎn)曲線，如圖1所示。在螺旋齒面上選取4條曲線，根據(jù)齒面計(jì)算方程，求得偏置點(diǎn)坐標(biāo)并構(gòu)建出弧齒錐齒輪模型，如圖2所示。

圖1 弧齒錐齒輪齒面曲線和取樣點(diǎn)

圖2 弧齒錐齒輪模型

2 陰極裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

弧齒錐齒輪陰極裝置包括刀頭型面、刀桿、內(nèi)部型腔及裝夾結(jié)構(gòu)4大部分。為保證陰極刀具型面有較高的精度，通過弧齒錐齒輪參數(shù)設(shè)計(jì)型面結(jié)構(gòu)[4]。利用弧齒錐齒輪空間點(diǎn)齒面設(shè)計(jì)方法，選取4行5列共20個(gè)采樣點(diǎn)，對(duì)共軛曲面方程進(jìn)行求解。通過計(jì)算得出弧齒錐齒輪陰極型面采樣點(diǎn)坐標(biāo)值，見表2。

表2 弧齒錐齒輪陰極型面采樣點(diǎn)坐標(biāo)值

利用連續(xù)二次規(guī)劃、數(shù)值最優(yōu)解整合方法，求取全齒面共軛點(diǎn)坐標(biāo)值[5]。利用Isight數(shù)值計(jì)算軟件強(qiáng)大的全局收斂性和最優(yōu)化求解方法，建立陰極頭型面模型，如圖3所示。

圖3 整體陰極結(jié)構(gòu)

將裝置的刀桿和刀頭設(shè)計(jì)為可拆卸模式，6個(gè)螺紋孔與機(jī)床連接，具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。加工時(shí)，在圓柱型腔內(nèi)部通過主流道將電解液引入，在主流道上半部分設(shè)計(jì)控流面，壁上設(shè)計(jì)4個(gè)引液孔，在電解液充滿主流道上半部分型腔后，通過引液孔引導(dǎo)到4個(gè)分流道中，液體通過出液孔勻速流出并充滿整個(gè)空間。加工完成后，將多余的電解液通過余液排出口反向流動(dòng)排出，可重復(fù)使用，如圖5所示。

圖4 刀桿連接設(shè)計(jì) 圖5 型腔流道分布與原理

為了保證整個(gè)加工環(huán)境的密封性，在裝置外側(cè)設(shè)計(jì)保護(hù)密封罩，材料選擇新型透明玻璃；上端和下端安裝兩個(gè)大小不等的絕緣密封圈，如圖6所示。為了使齒輪工件在加工中獲得正電位并保證正確的安裝位置，需要設(shè)計(jì)有定位凸臺(tái)的方形底座并安裝導(dǎo)電板，如圖7所示。底座下方配置6個(gè)緊固螺紋孔，保證整個(gè)陰極結(jié)構(gòu)正確安裝在機(jī)床上。

將各部分進(jìn)行組裝，得到弧齒錐齒輪電解加工整體陰極結(jié)構(gòu)，如圖8所示。

圖8 整體陰極結(jié)構(gòu)

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)采用淬火后20CrMnTi齒坯材料進(jìn)行加工。為提高導(dǎo)電率和加工效率，選用混合電解液(25%NaNO3+10%NaCl)，將溫度控制在(30±5) ℃。根據(jù)電解加工步驟，通過弧齒錐齒輪陰極裝置進(jìn)行輪齒面加工，得到實(shí)驗(yàn)零件。利用三坐標(biāo)測(cè)量儀進(jìn)行檢測(cè)，繪制齒廓形狀曲線如圖9所示，圖中La是齒形測(cè)量長度，ffa為齒廓形狀曲線，H1為齒廓偏差值，在測(cè)量長度范圍一致的情況下，本文設(shè)計(jì)的陰極刀具加工的齒輪齒廓偏差值小，加工精度較高。

圖9 電解加工齒廓形狀曲線

電解加工和展成法加工的弧齒錐齒輪表面粗糙度值分別見表3、表4，可知電解加工齒輪表面粗糙度小于展成法加工齒輪表面粗糙度，前者表面質(zhì)量更高。

表3 電解加工弧齒錐齒輪表面粗糙度

表4 展成法加工弧齒錐齒輪表面粗糙度

4 結(jié)束語

本文主要利用采樣點(diǎn)偏置法對(duì)弧齒齒面進(jìn)行建模并描述其特征，利用平衡間隙理論，求解弧齒錐齒輪陰極刀具形狀，基于Isight數(shù)值計(jì)算軟件強(qiáng)大的全局收斂性和最優(yōu)化求解方法，進(jìn)行系統(tǒng)的型面優(yōu)化修正，通過提高陰極刀具的設(shè)計(jì)精度，實(shí)現(xiàn)高硬度弧齒錐齒輪的加工要求。本文的設(shè)計(jì)方法及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可為后續(xù)研究電解加工陰極裝置提供參考。