成形磨齿（精选3篇）
成形磨齿 篇1
随着汽车质量的不断提高, 汽车变速器也在向着更长寿命和更低噪声的方向发展, 而在这一过程中, 磨齿工艺得到了广泛的应用。与剃齿工艺相比, 磨齿工艺提高了齿轮接触疲劳强度和弯曲疲劳强度, 并大幅度提高了齿轮精度, 有效地解决了硬齿面齿轮热处理时的变形问题。
1 磨齿与剃齿工艺
在齿轮精加工过程中, 采用剃齿工艺还是磨齿工艺一直以来是行业争论的一个焦点。目前, 我国的汽车变速器公司, 在大批量生产汽车齿轮时, 通常是采用剃齿工艺进行精加工。这种加工方法具有生产效率高、成本低等特点, 被广泛应用在小模数齿轮加工中, 获得了较好的效果。但是剃齿只能在热处理之前使用, 而汽车齿轮在热处理时, 工件必然产生热处理变形, 大量生产实践证明, 热处理后齿轮工件的精度通常会降低1.5~2级。
对齿轮变形进行精确的预测是很困难的, 需要花费大量的时间和费用, 特别是对于大模数齿轮来说, 材料本身的化学成分、晶粒度、淬透性、内部偏析、预处理时正火和材料应力消除等, 都将影响齿轮热处理的变形。另外, 热处理后, 一般还要安排精磨齿轮的内孔、端面等工序, 由于定位基准产生的误差, 也是影响齿轮精度的一个重要方面, 而采用磨齿工艺可以解决上述存在的问题。
图1、图2是分别采用磨齿与剃齿加工工艺生产产品的比较, 并且由于成形磨齿机床和磨具的发展, 进一步降低了磨削时间和生产成本, 为逐步扩大磨齿工艺的使用提供了现实基础。
2 成形法磨齿的基本原理
成形法磨齿是利用成形砂轮磨削齿轮的渐开线齿形, 在磨削直齿外齿轮和直齿内齿轮时, 砂轮的轴线垂直于齿轮的轴线, 砂轮截形的中心线和砂轮齿槽的中心线相重合, 因此砂轮的截形就相当于齿轮齿槽的截形, 如图3。
在磨削斜齿轮的齿形时, 是用无瞬心包络法形成齿面。砂轮的轴线位于齿轮的法向平面内, 砂轮的轴向截形既不同于齿轮齿槽的法向截形, 也不同于齿轮齿槽任何截面形状, 而是用无瞬心包络法形成的一条比较复杂的曲线。
砂轮和工件成线接触, 而不像通常分度展成磨齿那样由一系列断续的点相接触, 这是成形磨齿法最本质的特点。这些接触线构成的网形成工件齿面, 并决定了磨削切除过程接触线的长度和位置, 直接影响到单位数据内的金属去除率。砂轮越程量决定了磨削加工时间, 接触线和砂轮形线的几何形状可以编入机床内的计算机进行优化。若采用可修整砂轮, 改变砂轮安装角, 则左右齿面接触线的投影焦点的高度位置就会有所改变, 当左右齿面两侧的摩擦力相互抵消时达到这个焦点的最佳位置。
3 成形法磨齿的工艺分析
3.1 砂轮材料的选择
正确选择砂轮的形式和磨料对于最优化地完成磨齿任务具有决定性作用。批量大小、修形的必要性、生产周期和砂轮成本等是必须要考虑的准则。通常选择的磨削材料有3种:单晶氧化铝砂轮 (如图4) 、电镀不可修整CBN砂轮 (如图5) 、氧化铝基体可修整CBN砂轮。
单晶氧化铝砂轮:这种砂轮具有易修整、成本低等特点, 因而适合大批量生产。但是在使用这种砂轮磨削的时候, 第一个齿和最后一个齿的齿形会有一些变化, 特别是在磨削齿数多的工件时这一问题更为突出。这一缺陷将影响齿轮的周节累计误差和周节极限偏差, 从而影响齿轮的整体精度、疲劳寿命和噪声。
不可修整CBN砂轮:CBN磨粒具有很高的热容量, 加工零件时, 大部分切削热被砂轮所吸收, 而砂轮基体金属又迅速地将热量传导散布到磨削液中, 因而磨削时工件处于较低的温度状态, 从而提高了磨削速度和进给量;CBN砂轮具有较高的金属去除率, 可以多次电镀, 确定齿形和正确安装之后, 所有被磨削的齿轮尺寸都会一致, 从而适合大批量生产。但需要注意以下问题:
(1) 砂轮在机床上的安装偏心距不得大于3μm;
(2) CBN磨料只有1~2层, 刃边容易变钝, 造成砂轮的磨削能力下降, 相应的磨削热和剪切力也会增加;
(3) 必须控制好磨前工件的磨削余量, 一般情况下, 包括热处理的变形在内, 磨削余量的变化应该在双边0.15 mm范围内。
陶瓷机体 (可修整) 的CBN砂轮:这种砂轮综合了电镀CBN砂轮和传统陶瓷砂轮两者的优点, 具有如下特点。
(1) 弹性系数高, 刚性好。
(2) 磨粒保持性好, 即磨粒粘接牢固, 不易脱落。
(3) 热稳定性好, 钢与陶瓷机体相比, 陶瓷结合剂的热膨胀系数要小的多, 这样砂轮受热后, 变形较小。
(4) 这种砂轮可以在机床上进行调整、修正。由于砂轮安装偏差而引起的偏心, 都可以在修整时纠正过来。陶瓷结合剂把CBN磨粒粘接得很牢固, 在修整砂轮时, 磨粒表面将破碎产生新的微小切削刃, 从而提高了金属去除率, 保证了磨削表面的粗糙度, 但这种砂轮的使用成本较高, 不适合批量生产。
3.2 成形磨齿工艺
采用成形法磨齿, 砂轮齿形的精度将直接影响工件的精度。通常可以采用轴向走刀运动与径向切入运动复合的方法进行工件的齿向修形;也可以采用先磨削一侧齿面, 根据走刀运动的移动量, 再增加一个微小的转动来进行齿向修形。但后一种加工方法常用于4~5级高精度齿轮的加工。成形法磨齿所需要的时间与齿轮齿数、齿全高及螺旋角、齿轮外径、砂轮类型、磨削余量、齿轮精度、齿面粗糙度等有关。
这里以中间轴-变速器为例, 简要介绍成形法磨齿加工方式和工艺参数 (如表1) 。
从表1中可以清楚地看到, 采用CBN砂轮会大幅度提高加工效率。目前, 大多数变速器生产厂家往往将注意力集中在高速挡齿轮的啮合与噪声消除上, 而对低速挡齿轮, 如中间轴Z11齿的加工, 则主要采用轴向剃齿工艺, 剃后效果普遍不佳。究其原因, 是Z11齿的齿数过少, 剃齿时, 剃齿刀与工件啮合系数过小, 造成齿轮剃后齿形和齿面粗糙度稳定性较差。
4 结束语
高速、重载的恶劣工作环境要求汽车齿轮必须经久、耐用, 这对于齿轮的加工制造提出了很高的要求。近年来, 伴随着我国汽车工业的快速发展, 汽车制造技术也在不断进步, 成形法磨齿工艺得到广泛应用, 大幅度提高了汽车齿轮的精加工水平, 延长了变速器的使用寿命, 降低了噪声, 其质量水平不断提高, 并开始向高档客车变速器市场进军。
AE在成形磨齿机上的应用 篇2
关键词：A E技术,自动对刀,提高效率
0 引言
AE即超声波技术 (声发射) , 超声波传感器就是对超声波技术进行应用的典型。目前在磨床上应用超声波传感器的案例也非常多, 比如在外圆磨床上, 将超声波传感器安装在砂轮轴的磨头箱上, 就可以实现砂轮与工件的消空程和防碰撞功能;在内圆磨床上, 将超声波传感器安装在砂轮主轴内部, 可以实现砂轮与修整器之间的定位。超声波传感器的种类大致可以分为固定式、分离式、非接触式和环形, 应用也基本相同, 都能够检测工件与砂轮接触时产生的噪声, 这些噪声是高频声波, 由机床结构的能量存储和释放而产生, 对这些声波进行处理和应用, 就可以实现不同的功能。
为了提高机床的效率, 给用户提供操作更为便捷的机床, 自动对刀是必须要掌握的技术。目前我厂部分成形磨齿机的对刀都是手动操作完成的, 极大地影响了机床的效率, 而且部分用户已经提出要求, 为机床配备自动对刀功能。
因此我们将普通平衡头更换为AE平衡头。这种普通平衡头只具备砂轮动平衡的功能, 而AE平衡头是在普通平衡头的基础上集成了超声波传感器, 使机床具备了采集AE信号的功能。通过将AE信号进行处理, 就可以用来进行自动对刀、缩短加工时间, 提高效率, 提高机床防护能力, 可以延长砂轮寿命, 减少维护费用点。
1 应用介绍
1) 安装。带AE的平衡头由两部分组成, 即发射器和非接触式平衡器。非接触式平衡器安装在砂轮主轴的砂轮法兰端面上, 或者通过过渡零件进行固定。发射器安装在非接触式平衡器的对面, 需要支架或者罩壳等零件进行固定, 并带有调整环节。机床工作时, 非接触式平衡器随砂轮主轴旋转, 发射器固定不动 (见图1) 。将非接触式平衡器安装在砂轮法兰端面上, 发射器固定在L板上 (黑色支架) , L板固定在拖板上 (见图2) 。
2) 调整。发射器在L板前后、左右、上下3 个方向上都可以微调, 通过微调发射器的位置, 使发射器与非接触式平衡器面对面距离控制在0.5~3 mm, 半径偏移最大2 mm (见图1) 。如果距离不在此范围内, 超声波信号的强度和质量都会下降, 会影响机床的可靠性。
3) 接线。将发射器的信号线接在系统的高速终端口上, 以获得最快的响应速度。调试AE信号, 将AE信号优化以获得最好的对刀效果 (见图3) 。调试信号时, 可以让砂轮正常旋转, 在手动方式下去对刀, 根据对刀信号修改对刀的初始参数。
4) 磨前测量。通过测头对刀, 对工件进行磨前测量, 找到磨削余量最大的区域, 选一齿做为对刀的第一齿, 并记录齿槽中心的位置。再通过AE进行对刀, 从而确定磨削的第一齿。
2 应用步骤
1) 设置对刀参数。在磨削软件中对台面转速以及主轴转速进行设定。通过实验发现, 不同主轴转速下, AE信号的稳定性会存在差异, 而台面转速会影响对刀痕迹的大小, 所以要合理地选择台面转速和主轴转速。
2) 运行对刀程序。对刀程序是在加工软件中自动生成的, 在对刀程序运行过程中, 会将砂轮放入齿槽, 通过工件旋转去接触砂轮, 接触后产生AE信号。程序通过E变量将信号传入NC, 然后执行工件反转, 进行另一齿面的对刀。软件通过记录左右齿面的两个对刀坐标, 通过计算, 获得将来的磨削位置 (见图4) 。
3) 分别对模数为4、8、12、16 mm的软硬齿面齿轮进行自动对刀, 观察对刀痕迹。通过实验发现, 硬齿面的对刀相对较为容易, 因为砂轮与硬齿面进行接触时, 发出的超声波信号较强, 而软齿面相对较弱。本次我们主要对软齿面进行测量。
4) 对刀数据如表1 所示。由于对刀痕迹较窄, 由于厂内齿轮测量仪的红宝测头直径过大, 无法直接进行测量。目前的做法是将秒表架吸在拖板上, 把秒表打在齿面上, 然后通过机床轴测插补进行测量。直齿轮在齿向方向移动测量, 斜齿轮通过台面和托板轴差补进行测量, 该测量方法只能间接测出对刀痕迹的深度。
3 结语
在成形磨齿机上, 将普通平衡头更换为带AE平衡头, 通过采集和处理超声波信号, 并加以应用, 就可以实现自动对刀。目前这种方法, 对已出厂的老设备而言, 通过简单的更换就可以具备自动对刀功能, 具有可操作性, 而且成本可以控制在10 万元以内。通过对AE技术的掌握, 还可以实现磨削监控、修整监控等功能, 进一步缩短加工时间, 提高砂轮的利用率。此外, 一定要保证传感器接线可靠, 做好线缆和电柜的接地, 检查零件是否安装牢靠, 保证超声波信号的稳定, 防止因超声波信号出现异常, 从而导致机床产生误操作。
参考文献
成形磨齿 篇3
关键词：磨齿机,主轴系统,模态分析,振动,ANSYS
0引言
在探究磨齿机各项性能的过程中, 我们发现磨齿机主轴的振动特性是非常关键的因素。机床的加工精度、被加工表面的表面粗糙度以及其生产率都会受主轴振动特性的影响, 因此对磨齿机主轴的研究分析是至关重要的［１，２］。近年来, 不少学者对机床主轴系统进行了研究, Kim Sun-Min等提出了一个数学模型来分析砂轮主轴及其组件的动态行为, 对其动态特性、固有频率和阻尼比的振动影响都进行了数值研究, 测量模态参数并与数值结果对比, 观察其最大固有频率的变化［３］;罗筱英利用有限元分析软件对YK2045型磨齿机主轴系统进行了谐响应分析, 得出特定工况及不同主轴系统几何参数下的位移频率响应曲线［４］;应杏娟等利用有限元法对数控螺纹磨床主轴系统建立了温度场模型, 通过计算得出系统的热变形, 计算结果为主轴系统的进一步设计计算提供了一定的基础［５］;郭策等利用整体传递矩阵法对机床主轴建模方法进行了详细研究, 并在此基础上计算出主轴系统的动力特性［６］。
本文研究主轴的跨距以及主轴材料特性中的一个重要参数———弹性模量对主轴固有频率以及最大偏振量的影响, 总结出其变化规律, 为今后研究磨齿机主轴振动特性提供参考。
1数学模型的建立
主轴的刚度是表示机床精度的重要技术指标, 要求其外伸端挠度y不得超过规定值[y], 即:
当磨削力已知时, 由材料力学可得:
其中:F为作用力;a为轴的外伸端长度;L为轴的跨距;E为主轴材料的弹性模量;I为轴的惯性矩。
由式 (2) 可知, 当L偏小时, 主轴的刚度更易达到技术指标要求。本文后面将通过实验验证, 当跨距越小时, 主轴的最大偏振量就越小［７］。
2轴与轴承有限元模型的建立
在ANSYS中直接建立主轴模型, 这种方法比较便捷, 可以对主轴的每个节点和单元的编号有明确的标示, 并且数据不容易意外丢失。先定义主轴外形的关键点, 然后连成线, 再生成面, 最后生成体。为了便于进行有限元分析, 提高网格划分质量和分析速度, 我们在建模的过程中忽略模型中的小特征, 例如倒角、螺纹等细小部分从而对主轴系统进行适当的简化［８］。磨齿机主轴的有限元模型见图1。主轴材料为45钢, 其相关机械性能如表1所示。
将主轴轴承简化成弹性支承, 选取接触线与主轴轴线的交点处为支点位置。相当于在每个轴承的圆周方向上等效分布4个弹簧, 轴承的负荷及转速对轴承刚度的影响忽略不计, 视轴承刚度恒为4.7×10８N/m。由于主轴的轴向刚度很大, 阻尼对横向振动特性影响很小, 因此在处理过程中只考虑径向刚度的影响［９］。 即将轴上的点选UX约束, 轴外围的点约束为ALL DOF, 在建立有限元模型时, 我们选用4个同截面周向均布的弹簧-阻尼单元对轴承进行模拟［１０］, 轴承的简化图如图2所示。
3各因素对主轴固有频率和最大偏振量的影响
固有频率和最大偏振量是承受动态载荷机构设计中的重要参数, 主轴模态分析可以确定结构的固有频率和最大偏振量, 同时也为结构的改进提供依据。通过模态分析, 可以获得最优参数, 从而使结构得到优化。
3.1跨距对主轴最大偏振量和固有频率的影响
本文的研究对象主轴有一个显著的特点就是其跨距较大, 为此采用不同的主轴跨距来观察跨距的变化对主轴的固有频率和最大偏振量的影响。现取4组跨距长度, 分别为505mm, 545 mm, 605 mm, 645 mm。 设定主轴材料属性如表1所示, 有限元模态分析时取10阶模态分析。由于前6阶模态分析结果其振型变化较为微小, 不利于观察, 故取第7~10阶模态分析时的主轴形态进行分析, 如图3所示, 并且得到10阶模态分析的最大偏振量DＭＸ, 如表2所示。为了更加直观地对表2数据进行分析及预测, 现将4个跨距长度对应的各10阶的最大偏振量做折线图, 如图4所示。 通过有限元分析, 得到4组不同跨距长度的主轴固有频率, 如表3所示。
3.2主轴的弹性模量对最大偏振量和固有频率的影响
材料的弹性模量作为工程材料重要的性能参数, 是物体弹性变形难易程度的表征, 研究弹性模量与主轴固有频率和最大偏振量的内在联系, 将对我们选取材料提供一个有力的参考。分别取主轴弹性模量为100GPa, 200GPa, 300GPa, 400GPa, 而其他参数不变。
μm
仿真结果表明, 主轴材料弹性模量的变化对主轴的最大偏振量没有影响, 相同跨距下不同的材料弹性模量其最大偏振量的值是相同的。
Hz
下面来验证材料弹性模量的变化对主轴的固有频率的影响, 现取主轴跨距为545mm, 分别对上述4种弹性模量进行固有频率的试验, 得到结果如图5所示。
4结论
由图3可知主轴振型均为轴尾部弯曲, 图3 (d) 中主轴振型为中部扭转以及尾部弯曲, 对照表2数据可知扭转加弯曲的振型比仅仅只弯曲的振型的最大偏振量要大。由图4可知, 随着阶数的增加, 主轴最大偏振量会有增加的趋势;并且伴随主轴跨距长度的增加, 其各阶最大偏振量也会随之增加。由此可知:设计主轴跨距时, 在满足工作要求的情况下, 应尽量减小。由表3可知随主轴跨距长度的增加, 其各阶主轴固有频率会随之减小。主轴材料的弹性模量的变化对主轴的最大偏振量没有影响, 但对主轴的固有频率会产生影响, 主轴的固有频率随着弹性模量的增加而增加。
参考文献
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