（机械电子工程专业论文）齿轮模具电火花展成加工方法的研究.pdf

摘要 齿轮模具主要应用于齿轮的挤出、镦压及精密塑料齿轮铸造，其精度和强度都有较高 的要求。特别是用于制造粉末冶金齿轮的模具，由于粉末冶金的压缩比大，齿轮模具的宽 度方向尺寸较大，而且又是高硬度的内齿轮，无法用传统的滚齿、插齿、磨削的方法进行 加工。从采用特种加工方法的角度考虑，若用轴向进给的方式进行电火花加工，则由于加 工深度大，形成的加工锥度也较大。因此，合理选用有效的方法实现齿轮模具的加工，是 本课题的研究内容，本课题研究的齿轮模具电火花展成加工方法，是齿轮加工的个创新， 对齿轮模具的制造具有较大的现实意义。 本文首先在分析电火花加工、齿轮模具电火花展成加工原理的基础上，通过对齿轮模 具加工的工艺性分析，得出电火花展成加工的方法，随后对该方法进行整体方案设计。 为了能有效地实现轮模具电火花展成加工，通过对影响齿轮模具电火花展成加工精度 的关键因素的研究，建立了工艺误差的理论模型；在分析电加工参数选择一般理论的基础 上，进行了齿轮模具电火花展成加工的实验研究，分析了各电加工参数对加工精度的影响， 给出齿轮模具电火花展成加工的电源参数选择方案。从而提出保证齿轮模具加工精度的具 体措施。 本文在d k 7 7 3 2 g 型电火花精密成型加工机床的基础上，研制了利用电火花展成加工 方法的新型齿轮模具数控加工装置。充分利用电火花去除材料无机械力、工件硬度不受限 制、加工精度高的优点，结合展成法加工齿轮的强制啮合的原理，实现内直齿形和内斜齿 形模具的精密加工，代替现行的机械插齿和电火花轴向进给成形的内齿形加工方法。 此外，对齿轮模具电火花展成加工装置的各个零件进行了具体的设计，给出了详细的 设计图纸。对数控装置、伺服电机与伺服驱动器的选择、安装与使用方法给出了一套完整 的方案。再根据设计方案，试制出整套装置，再经过多次试验，分析存在的问题，进行了 有效的改进。 最后，选对利用本文研制的齿轮模具电火花展成加工装置加工出的齿轮模具进行检 测，证明达到质量要求。研究结果表明，本文研制的齿轮模具电火花展成加工装置能有效 广东工业大学硕士学位论文 地满足齿轮模具高精度加工的现实需求，而且适用于各种内齿轮的加工。 关键词齿轮模具数控电火花加工展成法电极电加工参数齿轮参数 i i a b s t r a c t t h eg e a rm o l di s m a i n l yu s e di ng e a r se x t r u s i o n , s t a m p i n ga n dc a s t i n g i th a sh i g l l p r e c i s i o na n ds t r e n g t h e s p e c i a l l yt h em o l du s e dt om a n u f a c t u r ep o w d e rm e t a l l u r g yg e a r ，t h e d e f o r m a t i o nr a t eo fp o w d e rm e t a l l u r g yi sl a r g e ，t h e nt h eg e a rd i m e n s i o ni nw i d t hd i r e c t i o ni s l a r g e ，a n dt h a t ，a l lt h eg e a rm o l d sa r ei n n e rg e a r sw i t hh i g hh a r d n e s s t r a d i t i o n a lm a c h i n i n g m e t h o d ，f o re x a m p l e ，h o b b i n gm e a n s ，g e a rs h a p e ra n dg r i n d i n gm e t h o dc a n tb eu s e d t h e n n o n t r a d i t i o n a lm a c h i n i n gm u s tb eu s e d i f n s ee d mm e t h o dt h a tf e e di na x e sd i r e c t i o n , d u et o t h em a c h i n i n gd e p t hi sl a r g e ，t h e nt h ee d m p i t c hi sl a r g e s o ，t h er e s e a r c hc o n t e n to ft h i ss u b j e c t i sh o wt os e l e c tt h ee f f e c t i v em a c h i n i n gm e t h o do fg e a rm o l d ，t h eg e a rm o l de l e c t r i cd i s c h a r g e g e n e r a t i n gm a c h i n i n gm e a n si s a l li n n o v a t i o n , a n dt h i ss t u d yw o u l db eo fm o m e n t o u sc u r r e n t s i g n i f i c a n c ef o rm a n u f a c t u r eo fg e a rm o l d a tf i r s t ，b a s i n go nt h ea n a l y z i n go ft h ee l e m e n t so fe d m ，g e a rm o l da n dt h ee l e c t r i c d i s c h a r g eg e n e r a t i n gm a c h i n i n g ，t h r o u g ha n a l y z i n gt h eg e a rm o l dm a c h i n i n ga r t sa n dc r a f t s ，t h e g e a rm o l de l e c t r i cd i s c h a r g eg e n e r a t i n gm a c h i n i n gm e t h o dw a sb r o u g h tf o r w a r d t h eh o l i s t i co f t h ee l e c t r i cd i s c h a r g eg e n e r a t i n gm a c h i n i n gm e t h o dd e s i g n e d i no r d e rt oa c t u a l i z eg e a rm o l de l e c t r i cd i s c h a r g eg e n e r a t i n gm a c h i n i n ge f f e c t i v e l y , t h r o u g h a n a l y z i n gt h ek e yd i a t h e s i st h a ti n f l u e n c eg e a rm o l dm a c h i n i n gp r e c i s i o n , t h et h e o r e t i c a lm o d e l s w e r ee s t a b l i s h e d ；b a s i n go nt h ea n a l y z i n go ft h es e l e c t i o no fe d m p a r a m e t e r s ，t h ee x p e r i m e n t w a sm a d e ，t h e nt h r o u g ha n a l y z i n gt h ei n f l u e n c eo fe d m p a r a m e t e r st ot h eg e a rm o l dm a c h i n i n g p r e c i s i o n , t h ep r o j e c to f e d mp a r a m e t e r sw a sc a r r i e do u t t h ea s s u r a n c em e a s u r e sw a sm a d e a s p e c i a lg e a rm o l dn cm a c h i n i n ge q u i p m e n tw i t hh i 曲p r e c i s i o nw a sd e s i g n e d ，t h i s e q u i p m e n ti sb a s e do nt h ed k 7 7 3 2 ga c c u r a t es h a p i n ge d mm a c h i n et 0 0 1 m a k i n gt h eb e s tu s e o ft h ee d me x c e l l e n c e , t h a th a s1 1 0e n g i n ef o r c e ，n or e s t r i c t i n go fr i g i d i t y , a n dw i mh i g i l p r e c i s i o n c o m b i n i n gt h ep r i n c i p l eo ft h eg e n e r a t i n gm a c h i n i n go fg e a r , i no r d e rt om a c h i n et h e i n o u tg e a rw i t hs t r a i g h t i n c l i n e dt e e t hw i t l l1 1 i g hp r e c i s i o n i l l 广东工业大学硕士学位论文 e v e r yp a r to ft h i se q u i p m e n ti sd e s i g n e di nd e t a i l ，a n dt h ed r a w i n g si so f f e r e d g i v et h e i n t e g r a t e dp r o j e c to ft h es e l e c t i o n ，i n s t a l l a t i o na n du s i n gm e t h o do fc n ce q u i p m e n t ，s e r v o m o t o r sa n ds e t v od r i v e r s t h e nt r i a l - m a n u f a c t u r et h i se q u i p m e n t ，t h r o u g ht e s t , i m p r o v ei t a tl a s t ，e x a m i n eg e a rm o l dm a c h i n e di nt h i se q u i p m e n t ，p r o v et h a tt h eq u a l i t yo f g e a rm o l d p a r ti se l i g i b l e ，a n dt h ee l e c t r i cd i s c h a r g eg e n e r a t i n gm a c h i n i n ge q u i p m e n tc a nb eu s e di na l l i n n e rg e a r sm a n u f a c t u r e k e y w o r d s ：g e a rm o l d ，n u m e r i c a l c o n t r o l ( n c ) ，e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ( e d m ) ， g e n e r a t i n gm a c h i n i n g ，e l e c t r o d e ，e d mp a r a m e t e r ，g e a rp a r a m e t e r 广东工业人学预t 学位论文 独立性声明 秉承学校严谨的学风与优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师的指 导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，不包含本人或其他用途使用过的 成果。与我同一工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明，并表 示了谢意。 本学位论文成果是本人在广东工业大学读书和在广东轻工职业技术学院工作期间在导 师的指导下取得的，论文成果归广东工业大学所有。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任，特此声明。 指导老师签字： 论文作者签字： 穸芗月7 日 第一章绪论 1 1 本课题的研究目的和意义 本课题的研究目的是研究一种能达到较高精度的内齿形模具制造的具有较好通用性的 新型特种加工方法。充分利用电火花去除材料无宏观机械力、工件硬度不受限制和运动简 单的优点，结合展成法加工齿轮的强制啮合的原理，实现内直齿形和内斜齿形模具的精密 加工，代替现行的机械插齿和电火花轴向进给成形法内齿形加工工艺。 本课题的意义是：开创电火花展成加工内齿形面新工艺技术，丰富和发展非传统工艺 学内容和应用范围，提高制造精度并扩大工艺范围。体现在以下五点： 1 、提高齿形、齿向精度：径向进给的展成法可以克服轴向进给的电火花成形法加工留 下的加工锥度：电火花去除材料机械力小、运动简单、传动链短，可减少插齿时的机械形 变和传动链累积误差：并可以将工具误差转移、细分。展成法工具、工件都回转，利于工 作液的循环、排渣、散热、达到加工过程稳定。电火花加工的棱角、棱边无毛刺。 2 、扩大加工范围： 材料方面：除了一般的金属材料外，电火花可以加工脆硬、淬火钢、硬质合金，加工 材料硬度不受限制； 齿数方面：成形法加工工具和工件的加工齿数目相等，展成法既可以多齿数工具加工 出少齿数( 外齿形) 、也可少齿数工具加工出多齿数工件( 内齿形、外齿形) ，展成法的工 具准备数目少，变通性、灵活性大： 齿形方面：不仅可以加工各种标准、非标准渐开线齿形、还可加工各型的同步带齿形 的凹模、凸模( i = l ，同步共轭回转) ； 加工变模数齿轮：适当设计工具电极和装夹方式可以实现齿轮修形； 难加工的特殊结构：套类零件内表面储油槽、双联内齿轮、类似油槽结构特征( 中部 凹陷) 的内齿轮。 广东t 业大学硕士学位论文 大齿宽：特别是用于制造粉末冶金齿轮的模具，由于粉末冶金的压缩比大，齿轮模具 的宽度也就大，无加工锥度； 3 、降低表面粗糙度：选取精规准参数、脉冲细化、混粉手段、集合脉冲电化学抛光 易于降低表面粗糙度。 4 、工件结构简单：不需传统意义上的退刀槽、空刀槽。工艺结构简单。 5 、操作数控化、简单化：展成啮合的主随动运动速度调速简便，精准，特别在加工 不同齿数的工件时，只需锁定传动比参数便可。 1 2 国内外研究和应用现状 1 2 i 齿轮加工技术的国内外研究与应用现状1 l 齿轮是应用非常广泛的重要传动元件，目前绝大多数齿轮都采用切削加工方法制造。 按其工作原理，可将切削加工法分为仿形法和展成法两类，其中用展成法加工齿轮是齿轮 加工中应用最普遍的方法，用一对齿轮啮合或齿轮与齿条啮合的工作原理来加工，如滚齿、 插齿、剃齿及梳齿等工艺方法。 这种常规齿轮切削加工工艺，材料利用率低，大量属被切除，材料利用率低，且由于 机加工破坏了会属的流线，导致齿轮强度的降低。能源消耗大，污染严重，生产率低，生 产成本高，难以满足我国机械工业发展的需要。因此齿轮的精密锻造与冷挤出技术发展越 来越快【3 l 。 1 2 2 电火花加工技术的国内外研究与应用现状 电火花加工( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ) 又称放电加工，简称e d m ，从2 0 世纪 4 0 年代开始研究并逐步应用于生产。1 。其特点是： 1 不用机械能量、不靠切削力去除金属，而是直接利用电能，在工具和工件( 正、负 电极) 之问产生不断的脉冲性火花放电，形成局部、瞬时的高温把金属材料逐步熔化和气 第一章绪论 化蚀除掉，以达到对工件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求。加工过程中，工具电 极与工件并不接触。 2 加工过程中没有常规切削加工中的切削力。可以加工薄壁、低刚度、弹性、微细、 复杂零件。 3 可以加工任何硬度的金属材料、导电材料，包括硬质合金和导电陶瓷等。 正是由于这些特点，使得电火花加工技术在目前这一工艺技术已广泛用于加工淬火 钢、不锈钢、模具钢、硬质合金等难加工材料；用于加工模具等具有复杂表面和有特殊要 求的零部件，在民用和国防工业中获得愈来愈多的应用，已成为切削加工的重要补充和发 展。 然而，电火花加工也有其一定的局限性，具体是： 1 只能用于加工金属等导电材料。不像切削加工那样可以加工塑料、陶瓷等绝缘的非 导电材料。 2 加工速度一般较慢。因此通常安排工艺时多采用切削来去除大部分余量，然后再进 行电火花加工，以求提高生产率，但最近的研究成果表明，采用特殊水基不燃性工作液进 行电火花加工，其粗加工生产率甚至高于切削加工。 3 存在电极损耗。由于电火花加工靠电、热来蚀除金属，电极也会遭受损耗，而且电 极损耗多集中在尖角或底面，影响成形精度。但最近的机床产品在粗加工时己能将电极相 对损耗比降至0 1 以下，在中、精加工时能将损耗比降至1 ，甚至更小。 4 最小角部半径有限制。一般电火花加工能得到的最小角部半径略大于加工放电间隙 ( 通常为0 0 2 o 3 m m ) 。若电极有损耗或采用平动头工，则角部半径还要增大。但近年来 的多轴数控电火花加工机束，采用x 、y 、z 轴数控摇动加工可以棱角分明地加工出方孔、 窄槽的侧壁和底面。 5 加工表面有变硬层甚至豉裂纹。 另外，到目前为止，人们对于电火花加工微观过程的了解还是很不够的，诸如工作液 成分作用，间隙介质的击穿，放电间隙内的状况，正负电极间能量的转换与分配，材料的 广东工业大学硕士学位论文 抛出，电火花加工过程中热场、流场、力场的变化，通道结构及其振荡，以及煤油工作液 的热分解、裂变，带电碳微粒在正电极上的吸附等化学现象等等，都还需要进一步研究。 目前，在电火花加工基础理论研究领域，由于放电过程本身的复杂性、随机性以及研 究手段缺乏创新性，迄今尚未取得突破性进展。但在加工工艺和控制理论研究领域，由于 研究成果可直接应用于生产实践，因此已成为目前电火花成形加工技术研究中较为活跃的 领域，其研究热点主要集中在高效加工技术、高精密加工技术( 如镜面加工技术) 、低损 耗加工技术、微细加工技术、非导电材料加工技术、电火花表面处理技术、智能控制技术 ( 如人工神经网络技术、模糊控制技术、专家系统等) 以及操作安全、环境保护等方面。 在工艺设备开发方面，目前的新型电火花成形j n t 机床在加工功能、加工精度、自动化程 度、可靠性等方面已全面改善，许多机床己具备了在线检测、智能控制、模块化等功能， 己不再是传统意义上的特种加工机床，而更像切削加工中的数控机床甚至加工中心【1 1 。 1 3 课题来源及主要研究内容 1 3 1 课题来源 本课题是广东轻工职业技术学院机电工程系与华南理工大学金属新材料制备与成形 广东省重点实验室的联合研究项目。 1 3 2 课题主要研究的内容 研究一种能达到较高精度的内齿形模具制造的具有较好万能性新型特种加工方法。充 分利用电火花去除材料无宏观机械力、工件硬度不受限制和运动简单的优点，结合展成法 加工齿轮的强制啮合的原理，实现内直齿形和内斜齿形模具的精密加工，代替现行的机械 插齿和电火花轴向进给成形法内齿形加工工艺。 集中于两个方面：一方面，从电火花展成法加工原理、展成运动、实簏装置及其试验， 通过本研究方法成功加工出内齿形模具：另一方面，研究展成运动速度、放电参数、电极 4 材料、结构形式等对加工精度、粗糙度的影响规律，进而开展新型电火花工艺技术，如， 混粉、超声复合等。主要内容有： 1 、技术基础：研究确保齿轮展成啮合的严格传动比的方法、实施电火花展成加工材 料去除的原理、机理、实现条件及其总体技术方案。 2 、工艺方案设计：火花机床实施电火花展成运动的独立附设装置，包括工件定位装 夹、电极装夹与调整、伺服装置及运动的传递、调整与控制，开停按钮、速度调整等控制 面板集成配置。工作液内喷专用电极设计、制造和安装等。 3 、提高加工精度的关键因素试验分析研究：试验直齿和斜齿的展成加工；考察齿形、 齿向精度及粗糙度；粗精结合的放电参数试验实施策略，研究齿轮模具精度和表面质量： 试验参数与效果的影响关系和规律，优化参数选择。 5 广东工业大学硕i z 学位论文 第二章齿轮模具电火花展成加工的工艺方案设计 2 1 概述 2 1 1 齿轮模具概述1 3 1 1 、齿轮的精密锻造与冷挤出技术 精密锻造技术作为一种耗材少、效率高、性能优越的少无切削加工工艺，近年来在金 属压力加工中获得了迅速的发展，在汽车、机床、仪表等民用工业以及国防工业系统中的 应用日益广泛。在国民经济各个部门里，精密锻造技术正显示出巨大的技术优越性和良好 的经济效益，已逐渐成为中小锻件精密化生产的发展方向。我国的精密锻造工艺的试验研 究工作始于五十年代末，经过四十多年的发展，可精密锻造材料的范围不断扩大，可精密 锻造零件的品种越来越多，形状越来越复杂，精度也越来越高( 精密锻造零件的精度可达 i t 7 i t 8 级，表面粗糙度可达r a0 _ 2 1 6 。 冷挤压技术是一种商精、高效、优质低耗的先进生产工艺技术，比较多的应用于中小 型锻件规模化生产中。与常规模锻工艺技术相比，可以节材3 0 5 0 ，节能4 0 r 8 0 ， 而且能够提高锻件质量和改善作业环境。二战后，冷挤压技术在国外工业发达国家的汽车、 摩托车、家用电器等行业得到了广泛的发展应用，而新型挤压材料、模具新钢种和大吨位 压力机的出现，更拓展了其发展空间。日本8 0 年代自称，其轿车生产中以锻造工艺方法 生产的零件，有3 0 4 0 是采用冷锻工艺生产的，近年来生产的新型轿车则每车平均使 用4 2 k g 的冷锻件。美国等国家的轿车生产中，每车平均使用4 0 k g 的冷锻件。随着科技的 进步和汽车、摩托车、家用电器等行业对产品技术要求的不断提高，冷锻生产工艺技术已 逐渐成为中小锻件精化生产的发展方向。 精密锻造与冷挤压技术的主要零件就是齿轮模具。 2 、齿轮的模具 齿轮模具主要应用于齿轮的挤出、镦压及精密塑料齿轮铸造。 冷挤压是利用会属的塑性变形，在相当大的压力作用下以及一定速度下，使金属在模 腔内产生流动，使毛坯变成所需形状、尺寸及具有一定性能的零件。冷挤压中按照挤压时 6 第二章绪论齿轮模具电火花展成加工的工艺方案设计 _ 一i 自_ = = j _ = = e 女e _ ! ! _ - _ _ _ e e _ _ - j _ - _ _ j = = _ e j _ _ _ e j _ - | 自_ - - _ _ 目- _ - e = | - _ | j _ _ - _ 日_ 目| e _ _ - - e = = = = = 一 金属的流动方向和凸模运动方向之间的关系，将挤压方法分为如下几种： 正挤压：金属的流动方向与凸模的运动方向一致，称为正挤压。挤压时，凸模挤压金 属毛坯，迫使其从凹模出口流出，获得所需形状的挤压件。变形结束后，凸模恢复到原始 位置，顶料杆将挤压件从凹模内顶出。可以看到，挤压使材料的断面积发生了很大变化， 材料体积进行了重新分配。正挤压方法可以制造各种形状的实心件和空心件。如图2 1 、 图2 2 所示。 反挤压：金属的流动方向与凸模的运动方向相反，称为反挤压。反挤压可以制造各种 断面形状的杯形件。如图2 3 所示。 图2 - 1 挤压实心件图 f i g 2 - 2 e x t r u s i o no f h o l l o wp r o d u c t s 2 - 2 正挤压空心件 f i g 2 - 1 e x t r u s i o no f s o l i dp r o d u c t s 图2 - 3 反挤压 f i g 2 - 3u p s e t - e x t r u d i n g 复合挤压：挤压时，毛坯一部分金属流动方向与凸模的运动方向相同，而另一部分金 属流动方向与凸模运动方向相反。如图2 - 4 所示。 径向挤压：挤压时，金属的流动方向与凸模的运动方向相垂直。如图2 5 所示。 7 ：至三些查竺璧圭兰竺鎏兰 戮毽_ 扇 图2 4 复合挤压图2 5 镦粗与镦挤复合 f i g 2 - 4c o m p l e xe x t r u d i n g f i g 2 5c o m p i e xo f r e i n f o r c i n ga n de x t r u d i n g 冷墩：冷墩工艺是一种在压力机一次或几次行程产生的作用力下，镦锻模具中金属线 材或棒材获取不同截面形状的局部成形工艺，通常获得的截面形状比原始截面积大。如图 2 - 6 所示。 南蟮旺播 ( c )i d ) 图2 - 6 冷镦工艺示意图 ( aj 在冲头和模具间镦头形成f b ) 在冲头中镦头形成 i 在模具中镦头形成f d ) 在冲头和模具内镦头形成 f i g 2 - 6 s k e t c hm a po f c o l dh e a d i n gp r o c e s s 3 、齿轮模具的技术要求 为了保证模具的正常工作和使用寿命，模具必须能够经得住静态高压，经得起冲击， 经得住工件和模具表面之间的摩擦，同时要经得住疲劳。作用在模具上的压力必须引导到 压力机工作台面和压力机机架上。虽然金属在压缩下发生塑性变形，但是模具中的工作应 力却是一个复杂的抗张、抗压和剪切的联合应力。由于工作应力很高，模具承载时将会产 8 第二章绪论齿轮模具电火花展成加工的工艺方案设计 生明显的弹性变形。因此模具必须能承受和分配这种应力和变形，这就要求齿轮模具精度、 强度高。 2 1 2 齿轮模具的电火花加工 由于齿轮模具所要求的高强度、高硬度和高精度，所以要求在热处理之后进行精加工。 这就特别适于电火花加工。 电火花加工工艺出现已经5 0 年，成为特种加工的典型工艺，其应用已触及工业制造 的各个领域，并成为模具制造、航空航天等领域的常规、常用工艺技术，特别是近年来数 控技术的发展，为电火花加工技术的发展和应用提供了十分广阔的空间。本世纪以来几乎 所有的电火花设备都采用了从单轴到多达8 轴的数控系统。电火花工艺技术方面更是异彩 纷呈，近年发展了新型电火花工艺和应用等，如，混粉电火花镜面加工、电火花表面该性 和毛化、细微电火花加工、电火花铣削加工、镜面球头电火花磨削、非导电材料电火花加 工、气体介质电火花加工、电火花共轭同步回转加工、双轴电火花展成加工、电火花深小 孔加工等。内齿轮加工方面：利用电火花线切割加工内外直齿已经成熟。国内对轴向进给 电火花成形法加工齿轮已有涉足，但工艺灵活性、通用性及加工精度受限，由于普通电火 花成形机床是一种单轴( 主轴z ) 控制型机床，在工作中一般只能利用主轴的上、下移动来完 成电极形状的“拷贝”加工，用于电极的损耗，会形成上大下小的喇叭口。电火花展成法加 工内外斜齿轮及其模具的技术尚未见报道。 2 2 齿轮展成加工原理嘲 展成法是利用一对渐开线齿轮( 或齿轮和齿条) 啮合传动时其共轭齿廓曲线互为包络 线的原理来加工齿轮的一种方法。用展成法加工齿轮时，将一对齿轮中的一轮( 或齿条) 视为刀具，另一轮则为待加工齿轮的工件毛坯。加工时，刀具与工件毛坯以定速比作对滚 运动( 展成运动) ，这完全与一对齿轮啮合传动一样，但要同时保证刀具沿工件毛坯的轴 线方向作往复的切削运动。 9 ! 兰：些奎耋堡圭竺竺鎏兰 电火花展成加工是指在加工过程中工具电极和工件毛坯分别绕各自的轴线作回转运 动。当工具电极与工件毛坯的转速比为整数时，则在加工过程中工具电极上某一固定角方 位和工件毛坯上某个或某几个固定角方位严格保持对应关系。当工具电极相对于工件毛坯 作径向进给时，在工具电极和工件毛坯之问将会产生脉冲性火花放电蚀除。随着放电蚀除 的连续进行，工具电极不断地向工件毛坯进给，从而在工件毛坯上展成加工出具有一定形 状、尺寸和表面质量的工件。只要合理地选择工具电极与工件毛坯的转速比以及工具电极 的形状尺寸，就可以展成加工出符合预定加工要求的工件“1 。 2 2 1 齿廓啮合的基本定律 一对互相啮合的齿轮，如图2 1 所示，齿轮1 以角速度u 。转动，以齿廓k 。推动齿轮2 的 齿廓k 。以角速度m ：转动。为保证二齿廓既不分离又不互相嵌入地连续转动，沿齿廓接触点 k 的公法线n n 方向上，齿廓间不能有相对运动，即二齿廓接触点n n 公法线方向上，齿廓 不能有相对运动，亦即二齿廓接触点公法线n n 方向上的分速度要相等，即vfv 。= v 。 图2 7 齿廓啮合 f i g 2 7e n g a g e m e n tb yg e a rc o n t o u r 公法线n 一1 1 与二齿轮连心线的交点p 为二齿轮的相对速度瞬心，即二齿轮在p 点上的速 度应相等，( i j 。0 。p = 。o 。p ，由此得瞬时传动l p i 。： 1 0 第二章绪论齿轮模具电火花展成加工的工艺方案设计 a ， 22 南 上式说明，任意齿廓的二齿轮啮合时，其瞬时角速度的比值等于齿廓接触点公法线将 其中心距分成两段长度的反比。这就是齿廓啮合的基本定律。 在齿轮机构中，相对速度瞬心p 称为啮合节点，简称节点。为实现定传动比传动，要 求两齿廓在任何位置啮合时，其节点p 都为中心线上的一个固定点。以0 t p 和0 ：p 为半径的圆 称为齿轮的节圆。节圆是齿轮的动瞬心线，齿轮的啮合相当于其两节圆作无滑动的纯滚动。 2 2 2 齿廓成形的运动学分析 在一般切削加工或特形加工系统中，装在机床上的工具和工件间按一定的规律作相对 运动，通过刀具对工件毛坯的作用，把毛坯上多余的材料去除，从而得到满足要求的工件 表面形状。刀具和工件问运动形式和运动关系发生变化，相对运动的轨迹随之相应发生变 化，从而形成各种不同形状的表面。各种齿形的齿廓表面就是在刀具和工件的相对运动中 成形的。尽管机械零件形状不一，但其表面成形都只不过是机床上两种基本的运动一一直 线的和旋转的运动类型的组合与转化。 任何一个零件，不管其表面形状如何，都是由一个或几个基本表面元素组成的，这些 基本的表面元素有平面，圆柱面，圆锥面，球面，圆环面，螺旋面等。它们都可以看作一 条曲线沿着另一条曲线运动的轨迹。这两条曲线叫作该表面的发生线，前一条发生线称为 母线，后一条称为导线。由于发生线是由工具和工件问相对运动得到的。所以成形表面与 工具刃形有着密切关系。同样一条发生线采用不同刃形就有不同的形成方法。 2 2 3 渐开线齿轮的加工原理 常用的齿轮加工方法是范成加工方法，如插齿、滚齿、梳齿、剃齿、磨齿等。它们是 利用一对齿轮啮合或齿轮与齿条啮合的原理来加工齿轮的，也就是利用包络法展成共扼曲 线( 面) 的原理来加工齿轮齿廓的。用范成法加工齿轮时，常用的刀具有齿轮型刀具( 齿轮 插刀) 和齿条型刀具( 齿条插刀又称梳刀，滚刀等) 两大类。 广东工业大学硕士学位论文 2 3 电火花展成加工齿轮的特点 电火花展成加工齿轮的特点是。1 ： i 在加工过程中，由于工具电极和工件电极的旋转运动使得放电加工点不断变化，从 而避免了电火花加工中的集中放电；而且随着工具电极和工件电极的不断回转以及由此造 成的液流扰动，使得电蚀产物也比较容易被彻底地带出加工区域。因此，旋转式电火花展 成加工从根本上解决了电火花加工中排屑困难、放电集中的问题，大大提高了加工过程的 稳定性和加工效率。 2 该方法不仅可以在圆周( 内圆或外圆) 上进行成形加工，还可以在平面上进行成形加 工( 当工具电极作回转运动而工件固定在回转台上时，可以在平面上进行成形加工) ；而且 对于在圆周上加工多个型腔时，还可以省去回转分度装置，减少了辅助操作时间。 3 由于加工时工具电极和工件电极之间存在相对运动，有利于表面粗糙度的改善。此 外，加工时工具电极和工件电极的有效相对面积很小，从而使得极间电容很小，而不象成 形加工所采用的整体型面对合那样存在较大的极间电容，以至造成当加工区实际发生的单 个脉冲放电能量压缩到某一界限后就不能再进行有效的压缩。因此该方法能够利用很小的 单个脉冲能量进行精加工和超精加工，比普通的电火花加工可以达到更好的表面质量。 但同时也应该看到，旋转式电火花展成加工也有其自身的局限性。例如，它只能解决 部分特殊零件的加工，如特殊齿轮状工件、轮胎模及某些特殊材料的回转类工件的加工等。 另外，加工效率较低。 2 4 齿轮模具电火花展成加工的工艺方案设计 2 4 1 齿轮模具加工的工艺性分析 一、齿轮模具加工的工艺路线 材料化学成分检验毛坯锻造粗车调质热处理粗加工齿形( 多为插 齿) 超声波探伤淬火热处理超声波探伤调质硬度和机械性能检验精 1 2 第二章绪论齿轮模具电火花展成加工的工艺方案设计 车电火花半精加工齿形电火花精加工齿形齿面硬化热处理( 如氮化等) 齿轮精度和硬度检验荧光齿面探伤抛光。 该工艺路线的特点是： 1 、由于齿轮模具所承受的负载大，为保证加工后强度的齿面硬度达到设计要求，采 用粗车加工后，中间调质，而不采用毛坯调质。为了使齿轮模具的齿顶与齿根的硬度接 近一致，也为了改善工件材料内部组织的稳定性，减少热处理变形，在粗加工齿形后进行 二次淬火，第一次调质硬度达到h b 2 3 0 2 5 0 ，第二次淬火后硬度达到h r c 5 5 5 8 。 2 、齿轮模具齿坯的内、外圆与端面，不仅是粗加工齿形时的基准，而且又是电火花 加工时的安装基准，所以车削齿轮毛坯时，内、外圆及基准端面应在一次安装中精车。 3 、为了要求进一步提高齿轮模具的表面质量、降低齿面粗糙度，在齿面硬化热处理 后进行抛光。齿面粗糙度兄的值可从3 2 聊降到0 4 9 i n 以下。 4 、为了加强各个工序的质量控制，确保齿轮材料内在质量，除对材料化学成分，机 械性能进行检验外，采用了两次探伤。第一次探伤旨在防止锻造裂纹和夹杂物，第二次探 伤旨在防止热处理引起的裂纹。 5 、由于齿轮模具的内表面在工作时承受很大的摩擦力，对耐磨性要求很高，因此， 在最后增加氮化工序，以进一步提高齿轮模具的内表面的硬度和韧性。 在上述工艺路线中，经第二次调质后硬度达到h r c 5 5 5 8 ，而且又是内齿轮，半精加 工齿形、精加工齿形工序无法用传统的滚齿、插齿、磨削的方法进行加工。特别是用于制 造粉末冶金齿轮的模具，由于粉末冶金的压缩比大，齿轮模具的宽度方向尺寸较大，从采 用特种加工方法的角度考虑，若加工电极采用轴向进给的方式进行电火花加工，则由于加 工深度大，形成的加工锥度也较大。 因此，本文针对以上工艺路线中的半精加工齿形、精加工齿形两个工序的电火花加工 难题，提出了齿轮模具电火花展成加工的方法。 二、确定电火花加工的毛坯 考虑到电火花加工的效率较低。工件毛坯做成半成品，材料选用齿轮模具钢( t 1 0 a ) ， 结构如图2 8 所示。 广东工业大学硕士学位论文 图2 8 件毛坯结构图 f i g 2 8w o r k p i e e e 说明： 1 、内部材料t i o a ，零件成形后进行调质热处理，硬度h r c 5 5 5 8 2 、外部材料# 4 5 钢，与内部工件毛坯过盈配合( 配作) ： 3 、磨平上下表面( 套件) ： 4 、工件去毛刺、 5 、齿轮参数( 由齿轮模具所制造的齿轮定) 如表2 1 所示。 6 、先半精加工，留0 2 m m 的余量。 1 4 三、定位基准 如图2 9 所示。 表2 1 齿轮参数 t a b 2 - 1g e a rp a r a m e t e r s 齿数z 3 4 模 数n 2 4 8 4 压力角 o 2 0 。 变 位系数 + 0 3 6 齿侧闸艘 j 0 0 3 齿顶高系数 h 。1 顶融系 数 c x0 2 5 齿顶过渡圆半径 r q 0 2 齿根过渡圆半径 r p 0 9 齿顶圆直径d q 中9 1 2 1 2 分度圆直径 d 中8 4 4 5 6 齿根圆直径 d f 中8 0 0 3 4 齿向公差 0 0 3 5 公法线跨齿数k 气 公 去线长度 w k 3 4 7 6 袅1 5 图2 9 定位基准 f i g 2 - 9 l o c a t i o nn o i t l l 轴向定位基准与夹具本体的右端面贴合，径向定位基准与夹具本体的内孔面小过盈配 ：蛮；：些奎兰蝥圭兰竺兰兰 2 4 2 齿轮模具电火花展成加工的工艺方案设计 采用图2 一1 0 所示的方案实施电火花展成加工运动及控制。采用非淹没加工方式。技术 路线如下：以内直齿为切入点，初步定量确定重要参数的选择和影响质量指标规律；达到 加工要求基础上，试验提高质量的新措施、新手段。 1 、交流侍服电机2 、尼龙螺栓3 、尼龙衬套 4 、夹持螺栓5 、机床进给主轴 6 、内六角螺钉 7 、特形工具电极8 、r 件9 、i ：件夹持螺母1 0 、夹具本体 1 1 、外壳体1 2 、内锥定位套1 3 、球轴承 1 4 、外壳夹持体1 5 、内锥定位套 1 6 、轴承端盖1 7 ，管路喷嘴系统1 8 、支撑座1 9 、工件调整螺钉 2 0 、支撑钉 图2 1 0 设备整体结构初步方案 f i g 2 1 0 b l u ep r i n to f t h ee q u i p m e n t 运动原理如下： 数控实现转速连续可调的独立运动n 1 和1 1 2 的选择和锁定，确保严格的展成传动比，径 向进给由机床主轴伺服运动实现( 任何电火花机床皆备之功能) ，工作液供给采用具有3 5 m p a 的内喷实现，确保加工区供液、排屑、散热充分。 工具与工件的定心与安装靠莫氏锥度芯轴保证。 装配简化模型如图2 1 1 所示。 1 6 第二章绪论齿轮模具电火花展成加工的工艺方案设计 现场实验设备如图2 1 2 所示。 图2 11 装配简化模型 f i g 2 11a s s e m b l ym o d e l 幽2 1 2 现场实验设备例 f i g 2 1 2f i e l de x p e r i m e n t a le q u i p m e n t sp i c t u r e 1 7 ：变三些奎兰蝥圭耋堡丝兰 2 5 本章小结 本章首先介绍了齿轮展成加工的原理，再根据加工原理对电火花展成加工齿轮的特点 进行了简单阐述。对齿轮模具加工的工艺性进行分析，在齿轮模具加工的工艺路线中找出 半精加工齿形、精加工齿形两个工序的加工难题，说明无法用传统的滚齿、插齿、磨削的 方法进行加工轴向进给的方式进行电火花加工的原因。此基础上，提出了齿轮模具电火花 展成加工的方法。对齿轮模具电火花展成加工进行工艺方案进行初步设计。 1 8 第三章提高加工精度的关键因素分析研究 第三章提高加工精度的关键因素分析研究 齿轮模具电火花展成加工是成型加工，齿轮模具的制造误差既有一般成型加工误差， 又有电火花工参数等因素引起的加工误差。本章首先对加工精度的成型加工误差进行分析 研究，再通过实验研究，得出合理的电火花工参数。 3 1 工艺系统的各种误差分析和精度保证措施 成型加工误差主要来源于工艺系统的机床、刀具、夹具、齿轮坯的误差、安装调整误 差。 3 1 1 误差分类 评价电火花加工齿轮精度的主要误差项目有【6 l ： 一、影响传递运动准确性的误差项目 影响齿轮传递运动准确性的主要误差是以齿轮一转为周期的误差，即长周期误差，主 要由几何偏心和运动偏心引起，评定参数有五项。 1 、齿距累积误差f p ( 公差f p ) 和k 个齿距累积误差f p k ( 公差f p k ) 齿距累积误差f d 是分度圆上任意两个同侧齿面间的实际弧长与公称弧长之差的最 大绝对值，如图8 5 所示。k 个齿距累积误差f p k 是在分度圆上，k 个齿距的实际弧长 与公称弧长2 - 差的最大绝对值，为2 到小于鲁的整数( z 为齿轮的齿数) 。 二 2 、齿圈径向跳动f r ( 公差f r ) 齿圈径向跳动a f r 是在齿轮一转范围内，测头在齿槽内于齿高中部与齿廓双面接触， 测头相对于齿轮轴线的最大变动量。 3 、公法线长度变动f w ( 公差f w ) 指齿轮一周范围内，实际公法线长度的最大值与最小值之差。 。l = f _ 。一昂么。 w 是指k 个齿左右齿廓的距离。 ：至三些銮兰矍圭警些鎏兰 4 、切向综合误差f ( 公差e ) 指是被测齿轮与理想精确测量齿轮单面啮合时，在被 测齿轮一转内，实际转角与公称转角之差的总幅度值。该误差以分度圆弧长计值。 s 、径向综合误差缸。( 公差f 。)是指被测齿轮与理想精确测量齿轮双面啮合时，在 被测齿轮一转内，双啮中心距的最大变动量。 上述检验参数统称为第1 公差组，选用其中的一项便可。根据齿轮模具的设计要求， 选公法线长度变动f w 作为测量项目。 二、影响传动平稳性的误差项目 传动平稳性是反映转一齿过程中的瞬时速比变化。齿形制造的不准确和两齿轮基节不 等，即基节存在误差会使转一齿过程中速比变化。其评定参数主要有六项。 l 、 齿形误差f r ( 公差厅)是指在齿轮端截面上，齿形工作部分( 齿顶倒棱部分除 外) ，包容实际齿形且距离为最小的两条设计齿形之间的法向距离，如图5 2 所示。 工 倒援 膏度 图3 1 齿形误差 r