涨胎夹具在接合齿插齿工序中的应用分析

作者:唐山百盛机械设备有限公司 赵立强 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2018-11-07
接合齿轮是变速器同步器中的关键零件,其最主要的加工工序是插齿。在接合齿论大批量生产的需求下,需要使用更先进的夹具来提高生产效率并保证质量。本文主要介绍了插齿涨胎夹具的结构和原理,并通过对涨胎夹具的定位和夹紧进行分析,来阐述它在实际加工中比旧式的固胎夹具更具优越性。

汽车工业的迅猛发展,需要大批量的汽车零部件来供应,因此,作为汽车零部件的供应商,提高产能,势在必行。在接合齿轮的批量生产中,落后的固胎夹具不仅生产效率低,而且工人的劳动强度大,制造的产品质量也不稳定,严重制约了生产的发展,正逐渐被淘汰。新使用的涨胎夹具在技术上做了大量改进,下面以接合齿插齿工序为例,浅析使用涨胎夹具的优势。

涨胎夹具的结构和原理

1.夹具结构和工作原理

涨胎夹具由夹具主体、定位盘、涨套、底座、顶杆、拉杆、上接杆以及下接杆等多个零件组成,如图1所示。使用该夹具的加工过程是:把接合齿轮(工件)装在定位套上,并使接合齿轮的定位面紧贴在定位盘上,插齿机起动后,工作台内部的夹具液压缸动作回收,依次带动下接杆、上接杆和拉杆拉动涨套向下轴向位置移动,同时顶杆随涨套和上接杆下移;在拉力的作用下,涨套的内锥面与主体的外锥面摩擦位移,涨套弹性变形使涨紧面外径变大,此时工件的定位面仍紧贴定位盘,从而迅速定位并涨紧接合齿,开始加工。

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加工完毕后,液压缸执行推出动作,依次推动下接杆、上接杆和拉杆向上动作,同时上接杆推动顶杆顶出涨套,致涨套内锥面与主体的外锥面分离,实现涨套自动收缩,使涨套与接合齿内孔间产生间隙,可以轻松取件。其原理是利用涨套内锥面与主体外锥面紧密接触并轴向位置移动,使涨套发生弹性变形,将涨套的轴向力转换为径向力向外涨开,然后涨套的涨紧面涨紧工件内孔,增大了工件内孔与涨套涨紧面的摩擦力,从而实现工件夹紧。涨胎夹具实物如图2所示。

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2.夹具的主要部件

(1)夹具主体

涨胎夹具的主要部件有主体、涨套和定位盘。主体(图3)是该夹具最核心的部件,它的作用有承载定位盘、传输扭矩、拉杆导向、拉杆防转和顶杆导向。锥面和安装面是主体的最关键部位,主体的D面是轴向安装面,它与定位盘连接在一起,该端面相对于轴心线的径向圆跳动被控制在0.01 mm以下,可保证定位盘的垂直度要求。定位盘内孔与主体φ52 mm外圆有微量间隙,在装夹时可辅助工件进行径向定位。

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主体与涨套间的锥面配合精度会直接影响夹具的定位精度。一般来说,主体锥面相对于轴心线径向圆跳动值不得超过0.005 mm,表面粗糙度Ra0.4~0.8 mm,锥度误差控制在±5′以内。因为每次装夹配合锥面都有相对滑动,为了提高主体耐磨性,所以主体材质选用20CrMnTi,并进行淬硬处理,使表面硬度达到HRC55以上。

(2)夹具涨套

涨套既是定位部件,也是夹紧部件,它的作用是径向定位接合齿轮并涨紧该工件,是体现夹具定位精度的关键部件,其结构如图4所示。φ60 mm外圆柱面即涨紧面,它和内锥面是涨套的两个重要表面。两面要求同轴,轴向圆跳动不超过0.005 mm,内锥角为12°,与主体的外锥面配磨,接触面积大于80%,且靠近大端。为使涨套耐磨且有好的弹性,涨套的材质选用65Mn,然后进行碳氮共渗处理,表面硬度控制在HRC42~48之间。最后沿圆周方向线切割8槽,两端各4槽,相隔45°,这样可使φ60 mm涨紧面沿轴向均匀外涨,不致造成一端涨得紧,另一端尚有间隙的状况。涨套实物如图5所示。

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(3)定位盘

定位盘属于定位部件,如图6所示。定位盘起到的是轴向定位的作用和加工时轴向支撑的作用,重要部位是定位面和安装面。定位面与安装面的平行度要求控制在0.01 mm以下。定位盘同样需要好的耐磨性,因此可选用材质20CrMnTi,然后淬硬处理,使表面硬度达到HRC55以上。

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定位误差和夹紧力的分析

接合齿轮的插齿工序主要是保证齿面的径向圆跳动,因此径向定位非常重要。接合齿轮设计的径向圆跳动一般为0.06 mm,为提高接合齿轮的定位精度并保证其质量的稳定性,涨套涨紧面相对内锥面的径向圆跳动要求小于0.005 mm,主体外锥面在工作台转动的情况下也要调试到0.005 mm以内。涨紧工件时,工件内孔与涨套之间紧密配合,没有间隙,所以不会累积工件内孔的尺寸误差,夹具本身的径向圆跳动δ夹具=δ涨套+δ主体=0.01 mm,这样,除去加工时的刀具误差0.005 mm,留给接合齿精车时的径向圆跳动还有0.045 mm,加工就很容易保证了。

而接合齿轮在轴向上的定位则无须太精确,只要保证工件在插齿行程范围内即可。因为接合齿轮的夹紧是通过工件内孔与涨套涨紧面之间的摩擦实现的,摩擦力越大,夹紧力越大,而决定摩擦力大小的主要有两个方面,一是涨紧力,二是涨紧面积。涨胎夹具的夹紧力公式为:

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式中,N为涨紧工件的涨紧力;F为轴向拉力;A为锥角;φ为摩擦角(钢材取5.7~6.8)。

经计算可知涨紧力N是拉力F的2.5倍左右,而在实际的应用中,还要减去涨套本身的弹性阻力R总。弹性阻力R总=nR,其中n是涨套的瓣数,R是涨套每瓣的弹性阻力,其公式为:

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式中,E为弹性模数 (MPa);H为单瓣薄壁厚度(mm);△为涨套涨紧面与工件内孔的间隙(mm);D为涨套的外圆直径(mm);L为涨套每瓣的长度;β为涨套每瓣的扇形角之半。

从上述公式中可以看出,弹性阻力是可控的,其中涨套涨紧面与工件内孔的间隙越小,弹性阻力越小。假设没有间隙,弹性阻力即为零,在实际中的配合间隙一般控制在0.02~0.04 mm。其他还可通过减小涨套的单瓣薄壁厚度、加长涨套每瓣的长度来降低弹性阻力,因此弹性阻力在粗算时可以忽略不计。涨胎夹具的涨紧面积公式:微信截图_20191030155750.png
式中,S夹紧为涨紧面积,d内孔为工件内孔直径,l接触为工件与涨套的接触长度。

从公式中可以看出工件与涨套的接触长度越长,涨紧面积越大,所以在设计夹具时,涨套都要涨满工件内孔。因接合齿结构的特点,涨胎夹具的涨紧面积往往与固胎夹具的涨紧面积接近。

结论

以往接合齿轮加工使用的固胎夹具在装卸时,除了装卸工件外还要装卸开口垫。在定位方面,使用固定的圆柱面与工件内孔径向定位,存在着定位柱面磨损和累积工件内孔尺寸偏差的缺陷,其在夹紧方面采用的是开口垫压紧工件的形式,压紧力就是拉力,远小于涨胎夹具的涨紧力,其压紧面积又与涨胎夹具的涨紧面积相差不多。所以可以看出,涨胎夹具无论在加工操作方面,定位精度方面,还是在定位夹紧方面,都优于固胎夹具。在实际生产过程中,涨胎夹具更能提高生产效率、保证产品质量。    

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