薄壁齒圈產(chǎn)品的夾持變形分析

齒圈產(chǎn)品由于壁薄，夾持易變形，在熱前車削和熱后車削加工中，卡盤夾持變形嚴重影響內孔的圓度。本文從節(jié)圓夾持和齒頂圓夾持兩個方向分析齒圈產(chǎn)品彈性變形的趨勢，采用SolidWorkssimulation軟件對齒輪建模分析其受力情況，通過分析內孔的應力分布，找到了改善內孔應力集中的方法，保證齒圈加工精度和裝配測試?？ūP夾持薄壁類齒圈零件，面臨的最大問題是卡爪夾緊時齒圈發(fā)生彈性變形，車削加工修整了局部的變形。如車削內孔去除了多余的變形材料，當卡爪松開后彈性變形恢復至原始狀態(tài)，加工去除的多余材料成了影響齒圈類薄壁產(chǎn)品質量的主要原因。我廠一齒圈產(chǎn)品在試制過程中，成品齒圈內孔形狀公差超差嚴重，嚴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°，齒側倒棱C＝0.5mm×0.7mm，齒頂圓直徑147mm，齒根圓直徑139mm，內孔直徑119mm，內孔寬度11.35mm，齒面寬度11.15mm。進口臥式車床自定心卡盤和自定心節(jié)圓卡盤夾持加工。1齒圈夾持方式和受力齒圈產(chǎn)品在加工內孔時，主要采用自定心卡盤齒頂圓和節(jié)圓夾緊的方式固定零件，個別易變形零件也可采用薄膜卡盤端面夾緊的方式固定零件。本次計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力分布和變換趨勢。計算選用完整齒圈進行仿真和分析，再對數(shù)據(jù)進行圓周展開得到內孔整個圓周的應力分布，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。2齒圈內孔應力分析對齒圈建模并網(wǎng)格化，加載夾緊力Fr，齒圈沿夾緊力方向發(fā)生彈性變形（見圖3）。齒圈受夾緊力作用位置內孔收縮，兩側臨近位置內孔張大，齒圈孔壁受拉應力和壓應力交替作用，此時加工內孔，孔壁切除材料不均勻。卸載夾緊力后，齒圈恢復至原始狀態(tài)，內孔出現(xiàn)圓度誤差，此形狀誤差與夾緊方式和夾緊力相關。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是影響成品內孔形狀誤差和內孔質量的重要因素。

由于計算齒圈齒數(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，設定夾持齒頂圓齒數(shù)分別為T1、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，則薄壁齒圈內孔上下截面的應力分布如圖4所示。圖4a～d顯示，無論采用齒頂夾緊和節(jié)圓夾緊，齒圈內孔應力集中都隨著夾持區(qū)域的增加而逐漸減小，應力分布趨于均勻，其壓應力和拉應力差值逐漸減小，拉應力區(qū)域增加，壓應力區(qū)域減少，也就是內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)域可以有效減小應力，減小彈性變形。圖4e～f顯示，節(jié)圓夾緊與齒頂夾緊相比，齒圈內孔平均應力減小10%；同時由于斜齒輪螺旋角的影響，兩種夾持方式內孔應力分布在相位上有一些差異，但是不影響進一步分析和解決問題。3試驗數(shù)據(jù)和結論綜合數(shù)據(jù)分析發(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，內孔彈性變形和應力分布呈現(xiàn)如下規(guī)律：1）薄壁齒圈內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）應用自定心卡盤夾緊節(jié)圓保持架和夾緊齒頂相比，內孔應力平均值減少約10%。3）在相同夾緊力作用下，自定心節(jié)圓卡盤夾緊齒面，其內孔應力最大，彈性變形最大。綜上所述，針對薄壁齒圈產(chǎn)品的夾持方式，自定心節(jié)圓卡盤夾持節(jié)圓齒面易引起內孔較大彈性變形，因其接觸區(qū)域較小，應力集中比較明顯。自定心卡盤夾持齒頂和節(jié)圓保持架，通過改變卡頭尺寸和圓弧半徑，易于調整夾持接觸