1 前言
圓形連接器尾部附件鎖定齒的加工, 無論在國外還是在國內(nèi), 均多采用滾齒方法。用這種加工方法來加工鋁合金材料的尾部附件, 問題還不大, 而用它來加工不銹鋼材料的尾部附件, 問題就暴露出來了。8 3 7 2 3系列連接器為發(fā)動(dòng)機(jī)用連接器, 它的殼體和尾部附件均須用不銹鋼制造。據(jù)我們所知,即使在國外, 加工鎖定齒也是十分棘手的問題。滾輪打齒的現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生。據(jù)稱, 一把滾齒輪在最佳情況下能加工2 0 個(gè)尾部附件, 一般只能加工幾個(gè)或幾十個(gè)尾部附件,一個(gè)尾部附件尚未加工出來就打齒的現(xiàn)象也經(jīng)常發(fā)生。滾齒輪在國外售價(jià)很高, 一把輪的單價(jià)平均為2 0 0 0 元。因此, 生產(chǎn)不銹鋼尾部附件的成本過高, 難于組織正常生產(chǎn)。我們過去一直沿用國外的加工方法, 每把輪的平均加工壽命為: 進(jìn)口輪不足5 件,而國產(chǎn)輪(每把約50 元)則一接觸加工表面就斷齒。鎖定齒的加工問題成為阻礙我們?nèi)嫱瓿蓢a(chǎn)飛機(jī)配套任務(wù)的關(guān)鍵。為此, 我公司決定將加工不銹鋼鎖定齒列為重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目。
解決鎖定齒加工問題的途徑有二: 一是改變產(chǎn)品設(shè)計(jì), 一是改變加工方法。第一種方法也不是不可行的, 但是它涉及規(guī)范化產(chǎn)品的圖紙的修改, 麻煩比較多。因此, 我們決定從改變加工方法上突破。
2 不銹鋼滾齒失效原因分析
2.1 滾齒成形工藝特點(diǎn)
工具和(或)坯料旋轉(zhuǎn)使坯料產(chǎn)生塑性變形的成形方法稱為旋轉(zhuǎn)加工或旋轉(zhuǎn)軋鍛。
加工中坯料軸線與工具軸線相互垂直稱為縱軋; 坯料軸線與工具軸線相互平行稱為橫軋; 坯料軸線與工具軸線相互呈小角度傾斜相交, 沿坯料軸線移動(dòng)稱為螺旋斜軋。
我們從國外引進(jìn)的端面齒加工工藝與上述三種方法均不相同。它所采用的方法是使坯料軸線與滾齒輪軸線呈45 “的交角, 滾輪體水平進(jìn)給, 由坯料帶動(dòng)滾齒輪旋轉(zhuǎn), 靠滾齒輪的齒形仿制出坯料的端面齒。這種技術(shù)稱為仿形斜軋較為合適。詳見圖1 。
在端面齒仿形斜軋加工過程中, 滾齒輪一點(diǎn)點(diǎn)向坯料吃進(jìn), 使坯料受到不斷的重復(fù)加壓而成形。滾齒輪與坯料的接觸面很小,當(dāng)然其變形力也就較小, 而坯料在加工過程中所要求的變形率卻很高, 這是一個(gè)矛盾。滾齒成形的優(yōu)點(diǎn)在于它屬于無切削加工, 因此材料利用率高, 可在坯件上獲得連續(xù)性纖維組織, 使?jié)L齒過程中的軋壓部位的強(qiáng)度增高。另外, 在滾齒過程中滾齒輪旋轉(zhuǎn)平穩(wěn), 所產(chǎn)生的工作噪音和振動(dòng)都較小。不過, 為散除變形熱, 滾齒的整個(gè)過程中要不斷地加注冷卻潤滑液。
2. 2 滾齒成形的工藝參數(shù)所用機(jī)床:
In d e x B6 o 滾制鋁件用,
In d e x G E 4 2 滾制各種材料件用;切削速度v :
鋁1 8 0 m / m in ,
鋼, 不銹鋼6 ~ 1 2 m / m in ;
進(jìn)給量(走刀量)S : 0. 0 4 m m /r;
滾齒外徑D : 為圖紙最終直徑, + 0. 10 m m ;
精車端面齒時(shí)內(nèi)外徑的走刀次數(shù)2次(精車的目的是防止毛刺向齒槽內(nèi)側(cè)倒進(jìn), 在工藝上要求無毛刺)。
2. 3 滾齒成形運(yùn)動(dòng)
如圖2 所示, 在滾齒過程中, 坯件與滾輪軸線的交角為45 “ 。坯件為主動(dòng)件, 其回轉(zhuǎn)軸線為0 2 0 2 , ; 滾齒輪為從動(dòng)件, 其回轉(zhuǎn)軸線為以〕, 。坯件與滾齒輪的公共交線為A A , (實(shí)際為一平面)。傳動(dòng)比為
滾齒輪的齒形尺寸沿A 刃向頂點(diǎn)O 成正比例減小。在齒的滾軋過程中, 滾齒輪上的各點(diǎn)距頂點(diǎn)O 的距離保持不變。故其齒形可在O A 及O A 的扇面上畫出。坯件沿軸0 2 0 : ‘回轉(zhuǎn), 端面齒上的各點(diǎn)距頂點(diǎn)O 的距離保持不變。坯件的齒形可在0 2A 及0 2刃的扇面上畫出。坯件與滾齒輪之間的展成運(yùn)動(dòng)是復(fù)雜的。
2. 4 滾齒輪受力圖
滾齒成形力Q 可分解為圓周力尸和分力T, 見圖3 。
2. 5 滾齒成形失效現(xiàn)象、產(chǎn)生原因及改正措施
2. 6 用等強(qiáng)度梁理論分析滾齒輪斷齒
原因在機(jī)械結(jié)構(gòu)中采用變剖面梁, 使其在載荷作用下的任一剖面邊緣上的正應(yīng)力均等于材料的許用應(yīng)力, 這種梁稱為等強(qiáng)度梁。
假設(shè)旋軋成形的全部載荷均由一個(gè)齒來承擔(dān), 而且滾齒輪沿截面為齒厚b 的不變的矩形, 則滾齒輪受力的情況可以簡化為一個(gè)受集中的力Q 作用的懸臂梁, 見圖4。
圖4 端面齒的受力分析
此時(shí), 按等強(qiáng)度條件, 則齒寬hx 沿齒高
由公式( l) 可知, 按等強(qiáng)度條件, 齒寬h x 與距齒頂距離X 應(yīng)呈拋物線形變化。滾齒輪的輪齒形狀是頂角為90。的直角等腰三角形。滾齒高hx , 一ZX 。由此可見, 除齒頂與齒根三點(diǎn)與等強(qiáng)度拋物線重合外, 滾齒輪齒形上的其余各點(diǎn)均呈強(qiáng)度條件不足狀態(tài)。
2. 7 奧氏體不銹鋼材料特性對(duì)斷齒的影響常用于加工端面齒的材料的機(jī)械性能見表3 .
鋁合金件滾齒, 只要滾齒輪的選擇恰當(dāng)、調(diào)整合理, 則坯件滾齒的成形良好。國產(chǎn)滾齒輪加工出的齒不錯(cuò), 滾齒輪本身的壽命也相當(dāng)長。奧氏體不銹鋼無磁性, 韌性與塑性值均甚高, 無法通過熱處理相變使其強(qiáng)化, 但確可以通過冷加工使其強(qiáng)化。
在仿形斜軋過程中, 奧氏體不銹鋼經(jīng)滾齒輪不斷沖軋而產(chǎn)生塑性變形。連續(xù)脈動(dòng)的旋軋使變形區(qū)逐漸強(qiáng)化, 表面硬度增高, 使得滾齒輪輪齒的成形載荷Q 也逐漸增加,見圖4 。滾齒輪齒的強(qiáng)度并不很大, 一旦內(nèi)應(yīng)力大于許用應(yīng)力就會(huì)出現(xiàn)輪齒的連續(xù)折斷。這一現(xiàn)象充分解釋了為什么用同一滾齒輪在對(duì)鋁件進(jìn)行仿形加工時(shí)表現(xiàn)得工作良好和壽命很長, 而一旦用來加工不銹鋼件時(shí)滾齒便紛紛折斷。
2. 8 輪齒折斷的主要原因之一是脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力
滾齒輪在對(duì)坯件進(jìn)行仿形斜軋時(shí), 輪齒所承受的是脈動(dòng)循環(huán)載荷。這種交變載荷在輪齒上產(chǎn)生交變應(yīng)力。在對(duì)鋁合金進(jìn)行滾齒成形時(shí), 因其成形力小, 所產(chǎn)生的交變應(yīng)力相應(yīng)地也小。而在滾制不銹鋼件時(shí), 因其成形力大, 而且這一成形力隨變形區(qū)的強(qiáng)化而不斷增大, 輪齒內(nèi)所產(chǎn)生的交變應(yīng)力也相應(yīng)地增大, 從而在滾齒輪輪齒強(qiáng)度薄弱的部位出現(xiàn)裂紋。裂紋隨加工時(shí)間的增加而逐漸擴(kuò)展, 直至輪齒驟然折斷。在生產(chǎn)實(shí)踐中, 這樣的情形是常見的: 在料、機(jī)床、刀具不變的情況下, 加工前一個(gè)零件時(shí)滾齒輪的齒形尚未發(fā)現(xiàn)損傷, 而加工完下一個(gè)零件時(shí), 輪齒就全部打光了。這是脈動(dòng)循環(huán)應(yīng)力的累積所致。
2. 9 進(jìn)口的滾齒輪在設(shè)計(jì)上有問題生產(chǎn)實(shí)踐證明, 用進(jìn)口的滾齒輪加工不銹鋼端面齒并不理想。
間題在于這種設(shè)計(jì)方法以坯件端面齒小徑處的節(jié)距作為設(shè)計(jì)和制造滾齒輪的基準(zhǔn)節(jié)距。
這樣的滾齒輪的實(shí)際受力部位在輪齒內(nèi)端, 見圖5 。輪齒橫截面積具有向心部逐漸縮小的特點(diǎn), 故齒內(nèi)端部位的橫截面積最小, 此處的承載能力當(dāng)然也最差(可將輪齒受力情況簡化為懸臂梁來做分析、
另外, 這種設(shè)計(jì)方法既沒有充分考慮鋁合金與奧氏體不銹鋼材料特性上的差異, 又沒有注意到零件結(jié)構(gòu)上的差異. 奧氏體不銹鋼件塑性變形區(qū)大, 對(duì)滾齒輪的強(qiáng)度要求要比加工鋁合金件高得多。我們何不用滾齒輪輪齒的中部乃至于其大端來仿形斜軋呢? 而這恰恰是增強(qiáng)滾齒輪強(qiáng)度的突破口。
2. 10 輪齒折斷的另一主要原因是其熱處理缺陷表2 中表明滾齒輪的熱處理缺陷是其失效的主要因素。
要想得到合格的端面齒, 滾齒輪的齒形務(wù)必是清棱清角的。而眾所周知, 棱角處從來就是熱處理中最易產(chǎn)生缺陷的地方, 特別是輪齒內(nèi)端更易產(chǎn)生裂紋、過燒、脫碳、過脆等問題。這都將降低滾齒輪的使用壽命。因熱處理不當(dāng)而造成的滾齒輪失效占失效總數(shù)的4 % , 就充分說明了這一問題。
3 不銹鋼端面齒的仿形斜軋加工方法
仿形斜軋加工方法是我們摸索出來的符合我國國情的滾齒輪設(shè)計(jì)方法, 是不銹鋼端面齒加工的訣竅。它的成功為完成國產(chǎn)化飛機(jī)配套任務(wù)提供了一個(gè)保證。
3. 1 工藝參數(shù)
所用機(jī)床:
In d e x B6 o 滾制鋁件用,
In d e x G E 4 2 滾制各種材料件用;切削速度v :
鋁1 8 0 m / m in ,
鋼, 不銹鋼6 ~ 1 2 m / m in ;
進(jìn)給量(走刀量)S : 0. 0 4 m m /r;
滾齒外徑D : 為圖紙最終直徑, + 0. 10 m m ;
精車端面齒時(shí)內(nèi)外徑的走刀次數(shù)2次(精車的目的是防止毛刺向齒槽內(nèi)側(cè)倒進(jìn), 在工藝上要求無毛刺)。
3. 2 調(diào)整要點(diǎn)
要成功地旋軋不銹鋼端面齒必須提高滾齒輪的輪齒強(qiáng)度。從這一論點(diǎn)出發(fā), 提出了用輪齒中部旋軋成形的加工方法, 如圖6所示。
新的滾齒輪的設(shè)計(jì)特點(diǎn)是特意加長輪齒長度, 使旋軋過程中的受力部位由輪齒內(nèi)端改為輪齒中部, 從而使受力狀況簡化成為簡支梁狀況。這樣做顯然使輪齒的承載能力大大提高。
3. 3 滾齒輪的選取
選用新的滾齒輪的方法可表現(xiàn)為如下
計(jì)算公式:
3. 5 滾齒輪材料
滾齒輪材料的選取是一個(gè)十分重要的問題. 國外推薦使用的材料為A. R. 5.高速鋼, 其牌號(hào)為Z 8 0W K 18 -10 , 熱處理后的硬度為H R C 60 -6 2.加工不銹鋼端面齒時(shí), 滾齒輪的工作條件十分惡劣, 因而它所用的材料更應(yīng)慎重選擇。一般地說, 制造滾齒輪的材料應(yīng)具有熱處理變形小、硬度高、抗沖擊韌性好、耐疲勞等特性. 在制造工藝上則要求齒形均勻、表面光潔度好, 不應(yīng)有表2 中所羅列的各種缺陷。
3. 6 實(shí)際應(yīng)用效果
我們用新方法成功地加工了多種規(guī)格的端面齒, 并組織批量生產(chǎn), 一次交驗(yàn)合格率達(dá)1 0 0%, 結(jié)束了我們不能正常生產(chǎn)不銹鋼尾部附件的歷史。
用新方法加工不銹鋼端面齒時(shí), 滾齒輪的壽命大大提高, 不僅進(jìn)口輪的壽命提高5~ 10 倍, 而且可以用國產(chǎn)輪來加工不銹鋼端面齒零件。合格的產(chǎn)品向人們表明, 國產(chǎn)輪同樣能加工出優(yōu)良產(chǎn)品。這不僅降低了成本, 而且解除了對(duì)進(jìn)口滾齒輪的依賴。
采用新的調(diào)整方法還加寬了滾齒輪的適應(yīng)范圍, 同一個(gè)滾齒輪可以用來加工多種尺寸的零件. 因輪齒加長, 滾輪壽命也相應(yīng)提高。除此而外, 尚可用它來加工其它零件,效果同樣令人滿意。
4 結(jié)束語
我們?cè)诩庸げ讳P鋼端面齒方面取得了一些成績, 但是這項(xiàng)研究尚未徹底完成。用這種仿形斜軋技術(shù)來滾齒, 雖具有應(yīng)用靈活的特點(diǎn), 但它最適合的是小批量多品種的生產(chǎn)方式。大批量生產(chǎn)中究竟采用什么加工方式更理想、更經(jīng)濟(jì)、更方便, 尚待我們作進(jìn)一步的研究。
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