装配式磨齿卡罐的设计研究及应用.pdf

精密制造与自动化 2016年第3期 33 装配式磨齿卡罐的设计研究及应用 武辉杰 杨 菲 李卫军（洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039）摘 要 根据人字齿轮轴大直径轴头、大模数、大螺旋角等特点，结合磨齿机床工作台及刀架等参数，设计装配式磨齿卡罐来实现人字齿轮轴的磨齿加工。沿圆周布置筋板的径向外轮廓面采用曲线形状结构，避免对大螺旋角齿轮轴磨齿时刀架与磨齿卡罐干涉。通过有限元强度分析，优化磨齿卡罐结构，降低磨齿卡罐重量，合理提高磨齿卡罐的强度与刚性。关键词 人字齿轮轴 磨齿卡罐 强度分析 备件人字齿轮轴有两种规格，分别为上齿轮轴1 2404 410 mm(净重 22.8 t)、下齿轮轴 1 2405 300(净重 26 t)，见图 1 所示。该齿轮轴的齿轮模数 m=45，螺旋角 30，热处理硬度 HB285326，齿轮精度 7 级（GB/T 10095-2008），精度要求较高，并且该齿轮轴为无空刀人字齿，无法滚齿，只能通过磨齿加工。图图 1 上、下齿轮轴上、下齿轮轴 该齿轮轴齿幅宽度为 1 900 mm，并且由于该齿轮轴为无空刀人字齿，而现有磨齿机竖直方向走刀范围距离工作台 780 mm 处至 2 330 mm，可加工范围只有 1 550 mm，所以该齿轮轴需上下两端分开进行磨齿。齿轮轴的一端都有大直径轴头（1 050 mm），并且因为大螺旋角，磨削加工时，磨齿刀架需旋转大角度。而磨齿机床工作台为中空，外圆直径2 400 mm，中间内孔直径 1 365 mm，而齿轮轴可定位支撑面直径为 700950 mm，无法直接对齿轮轴进行装卡磨齿加工。为了实现对该齿轮轴进行磨齿加工，需设计制造磨齿卡罐。磨齿卡罐需要满足齿轮轴上下两端分别进行磨齿时 4 种工作状态需求。1 1 人字齿轮轴磨齿卡罐的结构设计研究人字齿轮轴磨齿卡罐的结构设计研究 设计原理：磨齿卡罐放置在磨齿机工作台上面，通过螺栓、螺母等固定在工作台上的 T 型槽中，齿轮轴立放插入卡罐体中。轴向，磨齿卡罐上端面支撑齿轮轴直径 950 端面定位，在磨齿卡罐径向布置两排顶紧螺钉，每排按圆周 4 个方向，顶紧齿轮轴 700 处轴径调整齿轮轴。通过以下几个方面对磨齿卡罐进行结构设计。1）齿轮轴的大直径轴头对磨齿卡罐结构设计的影响 上、下齿轮轴的一端都有大直径轴头，当大直径轴头端在下部时，卡罐体需避免与该大直径的轴头干涉，卡罐体的内腔和高度尺寸的确定都要考虑这个因素。由于卡罐体的上支撑面直径小，上端内孔只有800 mm,大直径轴头直径为 1 050 mm，齿轮轴是无法直接插入卡罐体中的，所以这里把卡罐体设计为两半装配式结构。安装时，先将两半卡罐体拉开一定的距离，如图 2 所示。然后将大直径轴头下落至卡罐体上支撑面以下位置，之后两半卡罐体合拢成整体，卡罐体上支撑面支撑定位齿轮轴。精密制造与自动化 2016年第3期 34 图图 2 磨齿卡罐打开时状态图磨齿卡罐打开时状态图 结合齿轮轴大直径轴头离定位支撑面距离，再考虑机床的磨齿范围，使齿幅位于机床的磨齿范围内，所以磨齿卡罐支撑齿轮轴时，大直径轴头磨应置于机床工作台内孔中，如图 3 所示。卡罐体的高度就需要控制在大直径轴头与支撑面之间的距离。图图 3 磨齿卡罐工作平面图磨齿卡罐工作平面图 2）齿轮轴的大螺旋角齿轮轴磨齿刀架对磨齿卡罐结构设计的影响 该齿轮轴的螺旋角为 30，磨削齿侧面时，磨齿刀架需旋转大角度。这对磨齿卡罐结构设计造成一定的影响。如图 4 所示，磨齿时，刀架与卡罐体之间容易干涉，设计卡罐时需避开刀架。磨齿机床工作台外圆直径 2 400 mm，中间内孔直径 1 365 mm，而齿轮轴可定位支撑面直径为700950 mm，考虑到圆角，卡罐体上支撑面内圆为 800 mm，上支撑面外圆不能大于齿根圆，只有 1 050 mm。卡罐体的整体结构是上小圆过渡到下大圆，之间依靠径向辐射的筋板传递应力至工作台。图示卡罐筋板的曲线形状就是根据刀架位置来确定的。图图 4 磨齿卡罐工作状态三维图磨齿卡罐工作状态三维图 3）齿轮轴的安装对磨齿卡罐结构设计的影响 对于齿轮轴的大直径轴头朝下安装时的装卡，磨齿卡罐需先打开一定的距离，如图 2。卡罐体底板外圆将超出机床工作台，根据机床现场情况，机床导轨会影响到卡罐体。为避免两半卡罐体打开后与机床导轨干涉，卡罐体底部外圆直径要设计合理的尺寸。卡罐体底部外圆直径确定为 2 100 mm。另外，两半卡罐体拉开距离的方向与机床导轨方向垂直，其目的是避免与机床刀架、导轨的干涉。当齿轮轴的大直径轴头落到位置后，两半磨齿卡罐体需合拢。合拢时，齿轮轴还处于起吊状态，由于安装空间限制，这里设计不同长度的螺杆。通过旋转螺母压紧两半卡罐体连接法兰板处，来拉紧两半卡罐体。当齿轮轴一端加工完成需要调头时，先用顶丝螺