一、尿素泵齒輪介紹及加工工藝
尿素齒輪泵為外嚙合齒輪泵,他是依靠主動齒輪帶動從動齒輪的旋轉使入口與出口的容積變化實現尿素水溶液的吸入與排出的液壓泵,如圖1所示;
齒輪是外嚙合齒輪泵的核心部件,齒輪材料通常需要選擇耐磨性好、抗變形能力高的材料,常用材料有鋼、鑄鐵以及非金屬材料等,能夠滿足傳統齒輪泵的應用。但尿素泵與傳統齒輪泵不同,因尿素水溶液具有腐蝕性,故尿素泵齒輪要求耐腐蝕。相比于金屬齒輪,塑料齒輪具有成本低、重量輕、耐腐蝕、自潤滑性好、傳動噪聲低等優點,為此, 本文齒輪選擇PEEK (聚醚醚酮)塑料,PEEK是一種半晶態的高分子聚合物,不僅具有耐高溫、耐磨損、耐化學腐蝕和綜合力學性能等特性, 還具有低吸水性、高韌性和耐沖擊性。
塑料齒輪制造工藝分為非切削加工和切削加工:(1) 非切削加工,如注塑、模壓成型等,適用于批量大、尺寸精度低的塑料齒輪;(2)切削加工,通常由塑料齒輪經車削、銑削、插齒或滾齒等加工,達到尺寸精度和表面粗糙度要求,但效率較低。尿素泵齒輪如圖2所示,齒輪相對于軸的圓跳動為0.03、齒輪面的粗糙度為 Ra0.8,精度要求較高;為了滿足該塑料齒輪精度要求,本文結合非切削加工和切削加工的優缺點,設計一套塑料齒輪精密切削夾具。
二、塑料切削原理及切削夾具結構
塑料切削原理
塑料的切削過程是指通過切削運動,使刀具從工件上切除多余的塑料層,形成切屑和已加工表面的過程,塑料的切削過程是擠壓過程。如圖3所示,當使用前角 γ0 和后角α0的切刀切削塑料工件時,被壓的塑料開始產生彈性變形,而后是塑性變形;當壓力達到塑料的剪切強度時,則沿著滑移面 OA 在 OMA 區內滑移,切刀繼續運動, 促使鄰近刀刃附近的塑料發生變形,直至在刀刃前沿發生斷裂,形成切屑。本文塑料齒輪加工屬于成形法加工齒輪,將切削刀具加工成齒輪形狀,對毛坯塑料齒輪進行一次精密切削成型。
切削夾具結構
本塑料齒輪精密切削夾具可用小型沖床進行切削,切削夾具結構如圖4所示,將需加工的工件夾在下壓滑塊下和限位塊之間進行定位,通過切削塊上下的滑動對工件進行切削。
對加工精度要求較高的塑料零件,粗、精加工應分開進行。即粗銑時按效率優先的原則,盡可能在允許的變形范圍內選擇能提高生產效率的加工參數,但必須保證留 0.1 mm 左右的加工余量用于精加工。本文中齒輪精密切削前,是先通過模具注塑成齒輪毛坯,齒輪軸作為嵌件被一同注塑,毛坯齒輪整體外形尺寸比圖紙單邊大0.1mm。在切削前要先定位,由于齒輪泵齒輪隨著齒輪軸轉動,為了保證齒輪形位公差的精度要求,以齒輪軸作為定位基準。定位過程如下步驟:
1、如圖5所示,定位板上和限位塊加工成齒輪狀,兩者間隙配合,齒輪軸一端先裝入限位塊的內孔,一半齒輪則嵌入定位板的齒輪槽內;
2、如圖6所示,機床下壓,齒輪軸的另一端插入下壓滑塊的內孔,同時下壓滑塊在彈簧的作用下頂住齒輪進行二次定位。
工件定位后進行切削,切削過程如下步所示驟:
1、如圖7 ,隨著機床下壓過程,切削塊開始切削齒輪。
2、如圖8所示,機床繼續下壓,帶動定位板下降,限位塊連同齒輪則一同頂入切削塊的切削孔內,這時切削完成,切削廢料則落入切屑回收槽內。
最后夾具分開,由彈簧推動下壓滑塊將加工好的齒輪從切削塊中頂出進行卸料,定位板則在底部彈簧的作用下復位。
三、夾具的主要工作零件的設計
切削塊
切削塊的結構如圖9所示,齒輪的加工精度主要由切削塊決定,如果切削刃發生磨損,或齒輪孔內壁粗糙等, 都會使齒輪工件表面粗糙,甚至造成齒輪開裂,故要求切削塊具有較高的硬度和粗糙度較低的切削工作面;同時熱塑性材質的硬度低,需要的切削力小,所以應選擇容易磨出鋒利刀具刃口的刀具材質,如經過淬火的碳素工具鋼、高速鋼、合金工具鋼和鎢鈷類硬質合金,需要精密加工時可選金剛石車刀。本夾具切削塊選用鎢鋼(合金工具鋼)制造。
由于切削塊在下壓滑塊和限位塊之間滑動,沿齒輪一整圈做切削加工,為此切削塊后角α0=0比較適宜。切削塊前角γ0的大小直接影響切削效果,其大小的選擇應綜合考慮塑料種類、刀具材料以及加工性質三方面的因素。前角的大小主要解決刀頭的堅固性與鋒利性的矛盾。因此首先要根據加工材料的硬度來選擇前角。加工材料的硬度高,前角取小值,反之取大值。其次要根據加工性質來考慮前角的大小,粗加工時前角要取小值,精加工時前角應取大值。前角一般在-5°~ 25°之間選取。本文在保證齒輪精度和切削塊強度的情況下,選擇切削塊前角γ0=0。
切削塊的齒輪孔用慢走絲加工,加工表面的粗糙度的范圍在 Ra0.2-0.3μm 之間,外形和尺寸按工件圖紙要求;另外切削塊切削平面可用工藝磨床精加工,加工后其表面粗糙度同樣可達到 Ra0.2-0.3μm;經上述加工方法加工切削塊,其切削刃較鋒利;切削塊切削工件的表面則平整、光滑。
下壓滑塊和限位塊
下壓滑塊和定位塊如圖10所示,主要作定位用途是通過定位工件來配合切削塊切削,因承受擠壓和沖擊,故要有一定的硬度和耐磨性,可選用 Cr12MoV 制造,淬火硬度 HRC58-62;下滑塊和限位塊用淬火后的 Cr12MoV 進行慢走絲加工,加工成齒輪條狀,與底座過盈配合,然后焊接牢固后磨平焊點。切削時,齒輪軸兩端分別穿入限位塊和下壓滑塊的內孔,齒輪軸的尺寸為 Φ4.5,為了保證齒輪相對于齒輪軸的同心度, 內孔尺寸比齒輪軸單邊大 0.05mm;為了便于安放齒輪和齒輪軸穿入下壓滑塊，限位塊和下滑塊的內孔端口處做斜倒角0.1mm× 0.5mm。
精密切削間隙
如圖11所示,限位塊托起毛坯齒輪,切削塊由上往下滑動,限位塊需要穿入切削塊進行完全切削,如果限位塊齒輪形外形尺寸過小,切削時則會引起塑料齒輪塌角、開裂;由參考文獻可知,沖壓切削凸凹模雙邊間隙應小于0.01mm,但從切削夾具制造裝配精度和使用壽命考慮,該要求過高。根據生產實踐可知 ,只要切削塊和限位塊之間單邊邊間隙不超過0.02mm 就能保證齒輪精度和工件無塌角、無開裂。
如圖12所示,切削過程中,切削塊在下壓滑塊上進行滑動,切削完成后,下壓滑塊將切削塊齒輪孔內的工件進行頂出脫料,為了保證切削塊和下壓滑塊之間滑動平順, 兩者之間間隙約為單邊0.1mm;同理,如圖9所示,為了保證限位塊和定位板之間滑動平順,兩者之間間隙同樣為單邊0.1mm。
四、結論
本文運用塑料切削原理,結合塑料齒輪特點,設計了一副塑料齒輪精密切削夾具。該齒輪已經量產,而該夾具自使用以來,所切削的齒輪表面光潔且無塌角、無開裂,且與齒輪的圓跳動小于0.03mm,滿足尿素齒輪泵的技術要求。生產結果表明,該精密切削夾具結構原理正確、零件設計與選材合理、夾具使用穩定性高和工作效率高。
參考文獻略.