一、尿素泵齿轮介绍及加工工艺
尿素齿轮泵为外啮合齿轮泵,他是依靠主动齿轮带动从动齿轮的旋转使入口与出口的容积变化实现尿素水溶液的吸入与排出的液压泵,如图1所示;
齿轮是外啮合齿轮泵的核心部件,齿轮材料通常需要选择耐磨性好、抗变形能力高的材料,常用材料有钢、铸铁以及非金属材料等,能够满足传统齿轮泵的应用。但尿素泵与传统齿轮泵不同,因尿素水溶液具有腐蚀性,故尿素泵齿轮要求耐腐蚀。相比于金属齿轮,塑料齿轮具有成本低、重量轻、耐腐蚀、自润滑性好、传动噪声低等优点,为此, 本文齿轮选择PEEK (聚醚醚酮)塑料,PEEK是一种半晶态的高分子聚合物,不仅具有耐高温、耐磨损、耐化学腐蚀和综合力学性能等特性, 还具有低吸水性、高韧性和耐冲击性。
塑料齿轮制造工艺分为非切削加工和切削加工:(1) 非切削加工,如注塑、模压成型等,适用于批量大、尺寸精度低的塑料齿轮;(2)切削加工,通常由塑料齿轮经车削、铣削、插齿或滚齿等加工,达到尺寸精度和表面粗糙度要求,但效率较低。尿素泵齿轮如图2所示,齿轮相对于轴的圆跳动为0.03、齿轮面的粗糙度为 Ra0.8,精度要求较高;为了满足该塑料齿轮精度要求,本文结合非切削加工和切削加工的优缺点,设计一套塑料齿轮精密切削夹具。
二、塑料切削原理及切削夹具结构
塑料切削原理
塑料的切削过程是指通过切削运动,使刀具从工件上切除多余的塑料层,形成切屑和已加工表面的过程,塑料的切削过程是挤压过程。如图3所示,当使用前角 γ0 和后角α0的切刀切削塑料工件时,被压的塑料开始产生弹性变形,而后是塑性变形;当压力达到塑料的剪切强度时,则沿着滑移面 OA 在 OMA 区内滑移,切刀继续运动, 促使邻近刀刃附近的塑料发生变形,直至在刀刃前沿发生断裂,形成切屑。本文塑料齿轮加工属于成形法加工齿轮,将切削刀具加工成齿轮形状,对毛坯塑料齿轮进行一次精密切削成型。
切削夹具结构
本塑料齿轮精密切削夹具可用小型冲床进行切削,切削夹具结构如图4所示,将需加工的工件夹在下压滑块下和限位块之间进行定位,通过切削块上下的滑动对工件进行切削。
对加工精度要求较高的塑料零件,粗、精加工应分开进行。即粗铣时按效率优先的原则,尽可能在允许的变形范围内选择能提高生产效率的加工参数,但必须保证留 0.1 mm 左右的加工余量用于精加工。本文中齿轮精密切削前,是先通过模具注塑成齿轮毛坯,齿轮轴作为嵌件被一同注塑,毛坯齿轮整体外形尺寸比图纸单边大0.1mm。在切削前要先定位,由于齿轮泵齿轮随着齿轮轴转动,为了保证齿轮形位公差的精度要求,以齿轮轴作为定位基准。定位过程如下步骤:
1、如图5所示,定位板上和限位块加工成齿轮状,两者间隙配合,齿轮轴一端先装入限位块的内孔,一半齿轮则嵌入定位板的齿轮槽内;
2、如图6所示,机床下压,齿轮轴的另一端插入下压滑块的内孔,同时下压滑块在弹簧的作用下顶住齿轮进行二次定位。
工件定位后进行切削,切削过程如下步所示骤:
1、如图7 ,随着机床下压过程,切削块开始切削齿轮。
2、如图8所示,机床继续下压,带动定位板下降,限位块连同齿轮则一同顶入切削块的切削孔内,这时切削完成,切削废料则落入切屑回收槽内。
最后夹具分开,由弹簧推动下压滑块将加工好的齿轮从切削块中顶出进行卸料,定位板则在底部弹簧的作用下复位。
三、夹具的主要工作零件的设计
切削块
切削块的结构如图9所示,齿轮的加工精度主要由切削块决定,如果切削刃发生磨损,或齿轮孔内壁粗糙等, 都会使齿轮工件表面粗糙,甚至造成齿轮开裂,故要求切削块具有较高的硬度和粗糙度较低的切削工作面;同时热塑性材质的硬度低,需要的切削力小,所以应选择容易磨出锋利刀具刃口的刀具材质,如经过淬火的碳素工具钢、高速钢、合金工具钢和钨钴类硬质合金,需要精密加工时可选金刚石车刀。本夹具切削块选用钨钢(合金工具钢)制造。
由于切削块在下压滑块和限位块之间滑动,沿齿轮一整圈做切削加工,为此切削块后角α0=0比较适宜。切削块前角γ0的大小直接影响切削效果,其大小的选择应综合考虑塑料种类、刀具材料以及加工性质三方面的因素。前角的大小主要解决刀头的坚固性与锋利性的矛盾。因此首先要根据加工材料的硬度来选择前角。加工材料的硬度高,前角取小值,反之取大值。其次要根据加工性质来考虑前角的大小,粗加工时前角要取小值,精加工时前角应取大值。前角一般在-5°~ 25°之间选取。本文在保证齿轮精度和切削块强度的情况下,选择切削块前角γ0=0。
切削块的齿轮孔用慢走丝加工,加工表面的粗糙度的范围在 Ra0.2-0.3μm 之间,外形和尺寸按工件图纸要求;另外切削块切削平面可用工艺磨床精加工,加工后其表面粗糙度同样可达到 Ra0.2-0.3μm;经上述加工方法加工切削块,其切削刃较锋利;切削块切削工件的表面则平整、光滑。
下压滑块和限位块
下压滑块和定位块如图10所示,主要作定位用途是通过定位工件来配合切削块切削,因承受挤压和冲击,故要有一定的硬度和耐磨性,可选用 Cr12MoV 制造,淬火硬度 HRC58-62;下滑块和限位块用淬火后的 Cr12MoV 进行慢走丝加工,加工成齿轮条状,与底座过盈配合,然后焊接牢固后磨平焊点。切削时,齿轮轴两端分别穿入限位块和下压滑块的内孔,齿轮轴的尺寸为 Φ4.5,为了保证齿轮相对于齿轮轴的同心度, 内孔尺寸比齿轮轴单边大 0.05mm;为了便于安放齿轮和齿轮轴穿入下压滑块，限位块和下滑块的内孔端口处做斜倒角0.1mm× 0.5mm。
精密切削间隙
如图11所示,限位块托起毛坯齿轮,切削块由上往下滑动,限位块需要穿入切削块进行完全切削,如果限位块齿轮形外形尺寸过小,切削时则会引起塑料齿轮塌角、开裂;由参考文献可知,冲压切削凸凹模双边间隙应小于0.01mm,但从切削夹具制造装配精度和使用寿命考虑,该要求过高。根据生产实践可知 ,只要切削块和限位块之间单边边间隙不超过0.02mm 就能保证齿轮精度和工件无塌角、无开裂。
如图12所示,切削过程中,切削块在下压滑块上进行滑动,切削完成后,下压滑块将切削块齿轮孔内的工件进行顶出脱料,为了保证切削块和下压滑块之间滑动平顺, 两者之间间隙约为单边0.1mm;同理,如图9所示,为了保证限位块和定位板之间滑动平顺,两者之间间隙同样为单边0.1mm。
四、结论
本文运用塑料切削原理,结合塑料齿轮特点,设计了一副塑料齿轮精密切削夹具。该齿轮已经量产,而该夹具自使用以来,所切削的齿轮表面光洁且无塌角、无开裂,且与齿轮的圆跳动小于0.03mm,满足尿素齿轮泵的技术要求。生产结果表明,该精密切削夹具结构原理正确、零件设计与选材合理、夹具使用稳定性高和工作效率高。
参考文献略.