■ 一汽轎車發(fā)傳中心 （吉林長春 130013） 孫銀軍

卡盤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(nèi)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就成為影響齒圈類薄壁產(chǎn)品質(zhì)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(nèi)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(cè)倒棱C＝0.5mm×0.7mm，齒頂圓直徑147mm，齒根圓直徑139mm，內(nèi)孔直徑119mm，內(nèi)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(nèi)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(nèi)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。

圖1 薄壁齒圈模型

2. 齒圈內(nèi)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(nèi)孔收縮，兩側(cè)臨近位置內(nèi)孔張大，齒圈孔壁受拉應力和壓應力交替作用，此時加工內(nèi)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(nèi)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(nèi)孔形狀誤差和內(nèi)孔質(zhì)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(nèi)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(nèi)孔上下截面的應力分布如圖4所示。

圖4a～d顯示，無論采用齒頂夾緊還是節(jié)圓夾緊，齒圈內(nèi)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(nèi)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(nèi)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(nèi)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。

圖2 夾持受力示意

圖3 齒圈彈性變形示意

3. 試驗數(shù)據(jù)和結(jié)論

綜合分析數(shù)據(jù)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(nèi)孔彈性變形和應力分布呈現(xiàn)如下規(guī)律：

1）薄壁齒圈內(nèi)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(nèi)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(nèi)孔應力最大，彈性變形最大。

圖4 薄壁齒圈內(nèi)孔應力分布

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(nèi)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(diào)整夾持接觸區(qū)域大小，可較大程度改善內(nèi)孔的加工質(zhì)量。如有齒面精加工的需求，小批量推薦采用節(jié)圓保持架夾緊，自動化推薦采用齒頂夾緊，同比齒面磨削余量應增加0.03mm（Max）。

專家點評

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(nèi)孔彈性變形也不相同。作者從節(jié)圓夾持和齒頂圓夾持兩個方向分析齒圈彈性變形的趨勢，并采用軟件分析模擬齒圈受力變形的情況，通過試驗數(shù)據(jù)，總結(jié)出薄壁齒圈內(nèi)孔應力分布的規(guī)律和改善變形的夾持方式，提高了加工質(zhì)量的穩(wěn)定性。

文章的優(yōu)點是運用科學的方法，模擬薄壁齒圈在不同夾緊狀態(tài)下的彈性變形，用模型化思維去分析原因，解決問題，將復雜的問題簡單化。