欒松年，王守城，牛甜甜

(青島科技大學(xué)中德科技學(xué)院，山東青島 266061)

齒條扭曲液壓矯直機(jī)的設(shè)計(jì)

欒松年，王守城，牛甜甜

(青島科技大學(xué)中德科技學(xué)院，山東青島 266061)

針對(duì)齒條經(jīng)過滾齒加工后往往會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)形變的問題，分析了其產(chǎn)生原因，并設(shè)計(jì)了液壓矯直設(shè)備。通過3D建模軟件Solidworks對(duì)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和校核，并根據(jù)功能要求設(shè)計(jì)了液壓控制回路，提高了齒條的加工精度。

齒條;扭轉(zhuǎn)形變;校直;液壓回路

現(xiàn)在使用較為普遍的齒條加工工藝路線為:鍛毛坯→粗加工→調(diào)質(zhì)→銑面→滾齒→打基準(zhǔn)孔→磨削。

在齒條毛坯的調(diào)質(zhì)過程中，由于表層和芯部的冷卻速度和時(shí)間的不一致，形成溫差，就會(huì)導(dǎo)致體積膨脹和收縮不均而產(chǎn)生熱應(yīng)力。在熱應(yīng)力的作用下，由于表層開始溫度低于芯部，收縮也大于芯部而使芯部受拉，當(dāng)冷卻結(jié)束時(shí)，由于芯部最后冷卻體積收縮不能自由進(jìn)行而使表層受壓芯部受拉。

這一部分力殘留在了毛坯的內(nèi)部，起初的力處于平衡狀態(tài)，但當(dāng)滾齒工藝完成的時(shí)候，平衡力遭到了破壞，殘余應(yīng)力得到了釋放，導(dǎo)致齒條發(fā)生扭轉(zhuǎn)形變，最終影響齒條的加工精度和使用性能。通過扭曲液壓矯直機(jī)矯正后，可修正其加工精度。

1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)

扭曲校直機(jī)的機(jī)械部分主要有夾緊裝置和扭轉(zhuǎn)裝置，其動(dòng)力源均由液壓提供。夾緊裝置主要用于齒條兩端的固定;扭轉(zhuǎn)裝置是對(duì)固定住的齒條進(jìn)行扭轉(zhuǎn)矯直。同時(shí)為了能夠針對(duì)不同長(zhǎng)度的齒條進(jìn)行矯直，增加了絲杠傳動(dòng)副的設(shè)計(jì)。

1.1 夾緊裝置的設(shè)計(jì)

如圖1所示，分別為左夾具 (圖(a))和右夾具(圖(b))的設(shè)計(jì)方案。

圖1 夾具的設(shè)計(jì)方案

左右夾具的上方開螺紋孔來固定液壓缸，用于給齒條提供壓緊力，固定齒條;夾具的中空部分放置齒條，其中左側(cè)和底側(cè)有平面度要求，這兩個(gè)面用于定位齒條，使齒條在扭轉(zhuǎn)過程不會(huì)發(fā)生位移。

左夾具底部鉆一通孔并在孔的周圍攻螺紋，用于與絲杠螺母配合，繼而構(gòu)成絲杠傳動(dòng)副，使左夾具能夠做直線運(yùn)動(dòng)，達(dá)到可以針對(duì)不同長(zhǎng)度的齒條進(jìn)行扭轉(zhuǎn)矯直的目的。另外，防止扭轉(zhuǎn)力過大，把直線導(dǎo)軌擰彎，左夾具下方采用工字結(jié)構(gòu)型導(dǎo)軌而不采用一般的直線導(dǎo)軌形式。

右夾具側(cè)面開孔不是為了只單純地對(duì)齒條端部進(jìn)行夾緊矯直，而是要達(dá)到可以針對(duì)齒條各個(gè)部位進(jìn)行扭曲矯直的目的。

假定對(duì)齒條進(jìn)行扭曲矯直的最大扭矩為2×105N·m，通過Solidworks Simulation軟件對(duì)左右夾具分別劃分網(wǎng)格并進(jìn)行有限元分析，見圖2。

圖2 夾具有限元分析

可以看出:左夾具的最大應(yīng)力約為220 MPa，右夾具最大應(yīng)力約為300 MPa，取安全系數(shù)為2的話，左右夾具應(yīng)該選擇屈服強(qiáng)度在600 MPa左右的材料，故選擇45鋼，經(jīng)濟(jì)適用。

1.2 扭轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)

圖3為扭轉(zhuǎn)裝置的設(shè)計(jì)方案。

圖3 扭轉(zhuǎn)裝置示意圖

圖中兩側(cè)各有一個(gè)雙桿液壓缸，缸的下端通過銷釘與底座進(jìn)行鉸連接，可以自由轉(zhuǎn)動(dòng);在缸筒的側(cè)面加工一個(gè)耳環(huán)結(jié)構(gòu)，與中間的菱形鋼板通過銷釘進(jìn)行鉸連接，也可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)兩側(cè)的液壓缸缸筒一個(gè)向上運(yùn)動(dòng)一個(gè)向下運(yùn)動(dòng)構(gòu)成一個(gè)扭矩，提供扭轉(zhuǎn)力矩。菱形鋼板主要為扭矩提供支撐，中間采用花鍵結(jié)構(gòu)，可以傳遞較大的扭曲，并與第1.1節(jié)介紹的右夾具通過一根空芯軸連接。

1.3 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 扭曲液壓校直機(jī)的機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

首先，將齒條的兩端固定在左右夾具上，通過左右夾具上方的液壓缸對(duì)齒條進(jìn)行壓緊;然后由菱形鋼板兩側(cè)的兩個(gè)反向運(yùn)動(dòng)的液壓缸提供扭矩，然后通過一根空心的軸將此扭矩由菱形鋼板傳遞到右夾具上，從而對(duì)齒條進(jìn)行扭轉(zhuǎn)矯直。

左夾具通過下方的絲杠傳動(dòng)副可以在直線方向?qū)崿F(xiàn)500～2 000 mm的自由移動(dòng)，以此達(dá)到對(duì)不同長(zhǎng)度的齒條進(jìn)行扭轉(zhuǎn)矯直的目的。由于對(duì)傳動(dòng)精度無任何要求，為節(jié)約成本采用手輪對(duì)絲杠的進(jìn)給進(jìn)行調(diào)節(jié)。

底座支架由厚度為40 mm的鋼板焊接而成，采用低碳鋼Q235為原料，易于焊接。整個(gè)設(shè)備長(zhǎng)度為2 600 mm，寬度為1 500 mm，高度約為1 200 mm。

2 液壓控制回路的設(shè)計(jì)

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的性能和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)夾緊裝置和扭轉(zhuǎn)裝置動(dòng)力部分的液壓控制回路，來完成既定的控制動(dòng)作。圖5中回路a為扭轉(zhuǎn)回路，回路b為壓緊回路。

圖5 齒條扭曲矯直機(jī)液壓回路的設(shè)計(jì)

2.1 夾緊裝置液壓控制回路的設(shè)計(jì)

夾緊裝置主要用來對(duì)齒條進(jìn)行固定，只需保持穩(wěn)定的工作壓力即可，故采用減壓回路。

夾緊裝置的液壓控制回路見圖5回路a?；芈分写?lián)一個(gè)定值輸出的減壓閥3和單向閥4，主要用于防止當(dāng)主油路壓力由于某種原因低于減壓閥的調(diào)定值時(shí)，使夾緊缸6和7的壓力不受干擾而突然降低，起到短時(shí)間的保壓作用;夾緊缸6、7采用同一尺寸參數(shù)的液壓缸，可以保證兩個(gè)缸同時(shí)夾緊或者同時(shí)松開;三位四通電磁換向閥5用于換向。

2.2 扭轉(zhuǎn)裝置液壓控制回路的設(shè)計(jì)

扭轉(zhuǎn)裝置主要用來給齒條提供扭轉(zhuǎn)時(shí)的力矩，要求液壓缸運(yùn)行平穩(wěn)，避免扭轉(zhuǎn)時(shí)液壓缸伸縮過量造成齒條的扭曲破壞，所以要求對(duì)液壓缸的行程有較精確的控制。

扭轉(zhuǎn)裝置的液壓控制回路見圖5回路b。由于齒條已經(jīng)經(jīng)過回火處理，大部分殘余應(yīng)力已經(jīng)消除，扭曲變形量不會(huì)很大，故矯直該變形量的扭轉(zhuǎn)角度也不需過大，過大反而可能造成齒條的斷裂。所以可將由液壓缸所提供給菱形鋼板的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)近似為一個(gè)缸的豎直向上運(yùn)動(dòng)和一個(gè)缸的豎直向下運(yùn)動(dòng)。

扭轉(zhuǎn)裝置在機(jī)械結(jié)構(gòu)上可以確保兩缸同步。兩個(gè)液壓缸的結(jié)構(gòu)和尺寸完全相同，可以保持速度和推力相同，可以減少轉(zhuǎn)軸所受的不平衡徑向載荷，保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)可靠。

回路中的節(jié)流閥可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)回路流量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)液壓缸運(yùn)行速度的目的;同時(shí)加入一個(gè)壓力的負(fù)反饋控制系統(tǒng)，將進(jìn)油口壓力大小的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，然后與輸入信號(hào)進(jìn)行減運(yùn)算，通過放大器對(duì)比例溢流閥的開啟大小進(jìn)行控制，達(dá)到控制進(jìn)油口壓力，從而可以調(diào)節(jié)扭矩大小，以防扭矩過大造成齒條損壞。

3 結(jié)論

齒條扭曲液壓矯直機(jī)能夠真正改善齒條對(duì)于直線度方面的要求，與以往的人工經(jīng)驗(yàn)矯直相比，自動(dòng)化程度明顯提高，節(jié)省人力物力;部分齒條因?yàn)殚L(zhǎng)期或者非正常使用后，也可能會(huì)出現(xiàn)齒條精度方面不能滿足其使用要求的情況，此時(shí)若采取更換零部件的方式，則造成一定的浪費(fèi)，經(jīng)常更換甚至?xí)⒄`正常生產(chǎn)活動(dòng)，而采用扭曲液壓矯直機(jī)可以大大提高齒條的精度，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

【1】王守城，容一鳴.液壓與氣壓傳動(dòng)［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2008.

【2】楊逢瑜.電液伺服與電液比例閥控制技術(shù)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2009.

【3】陳超祥，葉修梓.Solidworks Simulation基礎(chǔ)教程［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

【4】劉培基，王安敏.機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

【5】王萌.精密直線導(dǎo)軌矯直機(jī)設(shè)計(jì)與分析［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2010.

【6】張秀華.幾種帶補(bǔ)償措施的雙桿串聯(lián)缸新同步回路的分析［J］.機(jī)床與液壓，2010，38(4):61－63.

Design for Rack Torsion Hydraulic Straightening Machine

LUAN Songnian，WANG Shoucheng，NIU Tiantian
(Sino-German Technical Faculty，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao Shandong 266061，China)

Aiming at the problem of the rack always deformed in torsion after hobbing，the reason of deformation was analyzed，and furthermore，the hydraulic straighteningmachinewas designed.Themechanical structure of themachinewas designed and checked with the three dimensional(3D)modeling software Solidworks，meanwhile the hydraulic control circuitwas designed according to the requested functions，so that themachining precision of the rack can be improved.

Rack;Torsion deformation;Straightening;Hydraulic circuit

TH137

A

1001－3881(2013)8－013－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.08.005

2012－03－01

欒松年 (1986—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橐簤簜鲃?dòng)與控制技術(shù)。E－mail:278972886@qq.com。