周 凱，鄒鳳樓

(浙江科技學(xué)院 機械與能源工程學(xué)院，杭州 310023)

在精密加工和自動化加工技術(shù)迅速發(fā)展的今天，毛刺的存在對機械零件的加工精度及表面質(zhì)量存在嚴重危害，這在精密加工、柔性制造系統(tǒng)中尤為明顯。去毛刺作業(yè)成為降低系統(tǒng)生產(chǎn)效率、增大加工成本的直接因素之一。為解決毛刺帶來的安全隱患和經(jīng)濟損失，眾多研究者及企業(yè)設(shè)計研發(fā)去毛刺的工藝及設(shè)備，取得了良好的進展。目前去毛刺方法主要有人工法、電解法、熱能法及高壓水噴射法[3-4]。其中人工去毛刺法成本較高，效率偏低，很難去除復(fù)雜的交叉孔，不能完全滿足裝配要求，還存在一定的安全隱患等問題[5]。朱勛鵬[6]提出的電解法去毛刺是在充滿電場、流場分布的工作液中，零件與電極產(chǎn)生電荷交換，溶解毛刺使毛刺脫落。該去毛刺法效率高，但電解液有一定腐蝕性，零件表面受到電解作用，失去原有光澤，甚至影響尺寸精度，而且工件去毛刺后應(yīng)經(jīng)過清洗和防銹處理[7-8]，過程較為復(fù)雜。趙奔等[9]提出的熱能去毛刺法是通過將一些易然氣體導(dǎo)入設(shè)備爐中，在一些介質(zhì)及條件的作用下，讓氣體瞬間爆炸，利用爆炸產(chǎn)生的能量來溶解去除毛刺。該方法設(shè)備昂貴、操作技術(shù)要求高、效率低，會導(dǎo)致生銹變形等。周燕輝等[10-12]提出的高壓水噴射去毛刺是將高壓水產(chǎn)生的高速射流作用在零件上，零件產(chǎn)生極大的局部應(yīng)力，足以破壞其結(jié)構(gòu)，毛刺在零件本體上脫落，從而達到去毛刺效果。其不足之處是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且設(shè)備較為昂貴。以上方法對去毛刺都有明顯的幫助，但局限性較大、要求過高且操作復(fù)雜，沒有一種方法能夠完全適合汽車變速箱齒輪端面毛刺的去除。在傳統(tǒng)手工去毛刺效果不理想、甚至有安全隱患及其他去毛刺技術(shù)存在很大局限性的情況下，研發(fā)一種效率高、可靠性好、易于操作、適用于汽車變速箱齒輪的去毛刺機對齒輪制造企業(yè)而言十分必要。

本研究運用三維軟件Solid Works設(shè)計用于一種特定變速箱齒輪的自動去毛刺機，它能夠高效地自動完成齒輪端面去毛刺操作，其效率極高，從而大大降低工人操作強度，且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、便于后期維護。

1 變速箱齒輪毛刺的形成及影響

圖1 變速箱齒輪Fig.1 Gearbox gear

變速箱齒輪基本結(jié)構(gòu)及毛刺如圖1所示，毛刺集中分布在齒輪端面的外輪廓處。產(chǎn)生毛刺的原因是齒輪在經(jīng)過插齒之后，刀具在退刀時沒能完全清除，遺留下一些金屬飛邊。毛刺分布均勻，呈凸起狀，長度約0.5 mm。在齒輪端面存在毛刺影響了齒輪的裝配精度，甚至不能滿足裝配要求。并且在裝配完成后，由于齒輪采用嚙合工作方式，經(jīng)過一段時間的工作，齒輪端面毛刺會脫落在變速箱當中，劃傷其他零件，以致大大縮短變速箱的使用壽命。

2 去毛刺機的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 變速箱齒輪去毛刺機Fig.2 Gear deburring machine for gearbox

2.1 總體結(jié)構(gòu)

去毛刺機的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，它可以分解為齒輪定位機構(gòu)、齒輪升降機構(gòu)、去毛刺機構(gòu)。去毛刺機構(gòu)當中左右兩邊各有一個毛刷，能在同一時間去除兩個齒輪的端面毛刺，從而提高齒輪的去毛刺效率。該去毛刺機的工作流程為：首先通過齒輪定位機構(gòu)將去毛刺齒輪固定在齒輪升降機構(gòu)的平臺上，齒輪定位機構(gòu)帶動齒輪進行旋轉(zhuǎn)；與此同時，平臺傳感器接收到信號，齒輪升降機構(gòu)通過滾珠絲杠的作用將齒輪向上傳送到合理的位置；去毛刺機構(gòu)檢測齒輪，伺服電機開始進行去毛刺操作；待去除完成后，齒輪升降機構(gòu)中的滾珠絲杠開始工作將齒輪往下傳送，到達設(shè)定位置停止；取下齒輪，進行下一組齒輪去毛刺操作。

2.2 機構(gòu)設(shè)計

2.2.1 齒輪定位結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖3 齒輪定位結(jié)構(gòu)示意 Fig.3 Schematic diagram of gear positioning structure

在去毛刺的過程中，需將齒輪準確定位，以防止由于齒輪定位不準或固定不牢而影響去毛刺的效果甚至對操作者造成傷害。因此在整個去毛刺系統(tǒng)當中需要一個齒輪定位機構(gòu)設(shè)計。齒輪需要進行上下進給運動，齒輪定位結(jié)構(gòu)要安裝在齒輪升降機構(gòu)中的平臺上。通過齒輪上下升降機構(gòu)上的平臺，帶動齒輪上下運動。同時被準確定位住的齒輪也要旋轉(zhuǎn)，配合毛刷進行去毛刺操作。其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由圖3可知，齒輪定位機構(gòu)由驅(qū)動電機、聯(lián)軸器、直線軸承、導(dǎo)向板、氣爪及齒輪固定連接板組成，把齒輪放置在齒輪固定連接板上時，氣爪接收到信號，3個爪極張開，通過爪極與齒輪的接觸將齒輪固定并通過旋轉(zhuǎn)電機帶動齒輪進行旋轉(zhuǎn)。整個齒輪定位機構(gòu)通過旋轉(zhuǎn)電機座與齒輪升降機構(gòu)平臺固定在一起，隨著升降機構(gòu)的縱向運動而運動。去毛刺工作一開始，旋轉(zhuǎn)電機接收到信號就開始工作，電機驅(qū)動齒輪進行正向旋轉(zhuǎn)，待齒輪正向旋轉(zhuǎn)一周之后，電機開始反向旋轉(zhuǎn)，以防止氣管繞線嚴重，影響操作，待齒輪毛刺去除之后，氣爪松開，取回齒輪，齒輪定位機構(gòu)等待下一個指令。

2.2.2 齒輪升降機構(gòu)設(shè)計

圖4 齒輪升降機構(gòu)示意Fig.4 Schematic diagram of gear lifting mechanism

當機械手從輸送帶上抓取到齒輪時，將其置于齒輪定位機構(gòu)上，并通過伺服電機座固定在齒輪升降機構(gòu)的輸送平臺上。待齒輪準確定位完成后，滾珠絲杠接收到信號，伺服電機開始工作，工作平臺在滾珠絲杠的帶動下進行向上的進給運動，將齒輪輸送至指定位置。滾珠絲杠接收到信號，伺服電機停止工作，等待去毛刺動作的開始。待齒輪端面毛刺去除之后，升降機構(gòu)下降至指定位置，待機械手抓取齒輪。重復(fù)上述動作。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由圖4可知，齒輪升降機構(gòu)由導(dǎo)柱、立板、伺服電機、聯(lián)軸器、電機連接板、輸送平臺、直線軸承、滾珠絲杠等組成。伺服電機通過電機支撐板與兩邊立板相連接，滾珠絲杠通過聯(lián)軸器與伺服電機相連，輸送平臺通過襯套與滾珠絲桿及導(dǎo)柱相連接，滾珠絲杠采取一端固定、一端支撐的方式相連接。

2.2.3 齒輪去毛刺機構(gòu)設(shè)計

齒輪去毛刺機構(gòu)是去毛刺機的核心機構(gòu)，也是主要工作機構(gòu)。該機構(gòu)產(chǎn)生兩種運動形式，一是滾珠絲杠通過升降運動補償毛刷長度的不足;二是電機通過同步輪帶動去毛刺毛刷的轉(zhuǎn)動。其具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

由圖5可知，去毛刺機構(gòu)主要由平底毛刷、旋轉(zhuǎn)電機、花鍵主軸、同步帶、同步帶輪、導(dǎo)柱、滾珠絲杠、夾頭、軸承座、滾珠絲杠伺服電機、臺板、支撐板等組成。平底毛刷的材料為尼龍絲，隨著工作時間的增長擠壓、摩擦等因素會導(dǎo)致毛刷的長度縮短，直接棄用會增加成本，因此在去毛刺機構(gòu)當中需要設(shè)計一個補償毛刷長度的機構(gòu)。設(shè)計花鍵軸作為旋轉(zhuǎn)主軸，花鍵軸是機械傳動的一種，與半圓鍵、平鍵、斜鍵產(chǎn)生相似作用，用以傳遞機械轉(zhuǎn)矩[13-15]。花鍵主軸分為內(nèi)花鍵與外花鍵，在內(nèi)花鍵表面有縱向的鍵槽，套在內(nèi)花鍵軸上的旋轉(zhuǎn)件有與之相嵌合的鍵槽，與內(nèi)花鍵軸保持旋轉(zhuǎn)的一致性。在旋轉(zhuǎn)的同時，還可以在軸上作縱向滑動。在定位安裝時，將外花鍵上端面設(shè)計成法蘭型，定位在主軸的支撐軸承上，目的是阻止外花鍵的下降趨勢。內(nèi)花鍵軸由于重力的原因，有往下降的趨勢，在該系統(tǒng)當中采用的設(shè)計思路為：在內(nèi)花鍵主軸上端面組裝一個螺紋孔，通過螺釘固定在支撐板上，使內(nèi)花鍵主軸下降的趨勢消除。滾珠絲杠的中間支座固定連接在支撐板上，通過滾珠絲杠的縱向移動來帶動支撐板的運動，從而實現(xiàn)了花鍵主軸的上下移動，完成補償結(jié)構(gòu)設(shè)計。

圖5 齒輪去毛刺機構(gòu)Fig.5 Gear deburring mechanism

該去毛刺機構(gòu)的工作過程為：當齒輪到達合理位置時，傳感器經(jīng)過信號反饋給主軸伺服電機，電機開始工作，兩邊電機同時接收到信號，開始工作，對齒輪進行去毛刺。經(jīng)過一段時間的工作，毛刷必然會受到磨損，長度會相應(yīng)變短。此時傳感器檢測到信號，反饋給滾珠絲杠伺服電機，補償機構(gòu)伺服電機開始工作，通過滾珠絲杠的作用將毛刷的位置向下移動到合理位置，伺服電機停止工作，待一個毛刷完全報廢之后，伺服電機接收到信號，滾珠絲杠向上將毛刷帶到合理位置，更換新毛刷，重復(fù)循環(huán)該過程。

3 花鍵主軸的校核計算

在旋轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計中，為了補償毛刷長度的問題，旋轉(zhuǎn)主軸采用可以上下移動的花鍵來實現(xiàn)，這對花鍵的強度有一定的要求，為避免鍵齒工作表面壓潰或者過度磨損，應(yīng)進行必要的強度校核計算?；ㄦI主軸結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 花鍵軸結(jié)構(gòu)示意Fig.6 Schematic diagram of spline shaft structure

3.1 載荷計算

旋轉(zhuǎn)電機輸入的轉(zhuǎn)矩T為：

(1)

式(1)中：P為旋轉(zhuǎn)電機的輸入功率；n為轉(zhuǎn)速。取P=200 W，n=3000 r/min，代入式(1)，得

T=636.67 N·m。

切向力Ft為：

(2)

式(2)中：d為分度圓直徑，取d=28 mm，代入式(2)，得Ft=45 476.2 N。

單位載荷W為：

(3)

式(3)中：Z為花鍵齒數(shù)；α為標準壓力角；l為花鍵結(jié)合長度。取Z=14，α=30°，l=16 mm，代入式(3)，得W=234.4 N/mm。

3.2 齒面接觸強度計算

齒面正壓力σH為：

(4)

式(4)中：hw為工作齒高，取hw=1.2 mm，代入式(4)，得σH=195.4 MPa。

齒面需用應(yīng)力σHp為：

(5)

式(5)中：σ0.2為材料屈服強度；SH為安全系數(shù)；K1、K2、K3、K4分別為使用系數(shù)、齒側(cè)間隙系數(shù)、分配系數(shù)和軸向偏載系數(shù)。取σ0.2≥700 MPa，SH=1.25，K1、K2、K3、K4分別為1.25、1.1、1.1、1.1，代入式(5)，得σHp=370.2 MPa。根據(jù)強度條件σH≤σHp，經(jīng)計算滿足條件，安全。

4 試驗分析

人工去除一個齒輪毛刺需要1 min，經(jīng)過試驗，該去毛刺機能夠一次同時去除2個齒輪毛刺，用時為15 s，速度提高近10倍，大大提高了生產(chǎn)效率、降低了成本，同時保證了產(chǎn)品質(zhì)量，也滿足了企業(yè)的要求。

5 結(jié) 語

本研究通過對汽車變速箱齒輪自動去毛刺的背景、國內(nèi)外自動去毛刺的技術(shù)方法以及目前自動去毛刺技術(shù)現(xiàn)狀的研究，再結(jié)合商家的需求，利用Solid Works三維軟件完成汽車變速箱齒輪自動去毛刺系統(tǒng)的研發(fā)。對汽車變速箱齒輪自動去毛刺系統(tǒng)各大組件進行了詳細全面的結(jié)構(gòu)設(shè)計并對花鍵軸進行了校核計算。該去毛刺機能高效快捷去除減速箱齒輪端面毛刺，操作方便，生產(chǎn)效率高，且設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單、成本低、易于維護，從而為其他去毛刺設(shè)備的設(shè)計提供了一定的參考。