弧面凸轮等温挤压预成形工艺与模具结构优化

摘要

目前国内自动化设备大都采用传统的蜗轮蜗杆机构，该机构在运行过程中存在着较大的正反间隙，抗扭能力差，加上制造、装配工艺落后，导致分度精度、重复分度精度以及负载能力与国际上高品质的蜗轮蜗杆机构相比差之甚远。由于连续分度弧面凸轮机构具有可负载扭矩大、精度高、体积小、重量轻、传动效率高等优点，在一定的程度上可以取代蜗轮蜗杆机构。由于弧面凸轮廓面曲线的不可展开性，弧面凸轮传统切削工艺，主要利用棒料在数控机床或成形铣床进行切削加工，切削加工余量大，同时切削时也破坏了圆钢的金属纤维流线，影响零件的综合机械性能；要获得高精度弧面凸轮结构，必须采用多轴联动的数控设备，其工艺成本大大地制约了该机构的推广。然而随着弧面凸轮在数控机床、包装机械等高速自动化设备上的广泛应用，弧面凸轮机构越来越显示其在高速间歇机构上高效率、高精度、高平稳性等多方面的优势。直至近些年来，随着数控机床的普及，我国正在不断深入开展其机械制造工艺方法的研究与探讨，但在毛坯制造方面还是局限于采用棒料。本文在弧面凸轮毛坯制造方面，提出采用等温挤压工艺制造毛坯的方法，并利用MSC.Marc软件对所设计的模具结构进行优化。针对这一问题，本文开展了如下的研究工作： （1）推导了弧面凸轮轮廓曲线方程：运用凸轮与滚子间的基本啮合特性，假设凸轮固定不动，滚子以凸轮轴为旋转轴沿着凸轮旋转的反方向作公转，同时对凸轮轴作摆动运动的反转法原理，以求取弧面分度凸轮的外廓曲面方程式。 （2）建立了弧面凸轮预成形制坯新工艺: 采用K3合金作为模具材料的HAIL内凹模结构，把材料为GCr15的坯料加热到，在的挤压力作用下等温挤压预成形新工艺获得弧面凸轮毛坯。 （3）利用MSC.Marc软件对等温挤压进行刚粘塑性有限元数值模拟，优化模具型腔结构设计，重点分析其对等温挤压的填充性能的影响，通过修改的模具结构尺寸以保障工艺的良好填充性能。 （4）建立凹模型腔的混粉电火花加工方法: 由于模具材料K3合金强度高以及弧面凸轮内凹模型腔结构轮廓曲面的不可展开性，传统的铣削无法进行，普通电火花加工达不到所需的表面粗糙度要求，需要抛光。在此内凹模型腔的加工采用的是混粉电火花加工技术。 总之，以上弧面凸轮毛坯的制造工艺，改变了过去棒料毛坯的传统工艺，避免了金属纤维流线的破坏，提高了切削工艺的效率、降低了材料的损耗、改善了零件的综合机械性能。