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齿轮箱金属零部件去毛刺技术研究

时间:2021-08-29 21:33:38来源:郭其超,金思勤,高扬,朱飞

导语:​齿轮箱零部件的残留毛刺威胁着齿轮箱的安全运行,而毛刺去除又长期困扰着零部件的生产加工。本文在机器人去毛刺的基础上,提出一种适用于齿轮箱零部件去毛刺的方法。

  0 引言

  近年来,随着装备制造业的发展,数控机床已广泛应用于生产制造中,尺寸精度得到了有效控制;但是随着人们对质量安全要求的提高,毛刺残留的问题逐渐引起了人们的极大关注。毛刺残留不仅导致整个机械系统的可靠性和稳定性的降低,还会造成系统寿命的降低。齿轮箱是车辆的关键部件,其质量安全对高铁的安全运行有着重要影响。

  1 齿轮箱金属零部件去毛刺的现状

  齿轮箱金属零部件是指除齿轮、轴承及箱体外的自制零部件,主要有轴承座、密封盖、密封圈等多种金属零部件。由于结构复杂,斜孔、相贯孔、相贯孔槽结构较多,加工过程中面与面的交界处不可避免的产生毛刺;这些毛刺既有大于1cm的大毛刺,也有小于0.1mm的小毛刺,大小不均匀。此外,残留毛刺还有韧性好、硬度高、与工件的基体未完全分离、刀具的加工空间受限等问题,导致了毛刺去除极为困难。

  目前齿轮箱金属零部件主要采用人工的方法去除,即利用刮刀、铰刀、打磨头、砂纸等工具手工去除;受制于工人的技术水平和经验,人工去毛刺存在较多的问题:

  ①效率低下,某型号大轴承座每人/班完成2~3个;

  ②质量不稳定,易出现漏去毛刺或毛刺去除不理想的情况;③瓶颈工序、劳动力需求量大、人工成本高。

  为解决齿轮箱金属零部件去毛刺尴尬的现状,我们与国内外多个专业去毛刺设备厂家进行沟通交流和试验验证,各设备厂家的去毛刺效果均未达到预期;因此开展齿轮箱金属零部件去毛刺技术研究,解决齿轮箱金属零部件大批量生产条件下的去毛刺难题具有十分重要的现实意义。

  2 齿轮箱金属零部件去毛刺技术研究

  随着科学的发展、新技术的逐渐运用,各种去毛刺的方法也应运而生,目前主要的去毛刺方法有电化学去毛刺、超声波去毛刺、高压水喷射去毛刺、激光去毛刺、研磨去毛刺和机器人去毛刺等。但不同的方法适用的工件大小、加工精度、材料、毛刺大小等各有不同。针对齿轮箱零部件极其毛刺的特点,我们拟在机器人去毛刺的基础上进行齿轮箱金属零部件去毛刺的技术研究。

  2.1机器人去毛刺设备设计

  机器人去毛刺采用单元式模块化设计,主要由电气控制单元、机器人作业单元、气动单元、刀具快换单元及装夹单元等部分组成;结构如图1所示。

  

机器人去毛刺加工装备.webp.jpg

  图1 机器人去毛刺加工装备

  电气控制单元为整机的核心中枢集成控制单元,对其它各单元进行集中联络控制,按照设定的加工流程和节拍要求完成产品的去毛刺作业。机器人作业单元包括NACHIMZ07六轴多关节机器人、控制系统和电气管路等附件,可实现对工件的加工、冷却及快速换刀等连续作业功能;其中六轴多关节机器人具有运行平稳、定位精度高、可靠性及灵活性高的优点,可满足工件全方位多角度的加工需求;冷却模块在加工时可以对加工部位喷淋切削液。气动单元由气动可浮动刀具夹头和压缩空气清理2个模块组成,其中气动可浮动刀具夹头为柔性系统夹头,它避免了因装夹、加工等偏差引起的刀具受力不均匀及工件和刀具损坏,如孔的轴线与刀具回转轴线不重合时易引起刀具断裂、崩刃等;柔性系统夹头能够根据刀刃的受力情况适当调整刀具轴线的倾斜角度,最大程度的避免刀具因受力不均产生的损坏;压缩空气清理模块通过压缩空气清理加工后工件表面附着的毛刺、铁屑等。刀具快换单元由快换夹头和刀具库2个模块组成,快换夹头可极大的减少设备换刀时间,刀具库用于储存去毛刺过程中所需的各种刀具。装夹单元由可旋转双工位工作台和专用工装2个模块组成,其中可旋转双工位工作台的上下料需人工完成,双工位可以实现加工和上下料同时进行,减少设备的待机时间、提高加工效率,该工作台同时能够完成工件正反面的检测和工件有无检测;专用工装用于对工件的定位和装夹,方便快速安装。

  2.2机器人去毛刺工艺设计

  考虑齿轮箱金属零部件多种类、小批量的加工特点及清洁度的需求,机器人去毛刺设备虽有快速、柔性、定位精度高等优势,但去毛刺的工艺仍需进行进一步的设计优化,以便满足单个零部件的加工时间小于8min的生产节拍要求及清洁度的需求。齿轮箱零部件去毛刺的难点在于粘连在基体上的大毛刺难以去除,该部分毛刺与工件基体未完全分离,特别是相贯孔、孔槽相贯处的毛刺;该部位的毛刺一般与工件基体紧密连接并处于工件内部,去毛刺工具深入孔内时,毛刺则翻转到另外一侧的非加工区域,去除困难。因此,去毛刺应首先解决大毛刺粘连的问题,再解决小毛刺、小翻边等,即需先选择适当刀具解决大毛刺根部与工件基体未分离的问题,再选择适当刀具打磨交界面处的细小毛刺,因此刀具的选择是重点。

  去毛刺的刀具有很多,大体可以分为切削类和磨削类2种,切削类刀具有铰刀、倒角刀、球刀、平面铣刀等各种机加工刀具,磨削类刀具有各类钢丝刷、毛刷、砂轮、磨轮等。根据各种刀具的加工特点及试验验证,对于齿轮箱金属零部件的相贯孔、孔槽相贯处的粘连毛刺,若孔内毛刺与基体完全分离,可采用大前角的刀具进行切削加工,如平面铣刀;去毛刺时,先用平面铣刀锋利的刀尖去除与毛刺相连的基体,再使用钢丝刷去除细小的毛刺和翻边。对于工件表面的孔口毛刺,可使用倒角刀去除大毛刺,再用毛刷去除小毛刺;对于槽内的毛刺则可采用球刀或小磨头去除。对于工件外表面圆周方向的毛刺,可直接使用机加工刀具对尖角处进行倒角,再用端面刷进行打磨。综上,齿轮零部件上的粘连大毛刺应先使用平面铣刀、倒角刀等前角较大的刀具去除,再用钢丝刷、毛刷等磨削类刀具去除小毛刺。

  2.3机器人去毛刺验证

  为验证齿轮箱零部件的机器人去毛刺方法,我们进行相关试验验证。试验前后零部件状态如图2、图3所示。其中图2为某轴承座孔槽相贯处大毛刺,平面铣刀加工前后的对比。加工前,相贯处有与基体相连的大毛刺残留;加工后,大毛刺基本去除干净,无可见毛刺残留。图3为某轴承座相贯孔处的小毛刺,钢丝刷加工前后对比。加工前,相贯处有少量细小毛刺残留;加工后,孔内光滑、无毛刺残留。

  孔与槽相贯处毛刺去除前后对比.webp.jpg


  图2 孔与槽相贯处毛刺去除前后对比

  

钢丝刷去除孔口、孔内毛刺前后对比.webp.jpg

  图3 钢丝刷去除孔口、孔内毛刺前后对比

  3 结论

  机器人去毛刺设备集成了6轴多关节机器人、柔性气动夹头及快换机构等多项先进技术,是适合结构复杂的各类零部件的去毛刺作业的专业化、自动化综合设备。经试验验证,该设备实现了齿轮箱的各类金属零部件的毛刺去除工作,加工后零部件的毛刺残留率较低,加工节拍小于7min,符合生产现场的需求,极大地提高了生产效率及改善了生产环境,具有操作方便、快速、高效等优点。

  

  作者:中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司  郭其超,金思勤,高扬,朱飞

标签: 数控机床工业机器人

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