花鍵冷敲機(jī)間歇分度機(jī)構(gòu)研究

牛 婷，李永堂，劉志奇，付建華

(1.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024;

2.金屬材料成形理論與技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024)

花鍵冷敲機(jī)間歇分度機(jī)構(gòu)研究

牛 婷，李永堂，劉志奇，付建華

(1.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024;

2.金屬材料成形理論與技術(shù)山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024)

設(shè)計(jì)并分析了花鍵冷敲機(jī)分度機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)花鍵冷敲機(jī)分度機(jī)構(gòu)中的關(guān)鍵部件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)理論分析;借助于三維造型軟件及ADAMS軟件進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬，得出了該種分度機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及特點(diǎn)，為花鍵冷敲機(jī)分度機(jī)構(gòu)的進(jìn)一步研究與改善提供了理論依據(jù)。

花鍵冷敲機(jī);分度機(jī)構(gòu);運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

根據(jù)花鍵冷敲設(shè)備成形原理可知，工件在做軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的同時(shí)要做間歇旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，分度機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)間歇旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵部件，分度機(jī)構(gòu)對(duì)花鍵冷敲成形產(chǎn)品的質(zhì)量保證及生產(chǎn)效率的提高具有重要的意義[1-2]，所以對(duì)花鍵冷敲機(jī)分度機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究是十分必要的。槽輪式分度機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)位迅速，機(jī)械效率高等特點(diǎn)[3-4]，所以目前間歇式花鍵冷敲機(jī)仍采用槽輪分度機(jī)構(gòu)。

1 花鍵冷敲機(jī)槽輪式間歇分度機(jī)構(gòu)

1.1 分度機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理

圖1 分度機(jī)構(gòu)傳動(dòng)原理示意圖Fig.1 The transmission principle of indexing mechanism

槽輪式間歇分度機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示，間歇分度機(jī)構(gòu)工作時(shí)由電動(dòng)機(jī)經(jīng)過一系列齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)花鍵軸4，花鍵軸可以實(shí)現(xiàn)工件的軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，花鍵軸帶動(dòng)雙聯(lián)齒輪7，雙聯(lián)齒輪7帶動(dòng)撥銷齒輪6，撥銷齒輪上的撥銷與槽輪式分度盤5上均勻分布的輪槽接觸，從而帶動(dòng)槽輪轉(zhuǎn)動(dòng)即實(shí)現(xiàn)工件間歇轉(zhuǎn)動(dòng)。槽輪轉(zhuǎn)過一個(gè)槽工件轉(zhuǎn)過一個(gè)齒對(duì)應(yīng)的角度，槽輪的槽數(shù)等于加工工件的齒數(shù)。由于實(shí)際所需要的工件齒數(shù)不同所以槽輪的齒數(shù)也是不唯一的，要根據(jù)實(shí)際情況而定，所以在實(shí)際工作過程中槽輪需要根據(jù)工件齒數(shù)的不同而進(jìn)行更換。

1.2 撥銷個(gè)數(shù)的確定

為了保證軋輥主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與工件分度運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)一致性，花鍵冷敲機(jī)軋輥主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與工件的分度運(yùn)動(dòng)為同一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)，設(shè)電動(dòng)機(jī)到軋輥主軸的傳動(dòng)比為ib1，電動(dòng)機(jī)到撥銷齒輪的傳動(dòng)比為ib2，所以軋輥主軸與撥銷齒輪傳動(dòng)比為ib1/ib2，根據(jù)冷敲成形原理可知滾打輪擊打工件一次分度盤轉(zhuǎn)過一個(gè)齒。

設(shè)撥銷個(gè)數(shù)為n，可得:

根據(jù)以上兩個(gè)方面確定合理的傳動(dòng)比及撥銷個(gè)數(shù)。

圖2 分度機(jī)構(gòu)幾何原理圖Fig.2 Geometrical principle of indexing mechanism

2 分度機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 分度機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

圖3 分度機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系Fig.3 Geometrical principle of indexing mechanism

由分度機(jī)構(gòu)幾何關(guān)系(圖3)可得:

由此可得槽輪的角位移θ:

角速度ω為:

角加速度α為:

2.2 分度機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

(1)分度機(jī)構(gòu)三維模型的建立

將分度機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化為只有撥銷部分和槽輪部分。設(shè)給定工件的齒數(shù)為36，槽輪齒數(shù)z=36，槽輪與撥銷的中心距ɑ=200 mm，撥盤的圓銷半徑r=2.5 mm，由:2α=2π/z，2α+2β=π

通過以上對(duì)主要參數(shù)的計(jì)算可以確定槽輪上一些有特征的點(diǎn)，從而可以繪制出整個(gè)槽輪分度機(jī)構(gòu)造型[5]，由此可以進(jìn)行槽輪分度機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。

(1)在 pro/e中將裝配好的三維模型儲(chǔ)存成(*x_t)格式的文件。

(2)進(jìn)入adams打開菜單【file】-【import】，在彈出的對(duì)話框中選擇file type的幾何模型的格式，然后在file to read中選擇browse找到上述(2)中儲(chǔ)存文件的地址，這樣就可以將三維模型導(dǎo)入adams中。

(3)導(dǎo)入幾何模型后，定義構(gòu)件的材料、顏色，名稱等信息尤其是材料。設(shè)定撥銷的轉(zhuǎn)速為200 d/s.

圖4 分度機(jī)構(gòu)幾何模型Fig.4 Geometrical model of indexing mechanism

圖5 分度機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型Fig.5 The kinematics model of indexing mechanism

(4)添加約束[6-9]。

表1 機(jī)構(gòu)約束明細(xì)Tab.1 Schedule of mechanism constraints mechanism

(5)仿真結(jié)果及分析

仿真時(shí)間為10 s，仿真步數(shù)為8 000.通過運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真運(yùn)算，得到了槽輪分度機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律，如圖6所示。

通過對(duì)槽輪式分度機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，得到了分度機(jī)構(gòu)角位移，角速度及角加速度的變化規(guī)律。從圖6(a)中可以看出槽輪的位移曲線成臺(tái)階形，說明槽輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是間歇運(yùn)動(dòng)，每個(gè)臺(tái)階之間相差10度，基本滿足分度要求;從圖6(b)中可以看出槽輪的速度是周期性脈沖，即分度機(jī)構(gòu)的受力也是周期性脈沖，并且在脈沖之間的速度并沒有為零，這會(huì)嚴(yán)重影響到分度精度，該模型是在沒有考慮制動(dòng)裝置下仿真的，所以要想達(dá)到精確地分度必須安裝制動(dòng)裝置;從圖6(c)可以看出分度機(jī)構(gòu)的最大沖擊力出現(xiàn)在撥銷進(jìn)入槽輪與剛脫離槽輪時(shí)，所以可以將這兩處的沖擊力作為臨界力來(lái)設(shè)計(jì)撥銷及制動(dòng)裝置。

3 新型無(wú)級(jí)分度系統(tǒng)

圖7中Ⅰ部分是現(xiàn)有槽輪式分動(dòng)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖，可以看出現(xiàn)有的花鍵冷敲機(jī)分度機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，容易造成傳動(dòng)誤差;工件齒數(shù)不同時(shí)需要更換分度盤，影響生產(chǎn);并且撥銷相對(duì)于槽輪很小所以受到的沖擊力比較大。針對(duì)以上問題通過對(duì)傳統(tǒng)分度系統(tǒng)的改造，作者提出了新型無(wú)級(jí)分度系統(tǒng)，如圖8所示。

圖6 分度機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真結(jié)果Fig.6 The kinematics model of indexing mechanism

圖7 傳統(tǒng)分度系統(tǒng)傳動(dòng)鏈?zhǔn)疽鈭DFig.7 The diagram of traditional indexing system chain

新型無(wú)級(jí)分度系統(tǒng)利用步進(jìn)電機(jī)直接與工件軸鏈接實(shí)現(xiàn)工件的無(wú)級(jí)間歇分度運(yùn)動(dòng)，從而代替圖7中Ⅰ傳動(dòng)鏈，使整個(gè)分度系統(tǒng)得到簡(jiǎn)化，并且通過程序控制可以很方便的加工不同齒數(shù)的工件。

圖8 新型分度機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈Tab.8 New type of indexing system chain

4 結(jié)論

(1)通過對(duì)槽輪式分度機(jī)構(gòu)及其特點(diǎn)的分析，得出了該分度機(jī)構(gòu)撥銷個(gè)數(shù)與傳動(dòng)系統(tǒng)及自身結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系;通過理論分析得出了該種分度機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)角位移，角速度，角加速度與時(shí)間的關(guān)系。

(2)通過對(duì)分度機(jī)構(gòu)的模擬仿真得出了該種分度機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征及其規(guī)律，發(fā)現(xiàn)該種分度機(jī)構(gòu)在保證運(yùn)動(dòng)精度方面存在缺陷并且撥銷在進(jìn)入槽輪與脫離槽輪時(shí)存在較大的沖擊。

(3)針對(duì)傳統(tǒng)的槽輪式分度機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜在、加工不同齒數(shù)工的時(shí)需要更換分度盤等缺點(diǎn)，提出了一種新型無(wú)級(jí)分度機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和加工不同工件時(shí)無(wú)需更換分度盤等優(yōu)點(diǎn)。

[1]崔鳳奎，李言，周彥偉，等.漸開線花鍵軸冷滾扎工藝試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2006，37(12):189-192.

[2]牛婷，李永堂，劉志奇，等.花鍵冷敲機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2014(4):45-49.

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Research on Dividing Mechanism of Spline Cold Striking Machine

NIU Ting，LI Yong-tang，LIU Zhi-qi，F(xiàn)U Jian-hua
(1.School of Material Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China;2.Shanxi Key Laboratory of Metallic Materials Forming Theory and Technology，Taiyuan 030024，China)

The dividing mechanism of spline cold striking machine was designed and analyzed.The kinematics analysis on the key components was carried out，the kinematics simulation was carried out by Pro/E and ADAMS software.The movement rule of the dividing mechanism was obtained，which has great significance to further improvement of spline cold striking technology.

spline cold striking machine，dividing mechanism，kinematics analysis

TG315.79

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.04.003

1673-2057(2015)04-0255-04

2015-01-20

國(guó)家自然科學(xué)基金(51475316，51275331);山西省科技重大專項(xiàng)(20111101034)

牛婷(1986-)，女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殄憠涸O(shè)備理論與控制。