粉末冶金齿轮成形阴模计算方法与程序化设计.pdf

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第 2 6卷第 3期 2 0 0 8年 6月 粉末 冶金 技术 Powde r M e t al l u r g y Te c hn ol o g y Vo1 . 2 6.No. 3 J u n. 2 0 0 8 粉末冶金齿轮成形阴模计算方法与程序化设计 陶希 海 莱芜职业技术学 院, 山东莱芜2 7 1 1 0 0 摘要 针对 目前粉末冶金齿轮成形阴模设计精度和效率低 的特点 , 介绍 了用 变模 数法设计计 算粉末冶金 齿轮成形 阴模 的新方法 , 并 以 P ro/ E为开 发平 台 , 以 P r o / P r o g r a m为开发工具 , 进行 粉末冶金齿轮 成形阴模 的 程序 化设计 , 从而提高 了粉末冶金齿轮成形阴模的设计精度和效率。 关键词 粉末冶金齿轮 ; 成形 阴模 ; 变模数法 ; P r o / E; 程序化设计 Th e c a l c u l a t i o n m e t h o d a nd p r o g r a m d e s i g n o f t h e c o mpa c t i ng mo l d f o r P/ M g e a r s Ta o Xi h a i L a i wu Vo c a t i o n a l C o l l e g e ,L a i wu S h a n d o n g 2 7 1 1 0 0, C h i n a Ab s t r a c t I n a c c o r d a nc e wi t h l ow d e s i g n pr e c i s ion a n d e f f i c i e nc y of c o mpa c t i ng di e f o r P/ M ge a r s,a n e w v a ria b l e mo d u l u s me t h od i n d esi g n i n g a n d c a l c u l a t i n g t h e c o mp a c t i n g d i e f o r P/ M g ear s i s i n t r o d u c e d. An d t a k i n g P r o / E a s de v e l o p me nt , t a k i ng Pro/P rogr a m a s de ve l op me nt t o ol , t he p a r a me t r i c d esi gn o f c o mp a c t i n g di e f or P/ M g ea r s wa s ca r rie d o ut . S o desi g n p r e c i s i o n a nd e f f i c i e nc y of co mp a c t i n g di e f or P/ M g e a r s i s i mp r ov e d. Ke y wo r d s P/ M g ea r ;co mp a c t i n g d i e;v a ria bl e mod u l u s me t h od ; Pr o/ E; p r og r a m d esi g n 粉末冶金齿轮以重量轻、 噪音低 、 自润滑等方面 的优 异性 广泛 用 于 汽车 、 摩 托 车 等行 业 。它 是用 模 具压 制成 形 , 经 过 烧 结 、 整 形 等 后 续 工 序 制 作 而 成 的 。成形 阴模 是齿 轮 压 制 成形 的主 要 模具 之 一 , 它 的设计精度和设计效率直接影响着齿轮制品的质量 和开发 。笔 者在分 析 了齿轮 成形 阴模设 计计 算方 法 的基础 上 , 以 P r o / E n g i n e e r Wi l d f i r e 2 . 0为平 台 , 以 P r o / P r o g r a m 为 工 具 , 进 行 了粉 末 冶 金 齿 轮 成 形 阴 模 的程序 化设计 。 1 粉末冶金齿轮 阴模的设计计算 1 . 1 设计 计算 方法 渐 开线齿 轮轮齿 各尺 寸之 间存 在着 比较 复杂 的 几何 关 系 , 加之 压制 、 烧 结 、 整形 过 程 中尺 寸 和形 状 变化的影响, 使得粉末冶金齿轮阴模的设计计算 比 较 复杂 。 目前 , 粉末 冶 金 行 业 还未 建 立 统 一 的齿 轮 成形模具设计方法 , 国内主要采用变位设计法 和变 *陶希海 1 9 7 0一 , 男 , 硕士研究生 。E m a i l 1 w t a o x h 1 2 6 . c o m 收稿 日期 2 0 0 70 20 6 模数 设计 法 。 变位设计法是传统 的齿轮 阴模设计采用 的方 法。这种方法 的依据是认为齿轮在压制过程中的弹 性后 效 、 烧 结过 程 中 的收 缩 及 整 形过 程 中 的弹性 变 形引起尺寸变化类似于齿轮机加工 中的变位情况 。 首先 根据 齿轮 的 齿顶 圆直 径 , 可 以确 定 阴模 内齿 齿 顶圆直径 , 求出变位系数 , 然后加工变位齿轮电极 , 由齿 轮 电极 加 工 出 齿 轮 阴 模 ⋯ 1。采 用 此 种 方 法 设 计 齿 轮阴模 是假 定齿 轮在 压制 、 烧结 、 整形 过程 中均 保 持 其基 圆和分 度 圆直径 不变 。根据 变位 齿轮 的加 工原 理 , 我们 可 以推 出齿 轮 阴 模 内齿 齿 形 与 预期 齿 轮压坯齿形应是由同一基圆产生的形状相 同的渐开 线。但事实上 , 根据粉末冶金工艺的特点 , 齿廓渐开 线 上任 意一 点 到 圆心 的距 离 , 在各 工 艺 过 程 中是 沿 径向按一定 比率增加或减 小的, 基 圆和分度圆的直 径将发生变化 , 渐开线的形状也将发生变化 J 。根 据试验测定变位法设计的齿轮压坯齿廓曲线严重偏 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷第 3期 陶希海 粉末冶金齿轮成 形阴模计算方法与 程序化设计 2 1 3 离 了预期 齿 轮压 坯 齿 廓 曲线 l 3 J 。这 样 , 用 变 位 设 计 法设计的齿轮压坯的实际齿形不能与预期的渐开线 形状相吻合 , 所以各部位整形余量不均匀 , 致使齿形 精度 差 , 齿 面易发 生 断裂 , 严重 影 响 了制 品的 质量 。 变模 数 设 计 法 J 是 一 种 新 的设 计 方 法 。它 认 为齿 轮在 各工 艺 加 工过 程 中 , 基 圆与 分 度 圆 直 径 同 齿根圆与齿顶圆直径一样 , 都是按一定 的比率增 大 或减小的, 如 同简单套 筒类零件 的径 向尺寸变化 。 而分 度 圆直径 d mz . , 它 只与模 数 m 和齿 数 z有 关 。 对 于一 个确 定 的齿 轮 , 它 的齿 数 是 定 值 , 在 加 工 中分 度 圆直径 的 变化 , 可 以 认 为 是模 数 m 在 变 化 。 这就 是说 , 齿轮 压 坯 、 烧 结 坯 、 整形 坯 的模 数 不 再 是 不 变 的标 准值 。试 验测 定 由该法 设 计 的齿 轮压 坯齿 雨 酾 堕 烧 结 收 缩 率 一 c 形 与 预期 的基 本重 合 。变模 数 法在 理论 上 不存 在设 计误差 J 。应用 这种方法 , 阴模 的精度易于 控制 , 提高了齿轮质量 , 是一种先进、 实用 , 值得推广 的粉 末冶金齿轮阴模设计法。 1 . 2 变模数法设计计算齿轮成形阴模 根据齿轮的精度要求 , 可选用不同的生产工序。 影 响齿 轮成 形 阴模 几 何 尺 寸 的工 序 主 要 是 压 制 、 烧 结 和整 形 , 因此 在 成 形 阴 模设 计 过 程 中必 须 考 虑 压 制的回弹率 e 、 烧结 的收缩 率 c 、 整形余量 △ 及整形回弹量 等工艺参数。 e 、 c 是使制品径向尺 寸 发生 变化 的线 性 参数 , 而 △、 则 是非 线性 变 化 参 数 。齿 轮成 形 阴模 设计 计算 过程 如 图 1所示 。 圃 图 1 齿 轮 成 形 阴 模 计 算 过 程 Fi g. 1 Ca l c u l a t i n g s s c ou r s e o f c o mp a c t i ng s di e f o r PM ge a r 假设 一 粉末 冶金 渐 开线 齿 轮 的 参 数 为模 数 m、 分 度 圆直径d 。 d Amz一 A 1 0 齿数 z 、 压 力 角 a 、 变 位 系 数 、 齿 顶 高 系数 、 顶 烧结 坯模 数 m。 d 。 / zm 一 一△ / z 1 1 隙 系数 c 及 压制 过 程 中的 工艺 参 数 8 、 c 、 A、 。成 齿顶 圆直径d d Am z 形阴模几何尺寸参数计算如下 2 2 x 一 △ 1 2 1 齿 轮 整 形 坯 尺 寸 【 齿 根 圆直 径d f 。 df 。△m z一2 h ;一 分度 圆直 径dmz 1 2 c 2 一 △ 1 3 齿 顶 圆直 径d d2 m ’ 基 圆直径d h s m 。z c o s 口 1 4 m z2 h 2 x 2 4 压 坯尺 寸 齿根圆直径d f d一2 m h C 一 考虑到烧结收缩率 C , 则压坯脱模后尺寸为 m z~2 h ;一2 c 2 3 分度圆直径d d / 1 一c mz . 一 基 圆直 径d h d c o s amz c o s a 4 △ / 1 一C 1 5 2 整形 阴模 尺 寸 压 坯模 数 m d / z mz一 A / 考虑 到 整形 回弹 , 整 形 阴模径 向尺寸 比齿 轮 整 [ 1 一C z J 1 6 形坯 径 向尺 寸要 小 。则 整形 阴模 尺 寸为 齿顶 圆直 径d d 。 / 1 一C [ m z十 分度圆直径d d一 mz一 5 2 h ;2 x 一 △] / 1 一C 1 7 整形 阴模 模数 m d / zm 一 / z 6 齿 根 圆直 径d f d f / 1 一c [ m z一 齿顶 圆直 径d d 一 m z2 2 一2 c 2 一 △] / 1 一c 1 8 2 一 7 基 圆直径dh m z c o s 口 1 9 齿根圆直径 f z df ~ m z一2 h ;一 5 成形阴模尺寸 2 c 2 x 一 8 考虑到压制回弹率 e , 则成形阴模尺寸为 基 圆直径d h 2 m Z C O S 6 t 9 分 度 圆直 径d d / 1 8 mz一 3 烧结 坯 尺寸 △ / [ 1 一C 1 e ] 2 0 考虑到整形余量 , 烧结坯径向尺寸 比整形阴模 成形阴模模数 m d / z mz一 径 向尺寸 要大 △。则 烧 结坯 尺寸 为 A / [ I f I e ] 2 1 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 1 4 粉末冶金技术 2 0 0 8年 6月 齿顶 圆直 径d d / 1 P [ m z 2 2 x 一 △] / [ 1 一C 1 e ] 2 2 齿根 圆直 径d f d f y / 1 P [ m z一 2 h {一2 c 2 x 一 △] / [ 1 一C 1 e ] 2 3 基 圆直径d b c m Z c o s a 2 4 由 1 ~5 可 以 看 出 , 粉 末 冶 金 齿 轮 在 压 制 成 形 、 烧结 和整形过程 中, 分度圆、 基 圆、 齿顶圆、 齿根 圆直径都 是变 化 的 , 模 数 也是 变 化 的。 由于 模 数 与 标 准齿 轮发 生 了变 化 , 不 再是 标准 值 , 因此用 变模 数 法设计的齿轮成形阴模不可能用传统的机加工方法 加工出来, 只能借助 C A D/ C AM技术来实现。 2粉末冶金齿轮成 形阴模 的程序化设计 在粉末 冶 金 齿 轮成 形 阴模 的模 型设 计 中 , 采 用 P r o / E n g i n e e r Wi l d f i r e 2 . 0三 维 软 件 进 行 参 数 化 精 确建模 , 并利 用 其 开 发工 具 P r o g r a m 实现 成 形 阴 模 的程序 化设 计 , 只要 按 要 求输 入 被 压 制齿 轮 的相 关 基本 参数 、 工艺参 数及 结构 参数 , 就能 自动 生成 所需 成形阴模的三维实体模型。 2 . 1 成形 阴模 造型 [ 6 ] 1 设计 参数 和关 系式 在 P r o / E 的 P r o g r a m 工具 中输入 下列 参数 和参 数 间 的关 系 I NPUT Z NUM BER “ 请输入齿数 ” 注 在英文状态下输入引号 , 下 同 M NUM BER “ 请输入模数 ” A NUM BER ’ “ 请输入压力角 ” XX NU M BER “ 请输入变位系数 ” RAD NUM BER “ 请输入轮齿圆角半径 ” HAX NU M BER “ 请输入齿顶高系数 ” CX NUM BER “ 请输入顶隙系数 ” HF NI M BER “ 请输入阴模高度 ” KC NUM BER “ 请输入阴模外 内径 比 ” NU M BER “ 请输入整形 回弹量 ” △ NUM BER “ 请输入整形余量 ” C NU M BER “ 请输入烧结收缩率 ” E NUM BER “ 请输入压制回弹率 ” END I NPUT RELATI oNS 输 入 2 0 、 2 1 、 2 2 ‘、 2 3 、 2 4 成形 阴模 尺寸 关 系式 。注 意公 式 中的齿顶 高 系数 和顶 隙系数要 改 为 h a x 、 C X 。 END RELATI oNS 2 g K] 建 基本 曲线 ①创建草绘圆 在【 草绘】 中任意画 3个同心圆, 然后在【 关系】 中添加关系 d Od f c/ *阴模齿根 圆 驱动尺寸 */ , d I d c/*阴模分度 圆驱动尺寸 */ , d 2 d a c/*阴模 齿顶 圆驱 动尺寸 */ 其 中 d 是 系 统 为特征 任意 给定 的尺 寸参数 符号 , 下 同 。 ②创 建 渐 开 线 在 P r o / E里 面 可 以选用 不 同 的 坐标来完成渐 开线 的绘制 , 这里选用 的是在 【 柱坐 标】 下的渐开线 的方程式[ 。 X t *s q r t d a c / d b c 21 / *从 基 圆到齿 顶 圆渐 开线 上压力 角 的正切 值变 化 */ y 1 8 0 / p i / *角 度单位 换算 */ r 0 . 5*d b c * s q r t 1 x 2 / *渐开线 的向径 * / t h e t a X Y a t a n x / *渐开线 的展 角 */ Z0 3 创建齿廓 曲线 通过上一步生成的渐开线曲线经过【 镜像】 、 【 裁 剪 】 等步骤完成阴模齿廓特征 曲线 的创建。值得注 意的是镜像的渐开线应和原渐开线及①创建的齿顶 圆 、 齿 根 圆构成齿 轮 的齿槽 曲线 , 也就 是 阴模 轮齿 齿 廓 曲线。然 后在 【 关 系 】 中添加 关 系 0 w1 8 0* p i 一4*X X*t a n a / p i / z / *分度 圆齿 间角 */ , D 5 0 w/ 2/*渐开线 的镜 像角 度 */ 。 4 创建 阴模 外壁 特征 在【 拉伸 】 的【 草绘 】 中任意画 2个 同心圆, 按系 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 2 6卷第 3期 陶希海 粉末 冶金 齿轮成形阴模计算方 法与程序化设计 2 1 5 统 的默认值拉伸出一个 圆筒。然后在【 关系】 中添加 关系 d 6h f/ *阴模 外壁高度驱 动尺寸 */ , d 7 d a c / *阴模 外 壁 内径 驱 动 尺 寸 */ , d 8k c *d a c /* 阴模外 壁外 径 驱动 尺寸 */ 。 5 创建 阴模 轮齿 特 征 在【 拉伸】 中选择 3 创建 的齿廓 曲线 , 按 系统 的 默认值拉伸出一个轮齿 。然后在 【 关系】 中添加关系 d 9 h f / *阴模 高度 驱动 尺 寸 */ 。 6 创建 阴模 轮 齿 圆角特 征 在【 倒圆角】 中分别选择轮齿顶和轮齿底 的两条 边 , 按系统 的默认值进行倒 圆角 。然后 在【 关 系】 中 添加 关 系 d 1 6 r a d/ *轮 齿 圆角 驱动 尺 寸 */ 。 7 阵列 阴模齿 形 特 征 首先在【 特征操作 】 的【 组 】 中将 5 、 6 创建的特 征 进行 组 合 , 然 后 将 组 合 特 征 进 行 阵 列 。 在 P r o / E n g i n e e r Wi l d f i r e 2 . 0中采 用 轴 阵 列 , 阵 列 数 为 4 5 , 阵列角 为 8 。阵列后 在 【 关 系】 中添加关 系 d 1 7 3 6 0 / z/ *阵列 驱 动 尺 寸 */ , p 2 0z/*阵 列 总数 */ 。最 后 得 到 的 成 形 阴 模 模 型 如 图 2所 示 。在 P r o / E里面创 建 成 形 阴模 模 型 有 两 种 情 况 当成 形 阴模 的齿根 圆 直 径 大 于 基 圆 直 径 d f c d b c 时 , 成 形 阴模 内齿形 齿 廓 线 全 部 是 渐 开 线 ; 当成 形 阴模 的 齿 根 圆直径 小 于基 圆 直 径 d f e d b c 时 , 由于 基 圆 内没有 渐开 线 , 所 以齿 根 圆 与基 圆之 间 的齿 廓 线 可 以用 圆弧近 似 代替 。这 两 种 情 况 要 分 别 建模 , 前 者 的建模 如上 所述 , 后 者 的建模 与前 者 类似 , 在 此不 再 赘 述 。建完 模 型后在 P r o g r a m 工 具 的添加 特 征部 分 中加 入 I F ⋯E L S E⋯ E NDI F逻 辑 判 断 语 句 , 对 两 种 不 同情 况 下 的模 型进 行 程序 控 制 , 可 以得 到不 同 情 况下 的成 形 阴模 三维 实体 。 图 2成 形 阴 模 模 型 Fi g. 2 Comp a c t i n g d i e 2 . 2成形 阴模 再 生 齿 轮成 形 阴模模 型建 立 完 成 后 , 改 变 成形 阴模 参数可 自动生成 成形 阴模 模 型。单击 【 再 生 】 / 【 输 入】 出现控 制界面如图 3 。此时根据设计要求选 择 所需 参数 , 程 序会 自动显示 提 示 , 只需要 按 提示 依 次 输 入选 中的参数 值 就可 以直接 生成 相应 的齿 轮成 形 阴模 。如选 取全 部 参 数 , 分 两 种 情 况 分 别 输 入 参 数 值 ① z 7 2, m 3 , a2 1 . 5 , X X0 . 3 , r a d0 . 6 , h a x 1. 0, e x 0. 25,Hf 4 0, kc 1. 3, 0. 0 2, △ 0. 3, C0. 0 0 2, E 0. 00 3; z2 0, m 2, a 2 0, X X 0. 2, r a d 0. 2, h a x 1. 0, e x 0. 25, Hf 4 0, k c 1. 3, 8 0. 03, △ 0. 2, C 0. 00 3, E 0. 0 0 2。 则 自动 生成 的成 形 阴模模 型如 图 4 a 、 b 所示 。 图 3 参数控 制界面图 Fi g. 3 I nt e r f a c e f o r p a r a me t e r c ont r o l 0 o 图 4再生成形 阴模 模型 Fi g. 4 Re pr o du c e d c o mpa t c t i ng di e 3 应 用 实例 已知汽 车 发 动 机 润 滑 油 泵 用 齿 轮 , 材 料 F e一 0 . 5 ~0 . 8 C一 1 ~3 C u , 密度 6 . 3 ~6 . 5 g / c m 3 。根 据 齿 轮 的齿形 精度 要 求 , 采 用 成 形 一 烧 结 一 精 整 一 后 续加 工 生产 工艺 。齿 轮参 数 为 模 数 m 3 、 齿 数 z 1 2 、 压 力 角 a3 0 。 、 变为 系数 z0 . 5 2 、 测定 齿 顶高系数 h a 0 . 8 , 顶隙系数 C 0 . 2 。 实验测定 整形回弹量 0. 0 2 5 , 整形余量 △ 0 . 1 , 烧结的 收 缩率 C 0 . 0 0 1 , 压 制 的 回弹率 E 0 . 0 0 2 。 阴模 高度计算_ 8 取值 Hf 1 0 0 , 组 合阴模模外 内壁 比 值_ 8 是 1 . 7 。 输入以上参数再生汽车发动机润滑 油 泵用 齿 轮成 形 阴模如 图 5所示 。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 1 6 粉末冶金技术 2 0 0 8 年 6 月 图 5汽 车 发 动机 润滑 油泵 用齿 轮成 形 I弱模 F i g. 5 Co mp a c t i n g d i e f o r o i l p u mp g e a r o f a ut omot i v e e ng i ne 4 结束语 根 据变 模数法 计算 的粉 末冶金 齿 轮成形 阴模 尺 寸参数 , 利用 P r o / T 软件实现成形阴模 的 自动化建 模 , 提高了成形阴模的设计精度和效率 , 为粉末冶金 模具 的设计 开辟 了一条 新 思路 。还 能 够利 用 P r o 厄 软件 的 C A D/ C A M 技 术 的无 缝 结 合 实 现 成 形 阴模 的数控加工 , 大大降低了成形阴模的制造成本。 参考文献 [ 1 ] 姚 德超 .粉 末 冶金模 具 设计 . 北 京 冶金 工 业 出版 社 , 1 9 8 1 2 0 32 0 5 [ 2 ] 王治海 .粉末冶金成形阴模 内齿渐开线方程 / / 1 9 9 4年全 国粉末 冶金学术会议论文集 . 北京 地震 出版社 , 1 9 9 4 1 7 8 1 8 2 [ 3 ] 郭显威 , 李善太 .粉末 冶金齿轮 阴模的变模数设计法 . 粉末冶金 工业 , 2 0 0 2 , 1 2 2 2 8 3 0 [ 4 ] 海坤 , 胡学晟, 王豪伟 .粉末冶金齿轮成形模具 的设计误差 . 模 具 制造 , 2 0 0 5 , 1 1 1 1 6 6 6 8 [ 5 ] 朱景梓 , 张展 , 秦立高 . 渐开线外啮合圆柱齿轮传 动 . 北京 国防 工业出版社 , 1 9 9 0 7 1 ~1 0 2 [ 6 ] 温建民 , 于广滨 , 左晓英 . 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