小齿轮铸铝件去毛刺机的设计*

黎少辉，纪海宾，汤文成

(1.徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221140；2.东南大学 机械工程学院，南京 211875)

小齿轮铸铝件去毛刺机的设计*

黎少辉1，纪海宾1，汤文成2

(1.徐州工业职业技术学院，江苏 徐州 221140；2.东南大学 机械工程学院，南京 211875)

为解决结构小巧又复杂的小齿轮铸铝件去毛刺费时费力问题，研究设计了一种用于小齿轮铝压铸件自动去毛刺机，能有效去除铸铝小齿轮的齿间及端面毛刺，提高生产效率，降低劳动强度，且设备结构简单，成本低，体积小，易于维护。

小齿轮；铸铝件；去毛刺机；结构设计

0 引言

小齿轮铸铝件广泛应用于汽车、航空等行业，相对于其它加工成形工艺，压铸是制造小齿轮的一种高效成形方法。在压铸生产过程中，由于模具动定模装配误差、浇道、排气设计不合理及各种注射条件与参数设置非最佳等原因，造成压铸件在分型面、型芯配合边缘及浇注口处出现毛刺。因此，毛刺的存在是压铸件最常见的问题，这会对零件的装配精度、使用要求、设备运行安全等方面产生不良的影响[1-2]。针对结构小巧又复杂的小齿轮铝铸件，企业去毛刺方法主要是手工去毛刺[3]，借用锉刀、砂纸、钢刷、放大镜等工具完成，劳动强度大，生产效率低，质量难保证；而现有的工业机器人、热能、光能、电能、化学能等方法却又存在不同程度的适应范围和局限性，很难同时实现高效率、高质量和低成本的毛刺去除效果[4-8]。寻找一种效率高、可靠性高、成本低、适合小齿轮铸铝件结构的去毛刺方法成为必需。

本文设计了一种用于小齿轮铝压铸件自动去毛刺机，能实现自动上料、夹紧、去毛刺、下料等加工过程，有效去除铸铝小齿轮的齿间及端面毛刺，提高生产效率，降低劳动强度，且设备结构简单，成本低，体积小，易于维护。

1 小齿轮铸铝件概述

上海某金属制品公司接受一批铝合金小齿轮加工订单，完成订单的时间紧、任务重、产品质量要求高。小齿轮铸铝件的实体结构如图1所示, 齿数为20齿，由于最大端面为分型面，小齿轮铸件多个轮齿间存在鸭蹼状的碎片，轮齿的边缘存在飞边毛刺，齿轮端面的四个加强筋上存在四处浇注口毛刺。加工初期，公司采用人工去毛刺，去毛刺的顺序为：先用齿间锉刀去掉各齿间鸭蹼状的毛刺及轮齿边缘飞边毛刺，再用端面锉刀去除端面浇注口毛刺，最后用砂纸抛光，毛刷清理碎屑。但是，在实际去毛刺过程中，由于轮齿间鸭蹼状碎片具有较好的韧性, 导致齿间挫后碎片毛刺翻转粘连在轮齿外边缘，进行端面挫时，碎片毛刺又翻转回轮齿间，不易去除，费时费力，返修率较高，增加小齿轮的生产成本。

为提高加工效率,首先应考虑如何减少毛刺的生成及毛刺生成的位置, 其次从加工效率方面考虑去毛刺的方法及设备工具。由于压铸生产工艺及齿轮结构要求在订单中已确定，生产率的提高只有改善去毛刺的方法。

图1 小齿轮铸铝件实体图

2 去毛刺机总体结构设计及工作原理

小齿轮铸铝件去除毛刺机结构如图2所示，主要包括支撑架、带传动夹具、磨具、磨具支架、限位杆、滑动杆、曲柄机构、电机等部件，夹具的侧面设置有弹性砂纸。其工作过程如下：把小齿轮铸铝件放在倾斜槽中，在重力作用下小齿轮铸铝件自行滑到倾斜槽的下端；按下启动开关，电机M1、M2、M3开始工作，电机M1带动曲柄机构工作，实现磨具左右运动，电机M2带动传动带夹具逆时针运行，电机M3带动磨具旋转；当传动带夹具运行到右端时自动张开，夹具上的圆柱杆插入倾斜槽底端的小齿轮铸铝件中心孔中，拾起小齿轮，后续的小齿轮在重力作用下自行滑到倾斜槽下端；随着传送带的运行，夹具逐渐加紧小齿轮，实现自动上料、夹紧。当小齿轮通过磨具时，小齿轮先在磨具两端设置的圆锥形磨具作用下调整轮齿位置，实现小齿轮与磨具完全啮合，左右移动的磨具对小齿轮铸铝件齿间的毛刺进行打磨，转动的磨具带动小齿轮旋转，小齿轮端面在夹具侧面设置的弹性砂纸作用下实现端面毛刺的去除，实现齿间毛刺与端面毛刺同时去除。当打磨好的小齿轮运行到传送带的左端时，夹具张开，小齿轮在重力作用下脱落，完成小齿轮铸铝件的去毛刺工作。

1.支架 2.倾斜槽 3.夹具 4.磨具 5.毛刷 6.磨具支架 7.限位杆 8.滑动支撑杆 9.曲柄机构 M1：曲柄机构驱动电机 M2：夹具机构驱动电机 M3：磨具驱动电机 SB1：停止按钮 SB2：启动按钮

图2 去毛刺机主体结构图

3 主要零部件的结构设计

总体结构图对零部件细节的描述不够详细，下面针对主要部件的设计进行补充说明。

3.1 夹具机构

夹具结构如图3所示，夹具通过螺栓固定在传送带上，夹具上设置有圆柱杆及半圆柱形的弹性砂纸。传动带运动方向如图中箭头所示，夹具在传送带的左右两端自动张开，在右端张开时，圆柱杆穿过小齿轮铸件的中心孔，拾起小齿轮铸件。当夹具通过右端的传动轮后自动夹紧小齿轮，通过磨具时，弹性砂纸对旋转的小齿轮端面进行打磨。夹具运行到传送带左端时自动松开打磨好的小齿轮。

图3 夹具结构示意图

3.2 打磨机构

打磨机构如图4所示，磨具4包括中间圆柱形磨具4.1和两端为圆锥形磨具4.2，圆锥形磨具主要调整小齿轮铸件与磨具之间的位置，实现小齿轮铸件与圆柱形磨具4.1有效啮合。磨具支撑架6包括支撑杆6.1及曲柄滑块6.3，两者通过圆柱形铰链6.2联接在一起。磨具在接触小齿轮铸件或脱离小齿轮铸件后，支撑杆6.1落在图1所示的限位杆7上，避免磨具与夹具碰撞。

图4 打磨机构示意图

3.3 曲柄机构

为保证曲柄机构运行时的稳定性，在满足工作行程及工作行程速比系数的情况下应实现最大压力角最小，曲柄机构的结构如图5所示。假设：曲柄长度为a，连杆长度为b，机构偏心距为e，极位角为θ，行程速比系数为K，曲柄转角为φ，工作行程为H，机构在两个极限位置的压力角为α1和α2，滑块行进中压力角为α。

则曲柄机构工作行程：

(1)

曲柄机构极位角θ与行程速比系数K之间的关系为：

(2)

机构在两个极限位置的压力角为：

(3)

机构在两个极限位置的压力角与极位角之间的关系为：

(4)

滑块行进中连杆水平夹角为：

(5)

由式(1)、式(2)、式(4)可知：设计变量参数H、K、a、b、e、θ中有三个独立的自变量。

图5 曲柄滑块机构示意图

取滑块行程速比系数K=1.2，滑块工作行程H=100mm。采用Pro/E5.0中自上而下的设计方法，基于运动骨架模型，在“工具”菜单中添加关系式来驱动运动骨架模型尺寸，并进入“机构”模块进行运动学仿真，然后对骨架模型中的参数进行优化分析和选取，从中找出合适的参数，满足工作行程及工作行程速比系数确定的情况下实现最大压力角最小[8-9]。根据上述方法计算获得优化后的机构尺寸为θ=16.4°，a=48.4mm，b=100mm，e=21.6mm，优化后的最大压力角为25.06°。根据获得的a、b、e三个参数可实现去毛刺机的曲柄机构设计。

4 试验分析

试验去毛刺结果达到需求效果，如图6所示，去毛刺速度可实现每分钟10个，10倍于人工去毛刺的速度，有效降低生产成本。试验中发现，传送带的运行速度、磨具的旋转速度、曲柄机构的运行速度这三个速度选择一定要协调才能保证磨具与小齿轮铸件的良好啮合，也就是说选择合适的M1、M2、M3电机参数，或通过速度控制器调节电机的旋转速度。前一种方法成本低，但在设计传动机构时要注意结构尺寸与电机的速度相协调；后一种方法需要添加电机的速度控制器，成本相对较高。

图6 小齿轮铸铝件去毛刺前后对比

5 结束语

压铸成型是一种高效的机械零件生产方式，在机械工业生产中的比重逐年增加，铸件的去毛刺方法仍是压铸行业中的关注焦点，针对铸件的结构特点及毛刺类型设计相应的处理设备与工艺是提高生产效率的关键。本文可以看出：根据小齿轮铸铝件结构特征及毛刺的分布特点，再结合齿轮啮合传动方式，开发相应的去毛刺设备。试验证明，该设备能有效去除小齿轮铸铝件齿间与端面毛刺，提高生产效率。且设备结构简单，成本低，体积小，易于维护。这为其它铸件去毛刺机设计提供参考。

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[3] 朱兴华,莫小栋,王晓峰,等.工业机器人在铝铸件毛刺去除中应用研究[J]. 组合机床与自动化加工技术,2014(10):124-127.

[4]Li H Z,Zeng H,Chen X Q.An experimental study of tool wear and cutting force variation in the end milling of Inconel 718 with coated carbide inserts[J].Journal of Materials Processing Technology，2006,180:296-304．

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[10] 二代龙工作室.Pro/ENGINEER Wildfire5．0 机构/运动分析[M].北京:清华大学出版社,2010．

(编辑 李秀敏)

The Burring Machine Design of Pinion Aluminum Die Casting

LI Shao-hui1,JI Hai-bin1,TANG Wen-cheng2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering,Xuzhou College of Industrial Technology, Xuzhou Jiangsu 221140,China;2. School of Mechanical Engineering,Southeast University,Nanjing 221875,China)

In order to solve the small gear casting deburring time-consuming problem, studied and designed an automatic deburring machine for pinion aluminum die casting, The device can effectively remove the burr of aluminum small gear tooth and end surface , improve production efficiency and reduce labor intensity ,at the same time ,the equipment has the advantages of simple structure, low cost, small volume, easy to maintain.

pinion；aluminum casting；deburring machine；structure design

1001-2265(2017)02-0154-03

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.02.040

2016-04-20；

2016-05-16

江苏省“青蓝工程”资助项目(QLGC-2013-04)；江苏省高职院校高级访问学者计划项目资助(2015FX085)

黎少辉(1974—)，男，郑州人，徐州工业职业技术学院副教授，博士，研究方向为机械CAD/CAM/CAE应用技术，(E-mail)lishaohui@mail.xzcit.cn。

TH122;TG65

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