一种高硬度弧齿锥齿轮电解加工阴极装置设计研究

高妮萍

(陕西国防工业职业技术学院智能制造学院，陕西 西安 710300)

近年来，机械零件加工向智能化、高效化方向发展，随着加工材料的多样化，对加工零件的技术要求也越来越高。高硬度弧齿锥齿轮因具有传动平稳、表面硬度高、耐磨性好、传动噪声低等优点，在飞机、汽车、冶金、钻井等工程机械传动中应用广泛。随着材料的不断升级，许多精密设备对齿轮的要求越来越高。高硬度齿轮因其具有良好的耐磨性和抗氧化性、使用寿命长等优势得到了众多企业的青睐。目前弧齿锥齿轮加工主要是依靠传统的展成法进行，加工精度较低，周期较长，成本高，并且弧齿锥齿轮齿面为复杂曲面，加工精度很难保证[1]。现有的齿轮加工刀具结构复杂，易磨损，严重影响齿轮加工精度，对于高硬度齿轮就更难保证加工精度。电解加工适用于高硬度材料复杂曲面的零件加工，其通过合理设计弧齿锥齿轮阴极结构，平衡阳极和阴极间隙，在加工中利用工具阴极凸起型面不断向工件阳极靠近，将工件上多余材料溶解并通过电解液带走，从而形成与阴极结构相同的形状[2]。目前，大多数电解加工阴极结构主要针对简单的光滑平面，对于空间复杂型面的研究较少。也有很多学者通过电解加工方法对难加工材料进行实验，虽实现了正常的零件加工，但其在尺寸精度及零件表面质量的控制方面还存在问题。通过对刀具阴极结构的合理设计，使齿轮零件在电解加工中获得更高的精度和质量，是有待进一步研究的难题。

1 弧齿锥齿轮模型建立

由于弧齿锥齿轮齿形面是一种复杂空间曲面，因此采用空间点齿面设计方法建立弧齿锥齿轮模型[3]。绘制齿型面曲线，以弧齿锥齿轮端面与基准轴线的交点为中心，建立坐标系OgXgYgZg。本文选用格里森(Gleason)制弧齿锥齿轮，为防止两齿轮啮合传动配合间隙不足，发生热膨胀顶死现象，进而导致齿轮传动失效，引入了合理的齿顶高系数和顶隙系数，见表1。

表1 弧齿锥齿轮设计参数

采用取样点偏置法，在齿型面上随机选取一系列参考点，将参考点沿着锥齿轮法向进行一段位置的偏移，得到偏置点并绘制出偏置点曲线，如图1所示。在螺旋齿面上选取4条曲线，根据齿面计算方程，求得偏置点坐标并构建出弧齿锥齿轮模型，如图2所示。

图1 弧齿锥齿轮齿面曲线和取样点

图2 弧齿锥齿轮模型

2 阴极装置结构设计

弧齿锥齿轮阴极装置包括刀头型面、刀杆、内部型腔及装夹结构4大部分。为保证阴极刀具型面有较高的精度，通过弧齿锥齿轮参数设计型面结构[4]。利用弧齿锥齿轮空间点齿面设计方法，选取4行5列共20个采样点，对共轭曲面方程进行求解。通过计算得出弧齿锥齿轮阴极型面采样点坐标值，见表2。

表2 弧齿锥齿轮阴极型面采样点坐标值

利用连续二次规划、数值最优解整合方法，求取全齿面共轭点坐标值[5]。利用Isight数值计算软件强大的全局收敛性和最优化求解方法，建立阴极头型面模型，如图3所示。

图3 整体阴极结构

将装置的刀杆和刀头设计为可拆卸模式，6个螺纹孔与机床连接，具体结构如图4所示。加工时，在圆柱型腔内部通过主流道将电解液引入，在主流道上半部分设计控流面，壁上设计4个引液孔，在电解液充满主流道上半部分型腔后，通过引液孔引导到4个分流道中，液体通过出液孔匀速流出并充满整个空间。加工完成后，将多余的电解液通过余液排出口反向流动排出，可重复使用，如图5所示。

图4 刀杆连接设计 图5 型腔流道分布与原理

为了保证整个加工环境的密封性，在装置外侧设计保护密封罩，材料选择新型透明玻璃；上端和下端安装两个大小不等的绝缘密封圈，如图6所示。为了使齿轮工件在加工中获得正电位并保证正确的安装位置，需要设计有定位凸台的方形底座并安装导电板，如图7所示。底座下方配置6个紧固螺纹孔，保证整个阴极结构正确安装在机床上。

将各部分进行组装，得到弧齿锥齿轮电解加工整体阴极结构，如图8所示。

图8 整体阴极结构

3 实验验证

实验采用淬火后20CrMnTi齿坯材料进行加工。为提高导电率和加工效率，选用混合电解液(25%NaNO3+10%NaCl)，将温度控制在(30±5) ℃。根据电解加工步骤，通过弧齿锥齿轮阴极装置进行轮齿面加工，得到实验零件。利用三坐标测量仪进行检测，绘制齿廓形状曲线如图9所示，图中La是齿形测量长度，ffa为齿廓形状曲线，H1为齿廓偏差值，在测量长度范围一致的情况下，本文设计的阴极刀具加工的齿轮齿廓偏差值小，加工精度较高。

图9 电解加工齿廓形状曲线

电解加工和展成法加工的弧齿锥齿轮表面粗糙度值分别见表3、表4，可知电解加工齿轮表面粗糙度小于展成法加工齿轮表面粗糙度，前者表面质量更高。

表3 电解加工弧齿锥齿轮表面粗糙度

表4 展成法加工弧齿锥齿轮表面粗糙度

4 结束语

本文主要利用采样点偏置法对弧齿齿面进行建模并描述其特征，利用平衡间隙理论，求解弧齿锥齿轮阴极刀具形状，基于Isight数值计算软件强大的全局收敛性和最优化求解方法，进行系统的型面优化修正，通过提高阴极刀具的设计精度，实现高硬度弧齿锥齿轮的加工要求。本文的设计方法及实验结果，可为后续研究电解加工阴极装置提供参考。