差速器壳内球面数控刀具设计

差速器壳内球面
数控刀具设计 

 

工作单位：江铃底盘股份有限公司   作者：胡慧顺

摘要：汽车发动机的动力经离合器、变速器、传动轴，最后传送到驱动桥再左右分配给半轴驱动车轮，在这条动力传送途径上，驱动桥是最后一个总成。汽车差速器是驱动轿的主件。普通差速器由行星齿轮、行星轮架（差速器壳）、半轴齿轮等零件组成。发动机的动力经传动轴进入差速器，直接驱动行星轮架，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。差速器的设计要求满足：（左半轴转速）+（右半轴转速）=2（行星轮架转速）。本文介绍了如何在S1-296A普通数控机床上采用机夹可转位车削方法替代原球面锪刀加工方法后，不需制造和调整专用夹具，在数控机床上一次装夹即可完成差速器壳内球面的加工，由于避免了原加工方法因刀具重磨带来的加工误差，产品质量也得到有效保证。

关键词：差速器壳；数控插补车球面；刀具几何参数设计；刀具选型设计

引言:

汽车发动机的动力经离合器、变速器、传动轴，最后传送到驱动桥再左右分配给半轴驱动车轮，在这条动力传送途径上，驱动桥是最后一个总成，它的主要部件是减速器和差速器。汽车差速器是驱动轿的主件。它的作用就是在向两边半轴传递动力的同时，允许两边半轴以不同的转速旋转，满足两边车轮尽可能以纯滚动的形式作不等距行驶，减少轮胎与地面的摩擦。普通差速器由行星齿轮、行星轮架（差速器壳）、半轴齿轮等零件组成。发动机的动力经传动轴进入差速器，直接驱动行星轮架，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。

差速器的设计要求满足：（左半轴转速）+（右半轴转速）=2（行星轮架转速）。当汽车直行时，左、右车轮与行星轮架三者的转速相等处于平衡状态，而在汽车转弯时三者平衡状态被破坏，导致内侧轮转速减小，外侧轮转速增加。差速器壳质量的好坏直接决定着汽车的运行稳定性和安全性，差速器壳外形如三维图（图1）所示。下面介绍如何在S1-296A普通数控机床上，不需制造和调整专用夹具，采用机夹可转位车削方法替代原球面锪刀加工方法，实现在数控机床上一次装夹即可完成差速器壳内球面的加工的工艺改进过程。

一、 攻关方案的提出：     

图2所示差速器壳是某车桥的重要部件之一，工件材质为球墨铸铁。产品尺寸?161公差要求：上偏差为+0.25mm，下偏差为0，相对于基准的位置度公差为?0.03mm；表面粗糙度要求为Ra1.6?m。差速器壳内球面的加工难度较高。根据差速器使用性能要求，为保证壳体尺寸及位置度的加工精度，我们设计了采用镶齿结构的内球面成形锪刀及其辅具（内球面直径尺寸定程装置)。但是，球面锪刀的制造及刃磨难度较大，且刀具磨损后对刀齿每进行一次刃磨，刀齿上各点与被加工面上对应点的位置关系都要发生变化，从而直接影响内球面加工质量，由于球面锪刀刃磨后加工零件的位置度误差常常大于0.2mm，因此难以完全满足加工要求。此外，锪内球面加工方法对夹具要求较高，需要配置内球面直径尺寸定程装置来控制刀具进给，从而使夹具的设计、制造复杂化。为解决这一问题，我们根据产品特点对工艺方案进行了反复研究，决定采用在S1-296A数控机床上用插补车削方法替代锪内球面加工方法来实现差速器壳体内球面的加工，并设计了专用机夹可转位车刀。

二、 数控刀具设计思路与特点 

机夹可转位车刀是将具有合理几何形状和切削刃的成品可转位刀片通过机械夹固方法装配在刀杆上，当一条切削刃加工磨损至不能再用时，可通过转位迅速更换新的切削刃。采用机夹可转位车刀进行加工具有以下特点：

1、 刀具几何参数和切削性能稳定，定位精度和重复精度较高，可保证刀尖位置变化在工件精度允许范围内以及加工精度的一致性。

2、刀片夹紧可靠，在切削力冲击、振动及切削热作用下不易松动。刀具寿命长，无需刃磨，操作简便，可缩短停机换刀等辅助工时。

3、刀杆转位方便、快捷，并可反复使用，使用寿命长，可减少库存量，简化刀具管理。

4、机夹可转位车刀设计前角g=-4°，刃倾角l=-4°，切削刃具有足够强度，可承受较大切削力冲击，避免刀尖崩刃。

5、可转位车刀片选用菱形国标通用刀片，可保证切削过程中自动卷屑及曲线加工的平稳性，且易于实现刀具标准化、系列化，适合自动化生产中的仿形车削。 

6、刀具采用螺销、压板复合压紧式结构，螺销通过刀片孔定位夹紧刀片外，加上压板压固刀片，定位稳定性高，刀刃转位重复精度高，容屑空间大。

7、根据被加工材料特点，并考虑切削过程中刀刃的磨损，采用韧性和强度好的基体与TiCN、薄Al2O3、TiN涂层结合的刀片。这种刀片可减小切屑与刀具的摩擦，在切削高温下仍可保持高硬度及良好的抗氧化性，从而可提高刀片使用寿命，降低零件表面粗糙度，可在断续切削条件下使用。

三、刀具设计方法

需加工的差速器壳体内球面尺寸分别为S=f138.5mm、f124mm、f161mm。工件材料：球墨铸铁QT450-10（芯部硬度HB150～190)。加工精度要求：相对于基准的位置度公差为f0.03mm，表面粗糙度Ra1.6?m。切削用量：切削速度vc=2m/s，进给量f=0.4mm/r，切削深度ap=3mm。加工机床：S1-296A普通数控机床。

刀具设计步骤如下：

1、根据被加工零件材质及加工要求，刀片材料选用YBM251硬质合金刀片。

2、根据被加工零件特点及切削参数，刀片紧固形式设计为螺销、压板复合压紧式结构。

3、可转位刀片型式选用菱形国标通用刀片，刀尖角为55°，法向后角为7°，单面有HR型断屑槽，刀片厚度S=3.97，刀尖圆角半径re=0.4±0.1mm；根据加工精度要求，刀片精度选用M级。确定可转位刀片型号为DCMT11T304-HR。

4、刀片切削刃长度Sa=ap/sinkrcosl=3/sin62.5°cos-4°=3.39mm；粗车时应满足切削刃长度L≥1.5Sa=5.086mm，所选刀片的主切削刃边长L≈11.6mm，可满足切削要求。

5、 车刀刀杆槽的几何角度设计

已知参数：刀片法向后角anb=7°，刀片刃倾角lsb=0°；车刀的独立角度kr=62.5°，ls=4°，预选后角ao=4°；刀杆槽主偏角krg=kr=62.5°，刀杆槽刃倾角lsg=ls=-4°。则刀杆槽前角gog可按下式计算：

tangog=(tananb-a0/cosls)/1+tananbtanao/cosls)coslsg=0.052364957 

可得aog=2.9975528°，取aog=3°。

验算车刀后角ao：

arctan(tananb-tanaogcoslsg)cosls/(1+tananbgogcoslsg)=0.06992572

可得ao=3.99°，与预选后角ao=4°接近，表明预选后角值合理。

6、 确定可转位车刀刀杆与刀夹联结方式：根据机床型号及中心高，为增加刀杆强度，刀杆截面尺寸设计为不等截面，装刀刀夹与刀杆通过楔面自锁联结，可使刀具装卸快捷、准确、可靠。确定设计的机夹可转位车刀刀头如图3所示。

四、技术改造效益评估：

采用机夹可转位车削方法替代原球面锪刀加工方法后，不需制造和调整专用夹具，在数控机床上一次装夹即可完成差速器壳内球面的加工。由于减少了换刀等辅助工时，提高了数控机床的加工效率，刀具无需刃磨，耐用度提高，使生产效率提高2倍，刀具成本降低75%。由于避免了原加工方法因刀具重磨带来的加工误差，产品质量也得到有效保证。

作者简介：1995年大学毕业后，从事汽车后桥关键零部件的机加工和装配工艺多年，具有丰富的机械加工经验，熟悉autocad、ugnx三维设计软件应用，曾经主持的《差壳机加工线工艺改进》项目获江铃汽车集团2003年科技进步奖三等奖。在2004年省级质量管理QC成果发表大会上发表过两项QC成果，均获优秀奖。现任省级技术中心产品工艺师、专业技术组负责人。