齒條扭曲液壓矯直機的設計

欒松年，王守城，牛甜甜

(青島科技大學中德科技學院，山東青島 266061)

齒條扭曲液壓矯直機的設計

欒松年，王守城，牛甜甜

(青島科技大學中德科技學院，山東青島 266061)

針對齒條經過滾齒加工后往往會發生扭轉形變的問題，分析了其產生原因，并設計了液壓矯直設備。通過3D建模軟件Solidworks對設備的機械結構進行設計和校核，并根據功能要求設計了液壓控制回路，提高了齒條的加工精度。

齒條;扭轉形變;校直;液壓回路

現在使用較為普遍的齒條加工工藝路線為:鍛毛坯→粗加工→調質→銑面→滾齒→打基準孔→磨削。

在齒條毛坯的調質過程中，由于表層和芯部的冷卻速度和時間的不一致，形成溫差，就會導致體積膨脹和收縮不均而產生熱應力。在熱應力的作用下，由于表層開始溫度低于芯部，收縮也大于芯部而使芯部受拉，當冷卻結束時，由于芯部最后冷卻體積收縮不能自由進行而使表層受壓芯部受拉。

這一部分力殘留在了毛坯的內部，起初的力處于平衡狀態，但當滾齒工藝完成的時候，平衡力遭到了破壞，殘余應力得到了釋放，導致齒條發生扭轉形變，最終影響齒條的加工精度和使用性能。通過扭曲液壓矯直機矯正后，可修正其加工精度。

1 機械部分設計

扭曲校直機的機械部分主要有夾緊裝置和扭轉裝置，其動力源均由液壓提供。夾緊裝置主要用于齒條兩端的固定;扭轉裝置是對固定住的齒條進行扭轉矯直。同時為了能夠針對不同長度的齒條進行矯直，增加了絲杠傳動副的設計。

1.1 夾緊裝置的設計

如圖1所示，分別為左夾具 (圖(a))和右夾具(圖(b))的設計方案。

圖1 夾具的設計方案

左右夾具的上方開螺紋孔來固定液壓缸，用于給齒條提供壓緊力，固定齒條;夾具的中空部分放置齒條，其中左側和底側有平面度要求，這兩個面用于定位齒條，使齒條在扭轉過程不會發生位移。

左夾具底部鉆一通孔并在孔的周圍攻螺紋，用于與絲杠螺母配合，繼而構成絲杠傳動副，使左夾具能夠做直線運動，達到可以針對不同長度的齒條進行扭轉矯直的目的。另外，防止扭轉力過大，把直線導軌擰彎，左夾具下方采用工字結構型導軌而不采用一般的直線導軌形式。

右夾具側面開孔不是為了只單純地對齒條端部進行夾緊矯直，而是要達到可以針對齒條各個部位進行扭曲矯直的目的。

假定對齒條進行扭曲矯直的最大扭矩為2×105N·m，通過Solidworks Simulation軟件對左右夾具分別劃分網格并進行有限元分析，見圖2。

圖2 夾具有限元分析

可以看出:左夾具的最大應力約為220 MPa，右夾具最大應力約為300 MPa，取安全系數為2的話，左右夾具應該選擇屈服強度在600 MPa左右的材料，故選擇45鋼，經濟適用。

1.2 扭轉裝置的設計

圖3為扭轉裝置的設計方案。

圖3 扭轉裝置示意圖

圖中兩側各有一個雙桿液壓缸，缸的下端通過銷釘與底座進行鉸連接，可以自由轉動;在缸筒的側面加工一個耳環結構，與中間的菱形鋼板通過銷釘進行鉸連接，也可以自由轉動。發生扭轉時兩側的液壓缸缸筒一個向上運動一個向下運動構成一個扭矩，提供扭轉力矩。菱形鋼板主要為扭矩提供支撐，中間采用花鍵結構，可以傳遞較大的扭曲，并與第1.1節介紹的右夾具通過一根空芯軸連接。

1.3 整體結構設計

整體結構圖如圖4所示。

圖4 扭曲液壓校直機的機構結構

首先，將齒條的兩端固定在左右夾具上，通過左右夾具上方的液壓缸對齒條進行壓緊;然后由菱形鋼板兩側的兩個反向運動的液壓缸提供扭矩，然后通過一根空心的軸將此扭矩由菱形鋼板傳遞到右夾具上，從而對齒條進行扭轉矯直。

左夾具通過下方的絲杠傳動副可以在直線方向實現500～2 000 mm的自由移動，以此達到對不同長度的齒條進行扭轉矯直的目的。由于對傳動精度無任何要求，為節約成本采用手輪對絲杠的進給進行調節。

底座支架由厚度為40 mm的鋼板焊接而成，采用低碳鋼Q235為原料，易于焊接。整個設備長度為2 600 mm，寬度為1 500 mm，高度約為1 200 mm。

2 液壓控制回路的設計

根據機械結構的性能和特點，設計夾緊裝置和扭轉裝置動力部分的液壓控制回路，來完成既定的控制動作。圖5中回路a為扭轉回路，回路b為壓緊回路。

圖5 齒條扭曲矯直機液壓回路的設計

2.1 夾緊裝置液壓控制回路的設計

夾緊裝置主要用來對齒條進行固定，只需保持穩定的工作壓力即可，故采用減壓回路。

夾緊裝置的液壓控制回路見圖5回路a。回路中串聯一個定值輸出的減壓閥3和單向閥4，主要用于防止當主油路壓力由于某種原因低于減壓閥的調定值時，使夾緊缸6和7的壓力不受干擾而突然降低，起到短時間的保壓作用;夾緊缸6、7采用同一尺寸參數的液壓缸，可以保證兩個缸同時夾緊或者同時松開;三位四通電磁換向閥5用于換向。

2.2 扭轉裝置液壓控制回路的設計

扭轉裝置主要用來給齒條提供扭轉時的力矩，要求液壓缸運行平穩，避免扭轉時液壓缸伸縮過量造成齒條的扭曲破壞，所以要求對液壓缸的行程有較精確的控制。

扭轉裝置的液壓控制回路見圖5回路b。由于齒條已經經過回火處理，大部分殘余應力已經消除，扭曲變形量不會很大，故矯直該變形量的扭轉角度也不需過大，過大反而可能造成齒條的斷裂。所以可將由液壓缸所提供給菱形鋼板的旋轉運動近似為一個缸的豎直向上運動和一個缸的豎直向下運動。

扭轉裝置在機械結構上可以確保兩缸同步。兩個液壓缸的結構和尺寸完全相同，可以保持速度和推力相同，可以減少轉軸所受的不平衡徑向載荷，保證設備運轉平穩可靠。

回路中的節流閥可以根據需要調節回路流量，從而達到調節液壓缸運行速度的目的;同時加入一個壓力的負反饋控制系統，將進油口壓力大小的模擬信號轉化為電信號，然后與輸入信號進行減運算，通過放大器對比例溢流閥的開啟大小進行控制，達到控制進油口壓力，從而可以調節扭矩大小，以防扭矩過大造成齒條損壞。

3 結論

齒條扭曲液壓矯直機能夠真正改善齒條對于直線度方面的要求，與以往的人工經驗矯直相比，自動化程度明顯提高，節省人力物力;部分齒條因為長期或者非正常使用后，也可能會出現齒條精度方面不能滿足其使用要求的情況，此時若采取更換零部件的方式，則造成一定的浪費，經常更換甚至會耽誤正常生產活動，而采用扭曲液壓矯直機可以大大提高齒條的精度，帶來巨大的經濟效益。

【1】王守城，容一鳴.液壓與氣壓傳動［M］.北京:北京大學出版社，2008.

【2】楊逢瑜.電液伺服與電液比例閥控制技術［M］.北京:清華大學出版社，2009.

【3】陳超祥，葉修梓.Solidworks Simulation基礎教程［M］.北京:機械工業出版社，2010.

【4】劉培基，王安敏.機械工程測試技術［M］.北京:機械工業出版社，2003.

【5】王萌.精密直線導軌矯直機設計與分析［D］.武漢:武漢理工大學，2010.

【6】張秀華.幾種帶補償措施的雙桿串聯缸新同步回路的分析［J］.機床與液壓，2010，38(4):61－63.

Design for Rack Torsion Hydraulic Straightening Machine

LUAN Songnian，WANG Shoucheng，NIU Tiantian
(Sino-German Technical Faculty，Qingdao University of Science and Technology，Qingdao Shandong 266061，China)

Aiming at the problem of the rack always deformed in torsion after hobbing，the reason of deformation was analyzed，and furthermore，the hydraulic straighteningmachinewas designed.Themechanical structure of themachinewas designed and checked with the three dimensional(3D)modeling software Solidworks，meanwhile the hydraulic control circuitwas designed according to the requested functions，so that themachining precision of the rack can be improved.

Rack;Torsion deformation;Straightening;Hydraulic circuit

TH137

A

1001－3881(2013)8－013－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2013.08.005

2012－03－01

欒松年 (1986—)，男，碩士研究生，研究方向為液壓傳動與控制技術。E－mail:278972886@qq.com。