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摘要：介紹了花鍵冷搓工藝，并在成功研制出多種漸開線花鍵冷搓成形模具的基礎(chǔ)上，給出了漸開線花鍵冷搓成形模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則及制造方法。
關(guān)鍵詞：漸開線花鍵冷搓成形板式冷滾軋

一、引言

近年來，一些大型齒輪廠、變速箱廠相繼從國外引進(jìn)了冷搓成形設(shè)備及模具生產(chǎn)花鍵軸，以滿足國內(nèi)汽車工業(yè)及機(jī)器制造業(yè)對花鍵品種及使用量的日益增長的需求。采用冷搓成形工藝，使花鍵生產(chǎn)變得快捷高效、節(jié)能節(jié)材，并可提高花鍵機(jī)械性能及制造精度。從該工藝在國內(nèi)使用的初期至今，進(jìn)行了大量的理論分析、測試及試驗(yàn)研究，研制出多種漸開線花鍵冷搓成形模具，并已投入生產(chǎn)使用。本文給出冷搓模具的設(shè)計(jì)原則和一種模具制造方法，以期得到推廣使用，從而使國內(nèi)完全依靠進(jìn)口冷搓成形模具維持冷搓花鍵生產(chǎn)的狀況得以改觀。

二、花鍵冷搓成形工藝

該工藝是在冷搓機(jī)上，利用冷搓模具，使光軸毛坯邊轉(zhuǎn)動(dòng)邊產(chǎn)生塑性變形，最終在光軸上成形出花鍵的一種精密塑性成形工藝。將搓制出的花鍵軸進(jìn)行滲碳淬火即可得到成品。

冷搓機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，兩個(gè)滑塊2分別位于冷搓機(jī)機(jī)身的上、下導(dǎo)軌中，在液壓系統(tǒng)7的動(dòng)力作用下，兩滑塊可實(shí)現(xiàn)對向水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)(如圖1右圖所示)�；瑝K后部為齒條結(jié)構(gòu)，經(jīng)齒輪4傳動(dòng)，可使兩滑塊的運(yùn)動(dòng)保持同步；滑塊的前部用于安裝冷搓模具5。位于上、下導(dǎo)軌中間位置的前頂尖1和后頂尖3用于裝夾工件6。

圖1冷搓機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖
1.前頂尖2.滑塊3.后頂尖4.齒輪
5.冷搓模具6.毛坯7.液壓系統(tǒng)

冷搓模具結(jié)構(gòu)如圖2所示。模具上頂面為工作面，其余面及圓孔為安裝定位用。工作面為數(shù)百個(gè)參數(shù)各異的齒形面(如圖3所示)，按其在冷搓成形過程中的作用不同可分為三部分，即粗搓部分(l1部分)、精搓部分(l2部分)和退出部分(l3部分)。

圖2漸開線花鍵冷搓模具結(jié)構(gòu)示意圖

圖3冷搓模具工作部分齒形結(jié)構(gòu)圖

在冷搓機(jī)的上、下滑動(dòng)呈左右分開的狀態(tài)下，裝好冷搓模具，然后將經(jīng)退火處理后磨削加工得到的光軸毛坯送入冷搓機(jī)，使其被冷搓機(jī)的前、后頂尖頂住，并可自由轉(zhuǎn)動(dòng)。冷搓開始，上、下冷搓模具在各自滑塊的帶動(dòng)下產(chǎn)生對向同步運(yùn)動(dòng)，當(dāng)模具工作部分(齒形部分)與工件接觸時(shí)，模具上的齒一邊壓入工件，使其產(chǎn)生塑性變形；一邊帶動(dòng)工件轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)工件被帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)數(shù)圈之后，模具工作部分的所有齒都搓過了工件，此時(shí)即在光軸上成形出了所需花鍵。冷搓結(jié)束，在氣缸作用下前頂尖撤回并將花鍵軸取出，冷搓機(jī)滑塊回程進(jìn)入下一工作循環(huán)。

冷搓中，模具粗搓部分的起始齒將光軸毛坯咬入模具，并使毛坯產(chǎn)生少量塑性變形而呈現(xiàn)出凸起與凹槽，當(dāng)毛坯旋轉(zhuǎn)一周后，即出現(xiàn)與花鍵要求齒數(shù)相同的凸起和凹槽，從而實(shí)現(xiàn)順利咬入及準(zhǔn)確分度。此后，隨模具粗搓部分的齒形變化，毛坯上的塑性變形逐漸加大并完成齒廓成形。繼續(xù)搓制，模具精搓部分的齒開始起作用，此時(shí)，毛坯上已成形出的齒廓的表面發(fā)生少量金屬流動(dòng)，使所得齒的齒形角等參數(shù)得到校正，齒廓表面質(zhì)量得到提高。冷搓末期，已成形的花鍵軸在模具退出部分的帶動(dòng)下邊旋轉(zhuǎn)邊從上、下模具中脫離出來，此間，花鍵軸不產(chǎn)生塑性變形，只產(chǎn)生彈性恢復(fù)。

三、漸開線花鍵冷搓模具設(shè)計(jì)原則

參考圖2、圖3，設(shè)計(jì)工作包括整體尺寸設(shè)計(jì)及工作部分齒形尺寸設(shè)計(jì)。由于工作部分具有齒數(shù)多(通常為100～300齒)齒形參數(shù)各異的特點(diǎn)，使設(shè)計(jì)計(jì)算量很大，在研究中采用了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。下面僅介紹一下設(shè)計(jì)原則。

1.整體尺寸設(shè)計(jì)

(1)長度l

l＝(7～10)．t．z′(1)

式中t——冷搓模具的齒距
z′——花鍵的齒數(shù)

(2)高度h

h＝(H-d′f)/2(2)

式中H——冷搓機(jī)上、下導(dǎo)軌間的裝模高度
d′f——花鍵的齒根圓直徑

(3)寬度b

b＝b′+10mm(3)

式中b′——花鍵長度

2.工作部分尺寸設(shè)計(jì)

工作部分的全齒由直線型齒頂、齒側(cè)、齒底及各交匯處的圓弧構(gòu)成。由嚙合原理知，具有如此齒形的模具搓制出的花鍵具有漸開線齒廓。在設(shè)計(jì)中，針對模具的不同部分具有不同的設(shè)計(jì)原則。

(1)工作面各部分長度

l2＝(1.1～1.5)．z′．t(4)
l3＝(0.6～0.8)．z′．t(5)
l1＝L-l2-l3(6)

(2)齒距t

模具上所有齒間的齒距相同，按(7)式計(jì)算

t＝dp．π/z′(7)

式中dp——光軸毛坯直徑

(3)齒形角α

模具上所有齒具有相同的齒形角，并按(8)式設(shè)計(jì)

α＝cos-1(d′．cosα′/dp)(8)

式中d′——花鍵的分度圓直徑
α′——花鍵的齒形角

(4)齒頂高h(yuǎn)a及齒根高h(yuǎn)f

1)精搓部分

ha＝h′f(9)
hf＝h′a(10)

式中h′a，h′f——花鍵的齒頂高及齒根高

2)粗搓部分

粗搓部分齒頂高以精搓部分齒頂高為基準(zhǔn)以斜角�ⅵ�1向端部呈下降趨勢(如圖2、圖3右端)，�ⅵ�1值可取3′～5′，設(shè)計(jì)中初步確定了�ⅵ�1值后要按咬入條件進(jìn)行校核；粗搓部分齒根高與精搓部分齒根高相同。

3)退出部分

退出部分齒全高與精搓部分齒全高相同，同時(shí)以精搓部分為基準(zhǔn)向端部以斜角�ⅵ�2呈變位分布(如圖2、圖3左端)。

(5)齒厚S

1)精搓部分

式中α′p——花鍵上直徑為dp的圓上的壓力角
m′——花鍵模數(shù)

2)粗搓部分

齒厚由精搓部分向粗搓部分端部方向呈逐漸增加趨勢，總增加量ΔS為

ΔS＝(0.1～0.35)S(12)

3)退出部分

此部分齒厚與精搓部分齒厚相同。

(6)圓角r與r1

r表示模具齒頂面與齒后側(cè)面(如圖3左為后，右為前)的連接圓角及齒根處圓角，r1表示齒頂面與齒前側(cè)面的連接圓角。模具所有齒的r是相同的，可取0.35mm～0.58mm，r值初步選定后要按成形中不在花鍵齒根部分產(chǎn)生根切的條件進(jìn)行校核。與r不同，r1值是一個(gè)變量，在精搓及退出部分取r1等于r，而在粗搓部分，由粗搓部分起始端向精搓部分逐漸增加，變化范圍為0～r，初始齒r1為0，向右逐漸增大為r值。

四、冷搓模具的制造

模具制造的技術(shù)關(guān)鍵在于工作部分的齒形加工，冷搓模具長度多在580mm～812mm范圍內(nèi)，全長齒形累積誤差應(yīng)小于0.05mm，Ra值應(yīng)小于0.4μm，齒數(shù)多且齒形各異。針對以上情況，研究中采用了數(shù)控線切割加工后進(jìn)行研磨的方法，取得了成功。將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)所得到的齒形參數(shù)轉(zhuǎn)換生成數(shù)控加工代碼輸送給數(shù)控線切割機(jī)對模具毛坯進(jìn)行切割。由于模具長度大，常需采用二次定位及相應(yīng)加工代碼程序段的轉(zhuǎn)換，這一步驟應(yīng)謹(jǐn)慎操作。之后，再切割鑄鐵研磨板并對模具進(jìn)行研磨，最終得到合格的模具。這樣，冷搓模具的加工工藝過程如下：W6Mo5Cr4V2鍛坯—退火—粗加工整體尺寸—熱處理—磨削得到整體尺寸—數(shù)控線切割加工齒形—研磨齒形。

五、應(yīng)用

在研究中，按照以上設(shè)計(jì)原則及加工方法分別對天津大發(fā)變速器S70輸入軸漸開線花鍵及S70輸出軸中齒數(shù)為21和18的兩種漸開線花鍵進(jìn)行了冷搓模具的研制，均獲成功。圖4所示為所研制的S70輸出軸齒數(shù)為21的漸開線花鍵的冷搓模具。模具的調(diào)試及使用是在唐山齒輪廠NACHI冷搓機(jī)上進(jìn)行的。圖5所示為利用該模具所搓制出的漸開線花鍵軸，經(jīng)檢驗(yàn)達(dá)GB/T3478-1995 5級精度，經(jīng)裝配使用表明完全符合使用要求。該模具至今使用壽命已達(dá)2.5萬件。實(shí)踐證明，自制模具與進(jìn)口模具具有相同使用效果，而模具成本僅為進(jìn)口模具的1/2，制造周期縮短為進(jìn)口模具的1/3，可提前兩個(gè)月投入使用，加快了花鍵軸的生產(chǎn)進(jìn)度。

圖4自制的S70輸出軸漸開線花鍵冷搓成形模具

圖5冷搓得到的漸開線花鍵軸

六、結(jié)論

實(shí)踐證明，本文所提供的漸開線花鍵冷搓模具的設(shè)計(jì)原則是正確的；所給出的模具制造方法是可行的。按此自制出的冷搓模具完全可以取代進(jìn)口模具，同時(shí)可取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益。該設(shè)計(jì)原則及制造方法值得推廣使用。

作者單位：孫士寶崔世強(qiáng)河北科技大學(xué)(050054)
高才良高新燕山大學(xué)

參考文獻(xiàn)
1Harry Pelpbrey.Tooth Forming Tool.United states patent,3,015,243,Jan.2.1962
2上海市機(jī)械制造工藝研究所等編.金屬少無切削加工.上海：上海科技出版社，1983.

文章地址：http://shoneher.cn/Article/mjjs/200809/334.html