渐开线花键加工方法进展

Mining & Processing Equipment
渐开线花键加工方法进展
第 ３５ 卷 ２００７ 年第 ２ 期 度不易控制。 受滚压头结构限制， 冷滚挤不适合加工齿数较 多的花键，一般齿数不超 过 ２０ 个。挤压时轴向力 过大，工件易形成墩粗和 弯曲，因此不适合加工细 长工件。 由于工件通过滚轧轮 时只需克服摩擦力，因此 表面的剪应力小，花键的 机械强度高；滚轧轮的寿 命较长；表面粗糙度可达 Rａ ０．４；挤压一次通过即可 完成，因此生产率非常 高，适合大批量生产。 ２．２．２ 冷打花键 冷打花键工艺是利用 金属材料在冷态下具有一定塑性变形能力的特点， 用一对与花键齿形一致的滚轮作为打轮，在高速旋 转时打击工件而达到成形的目的［ ６ ］ 。 冷打花键的工作原理如图 ２ 所示。打轮的齿形与 工件的齿槽 （花键齿槽） 完全一致。一对打轮装在打轮 轴上，位置对称，绕打轮轴高速旋转的同时自转。工 件轴线与打轮轴线垂直，同时做轴向进给运动。打轮 轴每旋转一周，工件要转过一个齿距，打轮打击工件 一次，从而在全长上均匀形成齿槽。 图１ 滚轮冷扎花键 成形原理
第 ３５ 卷 ２００７ 年第 ２ 期
渐开线花键加工方法进展
论文编号：１００１－３９５４（２００７）０１－０１１６－１１９
渐开线花键加工方法进展 ＊
＊＊ 崔凤奎 １，２
１ ２
李
言２
李春梅 １
４７１００３
河南科技大学机电工程学院 河南洛阳
西安理工大学机械与精密仪器工程学院
摘要：渐开线花键的高精度和大批量生产要求企业在渐开线花键的加工中运用先进的加工 方法。本文针对渐开线花键的特点，分析了渐开线花键传统的切削加工方法和无屑加工的 原理，总结了各种加工方法的特点、加工精度和适用范围，提出了渐开线花键加工技术的 发展方向，为企业进行渐开线花键加工方案的制定提供了一定的参考。 叙词：渐开线花键 切削加工 无屑加工 冷滚轧 专用花键铣床和成形铣刀实现批量花键加工。 成形法的另一种加工方法是在专用自动机上用成 形刨刀进行刨削加工渐开线花键。
冷 滚 挤 冷 挤 压 成 形 冷 挤 压 加工方法
渐开线花键加工方法进展
表２
渐开线花键无屑加工方法对比分析
加工精度 适用范围 加工特点 生产率较 适于加工 齿数较少的 高 小 模 数 花 键，不 能 加 工长轴花键 生产率高
工具设备
表面可 机床简单，模 达 Rａ０ ． ８ ， 具易磨损 强度、硬 度、抗弯 扭能力提 高
［５］
。
１１７ １１７
Mining & Processing Equipment
第 ３５ 卷 ２００７ 年第 ２ 期 轮分别装在 ２ 根主轴上，两滚轧轮同步、同方向旋 转，工件以两端中心孔定位夹紧，始终与两滚轮处于 自由对滚状态。在滚压力的作用下，２ 个轧轮径向进 给挤压工件，产生摩擦力矩带动工件旋转，滚轧轮克 服工件材料的变形抗力，使工件产生变形，直到滚轧 轮与工件完全啮合，在工件表面上滚轧出齿形。 两轮滚轧展成法加工花键有着塑性加工共同的特 点，即表面质量好，生产率高，适合大批量生产；工
通 用
图２
冷打成形法加工花键
冷打花键的成形精度很大程度上取决于机床分度 机构的精度和打轮的制造精度，因此较容易加工高精 度花键。冷打加工过程中齿形形成不是完全依赖挤 压，而是包括挤压和高速敲打，使花键轴只产生局部 塑性变形，精度高，表面质量好，能接近磨削花键精 度。由于塑性加工及冷作硬化效应，齿面强度、耐磨 性能都得到了提高。 冷打加工生产率非常高，一般比切削加工提高 ８ ￣ １５ 倍。冷打花键用滚轮寿命长。 冷打成形法克服了滚轧、冷搓等加工花键模数较 小、加工花键长度较短的缺点，主要用于加工较大模 数的花键和长轴类花键。广泛用于汽车、拖拉机传动 轴花键的加工。 ２．２．３ 齿形滚轮式冷轧花键 齿形滚轮式冷轧花键基于展成法原理，利用工 件和滚轧轮的啮合对滚，形成与滚轧轮截形相应的 齿形 ［ ７ ］ 。该技术已经广泛应用于汽车、拖拉机行业。 齿形滚轮式滚轧花键有轴向两轮滚轧、径向两轮滚轧 和三轮滚轧等。较为常见的是在滚轧机 （也可使用滚 丝机） 上使用径向两轮滚轧。 工作原理如图 ３ 所示。采用一对参数相同的滚轧
１．２ 展成法
展成法是利用无侧隙啮合时两轮的齿廓互为包络 线的原理进行加工。加工时刀具与工件毛坯的运动呈 啮合运动，刀具切削刃在毛坯上包络切出渐开线齿 廓。 利用展成法加工原理进行渐开线花键轴加工的方 法主要有 ２ 种： （ １ ） 使用专用渐开线花键插齿刀在插齿机上加 工。插齿刀相当于一个齿轮或者齿条； （ ２ ） 使用渐开线花键滚刀在滚齿机上加工外花 键。可以实现连续加工，生产率较高。 用展成法加工花键，可以用同一把刀具加工模数 和压力角相同的不同齿数的花键。因此展成法应用较 为普遍。 常用于渐开线外花键的切削成形方法的对比分析 如表 １ 所示。 表１
１．１ 成形法
成形法是利用与齿廓曲线相同的成型刀具在机床 上直接切出花键齿槽而加工出齿形的加工方法。 常用的成形法加工是铣削花键。即在铣床上用轴 向剖面形状与被切花键齿槽形状完全相同的铣刀铣削 花键。铣削一个齿槽后，分度头将齿坯转过 ３６０° ／ z， 再铣削下一个齿槽，直到铣削出所有的齿槽。 由于渐开线齿廓形状取决于花键模数、齿数和压 力角。因此欲加工精确齿廓、模数和压力角相同、齿 数不同的花键，应采用不同的刀具。生产中通常采用 同一型号铣刀切制相同模数、不同齿数的花键，故齿 形通常是近似的。 铣削花键可以在普通卧式铣床上实现。通常采用
２．２ 滚轧成形花键
２．２．１ 滚轮冷轧花键 （冷滚挤成形花键） 冷滚挤成形花键是使用一组截面形状与花键齿形 一致的滚轧轮，使工件通过滚轧轮从而轧出齿形 属于成形加工。 滚轧冷轧花键的成形原理如图 １ 所示。滚轧轮的 截面形状与工件花键齿形相同，工件在压力机上受压 通过由滚轧轮组成的挤压头 （相当于模具），花键齿形 被挤压成形。在挤压过程中，滚轧轮无须驱动，在摩 擦力的作用下，滚轧轮与工件之间产生相对滚动。 花键形成的精度主要取决于滚轧轮的安装精度， 而滚轧轮的安装调试较困难，刚性不足，因此花键精
滚轮设计制造 表面 R ａ 困 难 ， 不 同 花 ０．４￣０．８ 键需专用滚轮， 冷 容易磨损，需 滚 专用机床 轧 刀具的设计、 表面可 成 形 齿轮 制 造 和 维 护 容 达 工具 易，不同花键可 Rａ０．８￣１．６ 冷轧 通用刀具，寿命 长，需专用机床 冷 打
生产效率 比切削加工 高，较冷轧 和冷挤压略 低 。 生产率高
２
渐开线花键的无屑加工
无屑加工指采用金属塑性成型的方法加工花键。 一般是在常温下，利用金属具有一定塑性的特点，采 用挤压或者滚轧毛坯的方法，使工件产生塑性变形而 形成渐开线齿形轮廓［ ３ ］ 。 无屑加工的各种方法名称不甚统一。本文通过分 析，按照加工方法特点和通用名称分类如下。 按照其加工特点，可以分为挤压成形和滚轧成形 两类。 挤压成形法是使毛坯通过模具挤压出需要的花键 齿廓形状。滚轧成形是滚轧工具在转动的同时压入工 件毛坯，使毛坯表面层产生塑性变形，从而形成所要 求的花键齿廓形状。该方法根据所用的工具的不同又 分为滚轮冷轧花键 （又称为冷滚挤）、冷打花键 （文献 ［２］中称为滚轧） 、用齿轮形工具冷轧花键、用齿条形 工具冷轧花键 （又称为冷搓） 等方法。
２．１ 挤压成形花键
冷挤压成形花键是利用压力使毛坯通过模具，经 过材料的塑性变形，在工件表面挤压出齿形。可分为 轴向冷挤和径向冷挤［ ４ ］ 。 冷挤压花键工艺的工作过程为：毛坯在冲头的推 进和夹具支撑下，通过模具，经过材料的塑性变形， 在工件表面挤压出齿形。 冷挤压加工花键在形状精度上易形成的缺陷是局 部墩粗。由于在挤压过程中，部分金属产生轴向流 动，从而造成端部墩粗。需要在设计冲头时采取一定 措施减少金属轴向流动。同时，由于受模具的限制， 挤压成形花键适合加工齿数较少、模数较小、批量较 大的花键。 冷挤压成形花键的齿形精度由模具决定，但模具 易磨损。 与切削法加工相比，采用冷挤压成形技术加工花 键，轴向挤压生产率提高 ６ 倍，径向挤压生产率提高 ２ 倍以上；产品表面硬度可提高 ３０％～５０％，表面光 洁度可达 R ａ ０．８；抗弯、抗扭强度均比切削加工有所 提高。
机床简单，挤 花键精 小模数花 压头结构复杂， 度不易控 键，不宜加 调整困难 制 工细长轴花 键，花键键 数不能过多 适于加工 大模数，长 轴花键带台 阶轴会发生 干涉 限于小模 数
图３
齿轮工具滚轧花键
件精度与滚轧轮精度相关，可以达到较高精度；刀具 制造较成形刀具容易，并可反复重磨使用，寿命较 长。但仅仅适合加工小模数渐开线花键。 ２．２．４ 齿条滚轧板式冷轧花键 滚轧板式冷轧花键与齿形滚轮式冷轧花键加工原 理一致，用齿条工具代替了齿轮。加工原理如图 ４ 所 示。２ 个上下对称的齿条形式的滚轧板，同步相对做 相互平行的交错运动，带动被轧工件旋转 （被轧工件 无驱动） ，在上下的齿条工具间一面滚动一面产生塑 性变形。随着滚轧板齿的逐步升高，花键逐渐成形， 也叫花键冷搓加工［ ８ ］ 。
加工方法 成 形 法 铣削
１１６ １１６
通 用
１
渐开线花键的切削成形方法
渐开线花键的传统加工方法为切削加工。按齿形
［２］
成形原理的不同，将渐开线花键切削成形方法分为成 形法和展成法 ２ 种 。
渐开线花键切削成形方法的对比分析
设 备 加工精度 ６～７ 低 加工特点 齿形精度较 生产类型 单件小 批生产
需专用机床， R ａ ０ ． ４ ， 可加工近轴 生产率较 齿条 设备成本高，齿 精度较高 肩 花 键 ， 限 高 工具 条工具设计制造 于 小 模 数 ， 冷轧 简 单 ， 可 通 用 ， 不适用于大直 径轴花键 寿命长
＊ 本论文得到了河南省自然科学基金 （编号：９９４０４１８００）、河南 省科技攻关计划 （编号 ： ９９１１１０１０８） 和河南省教育厅科技攻关项 目 （编号 ： ２００６１０４６４００２） 等的资助。 ＊ ＊ 作者简介：崔凤奎，男，１ ９ ５ ７ 年生，河南漯河人，河南 科技大学教授， 西安理工大学博士生。研究方向：先进制造技 术，制造业信息化技术。
展 成 法
卧式铣床或 专用花键铣床 专用自动机 插齿机
刨削 插齿
６～７ ６～７ ５～７
Baidu Nhomakorabea
花键铣床或 滚齿 滚齿机
精度较低， 表 面 质 量 不 高 ， 大批生产 适合粗加工 属于断续加 大批生产 工 连续加工， 大批生产 生产效率高
由表 １ 分析可知，切削加工花键方法有如下特 点： （１） 针对齿面加工精度而言，采用成形法用成形 铣刀加工花键时，齿形精度取决于铣刀形状，选用齿 形近似的铣刀，精度难以保证。采用展成法加工花键 时，精度主要受机床精度影响。展成法加工花键精度 较成形法高，一般可达 ６～７ 级精度； （２） 从加工设备和刀具设计方面来看，成形法铣 削花键可在一般卧式铣床上进行，但不同花键需使用 不同的铣刀。展成法加工花键，插齿方法需要专用的 插齿刀和插齿机设备；滚齿方法在滚齿机上加工，相 同模数和压力角的花键可使用同一把滚刀；
（３） 从加工效率来看，成形法铣削花键生产率较 低。在滚齿机上加工花键可连续切削，效率高于铣削 花键和在插齿机上加工花键，应用较普遍。采用专用 花键铣床自动分度铣削花键生产效率比滚齿方法高， 但刀具和机床设备成本较高； （ ４ ） 使用切削成形方法加工花键，金属纤维断 裂，表面质量不稳定，一般需要增加磨齿工序提高表 面质量。
花
泛。
键一般都用于承受载荷较重的场合。但是花
键对传动轴的强度有削弱作用，由于受整体
结构的限制，传动轴的轴径尺寸不能过大。而渐开线 花键的齿根厚，齿根圆角较大，且在使用中大多采用 齿形定心，从而可使多个齿形同时接触，联接强度 高。因而渐开线花键适用于载荷较大的汽车和拖拉机 的传动轴，在汽车、拖拉机行业的应用也越来越广 对汽车、拖拉机行业而言，渐开线花键的加工工 艺需要满足大批量生产和高精度的要求。但是渐开线 花键加工需要使用专用的机床和工具，使其受到一定 的限制。因此对渐开线花键的加工方法进行研究具有 重要的意义和实用价值。 目前渐开线花键的加工工艺，有传统的切削加工 和无屑加工 （塑性加工方法）。无屑加工具有生产效率 高等突出优点，将成为发展的主流。