小模數漸開線花鍵滾軋加工正確分齒條件的分析

張寶國

(濱州學院自動控制研究中心，山東濱州 256603)

漸開線花鍵作為一種重要的聯接方式廣泛應用于機械制造業中，特別是現代汽車、摩托車制造業大量采用模數小于1.5 mm的圓柱直齒漸開線花鍵聯接結構。對這種小模數漸開線花鍵的加工，采用傳統的切削加工方法，如滾銑、插齒等加工效率低，質量不穩定，已不能滿足現代汽車、摩托車工業的生產要求，迫切需要采用新技術來替代傳統的加工方法。目前利用冷滾軋成形技術成功地解決了模數0.3～1.5 mm等各種規格的小模數漸開線花鍵的加工問題，該項技術已在汽車、摩托車行業推廣應用，并取得了較好的社會經濟效益。冷滾軋成形是利用某些金屬材料在冷態(常溫)下的可塑性來加工工件的，在外力的作用下通過滾軋工具使坯件產生變形，從而形成與滾軋工具截面形狀相應的工件齒形輪廓。花鍵軸冷滾壓成形是一種新興的無切削、高效率、高質量的花鍵加工生產方法，不僅生產率高，而且能改善加工表面金屬組織，使其表面質量得到較大的提高，大大延長產品的壽命。

1 冷搓花鍵過程中出現“錯齒”現象

圖1所示的曲軸是我們合作企業在生產中遇到的一個零件，它是汽車渦旋空調壓縮機上的一個重要部件，上面有一段花鍵加工要求:EXT18z×0.5m×45R×6f(齒數z=18、模數m=0.5 mm、壓力角 α=45°)。傳統的銑削加工方法已不能滿足小模數漸開線花鍵加工要求，經我們調研，市場上最便宜的一款花鍵冷搓機價格是60多萬元人民幣，進口的價格更高，這是大多數中小企業無法承受的，我們只能放棄購買設備的想法。合作企業現有一臺搓絲機，平時用來加工螺栓，受冷滾軋加工技術的啟發，我們改造了這臺搓絲機，基本實現了花鍵的滾壓加工，但在加工中遇到了一個問題:經常出現花鍵齒數錯誤的情況，即齒數比圖紙要求少一齒或齒數比要求多一齒的現象，其中“多一齒”所占的比例比較大。

2 搓絲機冷搓花鍵的工作原理

搓絲機(見圖2)是生產螺栓、螺釘類緊固件以及外圓周螺紋的專用機械設備。搓絲機由傳動部分、曲臂部分和工作部分組成，包括機架、運行軌道、動搓絲板、定搓絲板和導料槽等組成。其工作原理是兩塊搓絲板在齒輪的帶動下做相對直線運動，同時擠壓兩板之間的工件，使工件外圓表面發生塑性變形，形成螺紋。花鍵冷搓(見圖3)是目前國內外采用的一種先進的花鍵冷成型加工方法之一，主要用于對高精度小模數花鍵的加工。其工作原理:工件置于兩齒條之間的頂尖上，通過上下齒條的橫向運動帶動工件作旋轉運動，在工件外圓表面擠壓出與齒條形狀相同的花鍵。冷搓螺紋與冷搓花鍵都是一種冷滾軋加工方式。我們嘗試把搓絲機的絲板換成花鍵板，基本在搓絲機上實現了冷搓花鍵。

3 “錯齒”現象原因分析

我們從以下兩個方面分析搓絲機冷搓花鍵過程中產生錯齒現象的原因。

3.1 工件直徑原因

冷搓加工是利用金屬的塑性變形來成形的，所以工件在冷搓前的直徑并非為工藝或圖紙所要求的花鍵外圓尺寸，比要求的尺寸要小，該尺寸需要經過理論計算得出后再經冷搓試件，達到了產品要求的齒厚、精度后，才能確定。經過理論計算、多次冷搓試驗，我們確定冷搓前工件的外徑尺寸應控制在8.87±0.02 mm，直徑過大，輕則搓出的齒數多于圖紙要求的齒數，重則造成悶車，破壞搓齒板及機床的正常工作，直徑過小，則可造成花鍵齒形不飽滿、齒數少于圖紙要求的齒數和花鍵大徑尺寸達不到圖紙要求的現象。因此，控制冷搓前毛坯直徑的尺寸非常重要。

3.2 左右花鍵板不同步的原因

在加工過程中，經常出現花鍵齒數為19齒的情況，即比要求齒數多一齒，“多一齒”的比例有時高達20%，這種情況是怎么產生的呢?目前市場上花鍵冷搓機與我們由搓絲機改造的花鍵冷搓機雖然工作原理上一樣，但設備的結構不完全一樣。如圖3所示，在花鍵冷搓機上，上下齒條相向運動，工件旋轉，在機床運行中，上下齒條之間的同步是借助安裝于頭架中心的同步齒輪和安裝于上下滑座上的成形齒條之間的嚙合來實現的，這樣在調試刀具時只要校正了上下齒條之間的對應位置，在加工過程中不會出現錯齒現象，即不會出現“多一齒”。但在搓絲機上，只是一個齒板運動，另一個固定不動，工件旋轉且隨運動齒板移動。如果動齒板與靜齒板在切入工件時齒板上花鍵齒形位置不對應，就會出現錯齒現象，出現19個齒形。

4 解決措施

通過以上分析我們發現，只要動齒板每次切入工件的位置有微小的改變都有可能造成兩個齒板的相對位置發生變化，造成花鍵齒數錯誤。在設備精度沒法再提高改進的情況下，我們經過深入研究、探討、多次試驗，利用以下方法基本解決了這個問題。

如圖4所示，我們把搓絲機的靜齒板換成同樣外形尺寸的無齒板，調整兩板之間的距離至合適位置，只用動齒板把工件表面搓出深度約0.1 mm的花鍵輪廓。然后再把靜齒板換上，利用工件上已搓出的花鍵輪廓定位導向，成功搓出花鍵。搓花鍵前，因為花鍵軸上有了導向溝，即使兩塊花鍵板切入工件時相對位置有一定的偏差，借助導向溝的導向，也能消除這種偏差。我們利用以上辦法，基本解決了花鍵錯齒問題。

5 結語

改造后的搓絲機，用來冷搓花鍵，通過以下措施，使搓出的花鍵齒數基本符合圖紙要求。

(1)合理控制花鍵軸冷搓前的直徑，應控制在8.87±0.02 mm。

(2)利用單板搓出的深0.1 mm導向溝，可消除花鍵板切入工件時的不同步誤差，大大減少了因兩塊齒板不同步造成的花鍵齒數錯誤的廢品數量。

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