经济型的花键生产方式

作者：信息来源:无忧标准件 2007-6-4

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花键及其它形状的齿形有很多种不同的加工方式，所有这些加工方式都具有工艺缺陷。针对不同类型的花键，可以采用特殊工艺来进行不同方式的加工。当给定的花键公差允许采用冷成形工艺，对比其它产生切屑的加工方法，采用冷成形工艺更具经济性（如图1所示）。尤其是采用冷成形工艺可以实现较短的生产节拍、较低的材料成本，在...

花键及其它形状的齿形有很多种不同的加工方式，所有

些加工方式都具有工艺缺陷。针对不同类型的花键，可以采用特殊工艺来进行不同方式的加工。

当给定的花键公差允许采用冷成形工艺，对比其它产生切屑的加工方法，采用冷成形工艺更具经济性（如图1所示）。尤其

采用冷成形工艺可以实现较短的生产节拍、较低的材料成本，在工件内部获得均匀的晶体结构以及较高的表面加工质量，这些都使冷成形工艺在花键加工方面更具优势。

图一采用冷成型工艺加工的样件

采用齿板加工方式的冷成形工艺在花键、油槽、螺纹、卡环槽和辊花加工方面体现了卓越的加工效果。如果一个零件具有多种上述齿形，这种加工方式可以一次完成全部或多种齿形的加工，从而降低了节拍时间。对比产生切屑的加工方法，采用冷成形工艺的节拍时间可以降低30%～70%。

另外，采用冷成形工艺能够提：高零件内部接近表面区域的金属组织的刚性，也是冷成形工艺的一个优势。这种工艺特性对零件的强度和耐用度的提高是有积极影响的，特别是通过冷成形工艺可以获得高质量的表面粗糙度。

冷成形工艺的加工原理

冷成形工艺是在加工过程中通过精确的压力来改变工件形状，迫使工件材料在压力下产生流动的一种加工方法。刀具挤入工件内部，迫使工件材料流向一个限定的空间。齿板式冷成形工艺的原理是两块齿板作相对运动，并逐渐压入旋转的工件内部。

如图2所示，冷成型工艺的原理显示了冷成形工艺过程的3个阶段。工件靠两个活动顶尖定位、夹紧；两个上下同步运动的冷成型齿条从相对的两侧同时啮合工作，首先冷成型齿条和工件处在磨擦阶段，在驱动工件放置的同时完成滚压成型加工；几秒钟后，滚压工序完成，卸下工件，齿条返回各自的初始位置。

图2 冷成型工艺的原理

承载齿板的两个滑台的运动同步性是很重要的，滑台的运动同步性是影响花键加工质量的主要因素。上、下齿板距离的变化将影响跨棒距的变化。搓齿前的工件直径的大小也是影响加工质量的另一个主要因素。搓齿用的刀具

在机床上安装有两块齿板，为了获得工件要求的花键齿形，齿板与工件的齿形是不同的。齿板分成3个不同区域：第1个区域为成形区，第2个区域为修正区，第3个区域为逐步衰减加工力区。在成形区域，齿板的齿逐步挤入工件内部（如图3所示）。

冷成形工艺的优势

冷成形工艺尤其适用于符合DIN 5480/ ISO 4156/ ANSI B92.2M标准的花键和类似齿形的加工，特别适合模数0.3～2的齿形。此外，压力角应大于25°，小压力角只有螺旋花键可以采用冷成形加工工艺。

冷成形工艺最大的优点之一是在花键末端无需一个较大的让刀区域，也不会像其它工艺，如采用铣削加工工艺，加工时会产生较大的根切。采用冷成形工艺，即使齿形与工件的台肩十分接近时，也可进行加工。

在冷成形加工过程中，不会对工件产生很大的热影响，工件的温度最高即是手福。工件温度可以通过特殊的冷却油进行降温。为达到环保的目的；也可以采用微量润滑。与其他成形工艺相比，冷成形工艺无需采用任何清洗措施，如磷酸盐清洗，所以在多数情况下无需设置额外的清洗工艺。

通过相应齿板夹紧装置的设计，冷成形工艺可以一次加工完成多种齿形，例如，一次完成花键和螺纹的成形，如果不同花键具有相同的直径和齿形，这些花键可以一次同时加工完成。如果多个花键且齿形不同，可以在一次加工中先后完成辊轧过程。根据如上可能的加工方案，多种齿形可以一次完成辊轧成形，这就大大降低了加工成本。

刀具根据齿形的要求设计，并采用金刚石砂轮进行数控磨削加工，所以，任何工件要求的加工特性都可以通过齿板的设计获得。例如，以一个微小的螺旋角度来辊轧花键，对于装配而言，内外花键的啮合就变得更加容易。刀具的最尺寸决定能否采用冷成形工艺，如果超过了限定的尺寸范围就不能采用冷成形工艺。刀具的长度根据工件的几何尺寸确定，如花键的模数、直径以及工件材质的硬度和抗拉强度。

冷成形工艺适用的材质

冷成形工艺基本上.适用于所有合金钢材料的成形加工，特殊情况下也可进行灰口铸铁或铝材质的成形加工。被成形材料应，具备均匀的晶体结构。锻造材料在辊轧前应经过回火工艺的处理。抗拉强度在600～800N/mm2之间的材料最适宜采用辊轧工艺。特殊情况下，被成形材料的抗拉强度还可以达到1200N/mm2。

冷成形工艺的FEM模拟

通过有限元分析可以计算冷成形工艺的复杂成形过程。从而研究冷成形的过程，并通过相应齿板的设计来改进工件辊轧后的几何特性。图5显示了冷成形加工过程中齿的形成过程。从中可以看出，甚至当齿中心的工件材料开始流动的时候，每个齿的内部应力分布也是基本相同的，且工件材料流动过程越稳定，加工质量就越高。

图5 冷成形加工过程中齿的形成

所以，加工过程中要尽可能地使工件材料同时流动，否则在齿的顶部将形成兔耳状的典型齿形。尽管大部分齿形偏差都在要求的公差范围内（如图6所示）。

根据有限元分析的结果，通过修正齿形可以降低冷成形工艺过程中的典型齿形偏差，从而获得最高质量的冷成形齿形。

工艺的经济性

较短的节拍时间和较长的齿板使用寿命，使得齿板式冷成形工艺成为极其经济的生产手段。对于抗拉强度在600～800N/mm2之间的材质，刀具的使用寿命超过10万个齿形都是可能的。齿板的硬度很高，可以多次重复修磨。

所以综上所述，一副齿板可以完成50万或更多齿形的加工。另外，与采用铣削加工工艺相比较，冷成形工艺具有更大的优势。对于一个24齿、模数为1、长50mm的花键，与铣削加工工艺比较，若采用冷成形工艺可以最大降低60%的加工时间，加工成本可以降至75%。