（材料加工工程专业论文）花键冷滚压工艺与实验研究.pdf

中文摘罗 花键冷滚压工艺与实验研究 中文摘要 随着航空、航天、汽车及机械工业的迅速发展，我国对花键的生产水平提出了 新的要求。近年来，花键冷滚压精密成形技术因其高效、低耗、高强度和高精度等 优点在欧美和日本等发达国家得到了迅速发展。目前国内花键冷滚压精密成形工艺 与理论方面的研究刚刚起步，因此，吸引了许多研究单位和学者做了大量的研究， 建立了各种花键冷滚压理论模型，但是各理论模型的工艺参数的计算公式始终未能 准确可靠的指导生产，实际加工时还是建立在大量试滚的基础上。 本文对花键冷滚压精密成形理论及工艺参数进行了理论分析，利用z 2 8 k j - 2 0 型 数控滚压机进行了花键冷滚压试验，并通过构建数据检测系统，首次检测到了花键 冷滚压过程中的滚压轮转速、工件成形受到的径向压力及切向力的动态变化曲线。 实验分析了花键冷滚压精密成形工艺参数与设备参数之间的关系，并通过改变工艺 参数( 滚压轮转速、进给速度和工作行程) ，分析了它们对滚压力的影响规律，确 定了最匹配工艺参数，滚压出了高精度、高质量的花键，并依据花键冷滚压过程径 向压力的变化曲线，分析了滚压成形过程。为花键冷滚压技术理论的进一步研究奠 定了可靠基础，也为设计和选用冷滚压设备与装置提供了依据，构建的数据检测系 统，为将来实现花键冷滚压加工的各工艺参数远程监视功能提供了初步方法和依据。 本课题在工艺分析和实验研究的基础上，为进一步研究花键冷滚压精密成形工 艺和花键冷滚压生产提供了理论依据和可靠的实验数据基础，具有理论价值和现实 意义。 关键词：花键；冷滚压工艺；滚压力；数据检测：影响规律 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g i ca n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fs p h n ec o l dr o l l i n g a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o ft h ed o m e s t i c a v i a t i o n ，a e r o s p a c e ， a u t o m o t i v ea n d m a c h i n e r yi n d u s t r y ，n e wd e m a n d si n l e v e lo fs p l i n e p r o d u c t i o nw e r ep u tf o r w a r d i nr e c e n ty e a r s ，p r e c i s i o nf o r m i n gt e c h n o l o g y h a sar 印i dd e v e l o p m e n tf o ri t s h i g he f f i c i e n c y ，l o wc o n s u m p t i o n ，h i g h i n t e n s i t y a n dh i g h p r e c i s i o n ，e t c i n e u r o p e ，a m e r i c a ，j a p a na n do t h e r d e v e l o p e dc o u n t r i e s h o w e v e r ，t h er e s e a r c h e so nd o m e s t i cp r e c i s i o nf o r m i n g p r o c e s sa n dt h e o r yo fs p l i n ec o l dr o l l i n gs t i l li ni t si n f a n c y t h e r e f o r e ，al o to f r e s e a r c hu n i t sa n dal a r g en u m b e ro fr e s e a r c hs c h o l a r sh a v eb e e na t t r a c t e d a n ds e tu pav a r i e t yo ft h e o r e t i c a lm o d e l s ，b u tt h ep a r a m e t e r so ft h e o r e t i c a l m o d e l sf o rc a l c u l a t i n gt h ep r o c e s sh a v en o tb e e na b l et og u i d et h ep r o d u c t i o n a c c u r a t e l ya n dr e l i a b l ya n di ta r ea l w a y ss e tu p o nt h eb a s i so fal a r g en u m b e r o ft e s tr o l l i n gi na c t u a lp r o d u c t i o n t h i sp a p e ra n a l y s i si ns p l i n ec o l dr o l l i n gp r e c i s i o nf o r m i n gp r o c e s st h e o r y a n dp a r a m e t e r s ，a n dd i ds o m et e s t si ns p l i n ec o l dr o l l i n go nz 2 8 k j 一2 0c n c ， a n dt h r o u g hb u i l d i n gad a t ad e t e c t i o ns y s t e m ，t h ed y n a m i cc h a n g e sc u r v e so f t h er o l l i n gs p e e d ，t h er a d i a lf o r c ea n dt h es h e a rf o r c eo fw o r k p i e c ei nt h e f o r m i n gp r o c e s so fs p l i n ec o l dr o l l i n gp r o c e s so fr o l l i n g t h ep a r a m e t e r s r e l a t i o n s h i pb e t w e e ns p l i n e c o l dr o l l i n g p r e c i s i o nf o r m i n gp r o c e s s a n d e q u i p m e n t w e r e a n a l y z e d i nt h i sp a p e ra n db y c h a n g i n gt h ep r o c e s s p a r a m e t e r s ( r o l l i n gs p e e d ，f e e dr a t ea n dw o r kt r i p ) a n a l y z e dt h ei m p a c to f f o r c el a wo nt h er o l l i n g ，m e a n w h i l et h eo p t i m a lp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw e r e d e t e r m i n e d f r o mw h a tt h em a x i m u mr o l lp r e s s u r ec a nb ec a l c u l a t e da n dr o l l o u tt h eb e s ts p l i n e b a s e do nt h ec u r v e so ft h er a d i a lf o r c eo ft h ec o l dr o l l i n g p r o c e s s ，a n a l y z e dt h ef l o w - f o r m i n gp r o c e s sa n dt h er e s u l t sp r o v e dt h a tt h e f o r m i n gs i z eo fs p l i n e ，h a r d n e s sa n ds u r f a c er o u g h n e s sr e a c h e dt h et e c h n i c a l r e q u i r e m e n t s t h ed y n a m i ct e s t i n ge x p e r i m e n t so nt h er o l l i n gs p e e d ，t h e r a d i a lf o r c ea n dt h es h e a rf o r c ep r o v i d e dt h eb a s i sf o rt h ed e s i g n i n ga n d i i i t h et e c h n o l o g i ca n de x p e r i m e n t a ls t u d yo fs p l i n ec o l dr o l l i n g s e l e c t i n gt h ec o l d r o l l i n ge q u i p m e n ta n dd e v i c e s ，t h eb u i l t d a t ad e t e c t i o n s y s t e mc a na l s op r o v i d e ap r e l i m i n a r yb a s i sa n dm e t h o d sf o rt h ef u t u r e r e m o t em o n i t o r i n gf u n c t i o no fp r o c e s s i n gp a r a m e t e r si ns p l i n ec o l dr o l l i n g p r o c e s s b a s e do nt h et e c h n o l o g i ca n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d y ，t h i sp a p e r p r o v i d e dt h et h e o r e t i c a lb a s i sa n dr e l i a b l ee x p e r i m e n t a ld a t af o rt h e f u r t h e r s t u d yo fp r e c i s i o nf o r m i n gp r o c e s so fc o l dr o l l i n ga n ds p l i n ec o l dr o l l i n g p r o d u c t i o n s oi th a si m p o r t a n t t h e o r e t i c a lv a l u e sa n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e s k e yw o r d s ：s p l i n e ；c o l dr o l l i n gp r o c e s s ；r o l l i n gf o r c e ；d a t a d e t e c t ；t h e i m p a c to f t h el a w 声明户明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 作者签名： 呈丝塑叁 日期： 2 ：二z ：乏：! 兰 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原科技大学有关保管、使用学位论文的规定， 其中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件、 复印件与电子版；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制 并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可 以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 作者签名： 张虿明乏 日期： 加勺7 7 乞 导师签名：日期： 兰! ：z ：! 兰 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 由于新技术新工艺的广泛应用，促进了我国机械行业的发展，很多领域已经接 近或达到了国际先进水平，进而带动了许多相关产业的技术进步。 在各种机械传动系统中，花键用于轴与轴回转零件或摆动零件之间的联接，这 种联接可为固定联接，也可为导向联接。在形式上，把它分为外花键和相配的内花 键两种。渐开线花键具有传动平稳、自动定心、齿面接触好、寿命长、结构紧凑、 重量轻、启动承载能力好、允许有较大的配合间隙等优点，广泛应用于航空、航 天、汽车、造船、拖拉机及重型机械等行业。随着国内航空、航天、汽车及机械工 业的迅速发展，特别是汽车工业的迅猛发展，在轿车和微型车中，有大量的模数在 1 5 m _ r r i 以下的小模数花键【1 1 。花键过去都是采用传统的金属切削方法生产的，而加 工高强度、高精度的工件费时费力，效率极低，机械性能和表面质量差，而且浪费 材料和能源，难以满足各行各业发展的需要。 据统计，在花键的所有失效形式中，由表面性能不足引起的磨损、疲劳和腐蚀 等占了7 0 以上，这些失效形式主要与表面粗糙度、硬度、划痕、裂纹等表面状态 有关。表面粗糙度越大，花键的耐磨性和密封性能越差，而且易产生疲劳断裂；花 键的接触刚度和耐蚀性等也与表面质量密切相关，直接影响到花键的效用和整机的 使用寿命拍。因此，提高花键的表面质量是提高零件性能的重要突破口。如今，世 界花键加工领域的发展主流是采用了一些少、无切削的精密冷成形新工艺加工，可 以有效提高零件表面性能。瑞士g r o b 公司已开发生产出了花键精密成形设备，并 具有一套完整的生产工艺及冷成形模具的设计制造技术。美国肯尼福集团( k i n e f a c c o r p o r a t i o n ) 是美国花键、齿轮及螺纹冷成型技术领域的龙头企业，同时也是美国花 键、齿轮及螺纹冷成形技术的领导者和美国此技术标准的首要起草者，它拥有美国 众多专利与领先技术的花键、齿轮冷成形设备，专门适合冷成形各种内外花键、齿 轮。德国宝飞螺技术有限公司集花键轴冷成形机床，模具，技术三位一体，己经生 产出配备数控装置的冷成形机床，有成熟的生产工艺及技术，使得成形工艺能够应 用于花键批量生产，从而获得了很好的技术经济效益。 这些新的花键冷成形方法名称不统一，经分析可分为冷挤压成形、冷滚挤成 形、冷搓成形、冷打成形和冷滚压成形。它们有着传统切削加工无与伦比的优越 性，随着机械工业的发展得到越来越广泛的应用。它们的特点是：工件的变形量 花键冷滚压工艺与实验研究 小，并仅限于材料表层；加工精度高，成形后的齿形不需要后续加工。根据大量资 料调查研究，发现花键冷挤压成形、冷滚挤成形、冷搓成形和冷打成形工艺在实际 的生产中，出现了各种各样难以解决的问题： ( 1 ) 花键冷挤压技术难点：在花键冷挤压过程中，由于部分金属产生轴向流动， 从而易造成端部墩粗。而且，由于受模具的限制，挤压成形花键适合加工齿数较少 的小模数渐开线花键轴，不适合加工长轴花键p 4 j 。 ( 2 ) 花键冷滚挤技术难点：奇数齿的花键冷滚挤由于单边加工，工件受力不对 称，到最后滚挤花键槽时，金属变形的流向就越难控制【5 j 。 ( 3 ) 花键冷搓技术难点：搓制花键对坯料直径的要求十分严格，坯料滚前直径的 给定直接影响到冷搓咬合的成败。因为在直径误差为d 时周长上就有尬d 误差， 而齿形是逐齿滚出，其误差尬d 要累积到最后一齿上1 6 。 ( 4 ) 花键冷打技术难点：滚轧轮是偏心安装在旋转轴上，并不是始终与花键相接 触，滚压轮冷打花键时间只占整个转动周期的一小部分，大量时间滚压轮处于空转 状态，浪费了时间，并且只适合加工偶数齿的花键【_ 7 9 】，不能加工靠近台阶轴的花键。 由于以上几种花键冷成形工艺存在的技术难点，因此，花键冷滚压成形工艺的 研究和应用得到了更加广泛的关注。花键冷滚压成形是利用某些金属在冷态下( 室温) 的可塑性来成形花键，在外力作用下，通过滚压轮模具使工件( 花键) 产生变形，从 而获得与模具齿形完全一样的花键。按滚压轮数目可分为三类：单滚压轮的冷滚压 成形、双滚压轮的冷滚压成形和三滚压轮的冷滚压成形技术。单滚压轮的冷滚压成 形用于起初的花键滚压研究，成形效果不好，三滚压轮的冷滚压成形多用于空心花 键生产，而双滚压轮的冷滚压戍形是最流行的花键冷滚压成形方法f l o 1 5 1 ，且比三滚 压轮的冷滚压的设备研制上降低了很大成本。下文中提到的花键冷滚压成形技术即 指双滚压轮的冷滚压成形技术。 1 2 花键冷滚压技术国内外研究状况 花键冷滚压成形属于一种优质、高效、低成本的先进的无切削加工。但是由于 花键成形过程复杂，以及滚压过程中许多因素的不确定性，尤其是对花键冷滚压工 艺参数，如滚压力、滚压轮转速及进给速度等的确定，至今没有可直接利用的参数 或公式。 长期以来，各国学者在花键冷滚压理论研究方面做了大量的工作，取得了不少 成果。花键冷滚压成形过程虽然比较短暂，但其理论分析确是非常复杂的，以至于 2 第一章绪论 直到现在对成形理论与工艺参数仍停留在定性分析阶段，没有形成系统的冷滚压成 形工艺参数计算理论。现有的相关研究报道多为花键冷搓和冷打的有限元模拟与分 析，而在花键冷滚压精密成形的工艺理论和工艺参数的研究较少，现有的成形工艺 和生产基本上是依靠经验，缺乏系统的理论指导。各国所用的指导花键冷滚压批量 生产的参考工艺参数计算公式，结果相差甚大【l 卜1 3 j 。因此实际上都是按所滚压花键 规格及材料性能做一个初步估算，然后再在实际滚压中采用试错法调整确定各个工 艺参数，造成了很大的浪费，也给设备的选用带来了困难。 各国学者、研究院所与企业在花键冷滚压加工工艺理论与实验方面做了许多工 作。日本九州大学( k y u s h u u n i v e r s i t y ) 、三菱重工( m i t s u b i s h ih e a v yi n d u s t r i e sl t d ) 的r 。m a t s u n a g a ，r k a m a s h i t a 等人对用于自动变速器的离合器中的花键套筒的滚压 加工进行了分析，但其主要侧重于用实验方法验证其加工精度满足使用要求【1 4 1 5 1 。 前苏联托姆列诺夫( a 皿t o m j i e t l o b ) 等人利用滑移线的方法，给出了简单横轧时接触 面平均单位压力的封闭解【l6 1 ，但可实际应用的滚压力公式尚不健全。 国内虽然从2 0 世纪8 0 年代开始研究渐开线花键轴精密成形技术，但由于精密 成形工艺对机床精度和冈0 度要求较高，技术难度大，因而应用于生产中的不多。国内 在冷滚压精密成形工艺理论和滚压工艺参数研究方面缺乏系统理论研究。国内几家 大型企业，如一汽、重汽、济汽、一拖等虽然引进了瑞士g r o b 公司的设备【9 】，但 由于国外对其关键技术的保密，因而多是依靠进口设备时所带的滚压轮进行单一品 种渐开线花键轴的加工，使得花巨资引进设备不能充分发挥其作用。目前，在花键 冷滚压实际生产中，工艺参数( 滚压力、滚压速度、工件直径) 的确定建立在对工 件大量试滚的基础上，延误了时间、浪费了原材料。近年来，北京齿轮总厂、青岛 生建机械厂、河南鹤壁市恒力汽车配件公司、南京工艺装备厂、襄樊东风汽车公司 等单位对花键冷滚压成形的实际加工中的一些问题作了初步研究，建立了各种数学 理论模型，进行了丰富的实验，但很多关键性理论都是依靠经验公式【1 7 2 2 1 。近年来， 冷滚压专用机床的生产已经起步，一些小规模的厂家已经尝试在滚丝机床上，通过 更换花键冷滚压轮模具的方法，加工出了小模数花键，并取得了较好的效果。 太原科技大学经过不断努力，对花键冷滚压精密成形技术进行了许多研究，主 要有：分析研究了花键冷滚压精密成形工艺过程、机理和成形精度；通过对金属变 形过程、加载过程和边界条件的分析，建立了滚压接触面积的数学模型；建立了 套花键冷滚压成形工艺理论与成形工艺参数( 滚压力、滚压轮转速、滚压轮进给速 度和工件直径) 计算公式，并分析研究了各种成形工艺参数之间的关系；建立了花 3 花键拎滚压工艺与实验研究 键滚压成形过程数学模型、力学模型，并对成形过程进行了数值模拟，分析了塑性 变形区的应力、应变状态和材料变形过程，获取了冷滚压塑性变形本质和金属流动 规律；与青岛生建机械厂的青岛冷滚轧技术研究开发中心合作，共同研制开发了 z 2 8 k j 2 0 型数控冷滚压机。 1 3 课题的研究意义 随着我国航空、航天、汽车等工业的发展，将对花键生产工艺水平提出了更高 的要求，花键冷滚压精密成形技术专业化、大批量生产花键必将成为满足市场需求 的主要手段。通过对实际工件的冷滚压加工，数据的检测，对冷滚压精密成形技术 的工艺与实验研究，为开发研制花键冷滚压成形设备及花键冷滚压成形生产提供可 靠依据。对花键冷滚压精密成形技术的推广应用、设备的研发具有重要意义。 滚压力是花键冷滚压精密成形技术的一个重要参数，它迫使了被滚压材料产生 永久性变形而达到成形的目的，对工艺优化、滚压设备的能力衡量和刚度的设计等 起到十分重要的作用。因此，对于滚压力能参数的影响因素的分析研究具有十分重 要的意义。 虽然很多学者和研究单位都对花键冷滚压成形过程的各个工艺参数变化进行了 数值模拟，但多是基于简化的数学模型，也没有考虑到加工过程中的冷作硬化，不 能全面的反应花键冷滚压复杂的变形过程【2 3 2 6 1 。随着数据检测技术高速化、高精度 化、集成化和智能化的发展，特别是对工业检测领域的广泛应用，我们可以借助实 验检测方法，来分析花键冷滚压精密成形各个工艺参数的变化情况，探讨各工艺参 数的相互影响规律及与设备参数之间的关系。为设备选型，保证生产合格花键提供 帮助，也为全面的分析花键冷滚压成形过程，对花键冷滚压精密成形技术的应用具 有理论意义和实际应用价值。 1 4 课题的研究内容 ( 1 ) 课题通过实际工件的冷滚压加工，对花键冷滚压精密成形工艺与成形花键精 度进行了研究。对花键实际滚压过程中，各个工艺参数的数据检测为花键冷滚压精 密成形理论研究和数值模拟提供可靠依据，同时构建的数据检测系统为将来实现花 键冷滚压精密成形技术的工艺参数远程监视功能提供了初步方法和依据。 ( 2 ) 分析花键冷滚压精密成形工艺参数与设备参数之间的关系，总结各个工艺参 数的选择对滚压力的影响规律，为花键冷滚压精密成形的理论得到进一步的完善提 供帮助，也为设计和选用冷滚压设备与装置提供了依据；协调匹配工艺参数，滚压 4 第一章绪论 成形出高精度、高质量的花键，以满足各行各业的发展需求，并有利于用冷滚压精 密成形技术加工其它轴类零件的开发。 5 芤二章花键玲滚压上艺分析 第二章花键冷滚压工艺分析 21 花键冷滚压原理及过程 花键冷滚压原理，如图2 - 1 所示。参数相同的一对齿形为花键的滚压轮，安装在 两传动主轴上。两主轴作同步、同方向旋转利用压力加工的方法，一轴或两轴同 时作匀速径向进给运动连续径向进给滚压，将滚轧轮上的花键齿形在滚动过程中 压入工件，使工件金属的表层产生塑性变形，同时在滚压轮与工件的无间隙啮合过 程中逐渐的展成花键齿形。工件滚压成形后，进入精轧阶段，即滚压轮停止进给， 保持无间隙啮合状态，堆终得到成形的花键。 圈2 - 1 ：花键冷滚压工作原理 f i g2 - ls p l i n ec o l dr o l l i n g w o r k i n g p r i n c i p l e 直齿圆柱齿轮传动的连续性条件是：重合度8 l 。当d l 时，复合直齿圆柱齿 轮传动的连续条件，这时传动比恒定传动平稳，且重合度5 值越大，传动平稳性 越好：当dc1 时，其传动比不恒定，产生冲击、振动、噪音。这时已经不是纯滚动， 而是产生了一定的滑动1 2 刀。花键冷滚压加工开始时，滚压轮的齿顶刚与零件表面相 接处时，重合度趋于零，容易产生滑动，但滑动量很小。醢着滚压过程的不断进给， 重合度逐渐增太，达到无间隙啮合状态，滚压结束时重合度6 达到最大值。 在花键冷滚压过程中，滚压轮的转速是恒定不变的，从而角速度也是不变的： ：兰! 二!( 2 1 、 6 0 式中：n 滚压轮转速，单位为r r a i n ( 转份) 。 忽略滚压轮与工件间的相对滑动，将工件视为绝对月体时，滚压轮与工件间的 相对运动过程中，滚压轮与工件的切点处的线速度是相等的，即： o i r o = c 0 2 r z ( 2 - 2 ) 7 花键冷滚乐丁艺与实验研究 式中：c o ，、c o ：一分别为滚压轮和工件的角速度。 民、0 一分别为滚压轮与工件的滚压半径。 花键冷滚压成形过程按坯料压缩量( 工件任一齿的齿根圆齿根在经滚压轮单齿 滚压后前后半径之差) 的变化可以分为四个阶段。稳定滚压时的压缩量s 等于滚压 轮的进给量。 ( 1 ) 分齿阶段：开始接触滚压至工件旋转半周，这一阶段压缩量由零逐渐增加 至稳定滚压时的压缩量，此阶段内工件表面完成分齿。 ( 2 ) 进给阶段：主轴继续进给，直至达到最大值。各齿压缩量保持不变。 ( 3 ) 成齿阶段：滚压轮进给行程达到最大值后再带动工件转半周，此阶段内进 给量保持不变，压缩量在各齿逐渐减小为零。 ( 4 ) 精轧阶段：进给量不再增加，压缩量亦无明显变化。本阶段将会得效果理 想的齿形。 在整个加工过程中，由于成形过程滚压轮与工件接触是间断的，故这个滚压过 程的压缩量增加与减少并不是连续的，存在间断点。对于花键奇数齿、偶数齿的不 同，滚压前两滚压轮相应状态不同：奇数齿花键滚压前，两滚压轮是齿顶对齿槽的 状态；偶数齿花键滚压前，两滚压轮是齿顶对齿顶或齿槽对齿槽的状态。因此，径 向压力和工件表层金属流动的变化情况应该略有不同。 2 2 花键冷滚压模具及坯料直径 2 2 1 滚压轮工艺参数 据了解，在工厂的实际生产中，滚压轮的齿数越多，各齿相应所受损耗相应会 减少；据统计，如滚压轮的齿数增加2 5 则使用寿命相应增n 5 0 左右。除此之 外，如滚压轮齿数过少会造成滚压轮与工件啮合系数过小，出现不稳定滚压，废品 率高。所以滚压轮的设计在经济条件和机床能够允许的情况下应尽力保证有较多的 齿数。根据齿轮啮合条件： m 花键= m 滚压轮= m ；吆键= 啄压轮= a ( 2 3 ) 即欲成形花键与滚压轮的模数应相等，花键的压力角与滚压轮的压力角相等 ( 实际滚压轮设计中滚压轮压力角略小于花键压力角) 。根据滚压设备的最大中心距 彳一及允许滚压轮的最大直径，齿数z 。按下式计算【2 8 】： z 。：( 3 5 ) 垒垃( 2 - 4 ) 8 第二章花键冷滚压工艺分析 式中，d ，花键冷滚压成形前坯料直径；h i 花键齿根高。 2 2 2 坯料直径w 由于滚压成形前后坯料的密度变化很小，忽略成形后工件两端略微的凸起部分 的体积，花键冷滚前坯料直径理论推导可按照成形前与成形后花键体积不变的原则 确定，此即花键滚前坯料直径推导的指导思想。工件滚压前后轴向长度不变，加工 前后体积不变转化为工件加工前后截面积相等，针对不同齿根形式的花键会有不同 的结果，当用冷成形加工时，花键一般均设计成圆齿根，故仅作关于圆齿根花键的 研究。花键形状如下图2 2 所示： 设工件滚压前坯料直径为d ，则根据体积不变原则有： 手工= r cd 2 y l + z a l ( 2 5 ) 4 + 斗 、 式中z 花键齿数； 么花键单齿截面积； 花键键长； d ，花键齿根圆直径。 图2 2 ：单齿截面积示意图 f i g 2 2 ：s c h e m a t i cc r o s s - s e c t i o n a la r e ao fs i n g l e 渐开线齿形是以轴线o a 为对称轴的对称图形，花键单齿截面积a 是图中阴影区 域面积的二倍，阴影部分即区域a b e f ，f e o ，b c d e ，e d o ，c d h ，分别简记作s ，、 小s 2 、s ：、s 3 根据几何关系，_ _ a o b 的弧度为：z ，、rz + i n v a i n v a 。，则墨+ 即是 z 二 扇形a b o 的面积可表示为： 李贵长，花键、螺纹冷滚压成形计算机数值模拟系统，【学位论文】，山西省太原科技大学，2 0 0 8 年 9 花键冷滚压t 艺与实验研究 s 。+ s 。, = 了r fl z 丁z + i ，2 谢一加m 。) ( 2 6 ) s ，+ s ：的面积可用积分求得： 班仨弓哆d 9 = 等( t a n 。3 。_ t a n 一3 ( 2 7 ) 岛面积求解： 是的面积可用区域0 。c d h 的面积，减去扇形0 c h 的面积来表示。因为齿根圆 半径相对于过渡圆弧半径大得多，可将d h 段圆弧取为直线进行计算。 s ：r e 木f 门v ( 昙) ( 2 - 8 ) 式中：r e 过渡圆弧半径； 卢刁立渡圆弧圆心角。 经推导坯料直径为： 在不作严格计算的情况下通常将上式简化为： ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 式中：谚花键小径； 屯花键大径； a 。_ 花键齿项圆压力角，口。= a r c c o s ( d b 吃) ； a ，- 花键齿根圆压力角，a ，= a r c c o s ( a , d , ) ； - 花键齿根圆弧齿厚，= d , ( s d + i n v a j 诳，) ； 花键齿顶圆弧齿厚，s a = 吃( s d + i n v a f 门m ，) ； 口，- 花键分度圆齿厚。 在理论上，由于忽略了s 部分对应的体积，工件实际加工中两端的凸起部分体 积未计算在内，所以实际加工过程中采用的坯料直径比理论计算直径略大予以补 l o 第二章花键玲滚压j 二艺分析 偿。在实际滚压过程中，还要根据所滚压花键的精度、材料力学性能等，通过试验 确定最佳的滚前直径。 2 3 花键冷滚压成形工艺参数 花键冷滚压精密成形工艺参数包括：滚压力，滚压轮转速、进给速度、工作行 程和滚压时间。 滚压力是迫使坯件材料产生塑性变形，形成花键的重要因素。压力选择适当， 可以缩短滚压时间，提高生产率，同时可增加滚压轮的使用寿命。压力选择不当， 压力过大会损坏滚压轮，如造成滚压轮的崩牙和倒牙和造成被j j n - r - 零件过热等。反 之，如果滚压压力太小，会降低机床的生产率和影响被j j n - v 花键尺寸的稳定，严重 者甚至不能滚压出花键的完整牙型。因此，在生产实践中，合理选择滚压力是十分 重要的。 滚压轮转速是决定工件材料切向变形速度和变形程度重要因素，直接影响到滚 压成形花键的质量及滚压轮的寿命。在花键冷滚压过程中，滚压轮转速大小的确 定，与坯料的物理一机械性能、被滚花键轴的几何参数和精度等因素有关。 滚压轮进给速度是决定工件材料径向变形速度和变形程度的重要因素，决定了 花键冷滚压的生产率，滚压花键的质量、机床传动元件的负荷以及滚压轮的寿命。 工作行程是进给滚压轮从接触工件到进给达到最大值所经过的位移。工作行程 是花键冷滚压对齿形有较大影响的工艺参数，对滚压加工的精度影响较大。工作行 程过大，会导致乱齿、闷车、损伤滚压轮，工作行程过小会导致冷滚压花键齿形不 饱满，当进给方式为单轴进给的时候工作行程： s = 4 一j r ( 2 1 1 ) 当工作行程为双轴进给的时候工作行程： 1 s = q 1 - ( a ：一j ，) ( 2 一1 2 ) 二 花键滚压时间是指从滚压轮接触工件到滚压成完好齿形的时间，滚压时间过长 除了影响生产效率，减小滚压轮的寿命外，还容易使花键产生细屑，影响成形质量。 滚压时间太短，则不利于工件材料的充分变形，影响齿形精度与综合误差。 花键冷滚压工艺与实验研究 2 4 滚压力及其影响因素 在实际花键冷滚压成形过程中，宏观上滚压轮对工件施加四个外力：两个径向 的正压力n ( 简称径向压力) 和两个切向力t ，对称作用于工件，如图2 - 3 所示。 t 工件 图2 - 3 ：工件受力示意图 f i g 2 - 3 ：s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ew o r k p i e c el a yt h ef o r ce 滚压轮施加给工件的径向压力与滚压轮和工件中心的连线平行，而切向力使工 件旋转从而完成变形。径向压力和切向力的合力即为滚压力。我们主要研究这两个 方向的载荷，径向载荷即是由液压缸加给滚压轮的压力，它是设备设计时计算液压 系统的重要依据。而切向载荷是电机通过主轴传递给滚压轮的扭矩而来的，所以是 计算电机功率的重要依据。可以近似认为，滚压轮的切向载荷乘以滚压轮的半径就 是所需的扭矩。 花键冷滚压主要是塑性成形，滚压力的大小是由单位滚压力和接触面积的乘积 决定的。根据塑性力学的知识，在花键冷滚压成形过程中，材料变形抗力即单位滚 压力的主要影响因素有下面几种： ( 1 ) 材料性质：被滚压材料的化学成分、组织结构及力学性能对单位滚压力的 影响很大，是决定单位滚压力的基本因素。钢中含碳、铬量对挤压力的影响很大， 抗拉强度、屈服强度高、硬度高的材料需要单位滚压力就大。因为花键冷滚压属于 金属表面的连续成形，所以材料的冷作硬化敏感性越大，在滚压时需要的变形力就 越大。 ( 2 ) 变形程度：变形程度越大，则材料的变形抗力就越大。在花键冷滚压中变 形程度可以用花键齿厚来衡量，所以齿厚越大的花键，单位滚压力越大。而在花键 冷滚压成形中，变形程度可由滚压轮的压缩量来衡量，所以压缩量越大，单位滚压 力也就越大。 ( 3 ) 变形速度：变形速度对单位滚压力的影响并不明显，在滚压过程中，除坯 料产生塑性变形外，部分变形能转换为温升，而且变形速度越大，温升现象越明 显。所以在滚压过程中随着滚压速度的增加滚压力会略有降低，但不明显。 1 2 第二章花键冷滚压t 艺分析 ( 4 ) 润滑状态：良好的润滑状态，可使摩擦阻力大大减低，单位压力减小。 滚压轮与工件的接触比g 是用于描述滚压成形过程中个滚压轮与工件同时接 触的齿数。滚压轮与工件初始接触时，工件的齿高很小，因此滚压轮与工件的接触 比很小；滚压成形过程中随着工件齿型逐渐形成，工件齿高逐渐增大，滚压轮与工 件的接触比逐渐增大。 在齿型成形阶段工件已具初始齿型，设塑性变形在瞬闻完成，则可将滚压轮与 工件间的运动视为范成运动，啮合中心距是连续变化的，工件的变位量也是连续变 化的。这样就可引入齿轮啮合原理中重合度计算公式用以计算滚压轮与工件的接触 比。若将重合度计算公式旧中的参数用滚压轮、工件结构尺寸表示，则最大接触比 计算公可表示为： s ：l ( 厢+ 厢一历酝磊) ( 2 1 1 3 ) i n i r d o s “ 式中： r b ，r 0 花键、滚压轮基圆半径； 么，a 标准中心距、实际中心距。 花键冷滚压成形工艺为自由分度式冷滚压成形工艺，为保证滚压轮精确地在圆 柱坯料外圆上分度出预期的齿数，必须使滚压轮几何结构与圆柱坯料具有特定的尺 寸关系。滚压轮滚齿顶圆半径心与工件坯料半径r 满足如下关系： r s i n 牙z = r o s i n 巧zo( 2 1 4 ) 滚压轮齿数远大于花键，对接触比的影响甚小。滚压轮的尺寸与花键尺寸有确 定性的关系，花键规格对接触比的最大值，起着主要作用。冷滚压成形的花键一般 设计成圆齿根，本文所研究的接触比和滚压力均针对圆齿根花键。 表2 - 1 ：标准圆齿根花键参数 t a b l e2 1s t a n d a r dp a r a m e t e r so fs p l i n ec i r c l er o o t 序分度圆压力角齿项高系数齿根高系数 号 ( a )( ：)( h i ) 1 3 花键冷滚压工艺与实验研究 分匿圆压力角e d r a d 图2 - 4 花键参数对最大接触比的影响 f i g 2 _ 4 ：s p l i n ec o n t a c tp a r a m e t e r so nt h er a t i oo f t h el a r g e s t 对花键冷滚压成形过程中的最大接触比进行大量的计算分析研究。结果表明花 键模数、齿数对冷滚压成形过程最大接触比的影响不大；花键分度圆压力角、齿顶 高系数和齿根高系数是主要影响因素，其影响趋势如图2 4 所示，图中齿顶高、齿 根高系数保持不变时取第2 组数据，即：绣：0 4 5 ，h i = 0 7 。 花键冷滚压成形过程中，最大接触比是压力角的减函数，是齿顶高、齿根高系 数的增函数。标准渐开线花键系列中的大压力角( 3 7 5 。、4 5 。) 花键冷滚压成形过程 中s 1 ；小压力角( 3 0 。) 花键的冷滚压成形过程中最大接触比s 略大l ，但采用第 2 3 组的齿顶高、齿根高系数时，其最大接触比1 。一般来说花键滚压成形过程 中，滚压轮与工件的最大接触比1 或略大于1 。因此，花键成形过程中滚压轮只 有一个齿与工件接触，只需考虑一个齿与工件接触状态下的接触面积。接触面积的 影响因素有如下几种： ( 1 ) 分度圆压力角：花键冷滚压过程中接触面积随着分度圆压力角的增大而减 小。主要原因是压力角的变化对滚压轮齿项过度圆弧的弧长影响显著。 ( 2 ) 花键模数和齿数：花键的模数与接触面积是近似的线性比例关系，花1 键齿 数的增大会使接触面积增大。 ( 3 ) 进给量：进给量是接触面积的增函数。而进给量的大小等于滚压轮转速与 进给速度的比值。 ( 4 ) 滚压轮齿数和工件压缩量：滚压轮齿数和压缩量增加时接触面积也相应增 大，但影响程度微小，几乎可以忽略。 张大伟，李永堂，付建华等，花键冷滚压成形过程齿廓曲线与完全接触面积，第十届全国塑性工程学术 年会，第6 8 6 6 9 0 页 1 4 第二章花键冷滚乐t 艺分析 以上分析的影响单位滚压力和接触面积的因素也就是决定滚压力大小的诸因 素。对于具体冷滚压成形一种规格的花键，首先就确定了滚压轮和花键的相关参数， 之后选择坯料的材料。在实际工件的冷滚压过程中，只有材料的变形速率、变形程 度和迸给量是不断变化的，而滚压轮的转速和进给速度决定了工件金属的变形速率、 变形程度和进给量，工作行程决定了最大变形，因此，在实际工件的冷滚压过程中， 影响滚压力的工艺参数为：滚压轮转速、滚压轮进给速度和工作行程。 依据金属塑性变形原理，工件金属平均变形速度为： 万：y a h( 2 1 5 ) “= 一 i z j 扬o 式中：卜一接触弧的水平投影长度，一滚压轮速度，h 。一入口断面的高度，h 一压下量。由平均变形速度公式可知，随滚压转速的提高，平均变形速度也相应增 大。变形速度对变形抗力有很大的影响，通常随变形速度的提高变形抗力增大。同 时因为在变形过程中，由于滚压速度的增大，短时间内金属产生大量变形，并且由 于两滚压轮之间的相互制约，在很短时间内金属大量积聚，金属的轴向延伸变得困 难与缓慢，引起变形抗力增大，会导致径向压力的增加。 2 。5 本章小结 本章分析了花键冷滚压工艺原理及成形过程，在宏观上对冷滚压工件进行了受 力分析，讨论了滚压力的影响因素，分析出影响滚压力的工艺参数有：滚压轮转 速、进给速度和工作行程。并且描述了滚压轮转速、进给速度、滚压时间和工作行 程这四个重要工艺参数，确定了坯料直径的计算公式、滚压轮参数的选择，为花键 冷滚压成形工艺实验分析及实验参数匹配研究提供了理论基础。 1 5 第三章花键挎昂乐实验 第三章花键冷滚压实验 实验通过对冷滚压设备的编程调试，在花键冷滚压不同工艺参数的条件下加工 出花键。设计数据检测系统对花键冷滚压成形过程中的各工艺参数进行数据采集 分析各个工艺参数与冷滚压设备参数之间的关系，通过改变滚压轮转速、进给速度 和工作行程分析它们对滚压力的影响规律，匹配各工艺参数，加工出高精度、高 质量的花键。 31 花键冷滚压实验设备及条件 3 11 花键冷滚压实验设备 本实验使用z 2 8 k j 2 0 型数控滚压机，如图3 - 1 所示t 两主轴同步、同方向回 转，右主轴在液压力推动下作水平方向的进给运动，使两攘压轮滚压工作，滚出所 要求的形状。设备主要由机身，传动箱，主轴座、进给机构、液压系统、电气系 统、冷却系统和夹具部分组成。主轴上安装滚压轮，两主轴座装在进给机构的左右 滑座上。两主轴由电动机通过传动箱驱动，实现同步同方向的回转。进给机构的 左、右滑座，装在机身同一导轨内，在液压油缸的驱动下。通过同步机构。左右滑 座对中进给和退回。润滑油可对运动导轨自动润滑，工件在整个冷滚压加工过程中 不断有冷却油冲洗。 凰3 - 1 ：z 2 8 k j 一2 0 型教控滚压机 f i g3 - l ：n c z 2 8 k i - 2 0 r o l l e r 1 7 花键冷滚压工艺与实验研究 工作人员可通过对西门子c n c 数控系统的编程、调试，设定各个加工参数，加 工出合格渐开线花键轴。设备对主轴电机转速，系统压力，径向进给速度及位移进 行了监控，没有对加工参数如径向压力、扭矩和主轴转速进行实时监测，只是依据 压力表显示油压和变频器调节电机工作状态。然而，径向压力、扭矩和转速这三个 加工参数，是使工件金属塑性变形的直接因素，起到至关重要的作用，设备仍然需 要进一步更新完善。因此，对这三个重要参数进行检测，可以更直观的认识花键轴 的冷滚压成形过程。 3 1 2 花键冷滚压设备编程 实验选用材料为4 5 # 钢的圆柱体坯料，在z 2 8 k j 2 0 型数控滚压机上，欲滚压加工 出模数m = 0 7 5 、压力角o t = 4 5 。及齿数z = 3 4 的渐开线花键轴。选用两个参数相同的滚压 轮，它们的模数为0 7 5 ，齿数为2 3 0 个。经过工厂大量的试验，确定所需坯料直径为 2