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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上，給出了漸開線花鍵冷搓成形模具的結構設計原則及制造方法。
關鍵詞：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了冷搓成形設備及模具生產花鍵軸，以滿足國內汽車工業及機器制造業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，使花鍵生產變得快捷高效、節能節材，并可提高花鍵機械性能及制造精度。從該工藝在國內使用的初期至今，進行了大量的理論分析、測試及試驗研究，研制出多種漸開線花鍵冷搓成形模具，并已投入生產使用。本文給出冷搓模具的設計原則和一種模具制造方法，以期得到推廣使用，從而使國內完全依靠進口冷搓成形模具維持冷搓花鍵生產的狀況得以改觀。

二、花鍵冷搓成形工藝

該工藝是在冷搓機上，利用冷搓模具，使光軸毛坯邊轉動邊產生塑性變形，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行滲碳淬火即可得到成品。

冷搓機的結構如圖1所示，兩個滑塊2分別位于冷搓機機身的上、下導軌中，在液壓系統7的動力作用下，兩滑塊可實現對向水平往復運動(如圖1右圖所示)。滑塊后部為齒條結構，經齒輪4傳動，可使兩滑塊的運動保持同步；滑塊的前部用于安裝冷搓模具5。位于上、下導軌中間位置的前頂尖1和后頂尖3用于裝夾工件6。

圖1冷搓機結構示意圖
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

冷搓模具結構如圖2所示。模具上頂面為工作面，其余面及圓孔為安裝定位用。工作面為數百個參數各異的齒形面(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構示意圖

圖3冷搓模具工作部分齒形結構圖

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

冷搓中，模具粗搓部分的起始齒將光軸毛坯咬入模具，并使毛坯產生少量塑性變形而呈現出凸起與凹槽，當毛坯旋轉一周后，即出現與花鍵要求齒數相同的凸起和凹槽，從而實現順利咬入及準確分度。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。繼續搓制，模具精搓部分的齒開始起作用，此時，毛坯上已成形出的齒廓的表面發生少量金屬流動，使所得齒的齒形角等參數得到校正，齒廓表面質量得到提高。冷搓末期，已成形的花鍵軸在模具退出部分的帶動下邊旋轉邊從上、下模具中脫離出來，此間，花鍵軸不產生塑性變形，只產生彈性恢復。

三、漸開線花鍵冷搓模具設計原則

參考圖2、圖3，設計工作包括整體尺寸設計及工作部分齒形尺寸設計。由于工作部分具有齒數多(通常為100～300齒)齒形參數各異的特點，使設計計算量很大，在研究中采用了計算機輔助設計。下面僅介紹一下設計原則。

1.整體尺寸設計

(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

(2)高度h

h＝(H-d′f)/2(2)

式中H——冷搓機上、下導軌間的裝模高度
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.工作部分尺寸設計

工作部分的全齒由直線型齒頂、齒側、齒底及各交匯處的圓弧構成。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。在設計中，針對模具的不同部分具有不同的設計原則。

(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)式設計

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ha及齒根高hf

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′，設計中初步確定了�ⅵ�1值后要按咬入條件進行校核；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，同時以精搓部分為基準向端部以斜角�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

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生根切的條件進行校核。與r不同，r1值是一個變量，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

模具制造的技術關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，全長齒形累積誤差應小于0.05mm，Ra值應小于0.4μm，齒數多且齒形各異。針對以上情況，研究中采用了數控線切割加工后進行研磨的方法，取得了成功。將計算機輔助設計所得到的齒形參數轉換生成數控加工代碼輸送給數控線切割機對模具毛坯進行切割。由于模具長度大，常需采用二次定位及相應加工代碼程序段的轉換，這一步驟應謹慎操作。之后，再切割鑄鐵研磨板并對模具進行研磨，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—數控線切割加工齒形—研磨齒形。

五、應用

在研究中，按照以上設計原則及加工方法分別對天津大發變速器S70輸入軸漸開線花鍵及S70輸出軸中齒數為21和18的兩種漸開線花鍵進行了冷搓模具的研制，均獲成功。圖4所示為所研制的S70輸出軸齒數為21的漸開線花鍵的冷搓模具。模具的調試及使用是在唐山齒輪廠NACHI冷搓機上進行的。圖5所示為利用該模具所搓制出的漸開線花鍵軸，經檢驗達GB/T3478-1995 5級精度，經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2.5萬件。實踐證明，自制模具與進口模具具有相同使用效果，而模具成本僅為進口模具的1/2，制造周期縮短為進口模具的1/3，可提前兩個月投入使用，加快了花鍵軸的生產進度。

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、結論

實踐證明，本文所提供的漸開線花鍵冷搓模具的設計原則是正確的；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口模具，同時可取得顯著的經濟效益。該設計原則及制造方法值得推廣使用。

作者單位：孫士寶崔世強河北科技大學(050054)
高才良高新燕山大學

參考文獻
1Harry Pelpbrey.Tooth Forming Tool.United states patent,3,015,243,Jan.2.1962
2上海市機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://www.www.direxe.cn/Article/mjjs/200809/334.html