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。 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。 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)。 搓齿刀具依据工件要求的齿形进行设计,如以上提及的机床上可以一次设置多种刀具。图4显示了具有不同长度和齿形的刀具。 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。刀具的最长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。 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%。
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。 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。 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)。 搓齿刀具依据工件要求的齿形进行设计,如以上提及的机床上可以一次设置多种刀具。图4显示了具有不同长度和齿形的刀具。 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。刀具的最长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。 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%。
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