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转向臂花键锥孔加工的工艺分析及刀具设计 |
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作者：第一汽车集团公司工具厂 翟洪滨 |
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1 问题的提出
在我厂制造的汽车转向机构中，转向臂与转向臂轴之间采用锥度花键联接。转向臂花键锥孔的产品尺寸(N-N剖面)如图1所示。其加工工艺共分三道工序：(1)用三角花键拉刀拉出直孔花键槽；(2)用带锥度的粗挤刀挤压花键孔，使其形成一定锥度；(3)用成形锥度精挤刀将花键锥孔挤压成形。
图1
在实际设计花键拉刀及粗、精挤刀时，由于工艺确定的拉削后的花键大径、小径及刀齿齿厚不合理，致使在挤压过程中制件花键在大径和小径上的余量不均匀，导致粗挤刀的导向长度不足，甚至造成挤压不进的情况，只能采用精挤刀一次挤压成形。这就导致挤压刀具耐用度降低，且工件加工表面粗糙度值增大。生产现场操作人员为保证刀具齿尖强度以及增加刀具耐用度，往往将刀具外径减小(即加宽刀具齿顶)。而在设计花键塞规时，只考虑保证制件齿厚公差，对刀具花键大径的磨损估计不足。采用花键塞规进行检验时，塞规大径与挤压后的制件花键大径接触，检验通规通不过，但此时花键孔齿槽宽实际已达到合格尺寸。操作人员为使塞规检验合格，往往又将挤刀向下多压一段，此时加工出的花键孔齿槽宽实际已大于理论尺寸。在装配时，由于转向臂与转向臂轴之间形成齿顶接触，齿侧产生间隙，从而造成联接不紧密，影响了产品质量。
2 工艺分析
产品图给出的花键大径锥度为1:15，小径斜角为1°48'56"，转换成锥度为Zn=1:(tg1°48'56")/2=1:15.77385。
从刀具磨削加工原理可知，挤刀在垂直于齿根的各个截面上的齿槽宽相等，由于槽底锥度较小，故可用挤刀的轴截面来替代垂直于齿根的各个截面。因此，在量棒相同的情况下，各个截面的量棒距与刀具小径相同，锥度也为1:15.77385。分析前述工艺问题可知，产生问题的主要原因在于给出的花键拉刀工艺尺寸不正确。正确的工艺尺寸应使花键拉刀拉削后在花键大、小径上留给挤压工序的加工余量的比例关系为15.77385:15，花键齿齿槽上的单边留量与小径留量的比例关系为1:1。这样，一方面可保证粗、精两把挤刀加工时在花键齿的大、小径及齿侧上都能同时与工件的大、小径及齿侧接触，实现三处同时进行挤压加工，以保证工件的表面加工精度，同时可提高刀具的耐用度；另一方面可将粗、精挤刀设计为不同锥度(其中精挤刀的锥度与产品锥度相同)，以消除采用相同锥度刀具时产生的挤压量不均匀问题，并可使挤刀的设计更为方便。
对于检具的设计，应实现对花键锥孔的大、小径及齿侧分别检测，这样可消除因挤压刀具磨损而造成的检测误差。
3．工艺参数的确定
为保证工件小端也能挤压成形，应以小端为基准来确定花键拉刀的大、小径，即在小端处的挤压余量最小。产品图给出的N-N截面的大、小径尺寸分别为：大径de=41.2mm，小径df=39.21～39.37mm。其量棒直径为da=2.886mm。根据已给出的齿槽宽度1.571～1.718mm，可推导计算出量棒距为Ma=45.334～45.476mm。据此可推导计算出小端端面孔的大、小径及量棒距分别为：de=41.2-6/15=40.8mm；df=(39.21～39.37)-6/15.77385=38.83～38.99mm；Ma=(45.334～45.476)-6/15.77385=44.954～45.096mm(量棒直径da=2.886mm)。
由此，即可确定拉削工序花键大径尺寸为deo=40.8mm。考虑到拉刀和挤刀都存在着大径较易磨损的情况，因此可将产品大径增大至41.35mm；另外，为避免其小径与检具发生干涉，将产品小径增大至39.234mm。故拉削工序花键小径尺寸为dfo=39.234-(41.35-40.8)15/15.77385=38.71mm。其拉削工序花键量棒距为Mao=45.334-(41.35-40.8)15/15.77385=44.81mm。根据拉削工序小径值可确定钻削工序的钻孔工艺尺寸为φ38mm。
4 刀具的设计
钻削工序用钻头可选用φ38mm标准钻头。
拉削工序用拉刀按拉前孔径为φ38mm、刀具校准齿小径尺寸为φ38.71mm、大径尺寸为φ40.8mm、量棒距为44.81mm设计，设计过程略。
刀具设计的难点在于挤压工序用挤压刀具。由于挤压余量较大，采用一次挤压法会降低刀具耐用度，所以采用两次挤压法。所用精挤刀大、小径上的锥度与产品锥度相同，分别为1:15和1:15.77385(量棒距锥度与小径锥度相同)；为保证粗挤刀具有较长的插入导向长度并保证精挤加工的挤压精度，粗挤刀采用与精挤刀不同的锥度。
粗、精挤压刀的加工位置如图2所示。因为其前道拉削工序后所留下的余量已满足15:15.77385的锥度要求，所以在任一加工截面均可保证挤压刀在大、小径及齿厚上同时接触，因此设计的关键在于确定挤压刀的插入导向长度，而确定挤压长度的关键在于确定粗挤刀的大、小径锥度。
图2
以产品图的N-N剖面作为设计基准截面，x为粗挤刀与拉削后孔端相接触的截面在挤压完成后与基准截面间的距离；y为精挤刀与粗挤刀挤压后相接触的截面在挤压完成后与基准截面间的距离。设粗挤刀大径锥度为Zcw，小径锥度为Zcn。
在外锥上，A截面的粗挤刀大径为dwa=deo=40.8mm；C截面的粗挤刀大径为dwc=dwa+(30-x)/Zcw；B截面的精挤刀大径为djb=de+y/Zjw=41.35+y/15。因为dwc=djb，所以有
deo+(30-x)/Zcw=de+y/Zjw (1)
同理，在内锥上有
dfo+(30-x)/Zcn=df+y/Zjn (2)
(在量棒距上所得计算结果与在内锥上相同，二者只取其一。)
由图2可得大径上的挤压余量截面积(单侧)为
Sofde=0.5×36(of+de)=0.5×0.5×36[(de-deo-6/Zjw)+0.5×36/Zjw]=9(de-deo+12/Zjw)
粗挤刀在大径上的挤压余量截面积(单侧)为
Sace=0.5×ae×ce=0.5(30-x)[0.5(30-x)/Zcw]=0.25(30-x)2/Zcw
取全部挤压余量为粗挤余量的K倍，即Sofde=KSace，则有
9(de-deo+12/Zjw)=0.25K(30-x)2/Zcw (3)
同理，在内锥上可得
9(df-dfo+12/Zjn)=0.25K(30-x)2/Zcn (4)
将式(1)～(4)联立求解，可解出Zcw，Zcn，x，y。考虑粗挤刀和精挤刀挤压余量的分配比例，取K=2.5，即粗挤刀与精挤刀挤压余量的比例关系为1:1.5。最后可解出：Zcw=21.3333454，Zcn=22.41673，x=1.2，y=12。由此即可得出挤压刀在大端面上的设计参数。
5 工艺修正方法
由于对现行工艺暂时无法作大幅度更改，故对钻削工序用钻头及拉削工序用拉刀无法改动；而在挤压工序中，精挤刀基本符合产品加工要求，因此解决前述工艺问题的唯一方法是对粗挤刀进行修正。粗挤刀的修正方法有以下两种：
1) 采用与精挤刀大、小径锥度相同的粗挤刀(实际上就是精挤刀向小端延伸的一段)。该方法可获得较长的插入导向长度，但粗挤挤压余量较小，且用精挤刀挤压时，仍然存在挤压刀在大、小径及齿侧上不能同时接触的问题。
2) 对前述设计方法进行参数修正，即通过改变de、deo、df、dfo等参数值，可设计出与精挤刀锥度不同的粗挤刀。该方法可使粗挤时有较大的挤压余量，且可保证精挤刀挤压时在大、小径及齿侧上能够同时接触，但也存在大、小径及齿侧上挤压量不均匀的情况，即式⑶和式⑷中的K值不等，应分别选取不同的K值，而且此方法粗挤刀挤压时插入导向部分较短。
根据以上分析，我们在实际工艺修正中采用了方法(1)，即粗挤刀在大、小径上采用与精挤刀相同的锥度，这样便于制造，且精挤刀磨损后可改作粗挤刀使用，可节省刀具费用。(end)
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(12/10/2005) |
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