聶蘭啟，王國林，錢進(jìn)浩

(1.山東紅旗機(jī)電有限公司，山東 濰坊 261031;2.山東交通職業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 濰坊 261100;3.蘇州銀濤精密鍛造有限公司，江蘇 蘇州 215132)

花鍵連接與一般的鍵連接相比為多鍵連接。由于花鍵連接具有接觸面積大，承載能力高，定心性好，導(dǎo)向性好，齒根較淺，應(yīng)力集中較小，軸與轂的強(qiáng)度削弱較小等優(yōu)點(diǎn)，在動(dòng)力傳動(dòng)中得到了廣泛的應(yīng)用。例如應(yīng)用于汽車動(dòng)力傳動(dòng)裝置、轎車手動(dòng)變速箱倒檔裝置、摩托車啟動(dòng)電機(jī)中的驅(qū)動(dòng)裝置等眾多領(lǐng)域。

1 花鍵加工工藝

我國大多數(shù)廠家依舊采用銑削加工工藝生產(chǎn)花鍵，如河北、山東、青海等地還有不少工廠生產(chǎn)花鍵銑床。國內(nèi)僅重慶、江蘇等地有少數(shù)廠家應(yīng)用了塑性成形工藝如冷擠壓成形進(jìn)行花鍵生產(chǎn)加工。

冷擠壓工藝是在冷態(tài)下，將金屬毛坯放入模具型腔中，在較大的壓力和一定的速度作用下，迫使金屬從凹模型腔中擠出，從而獲得所需的形狀、尺寸以及具有一定力學(xué)性能的擠壓件。

冷擠壓加工花鍵軸和傳統(tǒng)的加工工藝比較有如下優(yōu)點(diǎn)。

1)精度高。用冷擠壓法加工花鍵，所有齒形一次擠出。齒形精度由凹模決定，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，花鍵飽滿，輪廓清晰，工件出模回彈量較小，表面粗糙度Ra 可達(dá) 0.4 μm。

2)力學(xué)性能好。由于成形過程中花鍵的金屬纖維流線保持連續(xù)，沒有遭到破壞，并且是在較大的三向壓應(yīng)力的條件下成形的，在后續(xù)熱處理過程中，晶粒還可進(jìn)一步細(xì)化，從而提高了零件的綜合力學(xué)性能，因此冷擠壓工藝成形的花鍵軸比切削加工的花鍵軸扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度提高20%以上。

3)生產(chǎn)效率高。生產(chǎn)效率比切削加工提高20多倍。用冷擠壓加工花鍵軸，可在擠壓機(jī)的一次行程中完成上下兩端兩處花鍵的擠壓。

4)投資少。冷擠壓花鍵所用設(shè)備為普通油壓機(jī)，價(jià)格便宜。模具壽命長，一般冷作模具鋼模芯壽命達(dá)萬件以上，硬質(zhì)合金模芯壽命可以達(dá)到數(shù)十萬件。對(duì)于多齒數(shù)小模數(shù)花鍵的加工，由于擠壓力比較小，毛坯無需磷化皂化處理，加工更加方便。

5)材料利用率高，成本低。

2 花鍵擠壓的開發(fā)生產(chǎn)

20世紀(jì)80年代中期，中國兵器工業(yè)第五九研究所開發(fā)成功并投入批量生產(chǎn)的花鍵軸如圖1所示。

一汽集團(tuán)公司工藝研究所1990年申請(qǐng)了正擠花鍵研究專利[1]。南京汽車集團(tuán)20世紀(jì)90年代用冷擠壓技術(shù)制造輕型貨車傳動(dòng)軸漸開線花鍵和矩形花鍵。江蘇大豐森威集團(tuán)、蘇州銀濤精密鍛造有限公司和常熟某廠擠壓生產(chǎn)摩托車花鍵軸。

圖1 中國兵器工業(yè)第五九研究所開發(fā)成功并投入批量生產(chǎn)的花鍵軸Fig.1 Spline shaft in mass production developed by Chongqing No.59 Institute

我國有關(guān)模具的圖冊(cè)上已有花鍵擠壓模具介紹[2]，花鍵的材料有 20Cr，20CrMo，45 鋼，40Cr，42CrMo，不銹鋼和 Gr15 鋼[3]等。

由無約束軸向正擠壓成形的工藝特點(diǎn)可知，擠壓花鍵所用毛坯的直徑應(yīng)該等于或略小于與其相對(duì)應(yīng)的模具齒形齒根直徑。擠壓成形花鍵齒時(shí)，金屬除產(chǎn)生軸向流動(dòng)外，還產(chǎn)生徑向流動(dòng)。部分金屬沿徑向向外流動(dòng)，另一部分金屬沿徑向向軸心流動(dòng)。

在齒形擠壓成形時(shí)，除受到外界的成形擠壓力外，還受到花鍵齒槽成形時(shí)產(chǎn)生的徑向摩擦力，加大了成形難度。

花鍵按照齒廓形狀可以分為漸開線花鍵和矩形花鍵。漸開線花鍵受載時(shí)花鍵齒上有徑向分力，能起自動(dòng)定心作用，使得各個(gè)齒受力均勻、強(qiáng)度高、壽命長，并且容易獲得較高的精度和互換性。漸開線花鍵標(biāo)準(zhǔn)壓力角一般有30°和45°等2種。

矩形花鍵加工方便，可以用磨削的方法消除熱處理變形，獲得較高的精度及定心穩(wěn)定性。矩形花鍵的定心方式為小徑定心。花鍵齒高的大小直接決定了花鍵工作時(shí)的承載面積，即決定了其所能承受的最大載荷，因此它是花鍵形狀參數(shù)中最重要的參數(shù)。

如果由于花鍵加工精度不夠而使其齒形不飽滿，齒高達(dá)不到設(shè)計(jì)值，則會(huì)導(dǎo)致承載能力下降，在實(shí)際承載傳動(dòng)過程中產(chǎn)生噪音，發(fā)生疲勞損壞，壽命降低。

2.1 矩形花鍵擠壓

2.1.1 某汽車副變速軸

圖2 東南大學(xué)研發(fā)成功的某汽車副變速軸花鍵Fig.2 An automobile auxiliary variable-speed spline shaft developed by Southeast university

東南大學(xué)有人在2004年前后曾采用組合凹模擠壓成形某汽車副變速軸矩形花鍵[4]?；ㄦI材料為45鋼，退火后硬度為230～263HB，擠壓件如圖2所示。他們還通過計(jì)算機(jī)模擬分析了花鍵的冷擠壓成形極限，定量地判斷入模半錐角、凹模入口圓角以及坯料直徑等因素對(duì)擠壓力和齒形充滿程度的影響。應(yīng)用損傷力學(xué)原理，引入斷裂因子作為判斷依據(jù)，研究花鍵冷擠壓形過程中齒根開裂缺陷的產(chǎn)生原因和防治方法。還提出了改良毛坯前端倒角尺寸和凹模入口形狀，減少摩擦系數(shù)，可避免齒根開裂。

2.1.2 摩托車起動(dòng)機(jī)構(gòu)主、副軸

摩托車起動(dòng)機(jī)構(gòu)主、副軸常用的花鍵齒形有矩形和漸開線2種。由于矩形花鍵成形力遠(yuǎn)大于漸開線花鍵，在開式冷擠壓過程中，如果模具參數(shù)選擇不當(dāng)，坯料極易產(chǎn)生鐓粗和壓彎失穩(wěn)，因此在設(shè)計(jì)模具時(shí)必須認(rèn)真分析坯料的應(yīng)力分布及模具的受力狀況，估測成形缺陷產(chǎn)生的原因。也可采用Deform軟件，對(duì)矩形花鍵軸冷擠壓成形進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，使擠壓成形過程可視化和可控制化，并通過模具的受力情況，分析擠壓過程中坯料的塌角和金屬堆積現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，預(yù)測入模半角所對(duì)應(yīng)的模具引導(dǎo)區(qū)長度，優(yōu)化冷擠壓工藝參數(shù)和模具設(shè)計(jì)[5－6]。

CG125摩托車主軸的擠壓件如圖3所示[6]。該擠壓件兩端的矩形花鍵齒參數(shù)相同。

圖3 CG125摩托車主軸的擠壓件Fig.3 Extrusion of CG125 motorcycle＇s mainshaft

CG125主軸冷擠壓成形工藝試驗(yàn)在2000 kN四柱液壓機(jī)上進(jìn)行，采用引導(dǎo)區(qū)h=2.5 mm的模具。試驗(yàn)前對(duì)坯料進(jìn)行磷化皂化處理，測得最大擠壓力為210 kN左右，比仿真計(jì)算所得的90.75 kN(1/12模具的最大受力為15.896 kN)大10%左右。

CG125摩托車主軸花鍵冷擠壓成形件和坯料的實(shí)物照片如圖4所示。

圖4 CG125摩托車主軸花鍵冷擠壓成形件和坯料Fig.4 Cold extruded part and blank of CG125 motorcycle＇s mainshaft

2.2 漸開線花鍵擠壓

2.2.1 變速器漸開線齒形花鍵軸

圖5 某型轎車變速器漸開線花鍵軸Fig.5 An involute spline shaft of a car＇s gearbox

重慶工商大學(xué)伍太賓教授成功研制的某轎車變速器漸開線齒形花鍵軸的擠壓成形件如圖5所示[7]。其齒形參數(shù)為:齒數(shù) Z=12，模數(shù) M=1.25，壓力角α=20°，變位系數(shù)X=1.60，齒頂圓直徑da=16.75 mm，齒根圓直徑 df=14.00 mm，漸開線花鍵有效長度為44 mm。其漸開線花鍵部分與撥叉相連接，起變速換擋作用。由于漸開線齒形花鍵與撥叉之間只傳遞扭矩，因此齒形運(yùn)動(dòng)精度要求不高，適合采用冷擠壓方法大批量生產(chǎn)。

2.2.2 某過輪花鍵軸

重慶理工大學(xué)馮文杰教授等人開發(fā)成功的過輪花鍵軸冷擠壓件和實(shí)物照片如圖6所示[8]，材料為 20CrMo 熱軋棒材。零件右端是模數(shù)為1，壓力角為30°，齒數(shù)為29的漸開線花鍵，大徑為 φ30.5mm，小徑為 φ27.2mm，左端是 6 個(gè) φ26.5 mm×23 mm×5 mm的矩形花鍵，中間是φ45.5 mm的圓盤。齒厚為b級(jí)，4個(gè)齒公法線長11.258 mm。

圖6 過輪花鍵軸Fig.6 Spline shaft of transition gear

該過輪花鍵軸冷擠壓的工序如圖7所示。首先將熱軋棒材車加工成圓柱體，然后進(jìn)行2次冷鐓，再將預(yù)成形坯放入擠壓模中同時(shí)擠壓成形上部花鍵和下部花鍵。最后機(jī)加工切割花鍵軸成一定長度和加工兩端面中心孔。

圖7 過輪花鍵軸的冷擠壓工步Fig.7 Procedures of the spline shaft of transition gear

為了降低材料硬度，提高塑性，將熱軋棒材按坯料倍數(shù)(單件毛坯長度的倍數(shù))下料，軟化退火。退火溫度為760℃，保溫4 h。退火后坯料硬度為130～140HB。

2.2.3 汽車半軸

農(nóng)用車、轎車、微型車半軸是后橋受扭矩及一定沖擊力的重要結(jié)構(gòu)件，從結(jié)構(gòu)上主要分為花鍵、桿部和法蘭盤等3個(gè)部分。在工作過程中將主減速器、差速器傳來的扭矩傳給驅(qū)動(dòng)車輪，起到傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)扭力和驅(qū)動(dòng)后橋圓錐齒輪使汽車輪前進(jìn)的作用。半軸內(nèi)端以花鍵連接著半軸齒輪，半軸齒輪在工作時(shí)只將扭矩傳給半軸。因?yàn)榛ㄦI受力處既有滑動(dòng)又有沖擊，所以半軸的使用壽命取決于花鍵齒的抗壓能力。

國內(nèi)長春理工大學(xué)[9]、吉林大學(xué)和重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院等校都曾有人研究過微車半軸花鍵的冷擠壓成形。半軸花鍵冷擠壓時(shí)由于金屬材料的加工硬化特性，擠壓件的強(qiáng)度大為提高，因此可以用低強(qiáng)度鋼代替高強(qiáng)度鋼。

微車半軸花鍵如圖8所示[9]，材料為40Cr鋼。齒形為JISD，齒數(shù)為26，模數(shù)為1，壓力角為45°，修正系數(shù)為0.1?；鶊A直徑為26 mm，小徑為24 mm，大徑為27 mm，公差值為+0.03 mm。

圖8 微車半軸花鍵Fig.8 Spline of minicar＇s haft shaft

文獻(xiàn)[9]計(jì)算了擠壓模具入模引導(dǎo)長度、毛坯直徑和擠壓力等在擠壓過程中的重要參數(shù)，并對(duì)毛坯直徑、引導(dǎo)長度、凹模入模角和擠壓成形段長度進(jìn)行了模擬優(yōu)化。確定了最佳坯料直徑為φ27 mm，擠壓模具入模引導(dǎo)長度為8 mm(此時(shí)擠壓無鐓粗現(xiàn)象，可順利擠壓花鍵)，凹模入模角為50°(最大等效應(yīng)變小)，擠壓成形段長8 mm。

2.2.4 海爾洗衣機(jī)花鍵軸

海爾某型號(hào)洗衣機(jī)花鍵軸原來用機(jī)械加工生產(chǎn)，加工工時(shí)長，材料消耗大，質(zhì)量也不穩(wěn)定。近日，蘇州銀濤精密鍛造有限公司采用軸向擠壓的方法將其擠壓成形。

漸開線花鍵冷擠壓成形屬三維變形，成形過程中金屬的流動(dòng)情況非常復(fù)雜，多種因素(材料的軟化處理、潤滑、工藝方案和模具結(jié)構(gòu)等)影響花鍵的成形和精度，成形難度較大。該洗衣機(jī)花鍵軸的材料為45鋼，加工硬化現(xiàn)象嚴(yán)重。

實(shí)際上花鍵最難成形的部位是齒根，擠壓過程中坯料金屬總的流向是向下的，沒有與受力方向相反的逆流出現(xiàn)。由于蘇州銀濤精密鍛造有限公司掌握了花鍵成形的基本規(guī)律，模具設(shè)計(jì)合理，因而在花鍵擠壓過程中，金屬的流動(dòng)速度矢量分布均勻、合理，齒形能順利成形，所花費(fèi)的開發(fā)時(shí)間很短。

該海爾某型號(hào)洗衣機(jī)花鍵軸擠壓成形件的照片如圖9所示。該花鍵21齒，模數(shù)為1，壓力角為30°，齒形精度為 6 h，標(biāo)準(zhǔn)為 GB/T 3478.1。

圖9 海爾某型號(hào)洗衣機(jī)花鍵軸Fig.9 A spline shaft of a Haier washing machine

檢查標(biāo)準(zhǔn)為直徑2 mm的檢測棒，檢測棒外徑為(24±0.03)mm?？缢凝X檢查標(biāo)準(zhǔn)為10.427～10.472 mm。銀濤精密鍛造有限公司的實(shí)際檢測結(jié)果:外徑為24.02 ～24.01 mm，跨四齒尺寸為 10.43～10.45 mm，檢查結(jié)果完全合格。

3 花鍵軸軸向擠壓研究的發(fā)展方向

3.1 關(guān)于花鍵軸溫?cái)D壓的研究

對(duì)于擠壓坯料，不管是較高的硬度或是較低的硬度，都可以將花鍵軸擠壓成形。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，大多數(shù)正火硬度的低碳鋼和中碳低合金鋼的花鍵一般均可冷擠壓成形，冷擠壓困難的，可以采用溫?cái)D壓成形，而擠壓設(shè)備能量的大小才是最重要的因素。

蘇州銀濤精鍛公司在開發(fā)花鍵軸產(chǎn)品做擠壓試驗(yàn)時(shí)，由于使用的設(shè)備噸位小，往往通過加熱進(jìn)行溫?cái)D解決。

由此，重視研發(fā)花鍵的溫?cái)D壓成形，要研究最佳擠壓溫度、最佳加熱方法、最佳溫鍛模的設(shè)計(jì)、溫鍛模的操作、溫鍛模的熱處理和壽命等。

就目前的情況，只要有3150 kN的液壓機(jī)，即可完成文中所介紹的這些花鍵軸的擠壓生產(chǎn)。

3.2 關(guān)于優(yōu)化齒形凹模最佳工藝參數(shù)的研究

合理設(shè)計(jì)花鍵的冷擠壓模具，減少變形力，不僅對(duì)設(shè)備有好處，節(jié)省能源，而且可以改善模具的工作條件，減少模具負(fù)載，延長模具壽命。

齒形凹模?？诎脲F角是一個(gè)重要參數(shù)，對(duì)花鍵冷擠壓變形力和花鍵齒形成形時(shí)所受阻力大小均有重要影響，模口半錐角的大小決定了凹模?？诘闹饕螤?。“當(dāng)?？诎脲F角較大時(shí)，花鍵齒形充型效果較好”，這句話欠妥，因?yàn)槟？诎脲F角較大時(shí)，也必然導(dǎo)致金屬成形的軸向阻力較大，擠壓力增大，模具的受載條件惡化，降低模具壽命。應(yīng)當(dāng)結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，找出?？诎脲F角的最佳值，?？诎脲F角在這個(gè)最佳值的范圍內(nèi)，“當(dāng)?？诎脲F角較大時(shí)，花鍵齒形充型效果較好”。

反之，“當(dāng)?？诎脲F角較小，則成形擠壓力也會(huì)較小”這句話也欠妥。例如由于變形區(qū)域過長會(huì)導(dǎo)致摩擦阻力增大，花鍵前端容易出現(xiàn)未充滿段，降低花鍵齒形的飽滿程度。設(shè)想如果坯料直徑等于或近似等于花鍵齒形凹模與花鍵相對(duì)應(yīng)的齒根圓直徑，其擠壓力就變成0或趨于0了。應(yīng)該通過研究找出一個(gè)符合實(shí)用的最佳?？诎脲F角，推導(dǎo)出簡易的經(jīng)驗(yàn)公式。最佳齒形凹模?？诎脲F角確定好后，?？谝龑?dǎo)段的長度也就確定了。

凹模?？趫A角也是很重要的技術(shù)參數(shù)。凹模?？谔幵邶X形成形帶前的過渡區(qū)，有與花鍵齒形相對(duì)應(yīng)的多條棱，共有4個(gè)圓角尺寸，其值不一定完全一樣，如圖10所示。花鍵擠壓成形時(shí)，如齒形凹模模口的齒棱都是尖角，摩擦力大，使擠壓力急劇升高，不但齒形不容易充填飽滿，而且會(huì)由于應(yīng)力集中，大大降低模具壽命。

圖10 模入口圓角示意Fig.10 Entering round angle of the die

很多人不重視這個(gè)問題，導(dǎo)致模具受載條件惡劣，模具失效，試驗(yàn)失敗，因此，有人建議r1取0.5～1.5 mm，r2取3 ～4 mm，r4取 0.4 ×(r0－ r2)[5]。因?yàn)閞3與擠壓件的具體尺寸有關(guān)，無法做較大的改變，通常取 r3=0.5 mm。

在設(shè)計(jì)模具時(shí)，總是希望使圓角半徑盡量加大，這樣能保證金屬容易流動(dòng)，產(chǎn)品容易成形，保證產(chǎn)品質(zhì)量，而且減小變形力，減少應(yīng)力集中，延長模具壽命。隨著圓角半徑的增大，也必然會(huì)減少凹模成形區(qū)的受力面積，降低凹模強(qiáng)度，因此必須根據(jù)實(shí)際成形情況給出最佳的取值范圍。

合理確定圓角值，使擠壓成形時(shí)金屬的流動(dòng)盡量趨于流線型，也是研究的主要內(nèi)容。當(dāng)然，如果圓角半徑的增大，產(chǎn)品的形狀變了，影響了花鍵的嚙合性能，也等于是擠壓失敗。

在花鍵冷擠壓工藝中，常用的凹模?？谥饕绣F形?？诤颓€模口。曲線有正弦曲線、余弦曲線、拋物線和特種曲線等。過去為了加工方便，只能采用錐形模口，現(xiàn)在不管什么樣的曲線都可以利用電火花加工、數(shù)控加工或高速銑削加工成形?？梢酝ㄟ^試驗(yàn)，尋找最佳曲線作為?？谛螤钋€，使金屬變形容易，模具的工作條件改善，延長使用壽命。

3.3 科學(xué)確定坯料前端形狀尺寸

根據(jù)成形后的外形差異，整個(gè)毛坯大致可分為3部分:定位段、齒形成形段、未成形段。

不少研究者在確定端部形狀時(shí)完全由現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)決定。如果端部形狀不是最佳，不但不能改善成形品質(zhì)，反而易產(chǎn)生成形缺陷。為了防止擠壓成形時(shí)變形不均勻和應(yīng)力集中，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定而順利的擠壓過程，選擇合適的原始坯料形狀、尺寸十分重要。坯料直徑一般在齒形外徑和內(nèi)徑之間。

將坯料成形段的前端專門加工成一定長度的定位段，可保證擠壓過程穩(wěn)定，減少擠壓力，使齒形充填飽滿。當(dāng)然在某種特殊情況下，定位段長度也可能為0，也就是說不要定位段。

除上、下模具要保證同軸度要求外，齒形模芯的齒根圓直徑與冷擠壓坯件桿部的間隙以小于0.2 mm為佳，保證坯件在齒形模芯內(nèi)定位良好。同時(shí)冷擠壓坯件在上模內(nèi)的定位長度應(yīng)達(dá)到坯料直徑的3～4倍，這樣可避免坯件在承受擠壓力時(shí)發(fā)生彎曲變形。

4 結(jié)語

花鍵的冷擠壓工藝是一種少無切削加工，它不僅具有生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品精度高、材料利用率高、成本低等特點(diǎn)，而且冷擠壓花鍵內(nèi)部金屬流線保持連續(xù)，晶粒得到不同程度的破碎和拉長。在后續(xù)的熱處理過程中，晶粒得到進(jìn)一步細(xì)化，提高了零件的綜合力學(xué)性能。同時(shí)，冷擠壓花鍵所用設(shè)備為普通油壓機(jī)，價(jià)格便宜。齒形精度由凹模決定，模具壽命較高，高速鋼模芯的凹模壽命可以達(dá)到1萬件以上，硬質(zhì)合金模芯的凹模壽命可以達(dá)到幾十萬件，產(chǎn)品質(zhì)量比較穩(wěn)定。由此，冷擠壓花鍵廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、摩托車工業(yè)及其他加工制造業(yè)，降低了花鍵軸生產(chǎn)成本，滿足了花鍵軸大批量生產(chǎn)的要求。

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