牛 婷，李永堂，劉志奇，付建華

(1.太原科技大學材料科學與工程學院，太原 030024;

2.金屬材料成形理論與技術山西省重點實驗室，太原 030024)

花鍵冷敲機間歇分度機構研究

牛 婷，李永堂，劉志奇，付建華

(1.太原科技大學材料科學與工程學院，太原 030024;

2.金屬材料成形理論與技術山西省重點實驗室，太原 030024)

設計并分析了花鍵冷敲機分度機構及傳動系統(tǒng)，對花鍵冷敲機分度機構中的關鍵部件進行了運動學理論分析;借助于三維造型軟件及ADAMS軟件進行了運動學模擬，得出了該種分度機構的運動規(guī)律及特點，為花鍵冷敲機分度機構的進一步研究與改善提供了理論依據(jù)。

花鍵冷敲機;分度機構;運動學分析

根據(jù)花鍵冷敲設備成形原理可知，工件在做軸向進給運動的同時要做間歇旋轉(zhuǎn)運動，分度機構是實現(xiàn)間歇旋轉(zhuǎn)運動的關鍵部件，分度機構對花鍵冷敲成形產(chǎn)品的質(zhì)量保證及生產(chǎn)效率的提高具有重要的意義[1-2]，所以對花鍵冷敲機分度機構進行研究是十分必要的。槽輪式分度機構具有結構簡單，轉(zhuǎn)位迅速，機械效率高等特點[3-4]，所以目前間歇式花鍵冷敲機仍采用槽輪分度機構。

1 花鍵冷敲機槽輪式間歇分度機構

1.1 分度機構傳動原理

圖1 分度機構傳動原理示意圖Fig.1 The transmission principle of indexing mechanism

槽輪式間歇分度機構傳動系統(tǒng)如圖1所示，間歇分度機構工作時由電動機經(jīng)過一系列齒輪傳動帶動花鍵軸4，花鍵軸可以實現(xiàn)工件的軸向進給運動，花鍵軸帶動雙聯(lián)齒輪7，雙聯(lián)齒輪7帶動撥銷齒輪6，撥銷齒輪上的撥銷與槽輪式分度盤5上均勻分布的輪槽接觸，從而帶動槽輪轉(zhuǎn)動即實現(xiàn)工件間歇轉(zhuǎn)動。槽輪轉(zhuǎn)過一個槽工件轉(zhuǎn)過一個齒對應的角度，槽輪的槽數(shù)等于加工工件的齒數(shù)。由于實際所需要的工件齒數(shù)不同所以槽輪的齒數(shù)也是不唯一的，要根據(jù)實際情況而定，所以在實際工作過程中槽輪需要根據(jù)工件齒數(shù)的不同而進行更換。

1.2 撥銷個數(shù)的確定

為了保證軋輥主軸旋轉(zhuǎn)運動與工件分度運動的協(xié)調(diào)一致性，花鍵冷敲機軋輥主軸的旋轉(zhuǎn)運動與工件的分度運動為同一個電機帶動，設電動機到軋輥主軸的傳動比為ib1，電動機到撥銷齒輪的傳動比為ib2，所以軋輥主軸與撥銷齒輪傳動比為ib1/ib2，根據(jù)冷敲成形原理可知滾打輪擊打工件一次分度盤轉(zhuǎn)過一個齒。

設撥銷個數(shù)為n，可得:

根據(jù)以上兩個方面確定合理的傳動比及撥銷個數(shù)。

圖2 分度機構幾何原理圖Fig.2 Geometrical principle of indexing mechanism

2 分度機構運動學分析

2.1 分度機構運動學分析

圖3 分度機構幾何關系Fig.3 Geometrical principle of indexing mechanism

由分度機構幾何關系(圖3)可得:

由此可得槽輪的角位移θ:

角速度ω為:

角加速度α為:

2.2 分度機構運動學仿真

(1)分度機構三維模型的建立

將分度機構簡化為只有撥銷部分和槽輪部分。設給定工件的齒數(shù)為36，槽輪齒數(shù)z=36，槽輪與撥銷的中心距ɑ=200 mm，撥盤的圓銷半徑r=2.5 mm，由:2α=2π/z，2α+2β=π

通過以上對主要參數(shù)的計算可以確定槽輪上一些有特征的點，從而可以繪制出整個槽輪分度機構造型[5]，由此可以進行槽輪分度機構運動學仿真分析。

(1)在 pro/e中將裝配好的三維模型儲存成(*x_t)格式的文件。

(2)進入adams打開菜單【file】-【import】，在彈出的對話框中選擇file type的幾何模型的格式，然后在file to read中選擇browse找到上述(2)中儲存文件的地址，這樣就可以將三維模型導入adams中。

(3)導入幾何模型后，定義構件的材料、顏色，名稱等信息尤其是材料。設定撥銷的轉(zhuǎn)速為200 d/s.

圖4 分度機構幾何模型Fig.4 Geometrical model of indexing mechanism

圖5 分度機構運動學模型Fig.5 The kinematics model of indexing mechanism

(4)添加約束[6-9]。

表1 機構約束明細Tab.1 Schedule of mechanism constraints mechanism

(5)仿真結果及分析

仿真時間為10 s，仿真步數(shù)為8 000.通過運動學仿真運算，得到了槽輪分度機構運動參數(shù)的變化規(guī)律，如圖6所示。

通過對槽輪式分度機構的運動學仿真，得到了分度機構角位移，角速度及角加速度的變化規(guī)律。從圖6(a)中可以看出槽輪的位移曲線成臺階形，說明槽輪的旋轉(zhuǎn)運動是間歇運動，每個臺階之間相差10度，基本滿足分度要求;從圖6(b)中可以看出槽輪的速度是周期性脈沖，即分度機構的受力也是周期性脈沖，并且在脈沖之間的速度并沒有為零，這會嚴重影響到分度精度，該模型是在沒有考慮制動裝置下仿真的，所以要想達到精確地分度必須安裝制動裝置;從圖6(c)可以看出分度機構的最大沖擊力出現(xiàn)在撥銷進入槽輪與剛脫離槽輪時，所以可以將這兩處的沖擊力作為臨界力來設計撥銷及制動裝置。

3 新型無級分度系統(tǒng)

圖7中Ⅰ部分是現(xiàn)有槽輪式分動機構傳動系統(tǒng)示意圖，可以看出現(xiàn)有的花鍵冷敲機分度機構傳動鏈長，系統(tǒng)結構復雜，容易造成傳動誤差;工件齒數(shù)不同時需要更換分度盤，影響生產(chǎn);并且撥銷相對于槽輪很小所以受到的沖擊力比較大。針對以上問題通過對傳統(tǒng)分度系統(tǒng)的改造，作者提出了新型無級分度系統(tǒng)，如圖8所示。

圖6 分度機構運動學仿真結果Fig.6 The kinematics model of indexing mechanism

圖7 傳統(tǒng)分度系統(tǒng)傳動鏈示意圖Fig.7 The diagram of traditional indexing system chain

新型無級分度系統(tǒng)利用步進電機直接與工件軸鏈接實現(xiàn)工件的無級間歇分度運動，從而代替圖7中Ⅰ傳動鏈，使整個分度系統(tǒng)得到簡化，并且通過程序控制可以很方便的加工不同齒數(shù)的工件。

圖8 新型分度機構傳動鏈Tab.8 New type of indexing system chain

4 結論

(1)通過對槽輪式分度機構及其特點的分析，得出了該分度機構撥銷個數(shù)與傳動系統(tǒng)及自身結構參數(shù)的關系;通過理論分析得出了該種分度機構的運動角位移，角速度，角加速度與時間的關系。

(2)通過對分度機構的模擬仿真得出了該種分度機構的運動特征及其規(guī)律，發(fā)現(xiàn)該種分度機構在保證運動精度方面存在缺陷并且撥銷在進入槽輪與脫離槽輪時存在較大的沖擊。

(3)針對傳統(tǒng)的槽輪式分度機構結構復雜在、加工不同齒數(shù)工的時需要更換分度盤等缺點，提出了一種新型無級分度機構，具有結構簡單和加工不同工件時無需更換分度盤等優(yōu)點。

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Research on Dividing Mechanism of Spline Cold Striking Machine

NIU Ting，LI Yong-tang，LIU Zhi-qi，F(xiàn)U Jian-hua
(1.School of Material Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China;2.Shanxi Key Laboratory of Metallic Materials Forming Theory and Technology，Taiyuan 030024，China)

The dividing mechanism of spline cold striking machine was designed and analyzed.The kinematics analysis on the key components was carried out，the kinematics simulation was carried out by Pro/E and ADAMS software.The movement rule of the dividing mechanism was obtained，which has great significance to further improvement of spline cold striking technology.

spline cold striking machine，dividing mechanism，kinematics analysis

TG315.79

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.04.003

1673-2057(2015)04-0255-04

2015-01-20

國家自然科學基金(51475316，51275331);山西省科技重大專項(20111101034)

牛婷(1986-)，女，碩士研究生，主要研究方向為鍛壓設備理論與控制。