牛婷，李永堂，劉志奇，付建華

(1.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.金屬材料成形理論與技術(shù)山西省重點實驗室，太原 030024）

花鍵冷敲機傳動系統(tǒng)設(shè)計與分析

牛婷1，李永堂1，劉志奇2，付建華1

(1.太原科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024；2.金屬材料成形理論與技術(shù)山西省重點實驗室，太原 030024）

冷敲機是一種高速、重載、精密沖擊成形設(shè)備，其傳動系統(tǒng)的設(shè)計與性能直接關(guān)系到齒形軸類零件成形質(zhì)量和精度。本文通過分析花鍵冷敲成形工藝原理，設(shè)計了花鍵冷敲機三大傳動鏈，實現(xiàn)了滾打輪的旋轉(zhuǎn)與工件的間歇分度運動、滾打輪的徑向進給運動、工件的軸向進給運動之間的相互協(xié)調(diào)與精確同步;提出了冷敲機主要傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算方法。

花鍵冷敲成形;花鍵冷敲機;傳動系統(tǒng)

根據(jù)花鍵冷敲成形原理可知花鍵冷敲機生產(chǎn)的工件不切斷纖維并且齒面強度及耐磨性相對切削加工有很大的提高;表面質(zhì)量可以達到磨削精度;效率可提高20～30倍;抗拉強度可提高15%左右。冷敲花鍵不僅具有無削加工無法比擬的優(yōu)點而且花鍵冷敲工藝相比其他無削加工方法可以加工大模數(shù)(模數(shù)大于1.5小于3.5)花鍵及細長軸類零件［1-3］，隨著國民經(jīng)濟的不斷發(fā)展，尤其是汽車行業(yè)的突飛猛進，冷成形加工工藝的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴大，許多零件目前只能依靠進口或進口設(shè)備加工，成本較高。所以花鍵冷敲成形設(shè)備產(chǎn)品的開發(fā)與研究適應(yīng)市場的需求，具有重要的理論價值和廣泛的應(yīng)用前景。

1 花鍵冷敲機成形原理

花鍵冷敲成形是依靠材料的塑性成形原理，通過工件的間歇旋轉(zhuǎn)與滾打輪的連續(xù)旋轉(zhuǎn)在工件的表面進行高速擊打，迫使工件表面金屬流動形成局部變形，從而在連續(xù)運動中產(chǎn)生累積效應(yīng)，最終形成要求的齒形。成形原理如圖1所示，滾打輪在軋輥主軸的帶動下做高速旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)速相等方向相反，滾打輪旋轉(zhuǎn)一周，擊打工件一次，在每次打擊過程中，工件連續(xù)軸向進給但不旋轉(zhuǎn)，當(dāng)滾打輪與工件不接觸(即工件不受打擊時)時，工件旋轉(zhuǎn)一個齒對應(yīng)的角度，再接受下一次打擊，如此連續(xù)擊打，最終在工件全長上形成齒槽［4-6］。

圖1 花鍵冷敲執(zhí)行機構(gòu)運動原理圖Fig.1 The principle of the actuator of spline cold rolling device

2 花鍵冷敲機傳動原理

根據(jù)上述花鍵冷敲機成形原理的分析可知該設(shè)備必須實現(xiàn)以下運動。軋輥主軸的旋轉(zhuǎn)運動;軋輥主軸的徑向進給運動;工件的軸向進給及工件的間歇分度運動。

B軸傳動系統(tǒng):實現(xiàn)軋輥主軸的高速旋轉(zhuǎn)及工件的間歇分度。為了保證軋輥主軸的旋轉(zhuǎn)運動與工件分度運動的同步性，軋輥主軸的旋轉(zhuǎn)和工件的旋轉(zhuǎn)由同一動力源驅(qū)動，電動機經(jīng)過傳動系統(tǒng)分為兩支，一支帶動軋輥主軸旋轉(zhuǎn);一支帶動工件的分度旋轉(zhuǎn)。

X軸傳動系統(tǒng):實現(xiàn)軋輥主軸的徑向進給退回運動，由獨立的電機帶動。

Z軸傳動系統(tǒng):實現(xiàn)工件的快進及工作狀態(tài)時軸向微量進給，由獨立的電機帶動。根據(jù)這一特點采用滾珠絲杠螺母副帶動，這樣可以減少摩擦阻力，可以實現(xiàn)工件的快進及工作狀態(tài)時的微量移動，并能保證高精度，且保證良好的潤滑。

3 B軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計和計算

B軸傳動系統(tǒng)分為兩分支，B1傳動系統(tǒng)用于實現(xiàn)軋輥主軸的高速旋轉(zhuǎn);B2傳動系統(tǒng)用于實現(xiàn)工件的間歇分度旋轉(zhuǎn)。根據(jù)花鍵冷敲機成形原理該部分傳動為T字型布置。

3.1 B1傳動方案的確定

圖2 B1傳動系統(tǒng)原理圖Fig.2 The principle of B1 transmission system

B1傳動系統(tǒng)如圖2所示，其傳動原理為:主電機—同步帶輪—齒輪副—萬向節(jié)軸—軋輥主軸—軋輥。在設(shè)計B軸傳動系統(tǒng)過程中，首先要確定主電動機功率。

根據(jù)傳動原理可知主電動機需帶動滾打輪旋轉(zhuǎn)及工件的間歇旋轉(zhuǎn)，滾打輪擊打工件時，即有負(fù)載時，工件處于靜止?fàn)顟B(tài)，而當(dāng)工件旋轉(zhuǎn)時滾打輪與工件不接觸即滾打輪處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以在選擇主電動機的時，要以兩者運動所需功率最大者為選擇電動機功率的標(biāo)準(zhǔn)。由于擊打工件為主要載荷，因此根據(jù)滾打輪與工件擊打所需功率確定設(shè)備所需最大功率。

(1)電機所需轉(zhuǎn)矩T:

式中:F——滾打輪在y方向的受力，通過對花鍵冷敲機執(zhí)行機構(gòu)的動力學(xué)仿真可以得出該值［3］;

D——軋輥主軸旋轉(zhuǎn)直徑，根據(jù)設(shè)備實際空間結(jié)構(gòu)要求來確定，為已知量。

(2)工作機總效率η:

式中:η1——同步輪傳動效率;η2——軸承傳動效率;η3——萬向節(jié)聯(lián)軸器傳遞效率。

(3)電機所需功率P:

式中:n——工作機的轉(zhuǎn)速，據(jù)實際工藝條件及實際生產(chǎn)效率來確定。

將式(1)，式(2)結(jié)果代入式(3)可得滾打輪與工件擊打時所需功率P.

3.2 B2傳動方案的確定

圖3 B2傳動系統(tǒng)原理圖Fig.3 The principle of B2 transmission system

B2傳動系統(tǒng)如圖3所示，其傳動原理為:主電機—同步帶輪—齒輪副1—傳動軸1—錐齒輪副—傳動軸2—齒輪副2—花鍵軸—撥銷齒輪(該齒輪上帶有撥銷)—分度機構(gòu)—工件軸。

該花鍵冷敲機分度機構(gòu)采用槽輪式分度機構(gòu)，由于槽輪結(jié)構(gòu)自身特點，可得撥銷個數(shù)n≤其中Z為加工工件的齒數(shù)，為了保證軋輥主軸旋轉(zhuǎn)運動與工件分度運動這兩個傳動的精度及同步性，軋輥主軸的旋轉(zhuǎn)運動與工件的分度運動由同一個電機帶動，設(shè)電動機到軋輥主軸的傳動比為ib1，電動機到工件的傳動比為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)過一個齒對應(yīng)的角度即撥銷只能撥動分度盤一次，設(shè)撥銷個數(shù)為n，可得n=ib1/ib2，n個撥銷均勻分布。工件軸的轉(zhuǎn)速越大分度盤的轉(zhuǎn)動慣量就越大，撥銷受到的沖擊力都會越大，可以通過傳動比的設(shè)計降低工件軸的轉(zhuǎn)速以減小沖擊力，所以要合理分布三者的數(shù)值。

4 Z軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計和計算

圖4 軸的傳動原理圖Fig.4 The principle of Z transmission system

在實際工作中工件要完成快進、快退以及工作狀態(tài)中的微量進給，在該工藝條件下工件的微進給量對工件成形面的質(zhì)量有著重要的影響，所以為了能夠使工件的運動得到準(zhǔn)確控制，該系統(tǒng)的電動機選用伺服電機，電動機通過同步輪及滾珠絲杠在花鍵軸上實現(xiàn)整個工作部分的直線運動即完成工件的軸向進給運動。根據(jù)運動進度要求設(shè)計的Z軸傳動系統(tǒng)如圖4所示，其傳動原理為:伺服電動機—同步輪—滾珠絲杠—花鍵軸—工作機構(gòu)。

4.1 滾珠絲杠的工作負(fù)載的確定

滾珠絲杠選擇的主要任務(wù)是確定工作負(fù)載，負(fù)載及該設(shè)備的工藝參數(shù)確定后即可確定滾珠絲杠的型號。

(1)滾珠絲杠副的工作負(fù)載F:

滾珠絲杠的受力情況如圖5所示，F(xiàn)f為工作部分移動時受到的摩擦力;Fy為滾打輪打擊工件時工件受到的軸向力(通過adams動力學(xué)模擬可以得出［4］)。通過對工作部分的受力分析，可知在狀態(tài)c時滾珠絲杠副的平均工作負(fù)載最大，其值為:

4.2 伺服電動機的選擇

伺服該機的選擇需要確定負(fù)載力矩Tm;折合到電機軸上的負(fù)載慣量J;電機的最大轉(zhuǎn)速該值根據(jù)實際所需的工藝條件確定。

(1)電動機軸上的負(fù)載力矩Tm:

圖5 工作部分在水平方向受力簡化圖Fig.5 Part of the work in the horizontal direction force simplified diagram

根據(jù)圖5可知負(fù)載力矩包括兩部分，一部分是工作部分產(chǎn)生的力矩，一部分是由于絲桿絲母產(chǎn)生的摩擦力矩，即:

式中:F—移動工作部分所需的力，設(shè)備參數(shù)確定后該值可以確定;L—電動機轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)工作部分移動的距離:L=pi，i為電動機到工作機構(gòu)的傳動比，p為滾珠絲杠的節(jié)距;η—傳動系統(tǒng)的效率;Tf—滾珠絲杠絲母及軸承加到電動機軸上的摩擦力矩，根據(jù)經(jīng)驗值可得。

空載時移動工作部分所需的力:

式中:G—工作部分的重量;μ—工作部分與花鍵軸之間的摩擦系數(shù)。

負(fù)載時移動工作部分所需的力:

式中:Fy—滾打輪對工件的切削力。

由此可得出電動機軸上的最大負(fù)載力矩Tm.

(2)折算到電動機軸上的負(fù)載慣量J:

該傳動系統(tǒng)包括工作機構(gòu)，絲桿絲母部分，同步輪部分。

工作部分的轉(zhuǎn)動慣量:

式中:G—工作部分的重量;η—系統(tǒng)傳動效率;L—電機轉(zhuǎn)一圈工作部分移動的距離。

滾珠絲杠部分轉(zhuǎn)動慣量:

式中:η—系統(tǒng)傳動效率;Y—絲杠的比重;D—絲杠的軸徑;L—絲杠的長度。

同樣的方法計算出同步輪轉(zhuǎn)動慣量J3，由此可得總的轉(zhuǎn)動慣量:

根據(jù)以上參數(shù)選取合適的伺服電動機。

5 X軸傳動系統(tǒng)的設(shè)計

X軸傳動系統(tǒng)主要完成軋頭的徑向進給運動，為了保證兩軋頭傳動的精確性，兩軋頭由同一電動機帶動，根據(jù)傳動原理可知軋頭平行布置，所以整個傳動系統(tǒng)為門子型，所設(shè)計的X軸傳動系統(tǒng)如圖6所示。

要保證兩軋頭運動的精確性除了采用以上的傳動形式外還要考慮絲杠絲母副的間隙，所以利用在軋頭絲杠端部增加軋頭油缸來解決這一問題。

圖6 X軸傳動系統(tǒng)簡圖Fig.6 The principle of X transmission system

6 結(jié)論

(1)根據(jù)花鍵冷敲成形原理，得出花鍵冷敲機需要完成的主要運動有滾打輪的高速旋轉(zhuǎn)運動;滾打輪的徑向進給運動;工件的間歇分度運動;工件的軸向快速和微量進給運動，根據(jù)工藝要求，設(shè)計了三條傳動鏈，保證了傳動系統(tǒng)精確可靠。

(2)由于滾打輪的旋轉(zhuǎn)運動與工件的分度運動要有有較高的同步性，所以設(shè)計了同一電機分成兩支來進行傳動，構(gòu)成B傳動鏈。滾打輪的徑向運動為Z傳動鏈，工件快速和微量的軸向進給運動為X傳動鏈，Z傳動鏈與X傳動鏈分別由各自獨立的電機帶動，由于兩者的運動精度直接影響著工件的成形精度，所以都采用伺服電機帶動。

(3)建立了三條傳動鏈中的主要參數(shù)如負(fù)載、轉(zhuǎn)動力矩等計算方法和公式，實際設(shè)計中根據(jù)已知參數(shù)和數(shù)據(jù)便可完成具體設(shè)計計算。

［1］崔鳳奎.高速精密冷滾打成形技術(shù)研究［D］.西安理工大學(xué)，2007.

［2］楊合，孫志超，詹梅，等.局部加載控制不均勻變形與精密成形研究發(fā)展［J］.塑性工程學(xué)報，2008，15(2):6-14.

［3］成海寶.精密冷滾壓工藝及設(shè)備研究［D］.燕山大學(xué)，1996.

［4］牛婷，李永堂，劉志奇，等.花鍵冷敲機執(zhí)行機構(gòu)運動參數(shù)分析與運動學(xué)仿真［J］.機械設(shè)計，2014(4):41-45.

［5］李言，楊明順，李玢，等.絲杠冷滾打成形動力學(xué)仿真及分析［J］.西安理工大學(xué)學(xué)報，2009，125(4):383-387.

［6］孫娟，徐永福，胡向軍，等.冷滾打花鍵動力學(xué)分析與仿真［J］.機械設(shè)計與制造，2009(4):196-198.

［7］陳明，劉文禮.槽輪機構(gòu)的平面造型設(shè)計和運動分析及仿真［J］.機械工程師，2004(12):52-53.

［8］孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理［M］.北京:高等教育出版社，2006.

［9］高澤遠，姚玉泉，李林賢.機械設(shè)計［M］.沈陽:東北工學(xué)院出版社，1988.

Analysis and Design of Transmission Dystem of Spline Cold Striking Machine

NIU Ting1，LI Yong-tang1，LIU Zhi-qi2，F(xiàn)U Jian-hua1
(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)

Cold striking machine is a kind of high-speed accurate shock forming machinery with heavy load.The forming quality and accuracy of toothed shaft parts are determined by the design and performance analysis of transmission system.In this study，the three transmission chain of cold striking machine is designed based on the forming process of spline cold striking principle.The rotation motion of rolling wheel，indexing movement of workpiece，the radial feed movement of rolling wheel and the axial feed motion of workpiece and their synchronized movement are realized.The design and calculating method of transmission system of cold striking machine is developed.

spline cold strik forming，spline cold striking machine，transmission system

TG315.79

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.03.003

1673-2057(2015)03-0175-05

2015-01-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(51475316，5127533);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(shè)備理論與控制。