渐开线花键冷搓成形模具设计及制造
一、引言 近年来，一些大型齿轮厂、变速箱厂相继从国外引进了冷搓成形设备及模具生产花键轴，以满足国内汽车工业及机器制造业对花键品种及使用量的日益增长的需求。采用冷搓成形工艺，使花键生产变得快捷高效、节能节材，并可提高花键机械性能及制造精度。从该工艺在国内使用的初期至今，进行了大量的理论分析、测试及试验研究，研制出多种渐开线花键冷搓成形模具，并已投入生产使用。本文给出冷搓模具的设计原则和一种模具制造方法，以期得到推广使用，从而使国内完全依靠进口冷搓成形模具维持冷搓花键生产的状况得以改观。 二、花键冷搓成形工艺 该工艺是在冷搓机上，利用冷搓模具，使光轴毛坯边转动边产生塑性变形，最终在光轴上成形出花键的一种精密塑性成形工艺。将搓制出的花键轴进行渗碳淬火即可得到成品。 冷搓机的结构如图 1 所示，两个滑块 2 分别位于冷搓机机身的上、下导轨中，在液压系统 7 的动力作用下，两滑块可实现对向水平往复运动 ( 如图 1 右图所示 ) 。滑块后部为齿条结构，经齿轮 4 传动，可使两滑块的运动保持同步；滑块的前部用于安装冷搓模具 5 。位于上、下导轨中间位置的前顶尖 1 和后顶尖 3 用于装夹工件 6 。
图 1 冷搓机结构示意图
1. 前顶尖 2. 滑块 3. 后顶尖 4. 齿轮
5. 冷搓模具 6. 毛坯 7. 液压系统 冷搓模具结构如图 2 所示。模具上顶面为工作面，其余面及圆孔为安装定位用。工作面为数百个参数各异的齿形面 ( 如图 3 所示 ) ，按其在冷搓成形过程中的作用不同可分为三部分，即粗搓部分 (l1 部分 ) 、精搓部分 (l2 部分 ) 和退出部分 (l3 部分 ) 。
图 2 渐开线花键冷搓模具结构示意图 
图 3 冷搓模具工作部分齿形结构图 在冷搓机的上、下滑动呈左右分开的状态下，装好冷搓模具，然后将经退火处理后磨削加工得到的光轴毛坯送入冷搓机，使其被冷搓机的前、后顶尖顶住，并可自由转动。冷搓开始，上、下冷搓模具在各自滑块的带动下产生对向同步运动，当模具工作部分 ( 齿形部分 ) 与工件接触时，模具上的齿一边压入工件，使其产生塑性变形；一边带动工件转动。当工件被带动旋转数圈之后，模具工作部分的所有齿都搓过了工件，此时即在光轴上成形出了所需花键。冷搓结束，在气缸作用下前顶尖撤回并将花键轴取出，冷搓机滑块回程进入下一工作循环。 冷搓中，模具粗搓部分的起始齿将光轴毛坯咬入模具，并使毛坯产生少量塑性变形而呈现出凸起与凹槽，当毛坯旋转一周后，即出现与花键要求齿数相同的凸起和凹槽，从而实现顺利咬入及准确分度。此后，随模具粗搓部分的齿形变化，毛坯上的塑性变形逐渐加大并完成齿廓成形。继续搓制，模具精搓部分的齿开始起作用，此时，毛坯上已成形出的齿廓的表面发生少量金属流动，使所得齿的齿形角等参数得到校正，齿廓表面质量得到提高。冷搓末期，已成形的花键轴在模具退出部分的带动下边旋转边从上、下模具中脱离出来，此间，花键轴不产生塑性变形，只产生弹性恢复。 三、渐开线花键冷搓模具设计原则 参考图 2 、图 3 ，设计工作包括整体尺寸设计及工作部分齿形尺寸设计。由于工作部分具有齿数多 ( 通常为 100 ～ 300 齿 ) 齿形参数各异的特点，使设计计算量很大，在研究中采用了计算机辅助设计。下面仅介绍一下设计原则。 1. 整体尺寸设计 (1) 长度 l l ＝ (7 ～ 10) ． t ． z ′ (1) 式中 t ——冷搓模具的齿距 z ′——花键的齿数 (2) 高度 h h ＝ (H-d ′ f)/2(2) 式中 H ——冷搓机上、下导轨间的装模高度 d ′ f ——花键的齿根圆直径 (3) 宽度 b b ＝ b ′ +10mm(3) 式中 b ′——花键长度 2. 工作部分尺寸设计 工作部分的全齿由直线型齿顶、齿侧、齿底及各交汇处的圆弧构成。由啮合原理知，具有如此齿形的模具搓制出的花键具有渐开线齿廓。在设计中，针对模具的不同部分具有不同的设计原则。 (1) 工作面各部分长度 l2 ＝ (1.1 ～ 1.5) ． z ′． t(4)
l3 ＝ (0.6 ～ 0.8) ． z ′． t(5)
l1 ＝ L-l2-l3(6) (2) 齿距 t 模具上所有齿间的齿距相同，按 (7) 式计算 t ＝ dp ．π /z ′ (7) 式中 dp ——光轴毛坯直径 (3) 齿形角α 模具上所有齿具有相同的齿形角，并按 (8) 式设计 α＝ cos-1(d ′． cos α′ /dp)(8) 式中 d ′——花键的分度圆直径
α′——花键的齿形角 (4) 齿顶高 ha 及齿根高 hf 1) 精搓部分 ha ＝ h ′ f(9)
hf ＝ h ′ a(10) 式中 h ′ a ， h ′ f ——花键的齿顶高及齿根高 2) 粗搓部分 粗搓部分齿顶高以精搓部分齿顶高为基准以斜角φ 1 向端部呈下降趋势 ( 如图 2 、图 3 右端 ) ，φ 1 值可取 3 ′～ 5 ′，设计中初步确定了φ 1 值后要按咬入条件进行校核；粗搓部分齿根高与精搓部分齿根高相同。 3) 退出部分 退出部分齿全高与精搓部分齿全高相同，同时以精搓部分为基准向端部以斜角φ 2 呈变位分布 ( 如图 2 、图 3 左端 ) 。 (5) 齿厚 S 1) 精搓部分
式中α′ p ——花键上直径为 dp 的圆上的压力角
m ′——花键模数 2) 粗搓部分 齿厚由精搓部分向粗搓部分端部方向呈逐渐增加趋势，总增加量Δ S 为 Δ S ＝ (0.1 ～ 0.35)S(12) 3) 退出部分 此部分齿厚与精搓部分齿厚相同。 (6) 圆角 r 与 r1 r 表示模具齿顶面与齿后侧面 ( 如图 3 左为后，右为前 ) 的连接圆角及齿根处圆角， r1 表示齿顶面与齿前侧面的连接圆角。模具所有齿的 r 是相同的，可取 0.35mm ～ 0.58mm ， r 值初步选定后要按成形中不在花键齿根部分产生根切的条件进行校核。与 r 不同， r1 值是一个变量，在精搓及退出部分取 r1 等于 r ，而在粗搓部分，由粗搓部分起始端向精搓部分逐渐增加，变化范围为 0 ～ r ，初始齿 r1 为 0 ，向右逐渐增大为 r 值。 四、冷搓模具的制造 模具制造的技术关键在于工作部分的齿形加工，冷搓模具长度多在 580mm ～ 812mm 范围内，全长齿形累积误差应小于 0.05mm ， Ra 值应小于 0.4 μ m ，齿数多且齿形各异。针对以上情况，研究中采用了数控线切割加工后进行研磨的方法，取得了成功。将计算机辅助设计所得到的齿形参数转换生成数控加工代码输送给数控线切割机对模具毛坯进行切割。由于模具长度大，常需采用二次定位及相应加工代码程序段的转换，这一步骤应谨慎操作。之后，再切割铸铁研磨板并对模具进行研磨，最终得到合格的模具。这样，冷搓模具的加工工艺过程如下： W6Mo5Cr4V2 锻坯—退火—粗加工整体尺寸—热处理—磨削得到整体尺寸—数控线切割加工齿形—研磨齿形。 五、应用 在研究中，按照以上设计原则及加工方法分别对天津大发变速器 S70 输入轴渐开线花键及 S70 输出轴中齿数为 21 和 18 的两种渐开线花键进行了冷搓模具的研制，均获成功。图 4 所示为所研制的 S70 输出轴齿数为 21 的渐开线花键的冷搓模具。模具的调试及使用是在唐山齿轮厂 NACHI 冷搓机上进行的。图 5 所示为利用该模具所搓制出的渐开线花键轴，经检验达 GB/T3478-1995 5 级精度，经装配使用表明完全符合使用要求。该模具至今使用寿命已达 2.5 万件。实践证明，自制模具与进口模具具有相同使用效果，而模具成本仅为进口模具的 1/2 ，制造周期缩短为进口模具的 1/3 ，可提前两个月投入使用，加快了花键轴的生产进度。 六、结论 实践证明，本文所提供的渐开线花键冷搓模具的设计原则是正确的；所给出的模具制造方法是可行的。按此自制出的冷搓模具完全可以取代进口模具，同时可取得显著的经济效益。该设计原则及制造方法值得推广使用。
图 1 冷搓机结构示意图 1. 前顶尖 2. 滑块 3. 后顶尖 4. 齿轮
5. 冷搓模具 6. 毛坯 7. 液压系统 冷搓模具结构如图 2 所示。模具上顶面为工作面，其余面及圆孔为安装定位用。工作面为数百个参数各异的齿形面 ( 如图 3 所示 ) ，按其在冷搓成形过程中的作用不同可分为三部分，即粗搓部分 (l1 部分 ) 、精搓部分 (l2 部分 ) 和退出部分 (l3 部分 ) 。
图 2 渐开线花键冷搓模具结构示意图 图 3 冷搓模具工作部分齿形结构图 在冷搓机的上、下滑动呈左右分开的状态下，装好冷搓模具，然后将经退火处理后磨削加工得到的光轴毛坯送入冷搓机，使其被冷搓机的前、后顶尖顶住，并可自由转动。冷搓开始，上、下冷搓模具在各自滑块的带动下产生对向同步运动，当模具工作部分 ( 齿形部分 ) 与工件接触时，模具上的齿一边压入工件，使其产生塑性变形；一边带动工件转动。当工件被带动旋转数圈之后，模具工作部分的所有齿都搓过了工件，此时即在光轴上成形出了所需花键。冷搓结束，在气缸作用下前顶尖撤回并将花键轴取出，冷搓机滑块回程进入下一工作循环。 冷搓中，模具粗搓部分的起始齿将光轴毛坯咬入模具，并使毛坯产生少量塑性变形而呈现出凸起与凹槽，当毛坯旋转一周后，即出现与花键要求齿数相同的凸起和凹槽，从而实现顺利咬入及准确分度。此后，随模具粗搓部分的齿形变化，毛坯上的塑性变形逐渐加大并完成齿廓成形。继续搓制，模具精搓部分的齿开始起作用，此时，毛坯上已成形出的齿廓的表面发生少量金属流动，使所得齿的齿形角等参数得到校正，齿廓表面质量得到提高。冷搓末期，已成形的花键轴在模具退出部分的带动下边旋转边从上、下模具中脱离出来，此间，花键轴不产生塑性变形，只产生弹性恢复。 三、渐开线花键冷搓模具设计原则 参考图 2 、图 3 ，设计工作包括整体尺寸设计及工作部分齿形尺寸设计。由于工作部分具有齿数多 ( 通常为 100 ～ 300 齿 ) 齿形参数各异的特点，使设计计算量很大，在研究中采用了计算机辅助设计。下面仅介绍一下设计原则。 1. 整体尺寸设计 (1) 长度 l l ＝ (7 ～ 10) ． t ． z ′ (1) 式中 t ——冷搓模具的齿距 z ′——花键的齿数 (2) 高度 h h ＝ (H-d ′ f)/2(2) 式中 H ——冷搓机上、下导轨间的装模高度 d ′ f ——花键的齿根圆直径 (3) 宽度 b b ＝ b ′ +10mm(3) 式中 b ′——花键长度 2. 工作部分尺寸设计 工作部分的全齿由直线型齿顶、齿侧、齿底及各交汇处的圆弧构成。由啮合原理知，具有如此齿形的模具搓制出的花键具有渐开线齿廓。在设计中，针对模具的不同部分具有不同的设计原则。 (1) 工作面各部分长度 l2 ＝ (1.1 ～ 1.5) ． z ′． t(4) l3 ＝ (0.6 ～ 0.8) ． z ′． t(5)
l1 ＝ L-l2-l3(6) (2) 齿距 t 模具上所有齿间的齿距相同，按 (7) 式计算 t ＝ dp ．π /z ′ (7) 式中 dp ——光轴毛坯直径 (3) 齿形角α 模具上所有齿具有相同的齿形角，并按 (8) 式设计 α＝ cos-1(d ′． cos α′ /dp)(8) 式中 d ′——花键的分度圆直径
α′——花键的齿形角 (4) 齿顶高 ha 及齿根高 hf 1) 精搓部分 ha ＝ h ′ f(9)
hf ＝ h ′ a(10) 式中 h ′ a ， h ′ f ——花键的齿顶高及齿根高 2) 粗搓部分 粗搓部分齿顶高以精搓部分齿顶高为基准以斜角φ 1 向端部呈下降趋势 ( 如图 2 、图 3 右端 ) ，φ 1 值可取 3 ′～ 5 ′，设计中初步确定了φ 1 值后要按咬入条件进行校核；粗搓部分齿根高与精搓部分齿根高相同。 3) 退出部分 退出部分齿全高与精搓部分齿全高相同，同时以精搓部分为基准向端部以斜角φ 2 呈变位分布 ( 如图 2 、图 3 左端 ) 。 (5) 齿厚 S 1) 精搓部分
式中α′ p ——花键上直径为 dp 的圆上的压力角 m ′——花键模数 2) 粗搓部分 齿厚由精搓部分向粗搓部分端部方向呈逐渐增加趋势，总增加量Δ S 为 Δ S ＝ (0.1 ～ 0.35)S(12) 3) 退出部分 此部分齿厚与精搓部分齿厚相同。 (6) 圆角 r 与 r1 r 表示模具齿顶面与齿后侧面 ( 如图 3 左为后，右为前 ) 的连接圆角及齿根处圆角， r1 表示齿顶面与齿前侧面的连接圆角。模具所有齿的 r 是相同的，可取 0.35mm ～ 0.58mm ， r 值初步选定后要按成形中不在花键齿根部分产生根切的条件进行校核。与 r 不同， r1 值是一个变量，在精搓及退出部分取 r1 等于 r ，而在粗搓部分，由粗搓部分起始端向精搓部分逐渐增加，变化范围为 0 ～ r ，初始齿 r1 为 0 ，向右逐渐增大为 r 值。 四、冷搓模具的制造 模具制造的技术关键在于工作部分的齿形加工，冷搓模具长度多在 580mm ～ 812mm 范围内，全长齿形累积误差应小于 0.05mm ， Ra 值应小于 0.4 μ m ，齿数多且齿形各异。针对以上情况，研究中采用了数控线切割加工后进行研磨的方法，取得了成功。将计算机辅助设计所得到的齿形参数转换生成数控加工代码输送给数控线切割机对模具毛坯进行切割。由于模具长度大，常需采用二次定位及相应加工代码程序段的转换，这一步骤应谨慎操作。之后，再切割铸铁研磨板并对模具进行研磨，最终得到合格的模具。这样，冷搓模具的加工工艺过程如下： W6Mo5Cr4V2 锻坯—退火—粗加工整体尺寸—热处理—磨削得到整体尺寸—数控线切割加工齿形—研磨齿形。 五、应用 在研究中，按照以上设计原则及加工方法分别对天津大发变速器 S70 输入轴渐开线花键及 S70 输出轴中齿数为 21 和 18 的两种渐开线花键进行了冷搓模具的研制，均获成功。图 4 所示为所研制的 S70 输出轴齿数为 21 的渐开线花键的冷搓模具。模具的调试及使用是在唐山齿轮厂 NACHI 冷搓机上进行的。图 5 所示为利用该模具所搓制出的渐开线花键轴，经检验达 GB/T3478-1995 5 级精度，经装配使用表明完全符合使用要求。该模具至今使用寿命已达 2.5 万件。实践证明，自制模具与进口模具具有相同使用效果，而模具成本仅为进口模具的 1/2 ，制造周期缩短为进口模具的 1/3 ，可提前两个月投入使用，加快了花键轴的生产进度。 六、结论 实践证明，本文所提供的渐开线花键冷搓模具的设计原则是正确的；所给出的模具制造方法是可行的。按此自制出的冷搓模具完全可以取代进口模具，同时可取得显著的经济效益。该设计原则及制造方法值得推广使用。
