轉(zhuǎn)向臂花鍵錐孔加工的工藝分析及刀具設(shè)計

1 問題的提出

    在我廠制造的汽車轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)中，轉(zhuǎn)向臂與轉(zhuǎn)向臂軸之間采用錐度花鍵聯(lián)接。轉(zhuǎn)向臂花鍵錐孔的產(chǎn)品尺寸(N-N剖面)如圖1所示。其加工工藝共分三道工序：(1)用三角花鍵拉刀拉出直孔花鍵槽；(2)用帶錐度的粗?jǐn)D刀擠壓花鍵孔，使其形成一定錐度；(3)用成形錐度精擠刀將花鍵錐孔擠壓成形。

圖1

     在實際設(shè)計花鍵拉刀及粗、精擠刀時，由于工藝確定的拉削后的花鍵大徑、小徑及刀齒齒厚不合理，致使在擠壓過程中制件花鍵在大徑和小徑上的余量不均勻，導(dǎo)致粗?jǐn)D刀的導(dǎo)向長度不足，甚至造成擠壓不進(jìn)的情況，只能采用精擠刀一次擠壓成形。這就導(dǎo)致擠壓刀具耐用度降低，且工件加工表面粗糙度值增大。生產(chǎn)現(xiàn)場操作人員為保證刀具齒尖強(qiáng)度以及增加刀具耐用度，往往將刀具外徑減小(即加寬刀具齒頂)。而在設(shè)計花鍵塞規(guī)時，只考慮保證制件齒厚公差，對刀具花鍵大徑的磨損估計不足。采用花鍵塞規(guī)進(jìn)行檢驗時，塞規(guī)大徑與擠壓后的制件花鍵大徑接觸，檢驗通規(guī)通不過，但此時花鍵孔齒槽寬實際已達(dá)到合格尺寸。操作人員為使塞規(guī)檢驗合格，往往又將擠刀向下多壓一段，此時加工出的花鍵孔齒槽寬實際已大于理論尺寸。在裝配時，由于轉(zhuǎn)向臂與轉(zhuǎn)向臂軸之間形成齒頂接觸，齒側(cè)產(chǎn)生間隙，從而造成聯(lián)接不緊密，影響了產(chǎn)品質(zhì)量。

2 工藝分析

    產(chǎn)品圖給出的花鍵大徑錐度為1:15，小徑斜角為1°48'56"，轉(zhuǎn)換成錐度為Zn=1:(tg1°48'56")/2=1:15.77385。

    從刀具磨削加工原理可知，擠刀在垂直于齒根的各個截面上的齒槽寬相等，由于槽底錐度較小，故可用擠刀的軸截面來替代垂直于齒根的各個截面。因此，在量棒相同的情況下，各個截面的量棒距與刀具小徑相同，錐度也為1:15.77385。分析前述工藝問題可知，產(chǎn)生問題的主要原因在于給出的花鍵拉刀工藝尺寸不正確。正確的工藝尺寸應(yīng)使花鍵拉刀拉削后在花鍵大、小徑上留給擠壓工序的加工余量的比例關(guān)系為15.77385:15，花鍵齒齒槽上的單邊留量與小徑留量的比例關(guān)系為1:1。這樣，一方面可保證粗、精兩把擠刀加工時在花鍵齒的大、小徑及齒側(cè)上都能同時與工件的大、小徑及齒側(cè)接觸，實現(xiàn)三處同時進(jìn)行擠壓加工，以保證工件的表面加工精度，同時可提高刀具的耐用度；另一方面可將粗、精擠刀設(shè)計為不同錐度(其中精擠刀的錐度與產(chǎn)品錐度相同)，以消除采用相同錐度刀具時產(chǎn)生的擠壓量不均勻問題，并可使擠刀的設(shè)計更為方便。 

    對于檢具的設(shè)計，應(yīng)實現(xiàn)對花鍵錐孔的大、小徑及齒側(cè)分別檢測，這樣可消除因擠壓刀具磨損而造成的檢測誤差。

3．工藝參數(shù)的確定

    為保證工件小端也能擠壓成形，應(yīng)以小端為基準(zhǔn)來確定花鍵拉刀的大、小徑，即在小端處的擠壓余量最小。產(chǎn)品圖給出的N-N截面的大、小徑尺寸分別為：大徑de=41.2mm，小徑df=39.21～39.37mm。其量棒直徑為da=2.886mm。根據(jù)已給出的齒槽寬度1.571～1.718mm，可推導(dǎo)計算出量棒距為Ma=45.334～45.476mm。據(jù)此可推導(dǎo)計算出小端端面孔的大、小徑及量棒距分別為：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(量棒直徑da=2.886mm)。

     由此，即可確定拉削工序花鍵大徑尺寸為deo=40.8mm。考慮到拉刀和擠刀都存在著大徑較易磨損的情況，因此可將產(chǎn)品大徑增大至41.35mm；另外，為避免其小徑與檢具發(fā)生干涉，將產(chǎn)品小徑增大至39.234mm。故拉削工序花鍵小徑尺寸為dfo=39.234-(41.35-40.8)15/15.77385=38.71mm。其拉削工序花鍵量棒距為Mao=45.334-(41.35-40.8)15/15.77385=44.81mm。根據(jù)拉削工序小徑值可確定鉆削工序的鉆孔工藝尺寸為φ38mm。

4 刀具的設(shè)計

    鉆削工序用鉆頭可選用φ38mm標(biāo)準(zhǔn)鉆頭。

    拉削工序用拉刀按拉前孔徑為φ38mm、刀具校準(zhǔn)齒小徑尺寸為φ38.71mm、大徑尺寸為φ40.8mm、量棒距為44.81mm設(shè)計，設(shè)計過程略。

    刀具設(shè)計的難點(diǎn)在于擠壓工序用擠壓刀具。由于擠壓余量較大，采用一次擠壓法會降低刀具耐用度，所以采用兩次擠壓法。所用精擠刀大、小徑上的錐度與產(chǎn)品錐度相同，分別為1:15和1:15.77385(量棒距錐度與小徑錐度相同)；為保證粗?jǐn)D刀具有較長的插入導(dǎo)向長度并保證精擠加工的擠壓精度，粗?jǐn)D刀采用與精擠刀不同的錐度。

    粗、精擠壓刀的加工位置如圖2所示。因為其前道拉削工序后所留下的余量已滿足15:15.77385的錐度要求，所以在任一加工截面均可保證擠壓刀在大、小徑及齒厚上同時接觸，因此設(shè)計的關(guān)鍵在于確定擠壓刀的插入導(dǎo)向長度，而確定擠壓長度的關(guān)鍵在于確定粗?jǐn)D刀的大、小徑錐度。

圖2

     以產(chǎn)品圖的N-N剖面作為設(shè)計基準(zhǔn)截面，x為粗?jǐn)D刀與拉削后孔端相接觸的截面在擠壓完成后與基準(zhǔn)截面間的距離；y為精擠刀與粗?jǐn)D刀擠壓后相接觸的截面在擠壓完成后與基準(zhǔn)截面間的距離。設(shè)粗?jǐn)D刀大徑錐度為Zcw，小徑錐度為Zcn。

     在外錐上，A截面的粗?jǐn)D刀大徑為dwa=deo=40.8mm；C截面的粗?jǐn)D刀大徑為dwc=dwa+(30-x)/Zcw；B截面的精擠刀大徑為djb=de+y/Zjw=41.35+y/15。因為dwc=djb，所以有

deo+(30-x)/Zcw=de+y/Zjw (1)

同理，在內(nèi)錐上有

dfo+(30-x)/Zcn=df+y/Zjn (2)

(在量棒距上所得計算結(jié)果與在內(nèi)錐上相同，二者只取其一。)

由圖2可得大徑上的擠壓余量截面積(單側(cè))為

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?jǐn)D刀在大徑上的擠壓余量截面積(單側(cè))為

Sace=0.5×ae×ce=0.5(30-x)[0.5(30-x)/Zcw]=0.25(30-x)²/Zcw

取全部擠壓余量為粗?jǐn)D余量的K倍，即Sofde=KSace，則有

9(de-deo+12/Zjw)=0.25K(30-x)²/Zcw (3)

同理，在內(nèi)錐上可得

9(df-dfo+12/Zjn)=0.25K(30-x)²/Zcn (4)

    將式(1)～(4)聯(lián)立求解，可解出Zcw，Zcn，x，y�？紤]粗?jǐn)D刀和精擠刀擠壓余量的分配比例，取K=2.5，即粗?jǐn)D刀與精擠刀擠壓余量的比例關(guān)系為1:1.5。最后可解出：Zcw=21.3333454，Zcn=22.41673，x=1.2，y=12。由此即可得出擠壓刀在大端面上的設(shè)計參數(shù)。

5 工藝修正方法

    由于對現(xiàn)行工藝暫時無法作大幅度更改，故對鉆削工序用鉆頭及拉削工序用拉刀無法改動；而在擠壓工序中，精擠刀基本符合產(chǎn)品加工要求，因此解決前述工藝問題的唯一方法是對粗?jǐn)D刀進(jìn)行修正。粗?jǐn)D刀的修正方法有以下兩種：

1) 采用與精擠刀大、小徑錐度相同的粗?jǐn)D刀(實際上就是精擠刀向小端延伸的一段)。該方法可獲得較長的插入導(dǎo)向長度，但粗?jǐn)D擠壓余量較小，且用精擠刀擠壓時，仍然存在擠壓刀在大、小徑及齒側(cè)上不能同時接觸的問題。

2) 對前述設(shè)計方法進(jìn)行參數(shù)修正，即通過改變de、deo、df、dfo等參數(shù)值，可設(shè)計出與精擠刀錐度不同的粗?jǐn)D刀。該方法可使粗?jǐn)D時有較大的擠壓余量，且可保證精擠刀擠壓時在大、小徑及齒側(cè)上能夠同時接觸，但也存在大、小徑及齒側(cè)上擠壓量不均勻的情況，即式⑶和式⑷中的K值不等，應(yīng)分別選取不同的K值，而且此方法粗?jǐn)D刀擠壓時插入導(dǎo)向部分較短。

    根據(jù)以上分析，我們在實際工藝修正中采用了方法(1)，即粗?jǐn)D刀在大、小徑上采用與精擠刀相同的錐度，這樣便于制造，且精擠刀磨損后可改作粗?jǐn)D刀使用，可節(jié)省刀具費(fèi)用