花鍵硬拉削技術(shù)在汽車零件中的應(yīng)用

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，與之相應(yīng)的汽車零部件尤其是差速器錐齒輪等帶內(nèi)花鍵零件的加工工藝、制造水平也在不斷提高。原有采用拉削工藝的內(nèi)花鍵因熱處理變形的制約，精度水平不能滿足越來(lái)越高的花鍵傳動(dòng)性能要求，隨著高精度硬拉設(shè)備的研制及硬拉刀制造工藝及質(zhì)量提高，通過(guò)硬拉削工藝實(shí)現(xiàn)內(nèi)花鍵各項(xiàng)指標(biāo)的明顯提升，在汽車行業(yè)采用硬拉削工藝的零件種類明顯增加。

在內(nèi)花鍵的傳統(tǒng)加工方案中，即使是復(fù)雜不規(guī)則的形狀，只要是沿軸線方向相同，通過(guò)拉削工藝非常容易加工，無(wú)需熟練的加工技能，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。內(nèi)花鍵拉刀根據(jù)《JB/T 7969－2011拉刀術(shù)語(yǔ)》標(biāo)準(zhǔn)，按花鍵槽形可分為矩形花鍵、直齒漸開(kāi)線花鍵、鋸齒形花鍵、棘齒形花鍵、多邊形花鍵及異形花鍵等。

1.漸開(kāi)線花鍵相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用

目前，硬拉工藝應(yīng)用較多的是直齒漸開(kāi)線花鍵，國(guó)內(nèi)外花鍵常用現(xiàn)行有效標(biāo)準(zhǔn)具體如下：

（1）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 4156.1～3－2005圓柱直齒漸開(kāi)線花鍵（壓力角為30°、37.5°、45°）精度等級(jí)為4～7級(jí)（中國(guó)GB/T 3478－2008、日本JISB1603－1995及美國(guó)ANSI B92.2M－R1989公制漸開(kāi)線花鍵標(biāo)準(zhǔn)與ISO 4156標(biāo)準(zhǔn)具有相同的體系及精度要求）。
（2）美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ANSI B92.1－1996英制漸開(kāi)線花鍵（壓力角為30°、37.5°、45°）精度等級(jí)為4～7級(jí)。
（3）德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN 5480.2－2006漸開(kāi)線花鍵壓力角為30°，精度等級(jí)為5～12級(jí)。

2.硬拉工藝方案的應(yīng)用

傳統(tǒng)拉削工藝方案：內(nèi)外徑車削→軟拉刀拉削→熱處理→拋丸處理→花鍵分選→熱后精加工→檢驗(yàn)→包裝。
硬拉削工藝方案：內(nèi)外徑車削→軟拉刀拉削→熱處理→拋丸處理→花鍵硬拉前分選→熱后精加工→硬拉花鍵→檢驗(yàn)→包裝。

對(duì)于不同品種硬拉流程有所區(qū)別，如滾壓工件熱處理后無(wú)精加工，則硬拉后直接送檢；對(duì)于常規(guī)工件可采用熱后精加工后再硬拉花鍵；對(duì)于外表面相對(duì)花鍵跳動(dòng)要求較高的工件，可采用硬拉花鍵后，以花鍵小徑脹心再加工外表面。

關(guān)于熱處理后花鍵分選，傳統(tǒng)拉削工藝直接用成品花鍵綜合通端花鍵塞規(guī)進(jìn)行分選，而硬拉工藝采用硬拉前分選塞規(guī)（齒厚小于成品花鍵綜合通端塞規(guī)，根據(jù)硬拉余量及花鍵變形綜合確定，尺寸應(yīng)不小于硬拉刀導(dǎo)向部位齒厚）進(jìn)行分選，分選合格后方可進(jìn)行硬拉，以免因花鍵硬拉余量過(guò)大，導(dǎo)致無(wú)法硬拉或硬拉時(shí)拉刀早期損壞。根據(jù)需要可作為正式工藝對(duì)所有花鍵進(jìn)行硬拉，也可作為返工工藝僅對(duì)花鍵小工件進(jìn)行硬拉返工，區(qū)別是正式硬拉分選時(shí)用硬拉前分選塞規(guī)，分選能通過(guò)的工件需100%硬拉，再用成品花鍵綜合塞規(guī)進(jìn)行檢驗(yàn)，而作為返工工藝熱處理后直接用成品花鍵塞規(guī)進(jìn)行檢驗(yàn)，通不過(guò)的工件再用硬拉前分選塞規(guī)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)合格的后續(xù)再進(jìn)行硬拉。

硬拉工藝采用硬式拉刀進(jìn)行熱處理后的精加工，因?yàn)槟軌蛲耆コ捕葹?0～60HRC的加工對(duì)象的熱處理變形，所以能夠?qū)χ半y以加工的內(nèi)花鍵進(jìn)行精加工，因此能夠?qū)崿F(xiàn)零件的高精度化和穩(wěn)定化，加工節(jié)拍縮短并節(jié)省能源，實(shí)現(xiàn)機(jī)械剛性、拉刀保持性的大幅度提高，簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了高精度的組裝精度，實(shí)現(xiàn)了高硬度材料加工工藝的典范，通過(guò)開(kāi)發(fā)高速拉刀實(shí)現(xiàn)了高精度、長(zhǎng)壽命，通過(guò)采用超微粒子合金，只需修磨即可反復(fù)使用。表1所示為不同標(biāo)準(zhǔn)、不同狀態(tài)花鍵對(duì)應(yīng)的精度表，對(duì)于沿軸線方向各截面相同的內(nèi)花鍵，相同狀態(tài)下明顯優(yōu)于壁厚不均勻的花鍵精度。



硬拉工藝方案的應(yīng)用有助于實(shí)現(xiàn)以下幾項(xiàng)目標(biāo)：

（1） 確保硬拉后工件內(nèi)花鍵單項(xiàng)精度（單一齒距誤差、齒距累積總偏差、齒廓總偏差及螺旋線總偏差）穩(wěn)定達(dá)到較高的級(jí)別，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)較小的花鍵綜合公差。
（2） 確保硬拉后工件內(nèi)花鍵作用齒槽寬、實(shí)際齒槽寬、棒間距符合圖樣要求。
（3） 根據(jù)需要可對(duì)內(nèi)花鍵小徑同時(shí)拉削，可確保花鍵分度圓與小徑較高的同軸度要求，并可實(shí)現(xiàn)IT9級(jí)尺寸精度內(nèi)花鍵小徑要求，花鍵小徑硬拉后表面粗糙度值可達(dá)Ra=1.6μm以下，花鍵小徑后續(xù)可作為定位基準(zhǔn)加工外圓、端面，實(shí)現(xiàn)定位基準(zhǔn)面相對(duì)花鍵分度圓較高的跳動(dòng)要求。
（4） 實(shí)現(xiàn)硬拉后齒側(cè)表面粗糙度值達(dá)Ra=1.6μm以下。
（5） 確保硬拉后花鍵用花鍵綜合通規(guī)及非全齒止規(guī)檢驗(yàn)合格。
（6） 通過(guò)硬拉部分消除內(nèi)花鍵熱處理形狀誤差，實(shí)現(xiàn)較高精度的花鍵等級(jí)。
（7） 可以根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)IT8級(jí)尺寸精度花鍵大徑的拉削（用于大徑配合花鍵）。
（8） 由于內(nèi)花鍵精度的提升，有利于減小內(nèi)外花鍵傳動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)角誤差，減少花鍵傳動(dòng)間隙及側(cè)隙變動(dòng)量，降低傳動(dòng)噪音。
（9） 對(duì)于內(nèi)外花鍵壓配過(guò)盈量要求能可靠保證。
（10） 通過(guò)硬拉可解決傳統(tǒng)零件壁厚差較大時(shí)花鍵精度差的問(wèn)題，使多個(gè)零件組合設(shè)計(jì)成一個(gè)整體成為可能，減少了裝配零件的個(gè)數(shù)，實(shí)現(xiàn)了零件的輕量化，用較低的材料消耗實(shí)現(xiàn)預(yù)期的零件功能。
（11） 硬拉削時(shí)采用油霧潤(rùn)滑實(shí)現(xiàn)了工件的清潔生產(chǎn)，減少了后續(xù)的清洗工作，減少了環(huán)境污染。

3.典型硬拉零件

硬拉削拉床應(yīng)用汽車零件的典型案例：

（1）直齒錐齒輪，如圖1～圖3所示。



圖 1



圖 2



圖 3

（2）輸出軸輪轂，如圖4所示。
（3）嚙合套，如圖5所示。
（4）駐車制動(dòng)齒輪，如圖6所示。



圖 4



圖 5



圖 6

（5）手動(dòng)變速箱齒圈，如圖7、圖8所示。



圖 7



圖 8

4.硬拉設(shè)備介紹

目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上硬拉設(shè)備普遍為工作臺(tái)提升式立式拉床，拉刀由上部穿過(guò)工件并由底座上的拉削夾頭夾緊，裝載工件的工作臺(tái)由液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)由下而上延刀具軸線提升進(jìn)行拉削。工作臺(tái)提升式拉床的主要優(yōu)點(diǎn)在于該設(shè)計(jì)可避免使用傳統(tǒng)的地坑或操作平臺(tái)，機(jī)床在地面上放置便可進(jìn)行加工且便于搬運(yùn)和維修，此外該類機(jī)床的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化了配備各種自動(dòng)化裝置的工程，可方便客戶要求組成各種自動(dòng)線，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上使用的典型硬拉設(shè)備具體如下，各設(shè)備主要參數(shù)差異如表2所示。
（1）德國(guó)KARL Klink公司RISH 10×1000×500H雙工位上拉式液壓立式高速拉床（見(jiàn)圖9）代表國(guó)外先進(jìn)水平的全自動(dòng)硬拉設(shè)備，采用油冷卻，具有生產(chǎn)效率高、拉削質(zhì)量穩(wěn)定、拉削精度高等優(yōu)點(diǎn)。
（2）日本NACHI公司HW-5008上拉式硬拉床（見(jiàn)圖10）。該設(shè)備為機(jī)械式手動(dòng)拉削設(shè)備，硬拉時(shí)使用微量霧狀冷卻、環(huán)保，無(wú)需清洗工件，無(wú)需對(duì)切屑進(jìn)行脫油處理。



圖 9



圖 10

（3）長(zhǎng)沙市南方機(jī)床有限公司LSK5705NF高速數(shù)控硬拉床（見(jiàn)圖11）是我國(guó)自主研發(fā)具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)械式硬拉床，采用先進(jìn)的工藝和手段，制造出國(guó)內(nèi)第一臺(tái)高速數(shù)控上拉式硬拉床，拉削過(guò)程可采用油或油霧冷卻。

（4）湖南長(zhǎng)機(jī)科技發(fā)展有限公司SKL55716雙液壓缸上拉式硬式內(nèi)拉床（見(jiàn)圖12）是我國(guó)自主研發(fā)的液壓雙工位硬拉床，采用油冷卻，具有拉削力大、可實(shí)現(xiàn)較大拉力工件的硬拉、拉削過(guò)程平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化上下料。



圖 11



圖 12



5.硬拉過(guò)程、硬拉工裝及硬拉刀介紹

下面以德國(guó)KARL Klink公司雙工位上拉式液壓立式高速拉床為例介紹硬拉過(guò)程。硬拉工裝包含上料裝置（見(jiàn)圖13、圖14）、裝夾裝置（夾緊及拉削過(guò)程如圖15、圖16所示）、下料裝置（見(jiàn)圖17）、拉刀刀柄夾具、工件預(yù)定位銷（見(jiàn)圖18）、工件定位夾具（見(jiàn)圖19）、夾爪（見(jiàn)圖20）、定位調(diào)整裝置等，其中工件定位夾具、工件預(yù)定位銷、裝夾裝置用夾爪針對(duì)不同品種的工件需進(jìn)行重新設(shè)計(jì)及更換。



圖 13



圖 14



圖 15



圖 16



圖 17



圖 18



圖 19



圖 20

硬拉刀按結(jié)構(gòu)分為整體型及組合型結(jié)構(gòu)，整體型主要應(yīng)用于小直徑花鍵，組合型硬質(zhì)合金拉刀刀體部分由合金結(jié)構(gòu)鋼制造，切削刃部分由硬質(zhì)合金制造，組合型拉刀通過(guò)冷縮配合、粘接和螺紋配合，將獨(dú)立形成的硬拉刀刀桿固定于切削刃部分的前端。硬質(zhì)合金拉刀可用于在40～100m/min的高速下拉削硬度為45～65HRC的高硬度材料。硬拉刀設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)控制花鍵齒中心垂直于柄部半圓平面（見(jiàn)圖21），確保預(yù)定位的準(zhǔn)確（圖18中預(yù)定位銷齒中心也垂直于其柄部半圓平面），預(yù)定位銷及拉刀前導(dǎo)向預(yù)定位花鍵近似均勻保留4～8齒，前端倒圓并將多余齒去掉，以提高零件找正效率。硬拉刀常見(jiàn)的有小徑定心硬拉刀及普通花鍵硬拉刀（不拉削小徑）兩種，包含硬拉刀桿、十字鍵、合金刀體、替換套、調(diào)整套、壓緊套、鎖緊墊圈及鎖緊套等，如圖21所示。實(shí)際拉削時(shí)，可裝配一組硬質(zhì)合金拉刀刀體，對(duì)于拉削余量較大或拉削表面質(zhì)量要求較高的零件，推薦一只拉刀刀桿裝配兩組硬質(zhì)合金拉刀刀體進(jìn)行拉削。其中硬拉合金刀體通常采用修磨前角后涂AP等各類特殊涂層，裝配后進(jìn)行高速拉削，硬拉削達(dá)到一定壽命后，將硬拉刀從組合機(jī)構(gòu)中卸下，重新修磨，之后去除之前的涂層，重新進(jìn)行涂層，以確保硬拉刀具有足夠的耐磨性。



6.結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)花鍵硬拉削技術(shù)在汽車零件中的應(yīng)用，介紹了國(guó)內(nèi)主流硬拉削設(shè)備及硬拉工藝，以及硬質(zhì)合金拉刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及相關(guān)說(shuō)明，目前硬拉削工藝在汽車零件中的應(yīng)用已日趨廣泛，一些新開(kāi)發(fā)的高端乘用車帶內(nèi)花鍵零件設(shè)計(jì)時(shí)，以硬拉削花鍵工藝作為目標(biāo)工藝；對(duì)于各種非漸開(kāi)線及特殊形狀花鍵也有較多采用硬拉削工藝的案例。

由于硬拉削工藝在我國(guó)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程較慢，國(guó)內(nèi)僅有少量關(guān)于硬質(zhì)合金拉刀的專利，刀具設(shè)計(jì)手冊(cè)關(guān)于硬質(zhì)合金拉刀的介紹及相關(guān)專著基本上是空白，也沒(méi)有硬質(zhì)合金拉刀技術(shù)條件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)國(guó)內(nèi)硬質(zhì)合金拉刀的生產(chǎn)。相信隨著硬拉工藝在相關(guān)行業(yè)的普及應(yīng)用，從理論研究到實(shí)踐應(yīng)用均會(huì)取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，通過(guò)采用硬拉削，有助于部分抵消我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家熱處理變形研究的差距，明顯提升我國(guó)汽車零部件花鍵傳動(dòng)精度，減少運(yùn)轉(zhuǎn)噪聲，有助于汽車零件的輕量化，未來(lái)的汽車零件將更趨復(fù)雜，零件數(shù)量將會(huì)明顯下降。