花鍵硬拉削技術(shù)在汽車零件中的應(yīng)用

隨著我國汽車工業(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越高的花鍵傳動性能要求，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，通過硬拉削工藝實現(xiàn)內(nèi)花鍵各項指標的明顯提升，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，通過拉削工藝非常容易加工，無需熟練的加工技能，在實際生產(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》標準，按花鍵槽形可分為矩形花鍵、直齒漸開線花鍵、鋸齒形花鍵、棘齒形花鍵、多邊形花鍵及異形花鍵等。

1.漸開線花鍵相關(guān)標準的應(yīng)用

目前，硬拉工藝應(yīng)用較多的是直齒漸開線花鍵，國內(nèi)外花鍵常用現(xiàn)行有效標準具體如下：

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

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→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→包裝。

對于不同品種硬拉流程有所區(qū)別，如滾壓工件熱處理后無精加工，則硬拉后直接送檢；對于常規(guī)工件可采用熱后精加工后再硬拉花鍵；對于外表面相對花鍵跳動要求較高的工件，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）進行分選，分選合格后方可進行硬拉，以免因花鍵硬拉余量過大，導(dǎo)致無法硬拉或硬拉時拉刀早期損壞。根據(jù)需要可作為正式工藝對所有花鍵進行硬拉，也可作為返工工藝僅對花鍵小工件進行硬拉返工，區(qū)別是正式硬拉分選時用硬拉前分選塞規(guī)，分選能通過的工件需100%硬拉，再用成品花鍵綜合塞規(guī)進行檢驗，而作為返工工藝熱處理后直接用成品花鍵塞規(guī)進行檢驗，通不過的工件再用硬拉前分選塞規(guī)進行檢驗，檢驗合格的后續(xù)再進行硬拉。

硬拉工藝采用硬式拉刀進行熱處理后的精加工，因為能夠完全去除硬度為50～60HRC的加工對象的熱處理變形，所以能夠?qū)χ半y以加工的內(nèi)花鍵進行精加工，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，實現(xiàn)機械剛性、拉刀保持性的大幅度提高，簡潔的設(shè)計實現(xiàn)了高精度的組裝精度，實現(xiàn)了高硬度材料加工工藝的典范，通過開發(fā)高速拉刀實現(xiàn)了高精度、長壽命，通過采用超微粒子合金，只需修磨即可反復(fù)使用。表1所示為不同標準、不同狀態(tài)花鍵對應(yīng)的精度表，對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)用有助于實現(xiàn)以下幾項目標：

（1） 確保硬拉后工件內(nèi)花鍵單項精度（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)定達到較高的級別，進而實現(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、實際齒槽寬、棒間距符合圖樣要求。
（3） 根據(jù)需要可對內(nèi)花鍵小徑同時拉削，可確?；ㄦI分度圓與小徑較高的同軸度要求，并可實現(xiàn)IT9級尺寸精度內(nèi)花鍵小徑要求，花鍵小徑硬拉后表面粗糙度值可達Ra=1.6μm以下，花鍵小徑后續(xù)可作為定位基準加工外圓、端面，實現(xiàn)定位基準面相對花鍵分度圓較高的跳動要求。
（4） 實現(xiàn)硬拉后齒側(cè)表面粗糙度值達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)檢驗合格。
（6） 通過硬拉部分消除內(nèi)花鍵熱處理形狀誤差，實現(xiàn)較高精度的花鍵等級。
（7） 可以根據(jù)需要實現(xiàn)IT8級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)外花鍵傳動時的轉(zhuǎn)角誤差，減少花鍵傳動間隙及側(cè)隙變動量，降低傳動噪音。
（9） 對于內(nèi)外花鍵壓配過盈量要求能可靠保證。
（10） 通過硬拉可解決傳統(tǒng)零件壁厚差較大時花鍵精度差的問題，使多個零件組合設(shè)計成一個整體成為可能，減少了裝配零件的個數(shù)，實現(xiàn)了零件的輕量化，用較低的材料消耗實現(xiàn)預(yù)期的零件功能。
（11） 硬拉削時采用油霧潤滑實現(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）駐車制動齒輪，如圖6所示。



圖 4



圖 5



圖 6

（5）手動變速箱齒圈，如圖7、圖8所示。



圖 7



圖 8

4.硬拉設(shè)備介紹

目前，國內(nèi)市場上硬拉設(shè)備普遍為工作臺提升式立式拉床，拉刀由上部穿過工件并由底座上的拉削夾頭夾緊，裝載工件的工作臺由液壓系統(tǒng)驅(qū)動由下而上延刀具軸線提升進行拉削。工作臺提升式拉床的主要優(yōu)點在于該設(shè)計可避免使用傳統(tǒng)的地坑或操作平臺，機床在地面上放置便可進行加工且便于搬運和維修，此外該類機床的結(jié)構(gòu)大大簡化了配備各種自動化裝置的工程，可方便客戶要求組成各種自動線，目前國內(nèi)市場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KARL Klink公司RISH 10×1000×500H雙工位上拉式液壓立式高速拉床（見圖9）代表國外先進水平的全自動硬拉設(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。
（2）日本NACHI公司HW-5008上拉式硬拉床（見圖10）。該設(shè)備為機械式手動拉削設(shè)備，硬拉時使用微量霧狀冷卻、環(huán)保，無需清洗工件，無需對切屑進行脫油處理。



圖 9



圖 10

（3）長沙市南方機床有限公司LSK5705NF高速數(shù)控硬拉床（見圖11）是我國自主研發(fā)具有知識產(chǎn)權(quán)的機械式硬拉床，采用先進的工藝和手段，制造出國內(nèi)第一臺高速數(shù)控上拉式硬拉床，拉削過程可采用油或油霧冷卻。

（4）湖南長機科技發(fā)展有限公司SKL55716雙液壓缸上拉式硬式內(nèi)拉床（見圖12）是我國自主研發(fā)的液壓雙工位硬拉床，采用油冷卻，具有拉削力大、可實現(xiàn)較大拉力工件的硬拉、拉削過程平穩(wěn)等優(yōu)點，可實現(xiàn)自動化上下料。



圖 11



圖 12



5.硬拉過程、硬拉工裝及硬拉刀介紹

下面以德國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程。硬拉工裝包含上料裝置（見圖13、圖14）、裝夾裝置（夾緊及拉削過程如圖15、圖16所示）、下料裝置（見圖17）、拉刀刀柄夾具、工件預(yù)定位銷（見圖18）、工件定位夾具（見圖19）、夾爪（見圖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不同品種的工件需進行重新設(shè)計及更換。



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，組合型拉刀通過冷縮配合、粘接和螺紋配合，將獨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)計時通過控制花鍵齒中心垂直于柄部半圓平面（見圖21），確保預(yù)定位的準確（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。實際拉削時，可裝配一組硬質(zhì)合金拉刀刀體，對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，裝配后進行高速拉削，硬拉削達到一定壽命后，將硬拉刀從組合機構(gòu)中卸下，重新修磨，之后去除之前的涂層，重新進行涂層，以確保硬拉刀具有足夠的耐磨性。



6.結(jié)語

本文通過花鍵硬拉削技術(shù)在汽車零件中的應(yīng)用，介紹了國內(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)計及相關(guān)說明，目前硬拉削工藝在汽車零件中的應(yīng)用已日趨廣泛，一些新開發(fā)的高端乘用車帶內(nèi)花鍵零件設(shè)計時，以硬拉削花鍵工藝作為目標工藝；對于各種非漸開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產(chǎn)業(yè)化進程較慢，國內(nèi)僅有少量關(guān)于硬質(zhì)合金拉刀的專利，刀具設(shè)計手冊關(guān)于硬質(zhì)合金拉刀的介紹及相關(guān)專著基本上是空白，也沒有硬質(zhì)合金拉刀技術(shù)條件行業(yè)標準指導(dǎo)國內(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，從理論研究到實踐應(yīng)用均會取得長足的進步，通過采用硬拉削，有助于部分抵消我國與發(fā)達國家熱處理變形研究的差距，明顯提升我國汽車零部件花鍵傳動精度，減少運轉(zhuǎn)噪聲，有助于汽車零件的輕量化，未來的汽車零件將更趨復(fù)雜，零件數(shù)量將會明顯下降。