花键联接由内花键和外花键组成，一般采用内、外花键齿形表面作为配合定心表面，即齿侧定心。齿侧定心的特征是花键齿的侧面既能起到驱动作用，又起到定心作用。由于渐开线花键键齿受力后会产生径向分力，使键齿沿齿面滑动，当相对键齿产生的径向分力相等时，内外花键的分度圆就会自动重合，这时内、外花键齿形中心重合，各齿侧较好的贴合在一起，各键齿受力比较均匀。因此花键联接由于其易自动定心、安装精度高、传动动力大、扭矩分布均匀、承载能力强等优点，在机械传动中被广泛应用。花键的加工，可采用机械加工和电火花加工。但电火花加工花键效率较低，花键齿形面尺寸不稳定，易产生电加工重熔层，在油路中造成污染，在泵轴传动的电机上一般不建议或禁限用电加工方法。故采用插齿的加工方式，而小模数内花键的加工对机床、工装、刀具都有较高的要求。本文通过对深盲孔内花键插齿加工技术的研究，获取了深盲孔内花键加工较适合的参数以及更优的刀具参数，解决了加工过程中让刀、锥度、干涉、变形等问题，提高了工件加工质量及效率。 

某产品内花键技术要求如图1所示，内花键的配合类别标准及精度等级为GB3478.1-1995-7H，模数m=1，齿数z=12，压力角α=30°，花键位于台阶孔底部，孔深64mm，台阶孔口尺寸Φ13.8mm，内花键对Φ13.8内孔的跳动Fr≤0.03，齿向公差Fβ≤0.019，齿形公差Fα≤0.047由于花键较深，刀柄直径受限且伸长过大，刚性较差，加工过程中的尺寸精度较难保证。

零件材料为40CrNiMoA，进行调质处理，调质后硬度为HRC38～45，一般插齿加工的零件硬度在HRC＞40时就较难切削，此硬度对插齿刀具的要求较高。

图1 零件示意图

根据图中所示零件，可选用插齿加工及电加工两种方式。由于内花键花键齿宽较宽，使用电火花加工，花键型面齿形、齿向尺寸不稳定，易在孔口出现喇叭口，电极放电损耗大，尺寸精度无法保证，加工效率较低，不建议使用电加工的方法。采用插齿加工的方式较为合适，所谓插齿加工，即相当于一对圆柱齿轮进行无间隙的啮合过程，其中一个齿轮是零件，另一个齿轮是端面磨有前角，齿顶及齿侧均磨有后角的插齿刀，通过分齿展成运动将零件切制成齿轮的过程。根据零件尺寸精度及现有加工设备，选择在格里森数控精密插齿机床GP200S上加工，此设备主要用于加工内、外啮合的直齿圆柱齿轮、渐开线花键，加工精度等级DIN6级以上，表面粗糙度Ra1.6，设备刀具主轴直径Φ85mm，刀具的冲程调整范围（3～55）mm，加工的最大法向模数为5，刀具安装采用HSK锥度和SK锥度标准，能够满足零件尺寸精度要求。

①让刀问题：由于花键较深，导致内孔较小，刀具伸长过大，刀具直径受，且花限，刀具刚性较差，加工过程中花键让刀严重，内花键形成锥度，尺寸精度难以保证。

②花键径向齿圈跳动Fr超差，满足不了图纸要求。

③刀具磨损严重，通常一把刀具加工5件左右零件便会磨损，需通过补进给及修磨刀具来保证零件加工精度，导致加工质量和加工效率较低。 

影响刀具的因素较多，主要有工件结构、材料、硬度，切削用量等。此内花键模数m=1，齿数z=12，分度圆直径Φ12mm，内花键小径Φ11.2mm，花键深度64mm，零件硬度较高，受零件结构限制，内花键插齿刀外径尺寸小，且刀杆细长，刚性较差，对插齿刀具的加工精度与使用寿命也提出了更高的要求。 

4.1.1 刀具材料的选择 

零件的材料为合金调质钢40CrNiMoA，通常选用的刀具材料为高速钢W2Mo9Gr4VCo8，此刀具材料具有高热硬性，高热塑性，高温硬度高，可以满足加工要求，但是实践证明此高速钢材料加工零件硬度在HRC≤40时，是可以满足要求的，但本例中的零件在调质后硬度在HRC38～45，用此材料加工刀具的耐磨性不太好，刀具侧刃部磨损迹象严重，零件出现锥度，无法保证产品精度。因此选用新型的刀具材料ASP60含钴高性能粉末冶金高速钢，此材料在热处理后硬度为HRC65～70，是经粉末冶金ASP工艺制造的高钴高钒高速钢。ASP工艺制造流程为金属粉末经雾化、压实、然后热成形至所需尺寸。此材料10.5%的含钴量提升了材料的抗高温抗压性能，并具有好的热处理尺寸稳定性，极高的耐磨性，均匀的组织也使其具有良好的综合性能，使刀具表面具有较高的硬度、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化，解决了零件加工过程存在的锥度问题。

4.1.2 刀具参数的选择 

在加工过程中，出现了加工4～5件后零件根径量具通端下不去，每加工一件就需要径向补进给0.008～0.01mm，且跳动一直在增大，刀具磨损较严重，通过调整加工参数，这一现象也无法改变，只能通过修磨刀具来保证加工尺寸。

针对刀具的磨损情况进行分析，插齿刀的每个刀齿有3个切削刃，1个顶刃和2个侧刃，顶刃是插齿刀的齿顶顶圆柱与前刀面的交线，是一段圆弧，两侧刃是齿轮的两侧面与前刀面的交线，是两条渐开线（如图2所示）。此零件出现问题后发现刀具切削刃均出现磨损，成为不规则圆弧状切削力、切削热以及切削温度，由于刀具切削刃磨损后，使工件的加工精度和粗，直接影响糙度降低。

图2 插齿刀几何结构示意图

在机械加工中，前角对切削力、切削温度均有较大的影响，当前角增大时，前刀面倾斜程度大，前刀面与切削之间接触面小，摩擦力小，则切削力小，变形减小，变形热少，从而降低了切削温度，使刀具磨损减少，耐用度提高。在设计插齿刀时，其前角标准一般定为5°，本文加工的零件设计了专用插齿刀具（如图3、4所示），前角γ为5°±5′，以此为基础进行修正，根据零件加工情况对插齿刀前角进行改进。通过实验（如表1所示）得出：适当增大插齿刀前角不仅有利于提高齿面粗糙度，同时还可提高插齿刀耐用度，但前角愈大齿形误差也愈大，需要对插齿刀的齿形角重新修正，以减小总的齿形误差，增加了刀具的加工难度，减少了刀具的重磨次数。通过多次试验摸索，加工此零件时插齿刀前角为8°时既能满足齿形误差要求，又能提高刀具耐用度。

图3 插齿刀示意图

图4 插齿刀实物图 

表1 前角变化产生的影响

当使用插齿机进行内花键的加工过程中，共有5个切削参数与一个让刀动作，来支持整个插切加工的完成，5个切削参数分别是切削循环次数、冲程速度、径向进给速度、圆周进给速度、进刀量。通过对零件状况的分析，最终使用材料ASP60的插齿刀，精确计算了刀具冲程、零件内孔长度等后，在最大限度的长度范围内加大刀具柄部尺寸，在36mm长度范围内柄部直径由Φ7.5mm调整至Φ9.5mm，提高了刀具强度，减小让刀现象，通过选取了以下两种方案进行切削加工试验，试验方式及试验结果如表2、表3所示 

表2 切削方式1（循环3次）

表3　切削方式2（循环3次）

通过试验和分析得出，在数控插齿机上采用切削方式2大圆周小进给的高速切削，对深盲孔内花键进行加工，能够满足图纸要求。同时切削方式2在刀具与工件展成运动时切削量均匀，有效减少了刀具磨损，提高了刀具的使用寿命，可以大量节省加工时间，提高加工效率。

通过对深盲孔内花键插齿加工技术研究，因零件结构的限制，刀具在设计时需做出适当调整，刀具材料选择及插齿刀前角的适当增大对零件加工起着至关重要的作用，在加工时采用大圆周小进给的高速切削，随着主运动速度的提高，减少了作用在工作上的切削力，切屑的高速切除，减少了传递到工件上的切削热，工件残余热量降低，相应热应力变形减少，从而提高了工件的加工精度。大圆周小进给的高速切削方式每冲程切削量很少而且均匀，数控插齿机断续切削力波动也随之减少，低阶切削振动减小，从而提高了工件表面加工质量。采用以上加工方式不但提高零件加工效率，同时提高了刀具的使用寿命，降低了生产成本，同时也为其他深盲孔內花键的刀具选择和加工切削参数提供了经验。

作者简介：许利利（1983-），女，大学本科，高级工程师。

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