数控机床

摘要：对于中小批量的花键生产而言，从专门滚齿工艺外包转变为采用内部多任务机床圆盘铣刀加工，有助于实现重型汽车行业花键供货的快速周转和灵活性。

      在齿轮加工探讨中，花键往往被忽略。但是，多数复杂的齿轮加工中的回转要素也涉及到花键加工。花键在重型汽车，矿山，建筑施工，农业等大型工程机械中都很常用，但是他们没有得到应有的重视，确实是一大遗憾。实际工作中，花键无处不在，轴与轴之间的旋转运动传递便需要花键连接。在对负荷有要求的情况下（例如重型机械的花键轴），需要采用很复杂的花键（不同槽型采用多齿花键轴），才能最大限度地加大表面接触面积，甚至从外花键向内花键分布重负荷。

      OEM（原始设备制造商）及其一级供应商要求生产厂家提供高精度部件。这并非什么新鲜事情，部件供应商在生产重型汽车直接可使用的花键方面，具有成熟的技术。为满足大批量生产规模生产效率的需要，人们已生产出大量的传统高速钢（HSS）刀具（如花键轧制搓齿刀、滚刀、拉刀和剃齿刀）。但是，人们迫切希望解决的问题是增加花键的灵活性。花键技术变革已经加快了步伐，通常利用崭新平台，新产品上市的速度比以前更快。但历史上花键制造厂很难在如此小的零件上下工夫，更不用说经常进行设计改进。

传统经验中的内在缺陷

      对于每套花键的切深、结构和形状来说，几乎都有专门设计的高速钢滚刀、拉刀或搓齿刀。对于单批量生产而言，如果是长期生产，那么这些工艺很好，能够按严格的规范生产出重复性非常高的产品。

      其缺点是滚刀配置过多、规格繁杂，需要重新修磨和重新涂层等日常维护保养工作，并且这些工作都需要从机床上取下并送往厂外完成。花键生产期间，工厂随时需要至少两套同样的HSS刀具，才能保证按计划重磨／重新涂层及应对意外的事故。

      随着重工业技术变革步伐加快，面对各种规范或设计变化或需要制作各种各样的样品时，保持灵活性的唯一方式是拥有全套形状和规格齐全的滚刀，适合所有应用。并且在生产过程中，每样刀具需要两套。多年来，专业厂家的花键和齿轮按行业分得很细，所以产品名目繁多。

小批量生产更灵活

      当今，增强灵活性技术取得了跨越式发展，因为多轴多任务机床可采用圆盘铣刀完成以前长期只能由滚刀、拉刀、花键轧制才能完成的工序。槽铣或盘铣花键外齿和内齿是加工花键最经济的方式。随着成功研发多任务机床和刀片解决方案，可采用一把刀具完成多种工作。这对中小批量生产特别重要，这些生产往往要求在整个加工和处理过程中频繁换刀。因为这些工厂的生产不成批量，往往是一个类型的花键生产100件，另一个类型生产200件，而不是同一零件生产10,000件。

      山特维克可乐满的CoroMill 172圆盘铣刀对使用的机床类型很灵活，反映了多任务机床的适用性。但是，对于给定的花键尺寸和齿数，需要采用专门的刀片。于是，客户因为机床设计的灵活性（即多任务机床、装有从动刀具和Y轴的车床以及装有旋转工作台的加工中心）而强调滚刀的灵活性。

      例如，因为一台多任务机床便能完成整个零件的所有工序，因此在加工花键时，无需分别采用车床和滚齿机床，或者，可采用配有旋转工作台的三轴加工中心车床。在一台机床上加工整个零件的好处是缩短装刀时间，改善各种不同加工件的公差。通过使用加工中心和旋转工作台，制造厂不会选用某一台专门机床。加工中心可用于加工配有花键的零件时装刀工序间的其他部件。同时，也可进行其他加工作业，例如铣槽、交叉孔和平面。

      对于很多加工车间或二级供应商来说，这种灵活性使得他们自己能完成更多的加工。过去的花键分包给专业的齿轮加工厂加工，而如今在自己工厂便可完成——只需配一台基本的三轴加工中心和配有安装相对较小可转位圆盘铣刀的主轴及旋转工作台。这些刀具的一个主要好处是在一把刀具上可更换不同的可转位刀片，达到不同的总切深、齿根开头或齿顶倒角。与单一工序的单个滚刀、花键搓齿刀或拉刀具规格和轮廓相比，方便得多。毋庸置疑，圆盘铣刀（特别是能用于具体刀体的刀片）要比滚刀、花键搓齿刀或拉刀便宜。圆盘铣刀确实经济实惠，主要表现在使用的刀具较少，能加工不同种类的花键，这些特点是圆盘铣刀的亮点。

      需要考虑的另一个因素是缩短装夹时间。对于很多轴料制造厂来说，每一根轴都有一个小花键。加工轴时，如果需要频繁更换机床才能完成多道工序，那么会浪费很多装夹时间，同时增加了夹装、搬运和重新夹装中人为出错的几率。采用装有圆盘铣刀的多任务机床，只装一次装夹便可加工这些花键连接的轴。

      当今制造厂正在寻求更容易、更简单、更智能化、更灵活的部件加工方案。阻力最小的路径往往是最佳路径，限制刀具库存量和调质处理，既可使工作简单化，又可控制刀具系统库存量和维护保养成本。

花键加工薄切屑基本参数

      当使用圆盘铣刀时，准确计算薄切屑对花键切削至关重要，因为薄切屑是工艺中最基本的参数。圆盘铣刀制造厂提出两点主要的进刀建议，即通常需要设置每齿的进刀量 （fz） 和最大切屑厚度（hex）。当刀具设置成径向吃刀量大于或等于其本身半径时，这两个值应当相等。但是，希望的薄切屑效果只有当径向切削宽度小于半径时才很明显。

      采用圆盘铣刀作为花键制造厂的基本铣槽刀具时，花键的径向切削宽度比刀具直径小，也就是说始终能保证薄切屑。为了得到最可能的hex值、优化花键“铣槽”应用，操作人员必须通过圆盘铣刀吃刀量和圆盘铣刀直径计算fz。计算薄切屑的公式如图1所示。

图文说明；确定每齿进刀量（f_z）时，切屑厚度 （h_ex） 至关重要，因为切屑厚度最终提供优化的工作台进刀量。 

      如果操作人员不能优化每齿进刀量，那么进刀速率可能太低而不适合于刀片的刃口处理或刀片槽型。因为刀体会产生跳动量误差，所以作为经验法则，通常建议操作人员在选取hex时，不得小于0.003英寸（0.076毫米） 。如果hex太小，会发生磨擦，刚好与实际切削相反，这样会产生更多的热量，缩短刀具使用寿命，并降低工艺准确性。圆盘铣刀制造厂应当能提供hex参数的最大值。

      记住最大输出后，在类似铣槽工艺（例如用圆盘铣刀加工花键）中，薄切屑是一个关键因素。此因素对双走刀粗加工来说特别重要，因为此阶段中使生产效率降低的风险更高。

调整偏移

      从专用滚齿机床到多任务机床或加工中心的重大变革是刀具仅支撑在心轴的接口侧。传统滚齿机床的滚刀支撑在心轴的两端，但只有一端支撑刀具，刀具可能发生偏移。只需简单的几个步骤即可防止偏移。首先，选择花键切削工艺的圆盘铣刀时，使用最稳定的刀具，限制刀具偏移。不要使用比实际需要长的刀具。如有可能，避免L／D ＞5，因为刀具偏移和稳定性要求两次走刀以上，对生产效率影响很大。

      其次，还可保证心轴接口不能太弱而无法满足给定的刀具直径。圆盘铣刀制造厂应当指导操作人员能根据刀具长度选择合适的刀具连接尺寸。最后，如有要求，使用两次走刀策略，其中最后一次走刀的切深较浅。最后一次走刀期间，产生的切削力较低，使表面得到改善，将偏移误差减至最小。当有振动倾向时，零件和夹具也发挥重要作用。

   如果采取的预防措施不足以防止偏移，那么齿两侧的外形轮廓偏差很大。当花键齿廓指示偏差斜率相等时，即齿左右两侧的倾斜方向相同时，表示需要加长或缩短设定长度。调整长度（x，单位为毫米）按下式计算：

图2：调整刀具偏移度

      如果是左右侧具有相同斜率的齿廓但方向相反的外齿轮，则表示齿轮直径不正确，切入太深或太浅。如果型线斜面通过齿顶变窄点，表示齿轮直径太小。解决方案是根据 MdK （沿球的尺寸）测量值将切口调浅。 相反，如果型线斜面通过齿低变窄点，表示齿轮直径太大。 解决方案是根据 MdK 测量值将切口调深。

      轮齿左右两侧倾斜角度不同表示切深 （MdK 或MdR 测量值）和刀具偏移度都有误差。

      为调整切深而保证正确的直径和齿厚，操作人员必须首先确定MdK或MdR 测量值，其中MdK表示沿球的尺寸；MdR 表示沿销的尺寸。加工试验部件或至少两个齿槽，测量齿轮MdK或MdR尺寸。只有在切削两个齿槽后，才能用测量机或螺旋测微仪调整和测量齿轮直径／切深。

      一旦达到正确的MdK 或MdR测量值，需要按照刀具偏移度调整公式（图2）对刀具偏移度做出补偿。

花键加工首选圆盘铣刀：具体实例

      在这种情况下，咱们同时用山特维克可乐满的CoroMill 172与高速钢刀具粗加工和精加工低合金钢 （16MnCr5）轴上的外花键，然后加以比较。这种工艺的花键数据是采用DIN 5480m规定的26齿（z）的模块5（尺寸与ANSI 5/10类似）。

      为了达到想要的结果，高速钢刀具要求两次粗加工走刀和一次精加工走刀，切削速度为165英尺每分，每齿进刀量设置成0.003英寸。由于只有一端支撑滚刀，所以需要额外粗加工走刀。但是CoroMill 172圆盘铣刀只需一次走刀便完成相同工序，粗加工走刀速度更快，每齿进刀量设置成0.008英寸时，速度为540英尺每分；每齿进刀量设置成0.007英寸时，精加工走刀速度为640英尺每分。

      完成整个加工的时间，高速钢刀具需要250分钟，而CoroMill 172仅需20分钟。这种刀具节省了大量时间，堪称多任务机床采用盘式铣刀加工花键改善速度的楷模。CoroMill 172切削的齿廓符合DIN 5480标准关于花键的要求（（DIN 867关于齿轮的要求），并可同时加工内外花键、齿轮和搓齿刀。应用领域包括当初讨论的多任务机床、加工中心、车床中心甚至滚齿机床的精加工应用。

      CoroMill 172的模数范围为3～10 （DP 8/16～2.5/5）， 现在与新型CoroMill 171一起，模数范围可达0.8～3 （DP 32/64～8/16）。这是山特维克可乐满对花键有关的重型汽车行业常用的可转位盘铣刀切削刀具规格的全面补充。CoroMill 171刀具可使用最小的刀片，加工重型汽车（即重型卡车和客车）较轻侧采用的多种花键。但是，当需要齿轮箱／变速器时，几乎任何行业都会使用花键。

      汽车行业面对巨大压力，重型汽车制造也不例外，即对于中小批量规模生产来说，人们迫切需要灵活性和更短的加工周期。这种趋势使得更多工厂自己内部加工花键。现在，制造厂可在其传统的CNC机床（车床、加工中心和多任务机床）上采用新型盘铣刀切削技术，以可改编的程序进行花键加工，可节省大量财力和时间，同时减少切削刀具库存量。