談談國內花鍵軸軸向擠壓的發展方向

聶蘭啟，王國林，錢進浩

(1.山東紅旗機電有限公司，山東 濰坊 261031;2.山東交通職業學院機電工程學院，山東 濰坊 261100;3.蘇州銀濤精密鍛造有限公司，江蘇 蘇州 215132)

花鍵連接與一般的鍵連接相比為多鍵連接。由于花鍵連接具有接觸面積大，承載能力高，定心性好，導向性好，齒根較淺，應力集中較小，軸與轂的強度削弱較小等優點，在動力傳動中得到了廣泛的應用。例如應用于汽車動力傳動裝置、轎車手動變速箱倒檔裝置、摩托車啟動電機中的驅動裝置等眾多領域。

1 花鍵加工工藝

我國大多數廠家依舊采用銑削加工工藝生產花鍵，如河北、山東、青海等地還有不少工廠生產花鍵銑床。國內僅重慶、江蘇等地有少數廠家應用了塑性成形工藝如冷擠壓成形進行花鍵生產加工。

冷擠壓工藝是在冷態下，將金屬毛坯放入模具型腔中，在較大的壓力和一定的速度作用下，迫使金屬從凹模型腔中擠出，從而獲得所需的形狀、尺寸以及具有一定力學性能的擠壓件。

冷擠壓加工花鍵軸和傳統的加工工藝比較有如下優點。

1)精度高。用冷擠壓法加工花鍵，所有齒形一次擠出。齒形精度由凹模決定，產品質量穩定，花鍵飽滿，輪廓清晰，工件出模回彈量較小，表面粗糙度Ra 可達 0.4 μm。

2)力學性能好。由于成形過程中花鍵的金屬纖維流線保持連續，沒有遭到破壞，并且是在較大的三向壓應力的條件下成形的，在后續熱處理過程中，晶粒還可進一步細化，從而提高了零件的綜合力學性能，因此冷擠壓工藝成形的花鍵軸比切削加工的花鍵軸扭轉強度提高20%以上。

3)生產效率高。生產效率比切削加工提高20多倍。用冷擠壓加工花鍵軸，可在擠壓機的一次行程中完成上下兩端兩處花鍵的擠壓。

4)投資少。冷擠壓花鍵所用設備為普通油壓機，價格便宜。模具壽命長，一般冷作模具鋼模芯壽命達萬件以上，硬質合金模芯壽命可以達到數十萬件。對于多齒數小模數花鍵的加工，由于擠壓力比較小，毛坯無需磷化皂化處理，加工更加方便。

5)材料利用率高，成本低。

2 花鍵擠壓的開發生產

20世紀80年代中期，中國兵器工業第五九研究所開發成功并投入批量生產的花鍵軸如圖1所示。

一汽集團公司工藝研究所1990年申請了正擠花鍵研究專利[1]。南京汽車集團20世紀90年代用冷擠壓技術制造輕型貨車傳動軸漸開線花鍵和矩形花鍵。江蘇大豐森威集團、蘇州銀濤精密鍛造有限公司和常熟某廠擠壓生產摩托車花鍵軸。

圖1 中國兵器工業第五九研究所開發成功并投入批量生產的花鍵軸Fig.1 Spline shaft in mass production developed by Chongqing No.59 Institute

我國有關模具的圖冊上已有花鍵擠壓模具介紹[2]，花鍵的材料有 20Cr，20CrMo，45 鋼，40Cr，42CrMo，不銹鋼和 Gr15 鋼[3]等。

由無約束軸向正擠壓成形的工藝特點可知，擠壓花鍵所用毛坯的直徑應該等于或略小于與其相對應的模具齒形齒根直徑。擠壓成形花鍵齒時，金屬除產生軸向流動外，還產生徑向流動。部分金屬沿徑向向外流動，另一部分金屬沿徑向向軸心流動。

在齒形擠壓成形時，除受到外界的成形擠壓力外，還受到花鍵齒槽成形時產生的徑向摩擦力，加大了成形難度。

花鍵按照齒廓形狀可以分為漸開線花鍵和矩形花鍵。漸開線花鍵受載時花鍵齒上有徑向分力，能起自動定心作用，使得各個齒受力均勻、強度高、壽命長，并且容易獲得較高的精度和互換性。漸開線花鍵標準壓力角一般有30°和45°等2種。

矩形花鍵加工方便，可以用磨削的方法消除熱處理變形，獲得較高的精度及定心穩定性。矩形花鍵的定心方式為小徑定心。花鍵齒高的大小直接決定了花鍵工作時的承載面積，即決定了其所能承受的最大載荷，因此它是花鍵形狀參數中最重要的參數。

如果由于花鍵加工精度不夠而使其齒形不飽滿，齒高達不到設計值，則會導致承載能力下降，在實際承載傳動過程中產生噪音，發生疲勞損壞，壽命降低。

2.1 矩形花鍵擠壓

2.1.1 某汽車副變速軸

圖2 東南大學研發成功的某汽車副變速軸花鍵Fig.2 An automobile auxiliary variable-speed spline shaft developed by Southeast university

東南大學有人在2004年前后曾采用組合凹模擠壓成形某汽車副變速軸矩形花鍵[4]。花鍵材料為45鋼，退火后硬度為230～263HB，擠壓件如圖2所示。他們還通過計算機模擬分析了花鍵的冷擠壓成形極限，定量地判斷入模半錐角、凹模入口圓角以及坯料直徑等因素對擠壓力和齒形充滿程度的影響。應用損傷力學原理，引入斷裂因子作為判斷依據，研究花鍵冷擠壓形過程中齒根開裂缺陷的產生原因和防治方法。還提出了改良毛坯前端倒角尺寸和凹模入口形狀，減少摩擦系數，可避免齒根開裂。

2.1.2 摩托車起動機構主、副軸

摩托車起動機構主、副軸常用的花鍵齒形有矩形和漸開線2種。由于矩形花鍵成形力遠大于漸開線花鍵，在開式冷擠壓過程中，如果模具參數選擇不當，坯料極易產生鐓粗和壓彎失穩，因此在設計模具時必須認真分析坯料的應力分布及模具的受力狀況，估測成形缺陷產生的原因。也可采用Deform軟件，對矩形花鍵軸冷擠壓成形進行數值模擬仿真，使擠壓成形過程可視化和可控制化，并通過模具的受力情況，分析擠壓過程中坯料的塌角和金屬堆積現象產生的原因，預測入模半角所對應的模具引導區長度，優化冷擠壓工藝參數和模具設計[5－6]。

CG125摩托車主軸的擠壓件如圖3所示[6]。該擠壓件兩端的矩形花鍵齒參數相同。

圖3 CG125摩托車主軸的擠壓件Fig.3 Extrusion of CG125 motorcycle＇s mainshaft

CG125主軸冷擠壓成形工藝試驗在2000 kN四柱液壓機上進行，采用引導區h=2.5 mm的模具。試驗前對坯料進行磷化皂化處理，測得最大擠壓力為210 kN左右，比仿真計算所得的90.75 kN(1/12模具的最大受力為15.896 kN)大10%左右。

CG125摩托車主軸花鍵冷擠壓成形件和坯料的實物照片如圖4所示。

圖4 CG125摩托車主軸花鍵冷擠壓成形件和坯料Fig.4 Cold extruded part and blank of CG125 motorcycle＇s mainshaft

2.2 漸開線花鍵擠壓

2.2.1 變速器漸開線齒形花鍵軸

圖5 某型轎車變速器漸開線花鍵軸Fig.5 An involute spline shaft of a car＇s gearbox

重慶工商大學伍太賓教授成功研制的某轎車變速器漸開線齒形花鍵軸的擠壓成形件如圖5所示[7]。其齒形參數為:齒數 Z=12，模數 M=1.25，壓力角α=20°，變位系數X=1.60，齒頂圓直徑da=16.75 mm，齒根圓直徑 df=14.00 mm，漸開線花鍵有效長度為44 mm。其漸開線花鍵部分與撥叉相連接，起變速換擋作用。由于漸開線齒形花鍵與撥叉之間只傳遞扭矩，因此齒形運動精度要求不高，適合采用冷擠壓方法大批量生產。

2.2.2 某過輪花鍵軸

重慶理工大學馮文杰教授等人開發成功的過輪花鍵軸冷擠壓件和實物照片如圖6所示[8]，材料為 20CrMo 熱軋棒材。零件右端是模數為1，壓力角為30°，齒數為29的漸開線花鍵，大徑為 φ30.5mm，小徑為 φ27.2mm，左端是 6 個 φ26.5 mm×23 mm×5 mm的矩形花鍵，中間是φ45.5 mm的圓盤。齒厚為b級，4個齒公法線長11.258 mm。

圖6 過輪花鍵軸Fig.6 Spline shaft of transition gear

該過輪花鍵軸冷擠壓的工序如圖7所示。首先將熱軋棒材車加工成圓柱體，然后進行2次冷鐓，再將預成形坯放入擠壓模中同時擠壓成形上部花鍵和下部花鍵。最后機加工切割花鍵軸成一定長度和加工兩端面中心孔。

圖7 過輪花鍵軸的冷擠壓工步Fig.7 Procedures of the spline shaft of transition gear

為了降低材料硬度，提高塑性，將熱軋棒材按坯料倍數(單件毛坯長度的倍數)下料，軟化退火。退火溫度為760℃，保溫4 h。退火后坯料硬度為130～140HB。

2.2.3 汽車半軸

農用車、轎車、微型車半軸是后橋受扭矩及一定沖擊力的重要結構件，從結構上主要分為花鍵、桿部和法蘭盤等3個部分。在工作過程中將主減速器、差速器傳來的扭矩傳給驅動車輪，起到傳遞發動機扭力和驅動后橋圓錐齒輪使汽車輪前進的作用。半軸內端以花鍵連接著半軸齒輪，半軸齒輪在工作時只將扭矩傳給半軸。因為花鍵受力處既有滑動又有沖擊，所以半軸的使用壽命取決于花鍵齒的抗壓能力。

國內長春理工大學[9]、吉林大學和重慶工業職業技術學院等校都曾有人研究過微車半軸花鍵的冷擠壓成形。半軸花鍵冷擠壓時由于金屬材料的加工硬化特性，擠壓件的強度大為提高，因此可以用低強度鋼代替高強度鋼。

微車半軸花鍵如圖8所示[9]，材料為40Cr鋼。齒形為JISD，齒數為26，模數為1，壓力角為45°，修正系數為0.1。基圓直徑為26 mm，小徑為24 mm，大徑為27 mm，公差值為+0.03 mm。

圖8 微車半軸花鍵Fig.8 Spline of minicar＇s haft shaft

文獻[9]計算了擠壓模具入模引導長度、毛坯直徑和擠壓力等在擠壓過程中的重要參數，并對毛坯直徑、引導長度、凹模入模角和擠壓成形段長度進行了模擬優化。確定了最佳坯料直徑為φ27 mm，擠壓模具入模引導長度為8 mm(此時擠壓無鐓粗現象，可順利擠壓花鍵)，凹模入模角為50°(最大等效應變小)，擠壓成形段長8 mm。

2.2.4 海爾洗衣機花鍵軸

海爾某型號洗衣機花鍵軸原來用機械加工生產，加工工時長，材料消耗大，質量也不穩定。近日，蘇州銀濤精密鍛造有限公司采用軸向擠壓的方法將其擠壓成形。

漸開線花鍵冷擠壓成形屬三維變形，成形過程中金屬的流動情況非常復雜，多種因素(材料的軟化處理、潤滑、工藝方案和模具結構等)影響花鍵的成形和精度，成形難度較大。該洗衣機花鍵軸的材料為45鋼，加工硬化現象嚴重。

實際上花鍵最難成形的部位是齒根，擠壓過程中坯料金屬總的流向是向下的，沒有與受力方向相反的逆流出現。由于蘇州銀濤精密鍛造有限公司掌握了花鍵成形的基本規律，模具設計合理，因而在花鍵擠壓過程中，金屬的流動速度矢量分布均勻、合理，齒形能順利成形，所花費的開發時間很短。

該海爾某型號洗衣機花鍵軸擠壓成形件的照片如圖9所示。該花鍵21齒，模數為1，壓力角為30°，齒形精度為 6 h，標準為 GB/T 3478.1。

圖9 海爾某型號洗衣機花鍵軸Fig.9 A spline shaft of a Haier washing machine

檢查標準為直徑2 mm的檢測棒，檢測棒外徑為(24±0.03)mm。跨四齒檢查標準為10.427～10.472 mm。銀濤精密鍛造有限公司的實際檢測結果:外徑為24.02 ～24.01 mm，跨四齒尺寸為 10.43～10.45 mm，檢查結果完全合格。

3 花鍵軸軸向擠壓研究的發展方向

3.1 關于花鍵軸溫擠壓的研究

對于擠壓坯料，不管是較高的硬度或是較低的硬度，都可以將花鍵軸擠壓成形。根據經驗，大多數正火硬度的低碳鋼和中碳低合金鋼的花鍵一般均可冷擠壓成形，冷擠壓困難的，可以采用溫擠壓成形，而擠壓設備能量的大小才是最重要的因素。

蘇州銀濤精鍛公司在開發花鍵軸產品做擠壓試驗時，由于使用的設備噸位小，往往通過加熱進行溫擠解決。

由此，重視研發花鍵的溫擠壓成形，要研究最佳擠壓溫度、最佳加熱方法、最佳溫鍛模的設計、溫鍛模的操作、溫鍛模的熱處理和壽命等。

就目前的情況，只要有3150 kN的液壓機，即可完成文中所介紹的這些花鍵軸的擠壓生產。

3.2 關于優化齒形凹模最佳工藝參數的研究

合理設計花鍵的冷擠壓模具，減少變形力，不僅對設備有好處，節省能源，而且可以改善模具的工作條件，減少模具負載，延長模具壽命。

齒形凹模模口半錐角是一個重要參數，對花鍵冷擠壓變形力和花鍵齒形成形時所受阻力大小均有重要影響，模口半錐角的大小決定了凹模模口的主要形狀。“當模口半錐角較大時，花鍵齒形充型效果較好”，這句話欠妥，因為模口半錐角較大時，也必然導致金屬成形的軸向阻力較大，擠壓力增大，模具的受載條件惡化，降低模具壽命。應當結合生產實際，找出模口半錐角的最佳值，模口半錐角在這個最佳值的范圍內，“當模口半錐角較大時，花鍵齒形充型效果較好”。

反之，“當模口半錐角較小，則成形擠壓力也會較小”這句話也欠妥。例如由于變形區域過長會導致摩擦阻力增大，花鍵前端容易出現未充滿段，降低花鍵齒形的飽滿程度。設想如果坯料直徑等于或近似等于花鍵齒形凹模與花鍵相對應的齒根圓直徑，其擠壓力就變成0或趨于0了。應該通過研究找出一個符合實用的最佳模口半錐角，推導出簡易的經驗公式。最佳齒形凹模模口半錐角確定好后，模口引導段的長度也就確定了。

凹模模口圓角也是很重要的技術參數。凹模模口處在齒形成形帶前的過渡區，有與花鍵齒形相對應的多條棱，共有4個圓角尺寸，其值不一定完全一樣，如圖10所示。花鍵擠壓成形時，如齒形凹模模口的齒棱都是尖角，摩擦力大，使擠壓力急劇升高，不但齒形不容易充填飽滿，而且會由于應力集中，大大降低模具壽命。

圖10 模入口圓角示意Fig.10 Entering round angle of the die

很多人不重視這個問題，導致模具受載條件惡劣，模具失效，試驗失敗，因此，有人建議r1取0.5～1.5 mm，r2取3 ～4 mm，r4取 0.4 ×(r0－ r2)[5]。因為r3與擠壓件的具體尺寸有關，無法做較大的改變，通常取 r3=0.5 mm。

在設計模具時，總是希望使圓角半徑盡量加大，這樣能保證金屬容易流動，產品容易成形，保證產品質量，而且減小變形力，減少應力集中，延長模具壽命。隨著圓角半徑的增大，也必然會減少凹模成形區的受力面積，降低凹模強度，因此必須根據實際成形情況給出最佳的取值范圍。

合理確定圓角值，使擠壓成形時金屬的流動盡量趨于流線型，也是研究的主要內容。當然，如果圓角半徑的增大，產品的形狀變了，影響了花鍵的嚙合性能，也等于是擠壓失敗。

在花鍵冷擠壓工藝中，常用的凹模模口主要有錐形模口和曲線模口。曲線有正弦曲線、余弦曲線、拋物線和特種曲線等。過去為了加工方便，只能采用錐形模口，現在不管什么樣的曲線都可以利用電火花加工、數控加工或高速銑削加工成形。可以通過試驗，尋找最佳曲線作為模口形狀曲線，使金屬變形容易，模具的工作條件改善，延長使用壽命。

3.3 科學確定坯料前端形狀尺寸

根據成形后的外形差異，整個毛坯大致可分為3部分:定位段、齒形成形段、未成形段。

不少研究者在確定端部形狀時完全由現場經驗決定。如果端部形狀不是最佳，不但不能改善成形品質，反而易產生成形缺陷。為了防止擠壓成形時變形不均勻和應力集中，實現穩定而順利的擠壓過程，選擇合適的原始坯料形狀、尺寸十分重要。坯料直徑一般在齒形外徑和內徑之間。

將坯料成形段的前端專門加工成一定長度的定位段，可保證擠壓過程穩定，減少擠壓力，使齒形充填飽滿。當然在某種特殊情況下，定位段長度也可能為0，也就是說不要定位段。

除上、下模具要保證同軸度要求外，齒形模芯的齒根圓直徑與冷擠壓坯件桿部的間隙以小于0.2 mm為佳，保證坯件在齒形模芯內定位良好。同時冷擠壓坯件在上模內的定位長度應達到坯料直徑的3～4倍，這樣可避免坯件在承受擠壓力時發生彎曲變形。

4 結語

花鍵的冷擠壓工藝是一種少無切削加工，它不僅具有生產效率高、產品精度高、材料利用率高、成本低等特點，而且冷擠壓花鍵內部金屬流線保持連續，晶粒得到不同程度的破碎和拉長。在后續的熱處理過程中，晶粒得到進一步細化，提高了零件的綜合力學性能。同時，冷擠壓花鍵所用設備為普通油壓機，價格便宜。齒形精度由凹模決定，模具壽命較高，高速鋼模芯的凹模壽命可以達到1萬件以上，硬質合金模芯的凹模壽命可以達到幾十萬件，產品質量比較穩定。由此，冷擠壓花鍵廣泛應用于汽車工業、摩托車工業及其他加工制造業，降低了花鍵軸生產成本，滿足了花鍵軸大批量生產的要求。

[1]朱偉成，杜元俊，李文成.小模數花鍵的冷擠壓[J].汽車技術，1991(2):45－49.

[2]胡亞民.精鍛模具圖冊[M].北京:機械工業出版社，2005.

[3]張水忠，李霞，徐紀平.GCr15鋼花鍵軸套冷擠成形[J].模具工業，2003，29(1):43 －45.

[4]徐波.大模數花鍵齒形冷擠壓成形的研究[D].南京:東南大學，2006

[5]黃朝琿，付沛福.方花鍵軸開模冷擠壓的模具設計及工藝實驗研究[J].鍛壓技術，1999，24(5):51 －53.

[6]馮文杰，陳瑩瑩，米林，等.矩形花鍵軸冷擠壓的數值模擬分析[J].現代制造工程，2007(2):117－119.

[7]伍太賓，王屹.汽車變速器漸開線齒形花鍵軸的冷擠壓成形技術[J].汽車技術，2006(7):35－38.

[8]馮文杰，陳瑩瑩，廖仕梨.過輪軸開式冷擠壓工藝及模具設計[J].模具工業，2007，33(3):51－53.

[9]車雷.微型車半軸花鍵冷擠壓成形工藝研究[D].長春:長春理工大學，2009.