手動鍵槽插削裝置的設計

摘要：大型輪盤類零件和軸之間鍵的安裝和連接，用于傳遞運動和扭矩。其中輪盤類零件的內鍵槽需鍵槽廣泛用于中用鍵槽插床等專用機床上進行加工，需要單獨的一道工序。本文通過CAD/CAE/CAM產品開發技術研究和運用，設計了一種車床用內鍵槽插削裝置，并對裝置進行運動和受力和變形情況分析，完成了裝置的零件加工、裝配和測試。提出了一種為車床增加了插削功能的方案。

Abstract： The keyway is widely used in large class between the part and the wheel shaft key installation and connection for transferring motion and torque. The wheel parts with internal keyway slotter and other special machine processing requires a separate procedure. In this paper， based on the research and application of CAD/CAE/CAM product development technology， an internal keyway inserting device for lathes is designed， and the movement， force and deformation analysis of the device is conducted， and the machining， assembly and testing of the parts of the device are completed， and a scheme is proposed to add the cutting function to the lathe.

關鍵詞：增力機構;插削;有限元分析;數控加工

Key words： mechanism;slotting;CAE;CNC

0 ?引言

帶輪、齒輪等輪盤類零件是被廣泛使用的傳動機械器件。中大型輪盤類零件內部常由內孔、軸和鍵構成的鍵聯接傳遞運動和扭矩如圖1所示。

如圖2所示插削內鍵槽是采用插刀在豎直方向相對工件作直線往復運動水平間歇進給的方式進行。插削加工精度可達IT9-IT7級，表面粗糙度Ra可達3.2μm。

由于內鍵槽需要專門的一臺機床進行加工，特別是在單件和小批量的情況下，單獨的一道工序和機床會大大的增加成本降低效率。

1 ?數據估算和設計

根據前面對插削加工的分析，綜合運用機械設計知識，設計出一款使用方便，結構簡單的普通車床用輔助加工裝置，較好的解決了單件和小批量輪盤類零件的內鍵槽加工問題。

1.1 插削加工工況

輪盤類零件如齒輪，依靠結構尺寸和材料強度來傳遞扭矩，承受載荷。通常選用較高強度韌性和耐磨性的材料制成。常用45#、35SiMn、40CrNi、40Mn、20Cr、40Cr和42CrMo等鋼材，此次設計以最常見的45#作為加工目標材料。

插削運動是直線往復運動，間隔式的進給運動。每次切削時沖擊力計較大，此次鍵槽插削時插刀為成型刀，切削接觸面較大切削力較很大。動力為手動，切削速度比較低。插削運動時插刀在回程時與工件相摩擦，在保證刀具強度的情況下適度提高刀具前角和后角大小。

根據查詢《實用機械加工工藝手冊（第3版）》確定前角γ0設置為6度;后角α0設置為6度;副后角κ′r設置為2度。

1.2 主要尺寸和切削力估算

根據裝置的動作要求，選擇了定塊機構（也稱直動導桿機構）作為主要的機械機構。

如圖3-a所示，機構在工作過程中，搖桿1，支撐桿2形成一個杠桿機構有增力作用。

普通人能施加的力約為600N，估算為500N。如圖3-b所示ab段設計長度為50，以α=90度極限值進行計算，1600×ab=500×bc故bc=（1600×50）/500=160，bc桿有限長度（不含手柄）設定為160。

根據《金屬切削手冊（第三版）》查的如表3-1所示，45鋼在調制后的單位切削力為2305N/mm2。

估算切削力F=2305×S=1962×8×0.1=1569.6N取Fq為1600N。

1.3 鍵槽插削裝置設計方案

根據機構分析和設計方案，根據濟南一機CK6136數控車床的刀架和主軸中心高特點，運用SIEMENS NX “建模”應用模塊和“裝配”功能設計了如圖4所示，車床用內鍵槽插削裝置，在不改變車床結構的基礎上，將裝置安裝至車床刀架上給車床增加了內鍵槽插削功能。

2 ?運動分析與強度校核

在加工制造前的分析和校核工作十分必要。使用了SIEMENS NX “運動仿真”和“高級仿真”應用模塊對車床用鍵槽插削裝置進行運動分析，對主要受力零件強度校核。

2.1 裝置機構運動分析

通過“運動仿真”應用模塊，對機構進行定義和運動設置，然后進行解算。通過對機構運動的數值計算、模擬、檢驗和修正，促進模型趨于完善。

根據定塊機構的四桿，將滑塊定義成固定桿L001，其它桿件完成桿件定義L002，L003，L004，如圖5所示。根據定塊機構的機構構成，定義3個轉動副J001，J002，J003，1個柱面副J005，如圖6所示。將搖動桿定義為主動桿。

將J003轉動副設置為驅動關節，設定初始位移為插刀桿縮回的極限位置角度如圖7-a所示，設定初速度，加速度。設置解算方案解算時間解算步數，重力方向等參數后執行求解。可以得到插刀桿伸出到極限位置過程的動畫如圖7所示。

如圖8所示為刀桿的位移、速度和時間的函數曲線（位移幅值藍色虛線、X向位移值綠色虛線、速度幅值紅色線）。由圖可知插刀桿的位移幅值約為43，裝置最大的插削厚度確定為40。

2.2 主要零件的強度校核

鍵槽插削裝置各零部件間通過傳遞動力完成插削動作，工作過程中會承受很大的壓力、拉力或扭矩。此時各零件的選材、結構、強度和剛度是否能達到使用要求就是一個重要問題。

2.2.1 擺動桿的變形和應力分析

擺動桿外形如圖9所示，材料為55#鋼，該桿作為力矩的輸入桿，還起到傳遞力矩，增大壓力的作用，承受較大的壓力。

進行材料設定，3D網格劃分后，按照估算的切削力和手動力設置。如圖9所示中間孔為固定端、右側手柄端為手動力500N方向向上，左側為切削阻力1600N方向也是向上，結果如圖10所示。

使用NX NASTRAN進行求解，位移幅值如圖11所示，最大位移位于擺動桿右側連接手柄處數值為2.344mm，此處的位移不影響裝置的正常工作。主應力圖譜如圖12所示，最大應力位移位于中間支撐孔上部數值為322.455MPa，低于材料屈服極限σs380MPa，搖桿受力后不會發生塑形變形，滿足了強度要求。

2.2.2 插削刀頭的變形和應力分析

插削刀頭如圖13所示，是進行直接切削的零件，材料為W18Cr4V高速鋼。刀頭在工作時其背面為工作面，刃口為受力處。網格劃分后如圖14所示，其中切削力作用于切削刃口處、背面安裝位置作為固定約束區域。

求解后可如圖15所示在刀尖處有最大位移0.044mm，插削時會輕微影響鍵槽寬度精度。如圖16所示，前刀面的最下方處最大應力214.373MPa，低于材料屈服極限σs800MPa，插削刀頭受力后不會發生塑形變形，滿足了強度要求。

2.3 裝置的分析結論

車床用鍵槽插削裝置根據運動分析可以實現厚度最大為40，內孔最小為25的輪盤類零件的鍵槽插削，根據受力和變形分析可以確認零件在最大受力情況下變形量不影響設備的正常工作零件的強度也足夠，可以實現寬度8mm及以下的鍵槽的加工。

3 ?關鍵零件制造

插刀桿線切割加工：

如圖17所示為插刀桿的尺寸精度要求，材料為55#鍍硬鉻16mm光桿，表面經高頻淬火鍍鉻后達到HRC58-60的表面硬度。需要加工的內容有，材料切斷保證長度、下方的銷釘孔的安裝槽、下方的銷釘孔、上方的刀頭安裝方孔、上方的刀頭固定螺紋孔。

如圖18所示為開口槽圖形繪制和加工程序生成。如圖19所示找正后夾緊運行程序完成開口槽的中速走絲線切割加工。

方孔的精度要求比較高，如圖20所示首先電火花小孔機穿孔，如圖21和圖22所示采用慢走絲進行加工，保證高的尺寸精度和表面質量。如圖23所示為方孔的精度測量。

如圖24為將刀頭安裝至插刀桿上的情況。通過控制零件的尺寸精度保證了兩者之間的安裝精度從而保證在插削鍵槽時候的加工精度。

4 ?裝配和測試

4.1 裝置裝配

裝配時應該遵循按照設計思路先進行基座和支撐座的裝配，再進行支撐桿、插刀桿、搖桿的裝配。銷軸安裝時在軸向應該留有間隙。內六角螺栓應該先初步預緊再擰緊。如圖25所示為完成裝配的車床用插削裝置，經動作測試，運動順滑無阻塞達到的先前的設計要求。

4.2 裝置測試

如圖26所示為裝置安裝至車床刀架時的情況。將凸塊放在四方刀架內，使用刀架固定螺絲壓緊。將鍵槽插切削裝置安裝至濟南一機CK6136刀架上。搖動車床中拖板使得插刀頭接近主軸軸線，搖動大拖板使插刀頭進入齒輪軸孔中，繼續搖動中拖板使刀頭和內孔壁接觸。搖動大拖板使插刀頭退到工件的右端面。然后每次中拖板軸線進給0.1搖動手柄帶動插刀頭進行一次鍵槽插切削，只到鍵槽的深度加工到位。如圖27所示為插削完成的齒輪內鍵槽。

5 ?應用前景

當前制造業也已經發展到互聯網+的時候，第四次工業革命也被提出。單件制定化的生產方式越來越普及，在此情況下如何增加現有設備提高加工制造能力越來越重要。此裝置的推廣正是解決了這樣的問題，擴大了車床的加工范圍，有一定的應用前景。

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基金項目：江蘇高校品牌專業建設工程資助項目（PPZY2015B186）。

作者簡介：殷銘（1979-），男，江蘇江陰人，蘇州工業職業技術學院講師，碩士，主要從事先進制造技術研究等。