花键轴加工工艺过程

任务？ 花键轴的加工

任务目标

1、掌握花键轴加工的方法与工艺。

2、熟悉加工花键轴的常用机床，掌握其使用方法。

3、了解花键轴的检测和验收方法。

任务描述

● 任务内容

分析花键轴的加工工艺，熟悉常用机床的使用方法及注意事项，完成花键轴的加工。 ● 实施条件

卧式普通车床、卧式铣床、花键轴磨床、常用检测工具。

● 安全提示

1、所用工具应齐备、完好、安全可靠，方能开始工作；

2、操作机床时应完全遵守各种机床的安全使用规则，正确穿戴好劳动保护用品，认真仔细检查机床各部件和保护装置是否完好，确定安全可靠之后，才能开机加工；加工过程中不得离开机床，应密切注意加工情况，发现机床运转不正常时，应立即停车，请机修工检查修理；工、量具应放在安全的位置，机床运转时，不准测量工件；加工工件切削量和进刀量不宜超大，以免机床过载或梗住工件造成意外事件；高速切削时，使用防护罩，防止碎屑伤人。

3、工作完毕后，应将设备和工具的电、气、水、油源断开；应清理好工作场地卫生，将工具和零件整齐地摆放在指定的位置上。

任务实施

花键轴属于特种的轴类，常用于定中心的连接或传递转矩的传动中，是重要的机器零件之一。花键按齿形可分为矩形齿、三角形齿、梯形齿和渐开线齿等多种。加工方法主要分车、铣、磨三步。

步骤一 车削

一、了解车床

车床主要用于加工各种回转表面。如内外圆柱面、圆锥面、回转体成型面、环形槽、端面及螺纹，还可进行钻孔、扩孔、铰孔、滚花等加工。

常见的卧式车床主要组成部分包括：主轴箱、刀架、尾座、进给箱、溜板箱、床身等。主要运动有：表面成形运动、进给运动及辅助运动。

图1.卧式车床外形图

二、车削步骤

花键轴的车削部分主要是进行外圆和端面的的加工，采用的方法如下：

（一）安装工件和校正工件

安装工件采用三爪自定心卡盘，采用百分表校正工件。

（二）选择车刀

车外圆可用图2所示的各种车刀。直头车刀(尖刀)的形状简单，主要用于粗车外圆；弯头车刀不但可以车外圆，还可以车端面，加工台阶轴和细长轴则常用偏刀。

图2 车外圆的几种情况

（三）调整车床

车床的调整包括主轴转速和车刀的进给量。

主轴的转速根据切削速度计算选取。而切削速度的选择则和工件材料、刀具材料以及工件加工精度有关。用高速钢车刀车削时，V=0.3～1m/s，用硬质合金刀时，V=1～3m/s。车硬

度高钢比车硬度低钢的转速低一些。

根据选定的切削速度计算出车床主轴的转速，再对照车床主轴转速铭牌，选取车床上最近似计算值而偏小的一档。但特别要注意的是，必须在停车状态下扳动手柄。

例如用硬质合金车刀加工直径D＝200mm的铸铁棒料，选取的切削速度V＝0.9m/s，计算主轴的转速为： n

100060v1000600.999D3.14200（转／分）

从主轴转速铭牌中选取偏小一档的近似值为94转／分。

进给量是根据工件加工要求确定。粗车时，一般取 0.2～0.3毫米／转；精车时，随所需要的表面粗糙度而定。例如表面粗糙度为Ra3.2时，选用0.1～0.2毫米／转；Ra1.6时，选用0.06～0.12毫米／转，等等。

（四）粗车和精车

粗车使工件接近于最后的形状和尺寸。粗车后应留下0．5～1毫米的加工余量。

精车是切去余下少量的金属层以获得零件所求的精度和表面粗糙度，背吃刀量较小，约0.1～0.2毫米，切削速度则可用较高速度。

为了保证加工的尺寸精度，应采用试切法车削。试切法的步骤如图3所示。

图3 试切步骤

a)开车对刀，使车刀和工件表面轻微接触 b)向右退出车刀 c)按要求横向进给ap1

d)试切1～3毫米 e)向右退出，停车，测量 f)调整切深至ap2后，自动进给车外圆

（五）刻度盘的应用

车削工件时，为了正确迅速地控制背吃刀量，可以利用中拖板上的刻度盘。摇动中拖板手柄带动刻度盘转一周时，中拖板丝杠也转一周。

使用中拖板刻度盘控制背吃刀量时应注意的事项：

1.由于丝杠和螺母之间有间隙存在，因此会产生空行程（即刻度盘转动，而刀架并未移动）。使用时必须慢慢地把刻度盘转到所需要的位置（图4a）。若不慎多转过几格，不能简单地退回几格（图4b），必须向相反方向退回全部空行程，再转到所需位置（图4C）。

a)要求手柄转至30，但转过头成40 b) 错误：直接退至30 c)正确：反转约一周后， 再转至所需位置30

图4 手柄摇过头后的纠正方法

2.由于工件是旋转的，使用中拖板刻度盘时，车刀横向进给后的切除量刚好是背吃刀量的两倍，因此要注意，当工件外圆余量测得后，中拖板刻度盘控制的背吃刀量是外圆余量的二分之一。

（六）纵向进给

纵向进给到所需长度时，关停自动进给手柄，退出车刀，然后停车，检验。

步骤二 铣削

铣削是花键槽加工中最重要的一步，以图5为例，采用常用的小径定心法进行铣削加工。

图5小径定心花键轴铣削

一．铣床简介

铣床是工厂中广泛应用的机床。在铣床上用圆柱铣刀、盘铣刀、端铣刀、键槽铣刀、成形铣刀可以分别加工水平面、垂直面、成型面、沟槽及螺旋槽，也可以用锯片铣刀进行切断。

铣床的类型很多，根据主轴的位置可分为卧式铣床和立式铣床，按工作台的布局可分升降台铣床和无升降台铣床，还有龙门铣床、工具铣床、仿形铣床、专门化铣床等。 以万能升降台铣床为例，其主要部件有：主轴部件、主运动变速操纵机构、工作台、进给运动的操纵机构、万能分度头等。

二．铣削步骤

（一）分析图样

1.键宽B=70.098mm，B=(7.4±0.045)mm。 0.040

2.小径d=280.041mm；d=(28.4±0.045)mm。 0.020

3.大径D=340.47mm。

4.键对工件轴线的对称度公差0.06mm，对工件轴线平行度公差0.05mm。

5.大径表面的表面粗糙度为Ral.6μm，小径表面为Ra3.21μm，其余(包括键侧)表面Ra6．3μm。

6.工件材料为40Cr合金结构钢，具有较高的强度。

7.工件是阶梯轴，花键在Ø34mm×150mm外圆上贯通，两端有孔2．5mm的B型中心 孔，而且有Ø25mm×30mm的外圆柱面，便于工件定位装夹。

（二）拟定花键轴铣削加工工艺

花键的直径比较小，采用先铣削键侧、后铣削中间槽的方法加工花键轴。花键铣削加工 工序过程为：检验预制件→安装分度头→找正工件并在工件表面划键宽线→按划线对刀调整 键侧l铣削位置→试切两侧面并预检键对称度→铣削键侧1(6面) →调整键侧2铣削位置 并达到工序要求→铣削键侧2(6面) →调整槽底圆弧面铣削位置→铣削槽底圆弧面达到小 径要求→花键工序的检验。

（三）选择机床

工件长度230mm，分度头及尾座安装长度约550mm左右，选择与X6132型类同的卧式 铣床。

0.37

（四）选择装夹方式

由形体分析可知，工件两端有顶尖孔，又具有可供夹紧的Ø25mm×30mm圆柱面，既可以采用两顶尖、鸡心夹头和拨盘装夹工件，也可以采用三瓜自定心卡盘和尾座顶尖一夹一顶 的方式装夹。

（五）选择刀具

1.选择铣削键侧刀具。本例采用先铣削键侧、后铣削槽底圆弧面的加工方法，铣刀的厚度不受严格限制，现选用63mm×8mm×22mm直齿三面刃铣刀。

2.选择铣削槽底圆弧面刀具。本例采用成形单刀铣削。单刀的形式与结构如图6所示。单刀的刀刃形状由工具磨床刃磨，圆弧部分的长度和半径尺寸应进行检验，侧刃夹角用游标量角器测量，如图6 (a)所示。侧刃与圆弧刃的两个交点距离和圆弧半径通常可进行试件试切后，对切痕进行测量，如图6 (b)所示。

图6铣削花键槽底成形

单刀形式与结构

（六）选择检验测量方法

按工序要求，键的宽度尺寸、对称度与平行度，以及小径尺寸进行检验测量。

(a)侧刃夹角检验 (b)圆弧刃检验

图7铣削花键槽底成形单刀的检验

（七）小径定心花键单刀铣削加工准备

1.安装分度头和尾座，并在分度头上安装三爪自定心卡盘，安装前应选择自定心精度较高的卡盘，安装时应注意清洁各定位接合面，保证安装精度。

2.预检、装夹和找正工件。

首先，检验大径的尺寸与圆柱度，并检验大径圆柱面与两顶尖轴线的同轴度。

其次，大径圆柱面一端中心孔用尾座顶尖定位，Ø25mm×30mm的圆柱面用三爪自定心 卡盘定位夹紧。

最后，工件找正的方法与上例基本相同，当工件与分度头轴线同轴度有误差时，可 将工件转过一个角度装夹后，再进行找正，若还有误差，也可在卡爪与工件之问垫薄铜片． 直至工件大径外圆与回转中心同轴度在0.03mm之内。上素线与工作台面的平行度、侧素线 与进给方向平行度均在lOOmm：0.02mm范围内。

3.安装铣刀。三面刃铣刀与装夹成形单刀头的紧固刀盘一起穿装在刀杆上，并有一定的间距。铣削槽底圆弧面的成形单刀头安装方法如图8所示。本例选用图8(b)所示的安装方法。

(a)用夹紧刀盘安装 (b)用方孔刀盘安装 (C)用方孔刀杆安装

图8铣削花键槽底成形单刀安装方法

4.选择铣削用量。三面刃铣刀的铣削用量按工件材料和铣刀的规格，调整主轴转n=95r/min，进给速度vf=47.5mm/min。圆弧面单刀的铣削用量由试切确定。试切时，根据工件的振动情况，圆弧面的表面质量(包括圆弧的形状和表面粗糙度)确定。

（八）加工花键

1.工件表面划线

首先，划水平中心线。将划线游标高度尺调整至分度头的中心高l25mm，在工件外圆 水平位置两侧划水平线，然后将工件转过l80，按同样高度在工件两侧重复划一次线，若 两次划线不重合，则将划线位置调整在两条线的中间，再次划线，直至翻转划线重合。该重 合的划线即为水平位置中心线。

其次，划键宽线。根据水平中心线的划线位置，将游标高度尺调高或调低键宽尺寸的一 半(本例为3．7mm)。仍按上述方法，在工件水平位置的两侧外圆上划出键宽线。

2.调整键侧铣削位置。划线后，将工件转过90，使键宽画线转至工件上方，作为横向

。º

对刀依据。调整工作台，使三面刃铣刀侧刃切削平面离开键侧1键宽线0.3～0.5mm，在横向刻度盘上用粉笔做记号并锁紧工作台横向。

根据花键铣削长度、铣刀切入和切出距离，调整铣削终点的自动停止限位挡块。

调整键侧垂向铣削位置时，先使铣刀圆周刃恰好擦到工件表面，然后工作台垂向上升H为： H

Dd33.65280.40.43.3222 (式中0．4mm是键侧加深量)

3.试切与对称度预检。试铣键侧l与键侧2，如图9(a)、图9(b)所示。

试铣键侧2时，工作台横向移动距离S为：

S=L+B+2(0.3～0.5)=16．2mm

(式中0.3～0.5mm是试铣时键侧单面保留的铣削余量。)

用杠杆百分表预检键的对称度。

4.铣削键侧1。根据预检结果，若测得键侧l比键侧2少铣去0．15mm，则将工件由水平预检测量位置转至上方铣削位置，然后调整工作台横向，将键侧1铣去0．15mm。再次测量键宽尺寸，按工序图样的键宽尺寸与实测尺寸差值的一半调整工作台横向，按等分数分度，依次铣削键侧l(6面)。

5.铣削键侧2。键侧1铣削完毕后，调整工作台横向，保证键宽尺寸达到(7.4± 0.045)mm，按等分要求，依次铣削键侧2(6面)。

6.铣削槽底小径圆弧面，如图9所示．

(a)铣削键侧l (b)铣削键侧2 (c)铣削槽底小径圆弧面

图9先键侧后槽底铣削花键步骤

第（1）步，安装成形单刀。单刀伸出的尺寸尽可能小，以提高刀具的刚度。由于成形单刀铣削时常用圆弧刀刃对刀，因此应注意单刀的安装精度。目测检验单刀安装精度的方法

如图10(a)所示，借助的平行垫块尽可能长，若安装正确，垫块应与刀轴平行。

第（2）步，横向对刀。调整工作台，目测使单刀的圆弧刀刃的两个尖角与工件键顶同时接触，如图10(b)所示，对刀后锁紧工作台横向。

(a)目测检验单刀安装精度 (b)目测单刀横向对刀位置

图10铣削槽底的单刀安装与对刀位置

第（3）步，调整工件转角.将工件由铣削键侧的位置转至铣削槽底位置。转角为221800

°r)。 。(本例为30，N3662N

。 第（4）步，试切预检小径尺寸。工作台垂向在槽底对刀，试切出圆弧面，工件转过180，

按垂向同样铣削位置，试切出对应的圆弧面，用外径千分尺预检小径尺寸。

第（5）步，按实测尺寸与工序尺寸差值的一半调整工作台垂向。当试切的小径尺寸符合图样要求时，按工件等分要求，依次铣削槽底圆弧面，使小径尺寸达到(28.4±0.045)mm。

（九）检验与质量分析

1.检测外花键。

首先，测量键宽和小径尺寸精度。用千分尺测量键宽尺寸应在(7.355～7.445)mm范围内；小径尺寸应在28.355～28.445mm范围内。

其次，测量键侧对称度、平行度和等分度误差。对称度测量示值变动量应在0.06mm以内；平行度测量示值变动量应在0.05mm以内；等分度测量示值变动量应在0．07mm以内。

2.质量分析。本例采用分度头安装三爪自定心卡盘，采用与尾座一顶一夹的方式装夹工件。由于工件夹紧部位无台阶面，在铣削过程中，可能因切削力波动、冲击，使工件沿轴向发生微量位移，从而使工件脱离准确的定位和找正位置，影响对称度、平行度和等分度。 选用成形单刀铣削槽底圆弧面，受刀具刃磨质量、安装精度、刀具切削性能等影响，铣削而成的小径圆弧面形状和尺寸精度、表面粗糙度都会产生一些误差，如刀具几何角度不好，可能引起切削振动，从而影响表面粗糙度。又如，刀具安装精度和对刀误差，可能会形成槽底圆弧面的不同轴位置误差，如图11

图11槽底圆弧面的不同轴误差

步骤三 磨削

矩形齿有三种定心方式：即大径定心、小径定心和键侧定心(图12)。以大径定心的花键轴通常只磨削其外径。以小径定心的花键或花键经淬火后，其小径和键侧均需磨削。在GB／T ll44—2001中规定，以小径d为定心尺寸。

a)大径定心 b)小径定心 c)键侧定心

图12矩形齿花键的定心方式

矩形花键主要有三个尺寸，即大径D、小径d、键宽B。GB／T ll44q00l(矩形花键尺寸、公差和检验》规定，花键键数为偶数，有6、8、10三种。按承载能力，将尺寸分为轻、中两个系列(表1)。

矩形花键轴的参数标记如下

N ×d×D×B

其中，N为键数，d为小径，D为大径，B为键宽。

如花键轴6×23f7×26a11×6d10，表示键数为6，小径尺寸为23f7，大径尺寸为26a11，键宽尺寸为6d10，是小径定心的花键轴。

表1矩形花键基本尺寸的系列(摘自GB／T ll44q001)

花键的加工要求包括分度误差要求、键侧对轴线的平行度、相邻键侧间的平行度、小径的圆度及表面粗糙度要求。

矩形花键轴是复杂平面磨削，键的两平面要相互平行。 一、花键轴磨床简介

图13所示为M8612A型花键轴磨床，主要由头架3、磨头4、工作台6、工作台移动手轮9、床身7等组成。调节分度选择旋钮2和调整分度手轮l可实现自动周期分度。砂轮垂直进给由手轮8控制，砂轮修整器5用于修整砂轮。 M8612A型花键轴磨床的主要部件是头架和砂轮修整器。

图14a所示为M8612A型花键轴磨床头架部件结构。主要由主轴l4和分度板l7组成。

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图13 M8612A型花键轴磨床(上海机床厂制造)

1～分度手轮2一分度选择旋钮3---_头架4一磨头5一砂轮修整器

6一工作台7一床身8一垂直进给手轮9一工作台移动手轮

图14b所示为M8612A型花键轴磨床的砂轮修整器。

为了保证花键对轴线的对称度，修整器的回转中心可前后调整。调整时，旋转刻度手柄12，经蜗轮ll，使螺杆l3作相对移动，其导向柱l4保证回转中心在移动时左右位置不变。 修整砂轮两斜面时，金刚钻位置c，可按花键轴的小径和键宽求得

c

dB

(1) 2

式中d——花键轴小径(mm)； B——花键轴键宽(mm)。

修整圆弧时，按花键尺寸确定对刀块的尺寸

A=40-R (2) 式中A——对刀块尺寸(mm)； 40——机器常数(mm)； R——修整圆弧半径(mm)。

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主视图

侧视图 A)

图14 M8612A型花键轴磨床主要部件

a) 头架

1一螺杆2一螺母3一工作缸右腔4一手柄5一螺钉6、19一盘7一齿条活塞 8一分度阀9、10、11、l3一油路12一插销14一主轴15一超越离合器

16一齿轮17一分度板l8一挡销

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B）

图14 M8612A型花键轴磨床主要部件(续)

b)砂轮修整器

1一刻度盘2一左、右角度板3一定位销4一手柄5一三角导轨 6—修整座7、8一金刚钻9一回转架l0一主轴l l一蜗轮

12一刻度手柄l3一螺杆14一导向柱

二、花键轴的步骤 （一）磨削方法分类

花键轴的磨削方法可分两类：用花键轴磨床磨削；不用花键轴磨床磨削。磨削方法如图15所示。

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a） b） c） d）

e） f）

图15 磨削方法

（二）各种磨削方法的特点

1.磨花键小径如图15a所示，将砂轮修成圆弧面，适合磨削小径定心的花键轴。 2.磨键两侧及小径圆弧如图15b所示，在花键轴磨床上磨削，修整砂轮两圆锥面及圆弧面，效率高、加工精度高，适用于磨削小径定心的花键轴。

3.两角度砂轮磨两键侧如图15c所示，砂轮修整简单，要调整计算尺寸L。 4.两平行砂轮磨两键侧如图15d所示，砂轮修整简单，要调整计算尺寸L。 5.三个砂轮磨花键三个面如图15e所示，砂轮修整及调整计算尺寸L较复杂。 6.碟形砂轮磨一键侧如图15f所示，用砂轮端面磨削。 （三）在花键轴磨床上磨花键

首先，作分度调整。如图16所示，头架的分度机构由液压传动，当工作台行至左端时，即自动分度。分度调整时，先打开分度选择阀捏手4，然后转动手柄2，其等分数由刻度盘1上的刻度读出。当调整到所需分度后，将螺钉3锁紧。

再用遮盘遮去不用的分度槽，以防止误分度(图17)。如磨削的花键为8等分，而花键轴磨床的分度板为24槽，故分度时对定销要跳过3槽，则遮盘要相应遮去2槽。调整结束后，使用分度点动按钮，检验分度是否正确。磨床备有16槽、20槽，供选用。

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图16分度调整 图17安装分度遮盘 1一刻度盘2一手柄3一螺钉 4一分度选择阀捏手

第二步用修整器修整砂轮。如图18所示，首先修整砂轮的角度面，按花键轴键侧的角度，找正刻度盘的角度值，并锁紧角度板。

修整砂轮角度面时，金刚钻位置按式(1)计算(图19)。调整时要锁紧定位圈，调整金刚钻位置后即可修整。金刚钻位置可由对刀块调整。如图20所示，对刀块尺寸按式(2)计算。用对刀块精确调整金刚钻位置后，就可修整所需的圆弧面。

图18修整器的调整

1一角度板2一进给手轮3一定位销 扳手4一中心插销捏手5一调整捏手

磨削前应检查分度头架顶尖的径向圆跳动误差。顶尖的径向圆跳动误差应在0.005mm内，以减小花键小径与大径的同轴度误差。

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图19 金刚钻位置的调整 图20 修整砂轮圆弧面的对刀块 检查两顶尖的中心连线对导轨移动方向的平行度误差。如图21所示，将花键样件装夹在两顶尖之间，用指示表测量在垂直方向和水平方向的平行度误差，均应在0.005mm内。水平方向的误差可调整工作台角度加以消除；垂直方向的误差可调整尾座顶尖的高度加以消除，以防止产生圆柱度误差和齿向误差。

工件的装夹与对刀如图22所示。工件用两顶尖装夹，先移动砂轮，使砂轮对准工件的齿槽，然后再紧固鸡心卡头，以保证键两侧的磨削余量均匀。

图21检查平行度误差 图22 工件的装夹与对刀

（四）精度检验及误差分析

花键精度的单项检验，如图23和图24所示，分别用极限卡规测量键宽和花键的小径尺寸。由于花键的位置误差也直接影响花键的精度，故通常还要用花键环规作综合测量。图25所示花键环规包括了花键的尺寸精度和位置精度检验。花键环规只有通规，其合格性为可通过性。

图23用花键卡规测量花键键宽 图24用花键卡规测量花键的小径尺寸

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影响位置误差的主要因素是磨床分度机构的误差，分度头架顶尖的径向圆跳动误差及尾座顶尖的偏移等。

分度误差可用单个分度误差和总分度误差来评定。

单个分度误差是指一个分度实际数值与理论数值之间的代数差。通常用分度(圆周)间距的线值表示，也可换算成相应的角度误差 

412.6

(3) d

式中——角度分度误差(”)； △——分度误差的线值(μm)； d——计算分度直径(mm)。

总分度误差是指在规定的区间内，正分度位置偏差与负位置偏差的最大绝对值之和。花键轴分度精度用分度检验仪测量，测量方法如图26所示，用显微镜1对分度盘2分度，用测头3测量各齿面，指示表的最大读数和最小读数之差，即为花键轴的单个分度误差。

图25花键环规 图26分度精度的测量方法

1一显微镜2一分度盘3一测头4一被测花键轴

花键轴磨削废品分析见表2。磨削花键轴应设法减小花键小径的圆度误差和圆柱度误差，提高花键键侧的位置精度，以满足工件的加工精度要求。 表2花键轴磨削废 品分析

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（五）花键轴磨削工艺分析

如图27所示为花键轴，花键轴尺寸为6×Ø23f7×Ø28c8×6f9，键侧的表面粗糙度值为 Ra0.8μm，小径的表面粗糙度值为Ra0.8μm。花键轴的磨削工艺分析见表3。

表3花键轴的磨削工艺分析

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本工艺采用M8612A型花键轴磨床，其分度相邻误差为0.005mm，分度累计误差为0.Ol4mm，键侧对轴线的平行度为0.OlOmm／300mm，相邻键侧问的平行度为0.010mm／300mm，小径的圆度为0.008mm。

图27 花键轴

任务检查与评价

巩固与拓展

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