手动键槽插削装置的设计

摘要：大型轮盘类零件和轴之间键的安装和连接，用于传递运动和扭矩。其中轮盘类零件的内键槽需键槽广泛用于中用键槽插床等专用机床上进行加工，需要单独的一道工序。本文通过CAD/CAE/CAM产品开发技术研究和运用，设计了一种车床用内键槽插削装置，并对装置进行运动和受力和变形情况分析，完成了装置的零件加工、装配和测试。提出了一种为车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.

关键词：增力机构;插削;有限元分析;数控加工

Key words： mechanism;slotting;CAE;CNC

0  引言

带轮、齿轮等轮盘类零件是被广泛使用的传动机械器件。中大型轮盘类零件内部常由內孔、轴和键构成的键联接传递运动和扭矩如图1所示。

如图2所示插削内键槽是采用插刀在竖直方向相对工件作直线往复运动水平间歇进给的方式进行。插削加工精度可达IT9-IT7级，表面粗糙度Ra可达3.2μm。

由于内键槽需要专门的一台机床进行加工，特别是在单件和小批量的情况下，单独的一道工序和机床会大大的增加成本降低效率。

1  数据估算和设计

根据前面对插削加工的分析，综合运用机械设计知识，设计出一款使用方便，结构简单的普通车床用辅助加工装置，较好的解决了单件和小批量轮盘类零件的内键槽加工问题。

1.1 插削加工工况

轮盘类零件如齿轮，依靠结构尺寸和材料强度来传递扭矩，承受载荷。通常选用较高强度韧性和耐磨性的材料制成。常用45#、35SiMn、40CrNi、40Mn、20Cr、40Cr和42CrMo等钢材，此次设计以最常见的45#作为加工目标材料。

插削运动是直线往复运动，间隔式的进给运动。每次切削时冲击力计较大，此次键槽插削时插刀为成型刀，切削接触面较大切削力较很大。动力为手动，切削速度比较低。插削运动时插刀在回程时与工件相摩擦，在保证刀具强度的情况下适度提高刀具前角和后角大小。

根据查询《实用机械加工工艺手册（第3版）》确定前角γ0设置为6度;后角α0设置为6度;副后角κ′r设置为2度。

1.2 主要尺寸和切削力估算

根据装置的动作要求，选择了定块机构（也称直动导杆机构）作为主要的机械机构。

如图3-a所示，机构在工作过程中，摇杆1，支撑杆2形成一个杠杆机构有增力作用。

普通人能施加的力约为600N，估算为500N。如图3-b所示ab段设计长度为50，以α=90度极限值进行计算，1600×ab=500×bc故bc=（1600×50）/500=160，bc杆有限长度（不含手柄）设定为160。

根据《金属切削手册（第三版）》查的如表3-1所示，45钢在调制后的单位切削力为2305N/mm2。

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

1.3 键槽插削装置设计方案

根据机构分析和设计方案，根据济南一机CK6136数控车床的刀架和主轴中心高特点，运用SIEMENS NX “建模”应用模块和“装配”功能设计了如图4所示，车床用内键槽插削装置，在不改变车床结构的基础上，将装置安装至车床刀架上给车床增加了内键槽插削功能。

2  运动分析与强度校核

在加工制造前的分析和校核工作十分必要。使用了SIEMENS NX “运动仿真”和“高级仿真”应用模块对车床用键槽插削装置进行运动分析，对主要受力零件强度校核。

2.1 装置机构运动分析

通过“运动仿真”应用模块，对机构进行定义和运动设置，然后进行解算。通过对机构运动的数值计算、模拟、检验和修正，促进模型趋于完善。

根据定块机构的四杆，将滑块定义成固定杆L001，其它杆件完成杆件定义L002，L003，L004，如图5所示。根据定块机构的机构构成，定义3个转动副J001，J002，J003，1个柱面副J005，如图6所示。将摇动杆定义为主动杆。

将J003转动副设置为驱动关节，设定初始位移为插刀杆缩回的极限位置角度如图7-a所示，设定初速度，加速度。设置解算方案解算时间解算步数，重力方向等参数后执行求解。可以得到插刀杆伸出到极限位置过程的动画如图7所示。

如图8所示为刀杆的位移、速度和时间的函数曲线（位移幅值蓝色虚线、X向位移值绿色虚线、速度幅值红色线）。由图可知插刀杆的位移幅值约为43，装置最大的插削厚度确定为40。

2.2 主要零件的强度校核

键槽插削装置各零部件间通过传递动力完成插削动作，工作过程中会承受很大的压力、拉力或扭矩。此时各零件的选材、结构、强度和刚度是否能达到使用要求就是一个重要问题。

2.2.1 摆动杆的变形和应力分析

摆动杆外形如图9所示，材料为55#钢，该杆作为力矩的输入杆，还起到传递力矩，增大压力的作用，承受较大的压力。

进行材料设定，3D网格划分后，按照估算的切削力和手动力设置。如图9所示中间孔为固定端、右侧手柄端为手动力500N方向向上，左侧为切削阻力1600N方向也是向上，结果如图10所示。

使用NX NASTRAN进行求解，位移幅值如图11所示，最大位移位于摆动杆右侧连接手柄处数值为2.344mm，此处的位移不影响装置的正常工作。主应力图谱如图12所示，最大应力位移位于中间支撑孔上部数值为322.455MPa，低于材料屈服极限σs380MPa，摇杆受力后不会发生塑形变形，满足了强度要求。

2.2.2 插削刀头的变形和应力分析

插削刀头如图13所示，是进行直接切削的零件，材料为W18Cr4V高速钢。刀头在工作时其背面为工作面，刃口为受力处。网格划分后如图14所示，其中切削力作用于切削刃口处、背面安装位置作为固定约束区域。

求解后可如图15所示在刀尖处有最大位移0.044mm，插削时会轻微影响键槽宽度精度。如图16所示，前刀面的最下方处最大应力214.373MPa，低于材料屈服极限σs800MPa，插削刀头受力后不会发生塑形变形，满足了强度要求。

2.3 装置的分析结论

车床用键槽插削装置根据运动分析可以实现厚度最大为40，内孔最小为25的轮盘类零件的键槽插削，根据受力和变形分析可以确认零件在最大受力情况下变形量不影响设备的正常工作零件的强度也足够，可以实现宽度8mm及以下的键槽的加工。

3  关键零件制造

插刀杆线切割加工：

如图17所示为插刀杆的尺寸精度要求，材料为55#镀硬铬16mm光杆，表面经高频淬火镀铬后达到HRC58-60的表面硬度。需要加工的內容有，材料切断保证长度、下方的销钉孔的安装槽、下方的销钉孔、上方的刀头安装方孔、上方的刀头固定螺纹孔。

如图18所示为开口槽图形绘制和加工程序生成。如图19所示找正后夹紧运行程序完成开口槽的中速走丝线切割加工。

方孔的精度要求比较高，如图20所示首先电火花小孔机穿孔，如图21和图22所示采用慢走丝进行加工，保证高的尺寸精度和表面质量。如图23所示为方孔的精度测量。

如图24为将刀头安装至插刀杆上的情况。通过控制零件的尺寸精度保证了两者之间的安装精度从而保证在插削键槽时候的加工精度。

4  装配和测试

4.1 装置装配

装配时应该遵循按照设计思路先进行基座和支撑座的装配，再进行支撑杆、插刀杆、摇杆的装配。销轴安装时在轴向应该留有间隙。内六角螺栓应该先初步预紧再拧紧。如图25所示为完成装配的车床用插削装置，经动作测试，运动顺滑无阻塞达到的先前的设计要求。

4.2 装置测试

如图26所示为装置安装至车床刀架时的情况。将凸块放在四方刀架内，使用刀架固定螺丝压紧。将键槽插切削装置安装至济南一机CK6136刀架上。摇动车床中拖板使得插刀头接近主轴轴线，摇动大拖板使插刀头进入齿轮轴孔中，继续摇动中拖板使刀头和内孔壁接触。摇动大拖板使插刀头退到工件的右端面。然后每次中拖板轴线进给0.1摇动手柄带动插刀头进行一次键槽插切削，只到键槽的深度加工到位。如图27所示为插削完成的齿轮内键槽。

5  应用前景

当前制造业也已经发展到互联网+的时候，第四次工业革命也被提出。单件制定化的生产方式越来越普及，在此情况下如何增加现有设备提高加工制造能力越来越重要。此装置的推广正是解决了这样的问题，扩大了车床的加工范围，有一定的应用前景。

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基金项目：江苏高校品牌专业建设工程资助项目（PPZY2015B186）。

作者简介：殷铭（1979-），男，江苏江阴人，苏州工业职业技术学院讲师，硕士，主要从事先进制造技术研究等。