具有波形端面的花键及其制造方法与流程

本文涉及机械零件的端面连接机构，特别涉及一种具有波形端面的花键其制造该花键的方法。

背景技术：

在机械制造中，经常需要将轴类零件、盘类零件和套类零件彼此两两连接，常用的连接方法有：平键、花键、半圆健、切向键、弹性涨套、过盈配合、端面键、鼠牙盘和弧齿端齿连接，其中最常用的是平键、花键和半圆键连接。平键和半圆键连接对轴的疲劳强度影响很大，不得不采用更粗的轴和更厚的轮毂。在平键和半圆键处承受扭矩较大的时候，还会影响连接件之间的同心度，有时不得不采用紧配合，极大地增加了装配和维修的工作量。在单件小批量生产时，花键的加工成本相当高，往往要专门订购刀具，生产周期很长，故很少采用。弹性涨套通常只适用于轴与轮毂之间的连接，不适用于盘类零件与盘类零件之间的连接。使用弹性涨套连接是依靠摩擦力来传递扭矩和轴向力，故需要很大的预紧力，会在轴和轮毂上产生较大的装配应力。这种连接方式也不适用于高速回转的机械零件，离心力会导致使涨套上的预紧力松弛。对于过盈配合，其使用特点与弹性涨套基本相同，但对于加工精度的要求更高，装配和拆卸也更困难一些。如果工件的径向尺寸受限，端面键的承载能力有限，故端面键基本上只用于机床行业，如刀柄、刀盘及卡盘的盘根与机床主轴的连接。对于鼠牙盘和弧齿端齿连接，其加工方法的限制，不允许工件的中间有轴伸，通常只能用于盘类零件与盘类零件之间的连接，需要专用设备，加工成本比较高。

为了获得一种轻量化、高强度、低成本、易于安装拆卸又适用于高速机械的回转件之间的连接方式，本发明提出了一种波形端面结合花键。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种轻量化、高强度、低成本、易于安装拆卸又适用于高速机械的回转件之间的连接形式。

为了实现本发明的目的，本文提供了一种具有波形端面的花键，所述花键的表面具有多个齿，其中所述花键的表面为连续的周期性曲面，所述曲面为一阶连续的波形面；并且所述齿的相邻工作齿面之间形成有过渡曲面，所述过渡曲面是与所述花键的轴线垂直的圆柱面的单参数包络面。

根据本发明的一个或多个实施方式的花键，其中所述过渡曲面与所述花键的内圆柱面的交线的渐伸线是圆弧曲线。

根据本发明的一个或多个实施方式的花键，其中位于所述齿根处的所述过渡曲线的所述渐伸线具有第一半径，位于所述齿顶处的所述过渡曲线的所述渐伸线具有第二半径，所述第二半径大于所述第一半径。

根据本发明的一个或多个实施方式的花键，其中所述第二半径是所述第一半径的1.02至1.08倍。

根据本发明的一个或多个实施方式的花键，其中所述花键是在垂直于刀具轴线的工作台上使用圆柱形立铣刀加工而成，其中所述第一半径是所述圆柱形立铣刀的半径的1.02至1.08倍。

根据本发明的一个或多个实施方式的花键，其中所述第一半径是所述圆柱形立铣刀的半径的1.05倍。

根据本发明的一个或多个实施方式的花键，其中所述齿顶和所述齿根之间的顶隙是是所述圆柱形立铣刀的半径的0.028至0.03倍。

本文还提供了一种加工具有波形端面的花键的方法，所述方法包括：将工件放置在与刀具轴线垂直的工作台上，使用圆柱形立铣刀在所述工件的端面上进行铣削以形成具有多个齿的花键表面；以及使用所述圆柱形立铣刀在所述的齿顶和齿根处进行铣削以形成相邻工作齿面之间的过渡曲面，所述过渡曲面是与所述工件的轴线垂直的圆柱面的单参数包络面。其中所述圆柱形立铣刀在所述摆动中的摆动角度由样条曲线确定，所述样条曲线是由三角函数和幂函数混合构成的调和函数，并且其中所述花键表面为连续的周期性曲面，所述曲面为一阶连续的波形面。

根据本发明的一个或多个实施方式的方法，其中所述调和函数的参数是第一差值和第二差值的比值，其中所述第一差值是所述过渡曲面和所述工件的内圆柱面上的交线上的对应于正被加工位置处的圆心角与所述交线的中点圆心角之差，所述第二差值是所述交线上的对应于所述过渡曲线的起点的位置处的圆心角和所述交线的中点圆心角之差。

根据本发明的一个或多个实施方式的方法，其中所述三角函数是余弦函数，所述幂函数是三次多项式函数。

根据本发明的一个或多个实施方式的方法，其中所述过渡曲面与所述工件的内圆柱面的交线的渐伸线是圆弧曲线，位于所述齿根处的所述过渡曲线的所述渐伸线具有第一半径，位于所述齿顶处的所述过渡曲线的所述渐伸线具有第二半径。

根据本发明的一个或多个实施方式的方法，其中所述第二半径是所述第一半径的1.02至1.08倍。

根据本发明的一个或多个实施方式的方法，其中所述齿顶和所述齿根之间的顶隙是是所述圆柱形立铣刀的半径的0.028至0.03倍。

根据本发明的一个或多个实施方式的方法，其中所述第一半径是所述圆柱形立铣刀的半径的1.02至1.08倍。

本文还提供了一种轴类零件，包括：主轴；以及围绕所述主轴的轴肩部，所述轴肩部上形成有根据本发明的一个或多个实施方式的波形端面结合花键。

本文还提供了一种盘类零件，包括：环形主体，具有开口；以及鼠牙盘，所述鼠牙盘围绕所述开口的周边形成在所述环形主体的端面上，其中所述鼠牙盘被形成根据本发明的一个或多个实施方式的波形端面结合花键。

本文还提供了一种套类零件，包括：圆筒形的轴套；齿部，形成在所述轴套的外周面；以及形成在所述轴套的端面的花键，所述花键是根据本发明的一个或多个实施方式的波形端面结合花键。

附图说明

图1a是根据本文实施方式的端面花键的立体示意图。

图1b是图1a的端面花键结合后的侧视图。

图2是根据本文的另一实施方式的端面花键的立体示意图。

图3是示出根据本文实施方式的花键零件加工方法的示意图。

图4是示出根据本文实施方式的花键零件的过渡曲面的示意图。

图5是根据本文实施方式的加工花键零件的方法的流程图。

图6是示出根据本文实施方式的加工花键零件时铣刀摆动的示意图。

图7是根据本文实施方式的盘类零件的示意图。

图8是根据本文实施方式的套类零件的示意图。

图9a和9b是使出不同花键零件相互结合的示意图。

具体实施方式

端面花键一般用于将两个回转件相互连接以使得这两个回转件可以彼此连接为一个整体而进行旋转。

图1a使出了两个端面花键的立体示意图，图1b示出了两个花键相互结合时的侧视图。

如图1a所示，其示出了可以相互结合的花键零件10和20。花键零件10和20的端面上分别形成有齿。当花键零件10和20相互结合时，其端面上的齿相互啮合，使得花键零件10和20可以结合为一个整体而共同旋转，如图1b所示。

下面针对花键零件10来描述形成在端面上的齿。应注意，花键零件20具有与花键零件10相同的齿结构。花键零件10的端面上形成有多个齿，这些齿由沿着端面的圆周方向以均匀的间隔形成的齿顶11和15、齿根12和16、以及工作齿面13和14形成。形成有齿的端面可以被称为花键表面。齿顶11、15、齿根12、16和工作齿面13、14以均匀的间隔交替形成在端面上。如图1a所述，齿顶11形成在两个工作齿面13和14之间，齿根12也形成在两个工作齿面之间，故，花键零件10在端面上以齿顶、工作齿面、齿根、工作齿面、齿顶的顺序形成在端面上。

如图1a所示，花键零件10的花键表面为连续的周期性环形曲面，该曲面为波形曲面并且具有一阶连续的几何特征，即，该曲面为一阶连续的波形面。形成于齿顶11两侧的工作齿面13和14形成为倾斜平面。工作齿面13形成在齿顶11和位于齿顶11一侧的齿根12之间，而工作齿面14形成在齿顶11和位于齿顶11的另一侧的齿根16之间。故工作齿面13和14以互补的角度倾斜。花键零件10包括两组工作齿面，其中一组的工作齿面与工作齿面13相同，另一组的工作齿面与工作齿面14相同。基于上述结构的花键零件，可以保证两个具有同样结构的端面结合花键零件(例如，花键零件10和20)在适当的轴向预紧力的作用下实现两个零件之间的刚性连接，消除全部的六个自由度，结合后的花键零件既可以传递回转力矩，也可以承受径向力和颠覆力矩。

在花键零件的传统加工方法中，端面齿形是采用直径较大的盘形铣刀沿着垂直于花键零件回转轴线a的方向进给来加工制造的。

然而，传统的加工方法有一定局限性。例如，如图2所示，对于具有轴伸31的花键零件30而言。在花键零件的径向方向上进行铣削的传统加工方法不再适用。位于获得具有轴伸31的花键零件30，往往需要先将环形的花键部分32单独加工好，再用紧固件(例如，螺栓或销子)安装到轴伸31轴肩上来形成花键零件30。但这样一来，整个机构的体积、重量、刚性和可靠性都会受到很大的影响。

因此，可以考虑使用另一种铣削方式来形成花键零件，使得该铣削方式可以用于制造具有轴伸的花键零件。根据本文的一个实施方式，花键表面上的齿可以采用一把圆柱形立铣刀，在加工中心(例如，卧式加工中心、带动力刀架的车削中心、或配备了转台的立式三轴加工中心)上加工完成。如图3所示，在使用圆柱形立铣刀50对花键零件10进行加工时，圆柱形立铣刀50在围绕花键零件10的回转轴a的周向方向c上摆动，从而实现花键零件10的齿。这样一来，即使花键零件具有轴伸，但由于圆柱形立铣刀50的刀尖越程距离较短，圆柱形立铣刀50在周向方向c上摆动以进行铣削处理，而不是在花键零件10的径向方向(例如图1a中的径向方向b)上进行铣削处理，故轴伸的存在不会对圆柱形立铣刀50的铣削处理产生影响，从而能一体形成具有轴伸的花键零件，并且相对于形成的花键零件而言，其整个机构的体积、重量、刚性和可靠性都得到了提升。

图4描述了花键零件10的过渡曲面的示意图。如上文所述，花键零件10的端面上的齿包括齿顶11、齿根12和工作齿面13和14。其中工作齿面13和14为倾斜平面。工作齿面13和14之间形成有从工作齿面13过渡到工作齿面14的过渡曲面17，并且工作齿面14和另一工作齿面之间形成有从工作齿面14过渡到另一工作齿面的过渡曲面18。齿顶11形成在过渡曲面17中，并且齿根12形成在过渡曲面18中。在本文的实施方式中，花键零件10的过渡曲面17和18形成为与花键零件10的回转轴(例如，图1a中的轴线a)垂直的圆柱面的单参数包络面，这样花键零件10的整个花键表面就能够采用圆柱形立铣刀50在花键零件的周向方向上摆动进行铣削处理来进行加工。

虽然可以使用现有的圆柱形立铣刀和加工平台来加工花键零件，不存在技术难度，但加工出能在全齿宽上与两个相邻的倾斜平面13和14平滑过渡，并且倾斜平面13和14之间的平滑过渡不产生任何干涉或折痕，就需要倾斜平面13和14之间的平滑过渡曲面17和18进行特殊设计。

如图4左侧部分所示，以花键零件10的内径做为半径，花键零件10的回转轴线作为轴，作一个圆柱面60，该圆柱面60称为花键的内圆柱面。应注意，圆柱面60是虚拟的形状而并不实体存在。可以看出，花键零件10的齿会与圆柱面60的外周表面相交，以形成呈现出花键零件10的齿的轮廓的交线。例如，图5中示出了花键零件10的齿的轮廓为进行的波浪线。设想将一张厚度为0的纸缠绕在圆柱面60上，并将花键零件10的齿与内圆柱面60的交线复制在这张纸上，当这张纸展开为平面的时候，交线的复制图形伸展为一段平面曲线，则该平面曲线为上述交线的渐伸线61，如图4的右侧部分所示。

对应于过渡曲面17的渐伸线为渐伸线61上的区段62，对应于过渡曲面18的渐伸线为渐伸线61上的区段63，对应于工作齿面13的渐伸线为渐伸线61上的区段64，对应于工作齿面14的渐伸线为渐伸线61上的区段65。区段64和65同样为倾斜平面，而区段62和63为一段圆弧。区段62在两个端点66处与区段64和65相切，区段63在两个端点67处于区段65和对应于另一工作齿面的渐伸线的区段相切。包括有齿顶11的过渡曲面(即，过渡曲面17)的渐伸线(即，区段62)的曲率半径略大于包括有齿根12的过渡曲面(即，过渡曲面18)的渐伸线(即，区段62)的曲率半径，以保证齿顶过渡曲面17与齿根过渡曲面18之间保持一定的顶隙。所述顶隙是指当两个相同结构的花键零件结合时，一个花键零件的齿根和另一花键零件的对应齿顶之间的距离。在一些实施方式中，齿顶过渡曲面的渐伸线(区段62)的曲率半径是齿根过渡曲面的渐伸线(区段63)的曲率半径的1.02至1.08倍。

如上文所示，图4所示的花键零件10可以使用圆柱形立铣刀50加工而成。在一些实施方式中，齿根过渡曲面的渐伸线(区段63)的曲率半径是圆柱形立铣刀50的半径的1.02至1.08倍，优选值为1.05倍。在一些实施方式中，齿顶过渡曲面的渐伸线(区段62)的曲率半径和齿根过渡曲面的渐伸线(区段63)的曲率半径被设计为使得齿顶过渡曲面17与齿根过渡曲面18之间的顶隙在圆柱形立铣刀50的直径的0.028至0.030倍之间。

通过形成上文所述的齿顶过渡曲面17与齿根过渡曲面18，可以在全齿宽上与相邻的工作齿面的平滑过渡，且不产生任何干涉或折痕。

图5示出了加工花键零件的方法的流程图。在框110中，首先将工件放置在与刀具轴线垂直的工作台上(例如，卧式加工中心、带动力刀架的车削中心、或配备了转台的立式三轴加工中心)，使用圆柱形立铣刀在工件的端面上进行铣削以形成多个齿顶、多个齿根及齿顶和齿根之间的工作齿面。这些工作齿面的每一个是倾斜平面。例如，可使用圆柱形立铣刀50在关键零件10的端面上沿着花键齿表面的切向方向进行铣削处理以形成齿顶11、齿根12以及工作齿面13、14。此时，相邻工作齿面之间还没有加工形成过渡曲面。

在框120中，使用圆柱形立铣刀在齿顶和齿根处进一步进行铣削以形成相邻工作齿面之间的过渡曲面。具体而言，如图3所示，使用圆柱形立铣刀50在垂直于轴线a的平面上沿着圆周方向c使圆柱形立铣刀50从与一侧工作齿面13平行的位置摆动到与另一侧工作齿面14平行的位置，以形成过渡曲面。

结合图6说明使用圆柱形立铣刀50加工过渡曲面时圆柱形立铣刀50的摆动。图6示出了使用圆柱形立铣刀50加工过渡曲面18的示意图，当铣刀50加工过渡曲面18的位置d1时，铣刀50的中心线51并未与位置d1和花键零件的中心o之间的径向连线重叠，而是朝向过渡曲面18的端部18’偏离角度α，该角度α即为在加工位置d1时铣刀50的摆动角度。随着铣刀沿着周向方向c移动继续进行铣削处理时，该摆动角度逐渐减小。直到当铣刀50处理过渡曲面18的中央的齿根12时，铣刀50的摆动角度为0，即铣刀50的中心线与齿根12与花键零件的中心o的径向连线重叠。随着铣刀50进一步沿着周向方向c移动加工过渡曲面18时，铣刀50开始朝向过渡曲面18的另一端部18”偏离，例如，当铣刀50在位置d2处进行铣削处理时，铣刀50的中心线52与位置d1和花键零件的中心o之间的径向连线之间具有角度β，此时角度β是铣刀50再加工d2位置时的摆动角。

在一些实施方式中，圆柱形立铣刀5的摆动过程会对过渡曲面的形态产生显著的影响。为了加工出无干涉、无折痕的过渡曲面，本专利采用了一种特殊的样条曲线来控制铣刀50的摆动角度。该样条曲线是由三角函数和幂函数混合构成的调和函数。该调和函数的参数是待加工的过渡曲面与内圆柱面的交线上对应于当先加工位置的圆心角与该交线中点圆心角之差，与过渡曲面的交线上对应为起点位置的圆心角与该交线中点圆心角之差的比值。例如，如图6所示，铣刀50沿着周向方向c从端部18’移动到端部18”来加工过渡曲面18。为铣刀50在位置d1处进行加工时，过渡曲面与内圆柱面的交线上对应于当先加工位置的圆心角与该交线中点圆心角的差值指的是位置d1和花键零件的中心o之间的径向连线和齿根12与花键零件的中心o的径向连线之间的角度γ1，过渡曲面的交线上对应为起点位置的圆心角与该交线中点圆心角的差值指的是起点端部18’和花键零件的中心o之间的径向连线和齿根12与花键零件的中心o的径向连线之间的角度γ2。调和函数的参数是角度γ1和角度γ2的比值。在一些实施方式中，调和函数中的三角函数为余弦函数，用于控制刀具摆动角度的基本规律，而调和函数中的幂函数为三次多项式函数，用于控制刀具摆动角度在起点与终点处的变化速率。

通过使用上述描述的调和函数来控制铣刀的摆动角度来加工过渡曲面。并且将过渡曲面加工为使得过渡曲面的曲率半径和顶隙符合上文参照图4时所描述的关系，可以得到无干涉、无折痕的过渡曲面。

本文所描述的花键零件可以用于多种回转零件。

例如，图2已经示出了具有轴伸31(或称为主轴)的轴类零件30，其中花键部分32围绕主轴31的轴肩而形成。

图7示出了盘类零件70的示意图，其中盘类零件70具有环形主体71和鼠牙盘72。环形主体71具有开口72，鼠牙盘72围绕开口73的周边形成在环形主体71的端面上，其中鼠牙盘72被形成为如本文所描述的花键零件。

图8示出了套类零件80的示意图。其中套类零件80包括圆筒形的轴套81和形成在轴套81的端面的花键，并且轴套81的外周面上也形成有齿。

各种回转零件可以根据需要彼此结合。例如，图9a示出了盘类零件70和轴类零件30相互结合的示意图，图9b示出了套类零件80和轴类零件30相互结合的示意图。

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