项目六铣削加工技术（教案）-《金属加工与实训》同步教学（西北工业大学出版社）

教学目标 掌握万能分度头的结构及功用；掌握铣削外花键的方法；能进行外花键的检验和质量分析。 教学重点 用铣床铣削外花键的操作方法和加工步骤 教学难点 用铣床铣削外花键的操作方法和加工步骤 教学手段 教师示范；教学板书；录像插件；电子课件。 教学学时 12学时 教 学 内 容 与 教 学 过 程 设 计 注 释 项目六 铣削花键轴 花键是机器中常用的零部件，可以在普通铣床和数控铣床上进行加工。花键的外形不同，采用的加工方法也不同，本章主要介绍在普通铣床上进行花键轴铣削加工的方法。 〖任务目标〗 1．掌握花键连接的相关知识。 2．理解用单刀和组合铣刀铣削矩形齿外花键。 3．了解成形铣刀大批量生产铣削外花键。 4．了解外花键的检测与质量分析。 〖任务描述〗 使用铣床铣削花键轴，熟悉操作步骤，达到要求精度。 〖任务分析〗 根据花键轴的加工顺序及基准的选择，了解铣花键轴的铣削方法，达到一定精度，熟悉操作步骤。 〖知识准备〗 一、 花键概述 1、花键连接 轴和轮毂孔周向均布多个凸齿和凹槽所构成的连接称为花键连接。花键连接在强度、工艺和使用方面有下列特点： （1）在轴上或毂孔上直接而均匀地制出较多的齿与槽，故连接受力较为均匀。 （2）因槽较浅，齿根处应力集中较小，轴与毂的强度削弱较小。 （3）齿数较多，总接触面积较大，可承受较大的载荷。 （4）轴上零件与轴的对中性好，这对高速及精密机器很重要。 （5）定心精度高，导向性好。 （6）可用磨削的方法提高加工精度及连接质量。 （7）制造工艺较复杂，有时需要专门设备，成本较高。 （8）花键齿可采用完善的加工工艺，两被连接件的定心性好，带毂零件能沿轴移动，零件的互换性也容易保证。 花键适用于定心精度要求高、传递转矩大或经常滑移的连接。 2、花键的分类 按齿形的不同，花键可分为矩形花键和渐开线花键两类，这两类花键均已标准化，并成对使用。通常情况外花键用铣削加工，内花键用拉削加工。 （1）矩形花键 矩形花键应用很广，可用制造齿轮的方法进行加工，工艺性好。矩形花键连接的定心方式有小径定心、大径定心和齿侧定心三种。 （2）渐开线花键 渐开线花键的齿廓为渐开线，分度圆压力角α有30°及45°两种，齿顶高有0.5 m和0.4 m（m为模数）两种。 渐开线花键的定心方式为齿形定心，受载时齿上有径向力，能起自动定心作用，有利于各齿受力均匀，强度高，寿命长。渐开线花键用于载荷较大，定心精度要求较高以及尺寸较大的连接，如航空发动机、燃气轮机、汽车等。压力角45°的花键多用于轻载、小直径和薄型零件的连接。 二、外花键的铣削方法 1、用单刀铣削矩形齿外花键 用单刀铣削矩形齿外花键的主要步骤如下： （1）工件的装夹与校正 工件装夹在分度头和尾座或三爪自定心卡盘和尾座之间，用百分表对工件的平行度及圆跳动进行校正，校正的内容主要包括工作台纵向与工件侧面素线的平行度、工作台台面与工件上素线的平行度以及工件自身两端的径向圆跳动。 （2）铣刀的选择及对刀 1）铣刀的选择 应选择外径尽可能小一些、宽度适当的标准三面刃铣刀 。花键槽底圆弧面（小径）的铣削可选用宽度为2～3 mm的细齿锯片粗铣或用成形刀头精铣。 2）对刀 对刀的目的是为了保证花键的键宽和两键侧面的对称性，所以必须让三面刃铣刀的侧面刀刃与花键齿侧面重合。常用的对刀方法有擦边对刀法、划线对刀法、切痕对刀法三种。 ①擦边对刀法 将铣刀的侧面刀刃慢慢靠近工件侧面的贴纸，接触后，垂直向下退出工件，然后把工作台向铣刀方向横向移动一个距离M ，式中，M为工作台横向移动距离（mm）；D为花键大径（mm）；B为花键宽（mm）； 为贴纸厚度（mm）。 ②划线对刀法 在工件上划出中心线，然后用高度游标卡尺在工件外圆柱面的两侧，比中心线高1/2键宽处各划一条线。再用分度头分度把工件旋转180°，重复上一动作。然后细心检查所划线之间的宽度是不是与键宽相等，如不相等，则需重新划线调整，直至等于键宽为止。接着将分度头转过90°，所划线部分外圆朝上，再用高度游标尺在工件端面划出花键的深度线。铣削时把三面刃铣刀的侧面刀刃对准键的侧面，圆周刀刃对准花键深度线，完成划线对刀。 ③切痕对刀法 切痕对刀法又称为试切对刀法，将一根直径与工件直径大小相同的试件装夹在分度头的三爪自定心卡盘与尾座顶尖间，用划线对刀法或侧面对刀法初步对刀，然后在试件上加工出适当长度的花键侧面a，将工件退出后，分度头将工件转过180°铣出侧面b，将工件横向移动，移动距离等于键宽与铣刀宽之和，铣出另一侧面c。 这种对刀方法要比侧面对刀法和划线对刀的对刀精度高很多。 2、用三面刃铣刀铣削外花键 应先确定切削位置，然后通过分度头的每次分度，先铣好一侧，接着将工件移动一个距离S，再铣另一侧。距离S的计算公式为，式中：B为花键齿宽度（mm）；H为三面刃铣刀宽度（mm）；T为花键齿宽度公差尺寸（mm） 。 槽底的圆弧面也可采用凹圆弧形的成形单刀头一次铣出，但必须注意，使用这种方法铣削时，对刀不准会使铣出的槽底圆弧中心与工件中心不同心。 3、用组合铣刀铣削矩形齿外花键 用两把三面刃组合铣刀铣削花键，使外花键的左、右侧面同时铣出，相对于单刀铣削来说，用组合铣刀铣外花键可以提高生产效率，简化操作步骤。 在选择组合铣刀时应注意以下几点： （1）对刀调整铣刀的切削位置时，两铣刀内侧刀刃应对称于工件轴线。 （2）选用的两把三面刃铣刀必须规格相同、直径相等。 （3）为保证铣出的键宽符合规定的尺寸要求，应使两铣刀内侧刀刃间的距离与花键键宽相等。 采用组合铣刀铣削花键时，工件的装夹和校正方法与单刀铣削相同。 4、用铣刀盘铣外花键 当被加工外花键数量较多时，可采用铣刀盘在卧式或万能铣床上进行铣削。 铣刀盘安装在铣刀柄上，刀头用刀盘上的螺钉固定。刀盘的左右两侧各有一把刀，用来铣花键两侧面，其距离m根据被加工外花键槽宽B来确定。在铣刀盘的左右两侧还各有一把刀，用来铣花键倒角，其距离S以能将花键上的45°倒角铣出为依据。刀头可用高速钢磨成，也可使用硬质合金刀具。加工时，要使铣刀盘上两把刀距m的中心对正工件上花键齿的中心。切削前，应用试件先进行试铣，待各部调整好、尺寸准确后再正式铣削。 〖任务实施〗 一、实施任务 大径定心矩形花键轴下图6-12所示，花键轴键数为6键，花键对基准的对称度、平行度以及等分度公差约为0.03mm，大径公差为IT7级，键宽公差为IT9级，材料为硬铝，单件生产。在卧式铣床上采用单刀铣削法加工此花键轴。 图6-12 矩形齿花键轴铣削 二、实施步骤 1、坯料准备 选用硬铝棒料，经下料、车削、磨削到符合图形规定的外形尺寸要求。坯件长度应增加工艺留量20mm，以免铣削时铣刀碰到三爪自定心卡盘。坯件两端制作中心孔，铣削花键前对坯件进行检查。 2、铣刀选择及安装 选择80mm*8mm*27mm的三面刃铣刀（锯片铣刀）安装。 3、工件的装夹与校正 将工件装夹在分度头与尾座两顶尖之间。使用百分表校正分度头主轴轴线与工作台台面平行，并与纵向进给方向一致，然后校正尾座顶尖与分度头同轴。 4、调整铣刀切削位置 采用侧面对刀法时，工作台横向移动的距离为20mm加上贴纸的厚度，不使用贴纸时，移动20mm即可。采用试切对刀法时，先使铣刀对准工件中心，再将工作台横向移动8mm。如图6-15所示。 5、调整铣削宽度 上升工作台，使工件与铣刀相接触，再使工作台上升一个铣削宽度ae=3.55mm。 6、铣削健齿侧面 利用分度，铣削花键6个齿的一个侧面，然后将工作台横向移动16mm的距离，依次铣削各键齿的另一侧面。 7、铣削健齿底面 选用适当的细齿锯片铣刀或改制的成形单头刀按要求铣削各健齿底面。 8、检测及质量分析 加工完毕，取下工件，检测加工尺寸，并对加工好的外花键进行检测及质量分析。 质量检测的主要内容有以下三点： （1）用千分尺或游标卡尺检测外花键的键宽B和小径尺寸d时。 （2）用百分表检测外花键侧面对工件轴线的平行度和对称度误差时。 （3）检测花键的大径、小径、键宽、大径对小径的同轴度、花键的对称度与等分度等综合项目，外花键综合量规使用通端，还需要与单面端量规（卡规）配合完成对小径、大径、键宽的最小极限尺寸的检测。检测时，外花键综合量规通过，单面止端量规不通过，则花键合格，从而保证花键连接的配合要求和安装要求。 〖知识拓展〗 万能分度头的使用 一、万能分度头概述 作为铣床上的重要附件和夹具，分度头在铣削加工中得到了广泛的应用。铣床中分度头的种类较多，有直接分度头、简单分度头和万能分度头等。按是否具有差动挂轮装置，分度头可分为万能型（FW型）和半万能型（FB型）两种，其中，万能分度头使用最为广泛，此处重点介绍万能分度头。 1、万能分度头的作用 万能分度头一般安装在铣床的工作台上，被加工工件支承在分度头主轴顶尖与尾座之间或夹持在卡盘上。万能分度头可以完成下列工作： （1） 使工件周期地绕自身轴线回转一定角度，完成等分或不等分的圆周分度工作，如加工方头、六角头、齿轮、花键以及刀具的等分或不等分刀齿等。 （2） 通过配换齿轮，由分度头使工件连续转动，并与工作台的纵向进给运动相配合，用来完成螺旋齿轮、螺旋槽和阿基米德螺旋线凸轮的加工。 （3） 用分度头上的卡盘夹持工件，使工件轴线相对于铣床工作台倾斜一定角度，以加工与工件轴线相交成一定角度的平面、沟槽等。 因此，分度头在单件小批生产中得到普遍应用。 2、万能分度头的型号 铣床上使用的主要是万能型分度头。万能分度头的型号由大写汉语拼音字母和阿拉伯数字组成。常用的有FW63、FW80、FW100、FW125、FW200和FW250等，FW250型分度头是铣床上最常用的一种。代号中F代表分度头，W代表万能型，250代表分度头夹持工件的最大直径，单位为mm。 二﹑ 万能分度头的结构 1、万能分度头的外形结构 FW250型分度头的外形结构如图6-19所示。 图6-19 万能分度头外形结构 （1）底座 底座是分度头的本体，大部分零件都装在底座上。底座下面凹槽内装有定位键，用于安装时保证与铣床工作台的定位精度。 （2）主轴 分度头主轴可绕轴线旋转，它是一根空心轴，前后两端均有莫氏4号的锥孔。前锥孔用来安装顶尖，其外部有一段定位锥体，用来安装三爪自定心卡盘的连接盘；后锥孔用来安装挂轮轴，以便用来安装交换齿轮。 （3）分度盘 分度盘是主要分度部件，安装在分度手柄的轴上。其上均匀分布有数个同心圆，各个同心圆上分布着不同数目的小孔，作为各种分度计算和实施分度的依据。由于型号不同，分度头配备的分度盘数量也不等。 （4）插销 插销在分度手柄的长槽中沿分度盘半径方向调整位置，以便插入不同孔数的分度盘内，与分度叉配合准确分度。 （5）分度盘固定销 当需要分度盘转动或固定时，可以松开或插上分度盘固定销来实现。 （6）转动体 转动体安放在底座中，它可以绕主轴轴线回转，以实现其在水平线6o以下和95o以上的范围内调整角度的目的。 （7）刹紧主轴手柄 刹紧主轴手柄的作用是分度后固定主轴位置，减少蜗杆和蜗轮承受的切削力，减小振动，以保证分度头的分度精度。 （8）蜗杆脱落手柄 蜗杆脱落手柄用来控制蜗杆和蜗轮间的啮合和脱开。 （9）蜗轮副间隙调整螺母 蜗轮副间隙调整螺母的作用是调整蜗杆、蜗轮副的轴向间隙，以保证分度的准确性。 （10）分度叉 分度叉的作用是方便分度和防止分度出错。它由两个叉脚构成，根据分度手柄所转过的孔距数来调整开合角度的大小，并加以固定。 （11）刻度盘 直接分度时，刻度盘用来确定主轴转过的角度。其安装在主轴前端，与主轴一同转动，圆周上有0o～360o的等分刻度线。 （12）游标 游标所指示的是分度头上的卡盘轴线与铣床工作台的夹角。 （13）分度手柄 分度用，摇动手柄，根据分度头传动系统的传比，手柄转一整圈，主轴转过相应的圈数。 2、万能分度头的传动系统 万能分度头虽有多种型号，但结构大体一样，其传动也基本相同。 三、简单分度法 简单分度法是分度中最常用的一种方法。分度时先将分地盘固定，转动手柄使蜗杆带动蜗轮旋转，从而带动主轴和工件转动过所需的度数。 如分度手柄转过40r，主轴转1r，即速比为1:40，比数“40”就叫做分度头的定数。其它型号的万能分度头基本采用这个速比。 分度手柄的转速n和工件圆周等分数z关系如下 式中 n- 分度手柄转数（r）； 40- 分度头定数； z- 工件圆周等分数 〖任务评价〗 〖课后测评〗 一．填空 1．按齿形的不同，花键可分为 花键和 花键两类。 2．矩形花键连接的定心方式有 定心、大径定心和齿侧定心三种。 3．渐开线花键的定心方式为齿形定心，受载时齿上有径向力，能起 作用，有利于各齿受力均匀，强度高，寿命长。 4．加工花键时必须要进行对刀，对刀的目的是为了保证花键的键宽和两键侧面的对称性，所以必须让三面刃铣刀的侧面刀刃与花键齿侧面重合，常用的对刀方法有 对刀法、 对刀法、 对刀法。 5．对刀调整铣刀的切削位置时，两铣刀内侧刀刃应对称于工件 线。 二．判断 1．（ ）花键连接的定心精度高，导向性好，故花键适用于定心精度要求高、传递转矩大或经常滑移的连接。 2．（ ）矩形花键的齿形尺寸在标准中规定两个系列，即轻系列和中系列。中系列多用于静连接或轻载连接；轻系列用于中等载荷连接。 3．（ ）渐开线花键齿根较厚且齿根圆较大，承载能力高，可以用制造齿轮的方法来加工，易获得较高的制造精度和互换性。 4．（ ）检测外花键的键宽和小径尺寸可用百分表或钢直尺。 5．（ ）在工件加工数量较多，缺少专用的成形花键铣刀的情况下，常使用两把三面刃组合铣刀铣削花键，使外花键的左、右侧面同时铣出。 三．简答 1．与平键连接比较，花键连接有哪些特点？ 2．简述划线对刀的操作步骤。 3．铣削花键的方法有哪些，各有什么特点？ 确定学习目标。 明确任务。 明确课题任务重点。 介绍铣床铣削花键轴的方法 通过任务，完成使用铣床铣削花键轴 知识拓展，万能分度头的使用 对本课学生的表现进行评价。 课后知识巩固 17 15 第 页 学科网（北京）股份有限公司 $$