花键加工装备的系统设计（说明书＋CAD图纸)
摘要
本文介绍了将X62W 万能铣床改造为花键轴专用铣床方法。从理论上分析
了该设计方案用做加工矩形花键时的定位精度，并在实践中得到证实。详细
阐述了用一种液压缸代替万能分度头来实现等分分度的全过程及其工艺方
案。花键工艺采用该系统，可以使花键成型过程变为:进刀铣削、退刀、分度、
再进刀的自动循环工艺过程，整个过程无需人工参与，直到一个工件加过完
毕后，自动停机。进给工作台采用液压动力滑台，自动循环过程采用了PLC
控制，使得机一电一液联动控制有机地相结合，操作简单方便，通用性强，
分度速度快、精度高，大大降低了劳动强度、提高了生产效率，为在铣床上
完成花键成型过程创造了一种自动化的条件。
关键词 等分分度；液压缸；花键轴；液压控制；PLC；自动化；工艺装备
1 绪论
1.1 课题研究的背景和意义
花键在机械工业中不可或缺的零件，是关键传动零部件和机械要素，花
键制造工艺水平和产品质量直接影响到这一国家和地区的机械产品的总体质
量。我国目前有成批花键产品能力的机械工厂有上千家，其中大部分是大中
型企业，企业性质涉及众多领域。由此花键的作用可见一斑。这些企业行政
隶属关系复杂但是花键的制造技术和装备又具有极大的共性。通常外花键材
料为40Cr，要求心部硬度要求为HRC28～32，花键齿表面硬度要求为HRC48～
55，结合零件的尺寸精度和形状位置精度要求，确定该零件的加工工艺流程。
按照外花键大径磨削加工工艺方案，花键齿部高频感应淬火后对外花键
大径进行磨削，以确保花键大径的尺寸、形状和位置精度，由于花键齿部采
用高频感应淬火的热处理方式变形量较小，因此，在确定磨削余量时可以不
考虑尺寸变形情况，仅考虑有足够的磨量即可。一般情况下，在采用花键轴
铣床加工外花键时，花键小径、键侧直接加工到设计尺寸，花键大径单边留
有0.15～0.2mm 的磨削余量即可。在长期的生产过程中，有关花键的成型工
艺一直是采用粗车后在X62 W 和X52K 铣床上进行铣削加工。如加工六齿或八
齿的花键轴，采用的是下面的工序过程来完成花键轴的齿形加工。装在万能
分度头上的三爪卡盘夹持工件一端，手用顶尖顶住另一端，铣削一齿，退刀
后松开顶尖(消除蜗轮的轴向力)，手工分度，再顶紧，如此循环六次或八次。
这种加工方式具有以下特点:
第一，加工工序时间长，如该厂花键传统铣削外径32.5 加工长度为106mm
单件大约需要1 分15 秒。
第二，齿内纤维不连续，键齿强度比冷挤压加工差，但设备成本较低。
第三，分度精度主要由分度头的精度决定。依靠计算分度手柄转过圈数
确定分度值，工人在操作时，如出现计算错误，直接产生不可修复的废品。
第四，工人劳动强度大，效率低下。成批生产中，工人为追求产量，常
常会在分度之前忽略松开顶尖的步骤，分度时旋转的蜗轮承受轴向力，加剧
分度头蜗轮一蜗杆副的磨损，分度头的精度下降快，寿命短(实际生产中为3～
5 个月)。
1.2 花键加工工艺的发展现状和趋势
花键制造技术复杂，制造装备精度高，价格昂贵，是机床中最复杂、最
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贵重的设备。在机床总台数中齿轮螺纹花键机床的数量虽只占到4%，但其投
资额则要占到10%以上，因此了解该类机床及其加工方式的发展趋势，对设计
花键成型专用机床或是工艺装备具有很大的指导意义。机床的发展是以制造
技术的发展为前提的。花键在机械产品上的应用范围总的趋势是在减少，其
原因是数控技术的广泛应用和内装式电机的技术成熟，使行业内采用的齿轮
件越来越少，与齿轮配套使用的花键的数量也相应在减少。花键制造业作为
常规的机械行业有正在被高新技术所逐渐取代的趋势，它的应用领域日益缩
少。因此如何降低花键制造的成本，提高花键生产的效率，是当今花键制造
者首先应该考虑的问题。今后半个世纪花键的应用从世界范围看将逐渐减少，
但不会消亡，对于中国这样的发展中国家花键的需求量，特别是农用机械上
的花键还将有适度增长。就花键成型而言，目前主要的成型方式主要有以下
几种方式:
花键冷滚轧工艺:目前国内外采用的一种先进的花键冷成型加工方法，与
传统切削加工相比，花键的产品性能提高了3 个等级精度，原材料节省10%，
效率比滚齿工艺提高30 倍(每件约15～20 秒)，工件承载能力比切削件提高
40%，粗糙度达Ra0.4 以下。实践应用表明，其运行状态、承载能力、配合精
度、耐磨性能和噪音均达到国际同类产品水平。但加工直径小，成本较高。
Emst Grob 公司采用C6 和C9 系列冷轧机轧制同M≤3.5 的齿轮和花键轴，并
可轧制斜齿轮。更换程序时间0.5min，更换轧头时间3min，更换夹具时间2min
到10min。由于调整时间短，即使是20～30 件的小批量生产也是十分经济的。
C6 和C9 的改进型12/14NC 和KRM 12/14NC 具有更高的生产效率、精度及可调
性。可用于轧制从棒料到有内外齿的自动变速箱离合器罩壳的全过程。轧制
X320 的这个零件只需1.5 min/件。用ZSM10 轧机可在25 秒内将薄壁管轧制
成转向器的高精度齿条。
实体磨削:Edgetek 公司的CNC 磨床采用电镀或陶瓷结合剂CBN 成形砂轮，
从棒料上直接磨制出花键轴、汽轮机叶片根部或其他型面。Klingelnberg 公
司的HNC35S 蜗杆磨床可从棒料上直接用砂轮强力磨出螺纹或蜗杆。
磨--珩联合工艺：Reishauer 公司的RZF 环面蜗杆砂轮成形磨削一外晰工
艺联线，可在1.5 min/件左右时间里磨出五级精度的低噪声齿轮，每台RZF
的年生产率可达15 万件齿轮，特别适用于轿车变速箱齿轮。
车铣中心:Traub-Heckert 公司的TNC42DGY 八轴车铣中心和WFL 公司的
Mill-turn M100 多轴车-铣-检测中心都能在一次安装中全部完成壳体、盘，
轴类零件的全部机械加工。其机械加工的时间缩减到原来分散工序的三分之
一到十五分之一。
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1.3 设计本课题的内容和方法
1.3.1设计的内容
根据以上的分析，我个人认为当今花键加工工艺的发展有以下几个特点：
1．设备的价格比较昂贵。随着发展数控铣床的加工精度得到大幅度提高
的同时，其设备的代价也随着高涨。使得一些中小型企业承受不起。
2．实用价值不高。就目前情况而言，花键主要用于农用产品，根本不需
要如此高的精度。
3．机床操作复杂。由于机床本身的技术含量的提高，工人要学会这类机
床的操作必须要经过严格的培训。
由于现在的花键成型工艺过程中存在着上述不足之处，在其现有生产条
件下，设计一种专用机床或是工艺装备，主要解决以下几个问题就是本课题
将要研究的内容。
第一，尽量缩短单件花键成型过程时的工序时间，提高生产效率。
第二，提高分度的精度，并使得分度精度能长时间的保持稳定，即提高
分度精度的稳定性。
第三，设计的机床或工艺装备使用方便，操作简单。
1.3.2设计的方法
要解决生产中出现的上述问题，主要是解决好这样一些关系，产品质量
与效率之间的矛盾关系，设备操作简单且成本低下，要求整机改造的费用控
制在15000 元左右。花键成型精度的关键取决于分度精度，考虑到时间和资
金的关系，在研究过程应该是设计一种能自动工作或易于实现自动控制的机
械系统，来完成铣削、退刀、分度、再铣削的花键成型过程。在工厂现有条
件下，初步拟订以机一电一液一体化组合系统设计，将来控制过程比较容易
实现铣削过程的自动化。整个设计过程可分为四大部分：一是机、电、液各
控制组成要件的方案选择，分别设计或分析现有的方案的优缺点，找出一种
适合于现在有工厂条件的合理方案来;二是液压控制系统的具体参数设计，依
据现有的工厂实际条件，合理设计一套液压系统;三是分析用端齿盘为定位机
构的分度装置的工作原理，建立一种数学模型，用以分析端齿盘机构的定位
精度，既而指导同类机构的设计提供依据;四是电气控制系统的参数设计过
程，具体介绍该系统的控制系统的设计过程及其控制特点。
通过这样的、设计，以期达到提高生产率的目的，即该课题的现实意义。
参考文献
《机械设计手册》、《机械加工工艺人员手册》
《电气工程师》
《机械设计基础》《机械制造技术》
《机床电气及PLC》
《液压传______动》等
