花键冷敲机间歇分度机构研究

牛 婷，李永堂，刘志奇，付建华

(1.太原科技大学材料科学与工程学院，太原 030024;

2.金属材料成形理论与技术山西省重点实验室，太原 030024)

花键冷敲机间歇分度机构研究

牛 婷，李永堂，刘志奇，付建华

(1.太原科技大学材料科学与工程学院，太原 030024;

2.金属材料成形理论与技术山西省重点实验室，太原 030024)

设计并分析了花键冷敲机分度机构及传动系统，对花键冷敲机分度机构中的关键部件进行了运动学理论分析;借助于三维造型软件及ADAMS软件进行了运动学模拟，得出了该种分度机构的运动规律及特点，为花键冷敲机分度机构的进一步研究与改善提供了理论依据。

花键冷敲机;分度机构;运动学分析

根据花键冷敲设备成形原理可知，工件在做轴向进给运动的同时要做间歇旋转运动，分度机构是实现间歇旋转运动的关键部件，分度机构对花键冷敲成形产品的质量保证及生产效率的提高具有重要的意义[1-2]，所以对花键冷敲机分度机构进行研究是十分必要的。槽轮式分度机构具有结构简单，转位迅速，机械效率高等特点[3-4]，所以目前间歇式花键冷敲机仍采用槽轮分度机构。

1 花键冷敲机槽轮式间歇分度机构

1.1 分度机构传动原理

图1 分度机构传动原理示意图Fig.1 The transmission principle of indexing mechanism

槽轮式间歇分度机构传动系统如图1所示，间歇分度机构工作时由电动机经过一系列齿轮传动带动花键轴4，花键轴可以实现工件的轴向进给运动，花键轴带动双联齿轮7，双联齿轮7带动拨销齿轮6，拨销齿轮上的拨销与槽轮式分度盘5上均匀分布的轮槽接触，从而带动槽轮转动即实现工件间歇转动。槽轮转过一个槽工件转过一个齿对应的角度，槽轮的槽数等于加工工件的齿数。由于实际所需要的工件齿数不同所以槽轮的齿数也是不唯一的，要根据实际情况而定，所以在实际工作过程中槽轮需要根据工件齿数的不同而进行更换。

1.2 拨销个数的确定

为了保证轧辊主轴旋转运动与工件分度运动的协调一致性，花键冷敲机轧辊主轴的旋转运动与工件的分度运动为同一个电机带动，设电动机到轧辊主轴的传动比为ib1，电动机到拨销齿轮的传动比为ib2，所以轧辊主轴与拨销齿轮传动比为ib1/ib2，根据冷敲成形原理可知滚打轮击打工件一次分度盘转过一个齿。

设拨销个数为n，可得:

根据以上两个方面确定合理的传动比及拨销个数。

图2 分度机构几何原理图Fig.2 Geometrical principle of indexing mechanism

2 分度机构运动学分析

2.1 分度机构运动学分析

图3 分度机构几何关系Fig.3 Geometrical principle of indexing mechanism

由分度机构几何关系(图3)可得:

由此可得槽轮的角位移θ:

角速度ω为:

角加速度α为:

2.2 分度机构运动学仿真

(1)分度机构三维模型的建立

将分度机构简化为只有拨销部分和槽轮部分。设给定工件的齿数为36，槽轮齿数z=36，槽轮与拨销的中心距ɑ=200 mm，拨盘的圆销半径r=2.5 mm，由:2α=2π/z，2α+2β=π

通过以上对主要参数的计算可以确定槽轮上一些有特征的点，从而可以绘制出整个槽轮分度机构造型[5]，由此可以进行槽轮分度机构运动学仿真分析。

(1)在 pro/e中将装配好的三维模型储存成(*x_t)格式的文件。

(2)进入adams打开菜单【file】-【import】，在弹出的对话框中选择file type的几何模型的格式，然后在file to read中选择browse找到上述(2)中储存文件的地址，这样就可以将三维模型导入adams中。

(3)导入几何模型后，定义构件的材料、颜色，名称等信息尤其是材料。设定拨销的转速为200 d/s.

图4 分度机构几何模型Fig.4 Geometrical model of indexing mechanism

图5 分度机构运动学模型Fig.5 The kinematics model of indexing mechanism

(4)添加约束[6-9]。

表1 机构约束明细Tab.1 Schedule of mechanism constraints mechanism

(5)仿真结果及分析

仿真时间为10 s，仿真步数为8 000.通过运动学仿真运算，得到了槽轮分度机构运动参数的变化规律，如图6所示。

通过对槽轮式分度机构的运动学仿真，得到了分度机构角位移，角速度及角加速度的变化规律。从图6(a)中可以看出槽轮的位移曲线成台阶形，说明槽轮的旋转运动是间歇运动，每个台阶之间相差10度，基本满足分度要求;从图6(b)中可以看出槽轮的速度是周期性脉冲，即分度机构的受力也是周期性脉冲，并且在脉冲之间的速度并没有为零，这会严重影响到分度精度，该模型是在没有考虑制动装置下仿真的，所以要想达到精确地分度必须安装制动装置;从图6(c)可以看出分度机构的最大冲击力出现在拨销进入槽轮与刚脱离槽轮时，所以可以将这两处的冲击力作为临界力来设计拨销及制动装置。

3 新型无级分度系统

图7中Ⅰ部分是现有槽轮式分动机构传动系统示意图，可以看出现有的花键冷敲机分度机构传动链长，系统结构复杂，容易造成传动误差;工件齿数不同时需要更换分度盘，影响生产;并且拨销相对于槽轮很小所以受到的冲击力比较大。针对以上问题通过对传统分度系统的改造，作者提出了新型无级分度系统，如图8所示。

图6 分度机构运动学仿真结果Fig.6 The kinematics model of indexing mechanism

图7 传统分度系统传动链示意图Fig.7 The diagram of traditional indexing system chain

新型无级分度系统利用步进电机直接与工件轴链接实现工件的无级间歇分度运动，从而代替图7中Ⅰ传动链，使整个分度系统得到简化，并且通过程序控制可以很方便的加工不同齿数的工件。

图8 新型分度机构传动链Tab.8 New type of indexing system chain

4 结论

(1)通过对槽轮式分度机构及其特点的分析，得出了该分度机构拨销个数与传动系统及自身结构参数的关系;通过理论分析得出了该种分度机构的运动角位移，角速度，角加速度与时间的关系。

(2)通过对分度机构的模拟仿真得出了该种分度机构的运动特征及其规律，发现该种分度机构在保证运动精度方面存在缺陷并且拨销在进入槽轮与脱离槽轮时存在较大的冲击。

(3)针对传统的槽轮式分度机构结构复杂在、加工不同齿数工的时需要更换分度盘等缺点，提出了一种新型无级分度机构，具有结构简单和加工不同工件时无需更换分度盘等优点。

[1]崔凤奎，李言，周彦伟，等.渐开线花键轴冷滚扎工艺试验[J].农业机械学报，2006，37(12):189-192.

[2]牛婷，李永堂，刘志奇，等.花键冷敲机执行机构运动参数分析与运动学仿真[J].机械设计，2014(4):45-49.

[3]张海元，王晓英，侯成波，等.基于proe槽轮机构建模及运动仿真[J].煤矿机械，2009(6):191-193.

[4]崔凤奎.高速精密冷滚打成形技术研[D].西安理工大学，2007.

[5]陈明，刘文礼.槽轮机构的平面造型设计和运动分析及仿真[J].机械工程师，2004(12):52-53.

[6]李增刚.ADAMS如门详解与实例[M].北京:国防工业出版社，2010.

[7]张发民.基于ANSYS/LS-DYNA齿轮传动冲击特性仿真分析[J].机械传动，2011，35(9):9-11.

[8]于殿勇，钱玉进.基于ADAMS动力学仿真参数设计[J].计算机仿真设计，2006，23(9):3-5.

[9]李杨.槽轮机构的动力学分析与仿真[R].上海:中国船舶重工集团公司第704研究所，2010.

Research on Dividing Mechanism of Spline Cold Striking Machine

NIU Ting，LI Yong-tang，LIU Zhi-qi，FU Jian-hua
(1.School of Material Science and Engineering，Taiyuan University of Science and Technology，Taiyuan 030024，China;2.Shanxi Key Laboratory of Metallic Materials Forming Theory and Technology，Taiyuan 030024，China)

The dividing mechanism of spline cold striking machine was designed and analyzed.The kinematics analysis on the key components was carried out，the kinematics simulation was carried out by Pro/E and ADAMS software.The movement rule of the dividing mechanism was obtained，which has great significance to further improvement of spline cold striking technology.

spline cold striking machine，dividing mechanism，kinematics analysis

TG315.79

A

10.3969/j.issn.1673-2057.2015.04.003

1673-2057(2015)04-0255-04

2015-01-20

国家自然科学基金(51475316，51275331);山西省科技重大专项(20111101034)

牛婷(1986-)，女，硕士研究生，主要研究方向为锻压设备理论与控制。