有平键的分形旋压模具及该平键的确定方法

摘要

一种有平键的分形旋压模具及该平键的确定方法。所述的分形旋压模具包括主动芯模和从动芯模。在主动芯模和从动芯模与毛坯配合的表面均有一对平键，并且位于主动芯模下端面的一对平键与位于从动芯模上端面的一对平键之间90°交错。使用时，主动芯模上的平键与从动芯模上的平键分别插入毛坯上分布的各键槽中。本发明中，机床主轴施加给主动芯模的转矩通过主动芯模上的一对平键传递给工件，再通过工件和从动芯模配合的一对平键实现工件与从动芯模随主轴的转动，从而使主动芯模、工件和从动芯模随主轴同步转动，防止工件相对芯模滑动；由于主动芯模上的平键和从动芯模上的平键对称分布，交错90°插入毛坯上分布的各键槽中，对毛坯起到定位作用，防止偏心。

权利要求

1.一种有平键的分形旋压模具中平键的确定方法，包括主动芯模和从动芯模；所述主动芯模和从动芯模为回转体，其纵截面呈梯形；主动芯模的小端面与从动芯模的小端面分别与毛坯的一个表面配合；在主动芯模与毛坯配合的小端面对称分布有一对平键，在从动芯模与毛坯配合的小端面亦对称分布有一对平键；所述从动芯模上的一对平键与主动芯模上的一对平键相同；在主动芯模的大端面中心有与机床主轴固联的连接插杆；使用时，主动芯模上的平键与从动芯模上的平键分别插入毛坯上分布的各键槽中；使用时，位于主动芯模小端面的一对平键与位于从动芯模小端面的一对平键之间90°交错；其特征在于，先确定主动芯模上的一对平键，具体过程包括以下步骤：步骤1，确定作用在一对平键上的外力偶；根据公式（1）确定作用在一对平键上的外力偶Me：公式（1）中，Me为作用在一对平键上的外力偶，Pk为旋压机主轴额定功率，nk为主轴转速；

步骤2，确定平键的许用剪切强度；根据公式（2）确定平键的许用剪切强度τl：τl=(0.5-0.7)σb （2）公式（2）中，τl为平键材料的许用剪切强度，σb为平键材料的抗拉强度；

步骤3，确定平键的许用挤压强度；根据公式（3）确定平键的许用挤压强度σl：σl=(1.5-2.5)σb （3）公式（3）中，σl为平键材料的许用挤压强度，σb为平键材料的抗拉强度；

步骤4，确定平键长度；根据公式（4）确定平键长度l：l=t0 （4）

公式（4）中，t0为毛坯厚度，l为平键长度；

步骤5，确定力臂长度；根据（5）式确定力臂长度L：L=d/2-Δ （5）

公式（5）中，L为力臂长度，d为芯模小端面直径，Δ为任意一个平键的几何中心在芯模小端面上的投影距芯模小端面边缘的距离；

步骤6，确定平键高度和平键宽度：

公式中，h为平键高度，l为平键长度，b为平键宽度，Me为旋压外力偶，τl为平键的许用剪切强度，σl为平键的许用挤压强度，L为力臂长度，d为芯模小端面直径，Δ为任意一个平键的几何中心在芯模小端面上的投影距芯模小端面边缘的距离；确定平键高度和宽度的具体步骤如下：第一步，根据式（8）确定平键高度的最小值hmin；

h≥Me/2σllL （8）

第二步，判断平键高度的最小值hmin是否满足条件hmin＜2Δ；如果满足，则继续进行下一步，若不满足，则Δ=Δ-δΔ，且使Δ＞0，并返回步骤5，直至hmin满足条件hmin＜2Δ；

其中δΔ为Δ的调整步距；

第三步，在hmin≤h＜2Δ的范围内确定平键高度h；

第四步，根据式（9）得到平键宽度b的最小值bmin；

b≥Me/2τlhL （9）

第五步，判断平键宽度b的最小值bmin是否满足条件 如果满足，则继续进行下一步，若不满足，则Δ=Δ-δΔ，且使Δ＞0，并返回步骤5，直至bmin满足条件其中δΔ为Δ的调整步距；

第六步，在 的范围内确定平键宽度b；至此，完成了主动芯模上一对平键的确定，得到所述一对平键的平键长度、力臂长度、平键高度和平键宽度。

说明书

有平键的分形旋压模具及该平键的确定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及旋压成形加工领域，具体是一种有平键的分形旋压模具及该平键的确定方法。

背景技术

[0002] 分形旋压是成形整体车轮、轮毂以及整体式V形槽皮带轮的先进工艺方法。在目前的分形旋压工艺中，主动芯模大端与机床主轴通过机械方式联接，从动芯模大端与尾顶也通过机械方式联接，尾顶中心线与主轴中心线重合，毛坯的一个表面与主动芯模小端面配合，毛坯的另一个表面与从动芯模小端面配合。旋压成形时，仅仅通过主动芯模施加给工件的摩擦力和工件施加给从动芯模的摩擦力，实现主动芯模、工件和从动芯模随主轴的转动。随着分形旋压过程的进行，旋轮的径向进给深度不断增加，而通过机床尾顶和主轴施加作用于主动芯模和从动芯模的压力基本不变，因而主动芯模和从动芯模与工件间的摩擦力也基本不变，而工件所受旋轮力不断增大，工件转动的阻力也不断增大，因此导致摩擦力难以继续带动工件与从动芯模随主轴同步转动，并使工件产生滑动和偏心，甚至卡死不能转动，从而影响旋压加工过程的正常进行。

[0003] 迄今为止，对于分形旋压成形技术的研究较少。报道的只有部分国外学者在二维的平面变形和大量简化的三维变形基础上，对分形旋压成形机理、分形旋压力能参数计算和材料流动规律等分形旋压成形过程中的问题进行了少量研究，主要研究的失效方式为开裂及凸缘失稳，对于分形旋压工件滑动和偏心现象的提出及问题解决方法尚未见报道。

发明内容

[0004] 为克服现有技术中存在的摩擦力难以继续带动工件与从动芯模随主轴同步转动，并使工件产生滑动和偏心，甚至卡死不能转动，从而影响旋压加工过程的正常进行的不足，本发明提出了一种有平键的分形旋压模具及该平键的确定方法。

[0005] 本发明包括主动芯模和从动芯模。所述主动芯模和从动芯模为回转体，其纵截面呈梯形。所述主动芯模的小端面与从动芯模的小端面分别与毛坯的一个表面配合。在主动芯模与毛坯配合的端面对称分布有一对平键，在从动芯模与毛坯配合的端面亦对称分布有一对平键。所述从动芯模上的一对平键与主动芯模上的一对平键相同。使用时，位于主动芯模小端面的一对平键与位于从动芯模小端面的一对平键之间90°交错。在主动芯模的大端面中心有与机床主轴固连的连接插杆。

[0006] 本发明还提出了一种有平键的分形旋压模具中平键的确定方法，其过程包括以下步骤：

[0007] 步骤l，确定作用在平键对上的外力偶；根据式(1)确定作用在平键对上的外力偶Me：

[0008]

[0009] 公式(1)中，Me为作用在平键对上的外力偶，Me的单位为N·m，Pk为旋压机主轴额定功率，Pk的单位为KW，nk为旋压机主轴转速，nk的单位为r/min。

[0010] 步骤2，确定平键的许用剪切强度；根据式(2)确定平键的许用剪切强度τl：

[0011] τl＝(0.5-0.7)σb (2)

[0012] 公式(2)中，τl为平键材料的许用剪切强度，σb为平键材料的抗拉强度。

[0013] 步骤3，确定平键的许用挤压强度；根据(3)式确定平键的许用挤压强度σl：

[0014] σl＝(1.5-2.5)σb (3)

[0015] 公式(3)中，σl为平键材料的许用挤压强度，σb为平键材料的抗拉强度。

[0016] 步骤4，确定平键长度；根据(4)式确定平键长度l：

[0017] l＝t0 (4)

[0018] 公式(4)中，l为平键长度，t0为毛坯厚度。

[0019] 步骤5，确定力臂长度；根据(5)式确定力臂长度L：

[0020] L＝d/2-Δ (5)

[0021] 公式(5)中，L为力臂长度，d为芯模小端面直径，Δ为任意一个平键的几何中心在芯模小端面上的投影距芯模小端面边缘的距离。

[0022] 步骤6，确定平键高度和宽度。根据式(6)和式(7)确定平键高度h和平键宽度b：

[0023]

[0024]

[0025] 公式(6)和公式(7)中，h为平键高度，l平键长度，b为平键宽度，Me为作用在平键上的外力偶，τl为平键的许用剪切强度，σl为平键的许用挤压强度，L为力臂长度，d为芯模小端面直径，Δ为任意一个平键的几何中心在芯模小端面上的投影距芯模小端面边缘的距离；确定平键高度和平键宽度的具体步骤如下：

[0026] 第一步，根据公式(8)确定平键高度的最小值hmin；

[0027] h≥Me/2σllL (8)

[0028] 第二步，判断平键高度的最小值hmin是否满足条件hmin＜2Δ；如果满足，则继续进行下一步，若不满足，则Δ＝Δ-δΔ，且使Δ＞0，并返回步骤5，直至hmin满足条件hmin＜2Δ；其中δΔ为Δ的调整步距；

[0029] 第三步，在hmin≤h＜2Δ的范围内确定平键高度h；

[0030] 第四步，根据公式(9)得到平键宽度b的最小值bmin；

[0031] b≥Me/2τlhL (9)

[0032] 第五步，判断平键宽度b的最小值bmin是否满足条件 如果满足，则继续进行下一步，若不满足，则Δ＝Δ-δΔ，且使Δ＞0，并返回步骤5，直至判断bmin满足条件 其中δΔ为Δ的调整步距；

[0033] 第六步，在 的范围内确定平键宽度b；至此，完成了主动芯模上一对平键的确定，得到所述一对平键的平键长度、力臂长度、平键高度和平键宽度。

[0034] 在本发明中，机床主轴施加给主动芯模的转矩通过主动芯模上的一对平键传递给工件，再通过工件和从动芯模配合的平键实现工件与从动芯模随主轴的转动，从而使主动芯模、工件和从动芯模随主轴同步转动，防止工件相对芯模滑动；由于主动芯模上的平键和从动芯模上的平键对称分布，交错90°插入毛坯上分布的各键槽中，对毛坯起到定位作用，防止偏心。因此，通过本发明能够分形旋压工件滑动和偏心，使旋压加工过程顺利进行。

附图说明

[0035] 图1是主动芯模、毛坯与从动芯模的分形旋压示意图，其中图1a是主视图，图1b是图1a的A向视图；

[0036] 图2是主动芯模的结构示意图，其中图2a是主视图，图2b是图2a的仰视图；

[0037] 图3是毛坯的剖面图；

[0038] 图4是毛坯的俯视图；

[0039] 图5是从动芯模正视图，其中图5a是主视图，图5b是俯视图；

[0040] 图6是确定平键尺寸的流程图。其中：

[0041] 1.主动芯模2.毛坯3.从动芯模4.主动芯模平键5.从动芯模平键

具体实施方式

[0042] 本实施例是一种用于整体式轮毂分形旋压的有平键的分形旋压模具，所述轮毂分形旋压模具用于成形安装面直径为120mm的轮毂。本实施例采用圆形LF21M铝合金为毛坯材料，该毛坯直径为200mm、毛坯厚度t0＝10mm；由于所成形轮毂安装面直径为120mm，所以主动芯模和从动芯模小端的直径d均为120mm。

[0043] 本实施例包括主动芯模1和从动芯模3。所述主动芯模1为纵截面呈倒梯形的回转体，该主动芯模1的圆周表面为轮毂的成形面。在所述主动芯模1的大端面中心有与机床主轴固联的连接插杆，在主动芯模1的下端面对称分布有一对主动芯模平键4。从动芯模为纵截面正呈梯形的回转体，该从动芯模3的圆周表面为轮毂的成形面；在从动芯模3的上端面对称分布有一对从动芯模平键5。

[0044] 使用时，通过主动芯模中心的连接插杆将主动芯模与机床主轴固联，从动芯模3位于主动芯模1的下方，并使位于主动芯模下端面的一对平键与从动芯模上端面的一对平键之间90°交错。毛坯2位于主动芯模1和从动芯模3之间，并且主动芯模上的平键与从动芯模上的平键插入毛坯2上分布的各键槽中。机床上的尾顶顶在从动芯模3下表面中心，将从动芯模3与毛坯和主动芯模1固紧。

[0045] 本实施例还提出了一种有平键的分形旋压模具中平键的确定方法。本实施例中，从动芯模上的一对平键与主动芯模上的一对平键相同，且在毛坯上的投影为间隔90°均布，故在此以主动芯模上一对平键的确定方法为例进行说明。本实施例的具体过程包括以下步骤：

[0046] 步骤1，确定作用在一对平键上的外力偶。通过公式(1)确定作用在一对平键上的外力偶Me：

[0047]

[0048] 公式(1)中，Me为作用在平键对上的外力偶，Pk为旋压机主轴额定功率，nk为主轴转速。本实施例中，Pk＝37KW，nk＝300r/min，作用在平键对上的外力偶为Me＝1177.71N·m。

[0049] 步骤2，确定平键的许用剪切强度。平键采用45钢制成，抗拉强度σb≥600MPa，取σb＝600MPa，系数取中间值0.6，根据公式(2)确定平键的许用剪切强度τl：

[0050] τl＝(0.5-0.7)σb (2)

[0051] τl＝360MPa。

[0052] 步骤3，确定平键的许用挤压强度。根据公式(3)确定平键的许用挤压强度σl：

[0053] σl＝(1.5-2.5)σb (3)

[0054] 公式(3)中，σl为平键材料的许用挤压强度，σb为平键材料的抗拉强度。本实施例中，平键的抗拉强度σb＝600MPa，系数取中间值2.0，平键的许用挤压强度σl＝1200MPa。

[0055] 步骤4，确定平键长度。根据公式(4)确定平键长度l：

[0056] l＝t0 (4)

[0057] 公式(4)中，t0为毛坯厚度，l为平键长度。本实施例中，毛坯厚度t0＝10mm，故平键长度l＝10mm。

[0058] 步骤5，确定力臂长度。根据(5)式确定力臂长度L：

[0059] L＝d/2-Δ (5)

[0060] 公式(5)中，L为力臂长度，d为芯模小端直径，Δ为任意一个平键的几何中心在芯模小端面上的投影距芯模小端面边缘的距离。本实施例中，任意一个平键的几何中心在芯模小端面上的投影距芯模小端面边缘的距离取Δ＝10mm，芯模小端直径d＝120mm，故力臂长度L＝50mm。

[0061] 步骤6，确定平键高度和平键宽度

[0062]

[0063]

[0064] 公式(6)和公式(7)中，h为平键的高度，l平键的长度，b为平键的宽度，Me为旋压外力偶，τl为平键的许用剪切强度，σl为平键的许用挤压强度，L为力臂长度，d为芯模小端面直径，Δ为平键几何中心在芯模小端面上的投影距芯模小端面边缘的距离。确定平键高度和平键宽度的具体步骤如下：

[0065] 第一步，根据式(8)确定平键高度的最小值hmin；

[0066] 平键的长度l＝10mm，作用在平键上的外力偶为Me＝1177.71N·m，平键的许用挤压强度σl＝1200MPa，力臂长度L为50mm，得到平键高度的最小hmin＝0.98mm。

[0067] h≥Me/2σllL (8)

[0068] 第二步，判断平键高度的最小值hmin是否满足条件hmin＜2Δ；如果满足，则继续进行下一步，若不满足，则Δ＝Δ-δΔ，且使Δ＞0，并返回步骤5，直至hmin满足条件hmin＜2Δ；其中δΔ为Δ的调整步距。

[0069] 本实施例中，hmin＝0.98mm，2Δ＝20mm，满足条件hmin＜2Δ。

[0070] 第三步，在hmin≤h＜2Δ的范围内取值h＝6mm作为平键高度；

[0071] 第四步，根据式(9)得到平键宽度b的最小值bmin；

[0072] 平键高度h＝6mm，作用在平键上的外力偶Me＝1177.71N·m，平键的许用剪切强度τl＝360MPa，力臂长度L为50mm，根据公式(9)得到平键宽度bmin＝5.45mm。

[0073] b≥Me/2τlhL (9)

[0074] 第五步，判断平键宽度b的最小值bmin是否满足条件 如果满足，则继续进行下一步，若不满足，则Δ＝Δ-δΔ，且使Δ＞0，并返回步骤5，直至判断bmin满足条件 其中δΔ为Δ的调整步距；

[0075] 本实施例中，bmin＝5.45mm， 满足条件

[0076] 第六步，在 的范围内取值b＝6mm作为平键宽度。

[0077] 至此，完成了一对平键的确定，平键长度l＝10mm，力臂长度L＝50mm，平键高度h＝6mm，平键宽度b＝6mm。