有十字形键的分形旋压模具及该十字形键的确定方法

摘要

一种有十字形键的分形旋压模具及该十字形键的确定方法。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端面有十字形键。使用时，主动芯模上的十字形键与从动芯模上的十字形键分别插入毛坯的两表面与主动芯模和从动芯模端面的十字形键配合的键槽中，使机床主轴施加给主动芯模的转矩通过主动芯模上的十字形键传递给工件，再通过工件和从动芯模配合的十字形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；由于主动芯模和从动芯模上的十字形键插入毛坯上分布的键槽中，对毛坯可以起到定位作用，防止偏心。

说明书

技术领域

本发明涉及旋压成形加工领域，具体是一种有十字形键的分形旋压模具及该十字 形键的确定方法。

背景技术

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。

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

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十字形键的分形旋压模具及该十字形键的确定方法。

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小端面中心有十字形键，该十字形键的几何中心与该端面的几 何中心重合；在从动芯模与毛坯配合的小端面中心亦有十字形键，并且该十字形键的 几何中心与该端面的几何中心重合。在主动芯模的大端面中心有与机床主轴固联的连 接插杆。

本发明还提出了一种用于所述分形旋压模具中十字形键的确定方法，其过程包括 以下步骤：

步骤一，确定作用在十字形键上的外力偶；根据公式(1)确定作用在十字形键上 的外力偶M_e：

$M_e=9549\frac{P_k}{n_k}---\left(1\right)$

公式(1)中，M_e为作用在十字形键上的外力偶，M_e的单位为N·m，P_k为旋压机 主轴额定功率，P_k的单位为KW，n_k为旋压机主轴转速，n_k的单位为r/min。

步骤二，确定十字形键的许用剪切强度；根据公式(2)确定十字形键的许用剪切 强度τ_l：

τ_l＝(0.5-0.7)σ_b    (2)

公式(2)中，τ_l为十字形键材料的许用剪切强度，σ_b为十字形键材料的抗拉强度。

步骤三，确定十字形键的许用挤压强度；根据公式(3)确定十字形键的许用挤压 强度σ_l：

σ_l＝(1.5-2.5)σ_b    (3)

公式(3)中，σ_l为十字形键材料的许用挤压强度，σ_b为十字形键材料的抗拉强 度。

步骤四，确定十字形键的尺寸；根据不等式组(4)和(5)确定十字形键宽度b、 半长度l和高度h：

$\left(\begin{array}{c}b<l\le d/2\\ b(l^2-b^2/4)\ge M_e/{\tau }_l\end{array}\right)---\left(4\right)$

$\left(\begin{array}{c}h(l^2-b^2/4)\ge M_e/{\sigma }_l\\ h\le t_0/3\\ h<l\end{array}\right)---\left(5\right)$

公式(4)和公式(5)中，b、l、h分别为十字形键的宽度、半长度和高度，d为 芯模小端面直径，M_e为旋压外力偶，τ_l为十字形键的许用剪切强度，σ_l为十字形键的 许用挤压强度，t₀为毛坯厚度；确定十字形键宽度、半长度和高度的具体步骤如下：

第一步，确定半长度l与宽度b的最小比值m_min，根据公式(6)确定m的最小值 m_min；

$m_{\min }=\sqrt{8M_e/{\tau }_l{d}^3+1/4}---\left(6\right)$

第二步，在m≥1且m≥m_min的范围内取一值m作为初始值；

第三步，根据公式(7)得到十字形键宽度b的最小值b_min；

$b_{\min }=\sqrt[3]{M_e/{\tau }_l(m^2-1/4)}---\left(7\right)$

第四步，在b≥b_min范围内取一值b作为初始值；

第五步，根据公式(8)确定十字形键的半长度l；

l＝mb                    (8)

第六步，判断l是否满足条件l＜d/2；如果满足，则继续进行下一步，若不满足， 则b＝b-Δb且使b≥b_min，并转至第五步，直至l满足l＜d/2；其中Δb为b的减小步距；

第七步，根据公式(9)得到十字形键高度h的最小值h_min；

h_min＝M_e/σ_l(l²-b²/4)    (9)

第八步，判断十字形键高度的最小值h_min是否满足条件h_min＜t₀/3；如果满足，则 继续进行下一步，若不满足，则l＝l+Δl，并转至第六步，直至h_min满足h_min＜t₀/3； 其中Δl为l的增加步距；

第九步，在h_min≤h＜t₀/3的范围内确定十字形键高度h的取值。

使用时，主动芯模上的十字形键与从动芯模上的十字形键分别插入毛坯的两表面 与主动芯模和从动芯模端面的十字形键配合的键槽中；键槽几何中心与工件几何中心 重合。

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十字形键传递给 工件，再通过工件和从动芯模配合的十字形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 芯模和从动芯模上的十字形键插入毛坯上分布的键槽中，对毛坯可以起到定位作用， 防止偏心。因此，通过本发明可防止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

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；

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；

图3是毛坯的剖面图；

图4是毛坯的俯视图；

图5是从动芯模的结构示意图，其中图5a是主视图，图5b是俯视图；

图6确定十字形键尺寸的流程图。其中：

1.主动芯模  2.毛坯  3.从动芯模  4.十字形键

具体实施方式

本实施例是一种用于整体式轮毂分形旋压的有十字形键的分形旋压模具。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。

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的小端面中心有十字形键4，该十字形键 几何中心与该端面几何中心重合。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小端面的中心有十字形键4，十字形键几 何中心与该端面几何中心重合。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。毛坯2位于主动芯模1和从动芯 模3之间，并且在该毛坯的上表面和下表面分别加工有与主动芯模1和从动芯模3上 的十字形键配合的十字形键槽。将主动芯模上的十字形键与从动芯模上的十字形键分 别插入毛坯2上分布的十字形键槽中。机床上的尾顶顶在从动芯模3大端面中心，将 从动芯模3与毛坯2和主动芯模1固紧。

本实施例还提出了一种所述分形旋压模具中十字形键的确定方法。其具体过程包 括以下步骤：

步骤一，确定作用在十字形键上的外力偶。通过公式(1)确定作用在十字形键上 的外力偶M_e：

$M_e=9549\frac{P_k}{n_k}---\left(1\right)$

公式(1)中，M_e为作用在十字形键上的外力偶，P_k为旋压机主轴额定功率，nk 为主轴转速。本实施例中，P_k＝37KW，n_k＝300r/min，作用在十字形键上的外力偶为 M_e＝1177.71N·m。

步骤二，确定十字形键的许用剪切强度。本实施例中，十字形键采用45钢制成， 抗拉强度σ_b≥600MPa，取σ_b＝600MPa，系数取中间值0.6，根据公式(2)确定十字 形键的许用剪切强度τ_l：

τ_l＝(0.5-0.7)σ_b    (2)

τ_l＝360MPa。

步骤三，确定十字形键的许用挤压强度。根据公式(3)确定十字形键的许用挤压 强度σ_l：

σ_l＝(1.5-2.5)σ_b    (3)

公式(3)中，σ_l为键材料的许用挤压强度，σ_b为键材料的抗拉强度。本实施例 中，十字形键的抗拉强度σ_b＝600MPa，系数取中间值2.0，十字形键的许用挤压强度 σ_l＝1200MPa。

步骤四，确定十字形键的尺寸。根据不等式组(4)和(5)确定十字形键宽度b、 半长度l和高度h：

$\left(\begin{array}{c}b<l\le d/2\\ b(l^2-b^2/4)\ge M_e/{\tau }_l\end{array}\right)---\left(4\right)$

$\left(\begin{array}{c}h(l^2-b^2/4)\ge M_e/{\sigma }_l\\ h\le t_0/3\\ h<l\end{array}\right)---\left(5\right)$

公式(4)和公式(5)中，b、l、h分别为十字形键的宽度、半长度和高度，d为 芯模小端面直径，M_e为旋压外力偶，τ_l为十字形键的许用剪切强度，σ_l为十字形键的 许用挤压强度，t₀为毛坯厚度；确定十字形键宽度、半长度和高度的具体步骤如下：

第一步，确定半长度l与宽度b的最小比值m_min。根据公式(6)确定m_min

$m_{\min }=\sqrt{8M_e/{\tau }_l{d}^3+1/4}---\left(6\right)$

本实施例中，旋压外力偶为M_e＝1177.71N·m，十字形键的许用剪切强度 τ_l＝360MPa，芯模小端面直径d＝120mm，得m_min＝0.515。

第二步，确定半长度l与宽度b比值的初始值m。在m≥1且m≥m_min的范围内取任 意值作为m的初始值。本实施例中，半长度l与宽度b比值的初始值m＝8；

第三步，确定十字形键宽度b的最小值b_min。根据公式(7)确定十字形键宽度b 的最小值b_min：

$b_{\min }=\sqrt[3]{M_e/{\tau }_l(m^2-1/4)}---\left(7\right)$

本实施例中，旋压外力偶为M_e＝1177.71N·m，十字形键的许用剪切强度 τ_l＝360MPa，m＝8，得b_min＝3.72mm。

第四步，确定十字形键宽度b的初始值。在b≥b_min范围内取任意值作为初始值。 本实施例中，十字形键宽度b的初始值b＝4mm；

第五步，确定十字形键的半长度l。根据公式(8)确定十字形键的半长度l：

l＝mb                    (8)

本实施例中，m＝8，b＝4mm，得l＝32mm；

第六步，判断十字形键的半长度l是否满足条件l＜d/2；如果满足，则继续进行 下一步，若不满足，则b＝b-Δb 且使b≥b_min，并转至第五步，直至l满足条件；其中Δb 为b的减小步距；

本实施例中，芯模小端直径d＝120mm，则d/2＝60mm，显然l＜d/2，满足条件。

第七步，确定十字形键高度的最小值h_min。根据公式(9)确定十字形键高度的最 小值h_min：

h_min＝M_e/σ_l(l²-b²/4)    (9)

本实施例中，旋压外力偶为M_e＝1177.71N·m，十字形键的许用挤压强度 σ_l＝1200MPa，得h_min＝1mm。

第八步，判断十字形键高度的最小值h_min是否满足条件h_min＜t₀/3；如果满足， 则继续进行下一步，若不满足，则l＝l+Δl，并转至第六步，直至h_min满足条件h_min＜t₀/3； 其中Δl为l的增加步距；

本实施例中，h_min＝1mm，t₀/3＝3.33mm，显然h_min＜t₀/3，满足条件。

第九步，在h_min≤h＜t₀/3的范围内确定的取值h＝2mm。

本实施例中十字形键的宽度b＝4mm、高度h＝2mm和半长度l＝32mm。