型面联接

1.1 对型面联接的认识
    联接是指将两个或两个以上的机器零件按某种方式装配在一起，这是一个广义概念。例如，利用螺纹零件构成的螺纹联接；利用铆钉构成的铆钉联接（简称铆接）；借助加热使零件装在一起的焊联接（简称焊接）；轴和毂孔通过键（包括平键和花键等）结合在一起的键联接等。而无键联接是指轴和毂孔之间不使用键（包括平键或花键等）而组装在一起来传递扭矩和运动的一种联接方式。
型面连接就是采用非圆异形截面的孔轴配合代替花键和键的结合来传递扭矩的一种联接方式。型面无键联接可以实现间隙配合、过盈配合及过渡配合。异形截面纵向可以是柱状，也可以是锥状，其孔可以是通孔也可以是盲孔（见图1—1）。无论是在空载下还是在负载下型面联接都可以传递扭矩，而且许可相对轴向移动。由于在结构上和工艺上有独特的优越性，使用上又可以传递大扭矩，因此型面连接在各种机械传动中得到了广泛的应用。型面连接中轴的横截面（或毂孔）的边界称为型面曲线。常用的型面曲线有等距曲线（在微分几何中也称等宽曲线、等厚曲线、或等轴曲线）、摆线、正（余）弦曲线等。还有一类边界为折线形的型面，如正方形、三角形、六方形和四边形的轴孔构成的型面联接，以及型面曲线为对数螺旋线的型面联接等。
1.2型面联接应用实例
由于型面联接具有一系列的优点，目前在金属切削机床、汽车、拖拉机的变速箱以及其他一些机器中逐渐得到了应用。最近，国外的某些组合机床及柔性模块系统中，型面联接的应用范围被不断推广，并取得了良好的效果。
在组合机床上主轴和夹具（心轴、调节套、接杆等）的柄部的联接通常采用键联接，存在调整件数较多，不能保证足够的联接刚度等缺点。采用型面联接代替键联接，可提高联接强度5倍，同时能降低制造成本，减少夹具的重量。型面联接的应用，使刀具更换方便，夹紧可靠，调整简单，提高了工效。
柔性模块工具系统（FMTS）是高度自动化金属切削机床的重要组成部分。FMTS是成套专用的，一般不直接安装在机床主轴上。在改变被加工工件时，使用FMTS，可改变刀具系统，从而提高机床的柔性。设计FMTS的主要问题之一是选择联接类型。联接的正确与否，在很大程度上影响刀具的可靠性、寿命和耐用度，以及加工精度。采用型面联接结构，既保证了联接强度，又使结构寿命长，装拆方便。
1.3 型面联接的发展历史及研究概况
早在16世纪就开始使用非圆截面轴孔传递扭矩，首先在钟表机械，然后在印刷机械和其他机械。由于在制造中工艺难度大，曾一度被键或花键所代替。17世纪中期，多棱面在车床上实现加工，但是不曾被工业部门所掌握，这种传动方式并未得到应用。20世纪中叶，奥地利工程师科拉乌兹提出了三凸边摆线廓形的几何形状及其制造工艺，设计制造了专用廓形机床，大大推进了型面无键联接廓形的应用。之后，前苏联的巴罗威奇研究了等距型面及其几何特性，并深入研究了成形原理。同期，Binder h.J用光弹试验研究了等距型面联接在接触区内剪应力的分布规律。从此人们开始对等距型面联接的设计计算和制造工艺进行了比较系统的研究。美国、联邦德国、英国、瑞士、日本等早在50年代就开始应用无键联接。德国在20世纪80年代制定了部分设计标准，俄罗斯的工程技术人员研究了等距型面的制造工艺及设备，美国一些制造商研制了专用工装。这方面的研究直到目前为止仍然是机械工程界的一个热点。
研究等距型面在工业中的应用，特别是在煤矿中的应用已经成为非常重要的课题。许多煤矿机械在检修过程中，需要更换传动件（如带轮）或支承件（如轴承），往往因为装拆困难造成零件损坏，等距型面联接就能够克服这些缺点。但型面联接在我国的应用却很少见到，其根本原因是相配合的型面孔和型面轴的加工都比较复杂，机床改造费用高。在加工型面联接零件的各种方法中，刀具与工件之间的运动都存在着确定的内联系传动链，或者相配合的型面孔和轴需要在不同的机床上完成加工。因而生产效率和效益都很低，加工质量也难保证。所以探讨一种工艺性较好的型面曲线及加工装置，对促进型面联接在国内各行业中的推广具有重要意义。