漸開(kāi)線花鍵拉刀外圓磨削技術(shù)優(yōu)化分析

李 佳

（中國(guó)重汽集團(tuán)大同齒輪有限公司， 山西 大同 037003）

1 漸開(kāi)線花鍵拉刀概述

漸開(kāi)線花鍵拉刀是拉削工藝較為常見(jiàn)的一種工具，漸開(kāi)線花鍵拉刀應(yīng)用范圍廣、加工效率高、產(chǎn)品精度與質(zhì)量有保證，適用于大批量零部件生產(chǎn)，產(chǎn)品可進(jìn)行一次成型加工。漸開(kāi)線花鍵拉刀整體結(jié)構(gòu)中，刀齒的加工尤為重要。刀齒表面質(zhì)量是影響拉刀所加工產(chǎn)品的壽命、質(zhì)量、效率的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)的普通磨削方法所生產(chǎn)的刀齒表面質(zhì)量普遍較低，使拉刀的整體性能下降，生產(chǎn)效率降低，且普通磨削方法易使砂輪脫落，污染加工環(huán)境，對(duì)人身造成危害。

本文針對(duì)上述情況，引入超聲珩磨技術(shù)，在保持拉刀原有功能不變的情況下，提高拉刀刀齒表面質(zhì)量，增加拉刀使用壽命和加工工件質(zhì)量，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

2 漸開(kāi)線花鍵拉刀普通磨削原理分析

磨削在外圓表面的加工工藝中屬于較為常見(jiàn)的加工方法，常用于精加工與半精加工生產(chǎn)中，具有效率高、精度高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工的各行各業(yè)。依據(jù)工藝與加工方式的不同，可將磨削加工分為砂輪磨削加工、珩磨加工和研磨加工，砂輪磨削加工的主要影響因素有砂輪尺寸、砂輪結(jié)構(gòu)、磨粒的種類、硬度以及磨粒的粒度。改變上述因素的任意一項(xiàng)，都會(huì)對(duì)磨削加工產(chǎn)生不同程度的影響，因此磨削加工較其他加工方式更為復(fù)雜，有更多無(wú)法確定的因素。普通磨削主要是通過(guò)磨具對(duì)磨料通過(guò)旋轉(zhuǎn)等方式進(jìn)行磨削，將表面需去除的材料磨削掉的加工方法，是現(xiàn)階段機(jī)械加工行業(yè)中重要的加工方式。磨削和切削有相似之處，磨削所用砂輪上的磨粒可近似看作切削所用的刀具，磨削過(guò)程其實(shí)就是在砂輪上無(wú)數(shù)的切削刀具對(duì)磨料進(jìn)行表面加工的過(guò)程。磨削加工如圖1 所示。

圖1 磨削加工示意圖

針對(duì)漸開(kāi)線花鍵拉刀，普通磨削使用的砂輪上的磨粒在實(shí)際加工中真正參與加工的數(shù)量其實(shí)是不確定的，真正加入切削加工的磨粒只是砂輪上磨粒的一部分。同時(shí)，不參與加工的磨粒在加工過(guò)程極可能對(duì)工件表面造成損傷。其次，磨削加工主要是依靠磨粒進(jìn)行磨削加工的，磨粒具有不規(guī)則特性，在零件加工過(guò)程中磨粒的破碎使得磨削加工的切削刃角度為負(fù)角，與切削加工中切削角為正角有所不同。最后，不同于切削加工，磨削加工的砂輪在零件加工過(guò)程中并不會(huì)因刀具磨損而造成加工停止，使用壽命較長(zhǎng)。但磨粒的加工變化過(guò)程為局部舊磨粒的破壞、脫落與新磨粒的露出，砂輪長(zhǎng)時(shí)間的使用會(huì)使砂輪表面溫度升高，在加工時(shí)容易對(duì)漸開(kāi)線花鍵拉刀造成表面灼傷，影響拉刀表面質(zhì)量。

3 漸開(kāi)線花鍵拉刀超聲外圓珩磨工藝原理分析

3.1 運(yùn)動(dòng)方式

超聲珩磨工藝的運(yùn)動(dòng)方式是指超聲波對(duì)加工工件在珩磨裝置上的振動(dòng)形式，包括軸向振動(dòng)、徑向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)三種。不同形式的振動(dòng)方式對(duì)加工零件的加工效率、零件表面質(zhì)量以及加工生產(chǎn)的珩磨力、材料去除力都會(huì)產(chǎn)生影響。運(yùn)動(dòng)方式示意圖如下頁(yè)圖2 所示。

圖2 外圓超聲珩磨油石運(yùn)行方式示意圖

漸開(kāi)線花鍵拉刀屬于回轉(zhuǎn)體零件，且拉刀的刀齒上帶有錐度，此類零件若使用軸向振動(dòng)方式進(jìn)行加工會(huì)使油石與加工零件發(fā)生干涉效應(yīng)，因此不考慮軸向振動(dòng)的加工方式，本文選取切向振動(dòng)加工和徑向振動(dòng)加工進(jìn)行研究。

3.2 磨粒切削機(jī)理分析

超聲外圓珩磨主要是通過(guò)油石上的磨粒對(duì)工件外圓進(jìn)行共同切削而完成的，油石上的磨粒可看作切削加工過(guò)程的刀具。通過(guò)對(duì)單個(gè)磨粒的數(shù)據(jù)分析，可以得到整體超聲外圓珩磨裝置的切向振動(dòng)加工過(guò)程。

通過(guò)相關(guān)分析，得到單顆磨粒的加工運(yùn)動(dòng)軌跡方程為：

其中，dw為工件直徑，mm；ω 為角頻率，rad/s；ωm為速度，rad/s；Φ 為初始相位值；t1為運(yùn)動(dòng)時(shí)間，s；x、y、z 為坐標(biāo)數(shù)值；A 為常數(shù)；vm為軸向運(yùn)動(dòng)速度，mm/s。

材料加工去除率是指零件進(jìn)行磨削加工時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)刀具對(duì)材料去除的質(zhì)量。在外圓超聲珩磨加工工藝中，該指標(biāo)是指單位時(shí)間內(nèi)油石對(duì)零件材料去除的質(zhì)量。在零部件加工過(guò)程中，磨粒是無(wú)法全部加入實(shí)際加工的，超聲珩磨加工使磨粒的參與數(shù)量比普通磨削更多，使加工效率提升，材料去除率也較普通磨削高。

如圖3 所示，為單顆粒材料加工去除率示意圖。通過(guò)分析可知，對(duì)外圓超聲珩磨加工有影響的指標(biāo)包括油石尺寸大小、油石結(jié)構(gòu)外形、工藝設(shè)計(jì)參數(shù)以及超聲設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖3 單顆磨粒材料加工去除率示意圖

4 漸開(kāi)線花鍵拉刀試驗(yàn)成品對(duì)比

通過(guò)實(shí)際的試驗(yàn)分析，對(duì)漸開(kāi)線花鍵拉刀表面質(zhì)量的形成影響因素較多，包括磨床精度、工作環(huán)境濕度、溫度、冷卻液的選擇等，但最主要的影響因素主要有三個(gè)，包括回轉(zhuǎn)速度、磨頭往復(fù)速度以及加工深度。其中，工件轉(zhuǎn)速越高，工件的表面粗糙度越小；加工深度越大，表面粗糙度先減小后增大，主要原因是當(dāng)加工深度超過(guò)一定數(shù)值之后會(huì)使磨粒遭到破環(huán)，磨粒的破碎、黏連等現(xiàn)象會(huì)破磨粒的磨削能力，使零部件表面質(zhì)量降低。

對(duì)比普通磨削、切向振動(dòng)加工和徑向振動(dòng)加工三種加工方式，設(shè)置最佳轉(zhuǎn)速為230 r/min，工件粗糙度值隨著珩磨深度的增加先漸小后增大。由圖4可知，當(dāng)珩磨深度達(dá)到20 μm 時(shí)，三種方式粗糙度最低。

圖4 加工深度對(duì)比圖

依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，運(yùn)用三種不同的加工方式對(duì)漸開(kāi)線花鍵拉刀進(jìn)行加工。通過(guò)超景深三維測(cè)量?jī)x對(duì)工件表面放大處理，設(shè)置標(biāo)尺為100 μm，倍數(shù)設(shè)置為放大500 倍。得到表面形貌對(duì)比圖如圖5 所示。

圖5 拉刀表面形貌對(duì)比圖

通過(guò)觀察圖5，在圖5-1 中，經(jīng)過(guò)車刀進(jìn)行車削加工的工件表面加工痕跡明顯，存在嚴(yán)重?fù)p傷，劃痕痕跡嚴(yán)重，粗糙度較大。漸開(kāi)線花鍵拉刀是一種精密的加工刀具，經(jīng)過(guò)該工序后無(wú)法達(dá)到使用要求。圖5-2 是普通珩磨加工圖，經(jīng)過(guò)加工的拉刀表面質(zhì)量雖得到了極大的改善，但仍然存在紋路不均現(xiàn)象。圖5-3 為徑向振動(dòng)加工圖，該圖表面質(zhì)量仍然較差，是由于高頻、大振幅的振動(dòng)破壞了砂輪磨削軌跡，造成劃痕散亂，深度大。圖5-4 為切向振動(dòng)加工圖，通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，切向超聲振動(dòng)加工更加適合漸開(kāi)線花鍵拉刀的磨削加工，其加工網(wǎng)紋緊密且均勻，表面質(zhì)量較好[1-4]。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)普通磨削方法和超聲振動(dòng)磨削加工方法進(jìn)行對(duì)比分析，并進(jìn)行實(shí)際的試驗(yàn)觀察，發(fā)現(xiàn)超聲振動(dòng)加工方法有效提高了拉刀的表面質(zhì)量，加工網(wǎng)紋緊密且均勻，表面質(zhì)量較好，提高了拉刀使用壽命、加工工件質(zhì)量。