一種拉削工藝缺陷的分析及改進措施

文/張光燦 徐 華 田 耕（安徽星瑞齒輪傳動有限公司）

拉削工藝可以對工件的各種截面形狀的通孔及特殊形狀的外表面進行加工，一次切削行程可完成粗切、半精切及精切加工，加工精度高，表面粗糙度值低，生產效率極高，在大批量生產中得到廣泛應用。但應用拉削工藝加工產品后，刀具出口端經常會產生豁口缺陷，影響后續加工。本文對此問題進行探討分析，提出改進措施。

一、拉削豁口缺陷的描述

拉削豁口缺陷主要有以下幾個方面：一是公司生產的變速器齒輪在拉削鍵槽后，工件刀具出口端出現嚴重的豁口、表面粗糙度值高、翻邊嚴重的問題；二是采購的新刀具使用壽命短，拉削后出現多個刀齒崩刃，且崩刃位置與工件豁口的位置相對應；三是刀具刃磨后拉削產品的鐵屑厚度偏厚，有明顯擠壓現象，卷屑效果差或不卷屑，形狀不規則，表面有拉痕不光滑，以及出現粘刀、卡刀嚴重等不良現象。

二、產生拉削豁口的原因分析

根據加工經驗分析，產生拉削豁口的原因可能是刀具的前角偏大、刀具的容屑槽形狀不合適以及被加工工件硬度低。因此從被加工工件、刀具的設計、刀具的刃磨三個方面分別進行理論分析。

1.被加工工件的拉削條件

被加工工件材料為20CrMnTiH2 鋼材，經鍛造、正火、粗精車后進行拉削。由于受工件材料末端淬透性及公司現有正火設備的冷卻速度限制，工件表面硬度只能達到HB160～180[1]。而《機械加工工藝手冊》（以下簡稱手冊）中明確指出工件表面硬度在HB180～210 時，拉削才能獲得較好的表面質量，工件硬度低于HB170 或高于HB240 時，拉削后表面質量較差[2]。

2.拉刀設計驗算

公司拉鍵槽工序采用的拉刀為分層同廓式。依據手冊對所使用的拉刀圖紙進行驗算，驗算內容包括刀具齒升量、刀齒幾何參數（前角γ0、后角α0、刃帶寬ba1）、刀具容屑槽及容屑槽系數、刀齒齒距[2]。（詳見表1）

驗算表明，刀具設計圖紙中前角、切屑齒刃帶寬、校準齒后角不符合設計手冊要求。前角越大，刀具越鋒利，但過大會降低刃口強度。刃帶主要作用是保證刀具拉削的穩定性，延長刀具使用壽命。分析認為，公司工件自身拉削條件較差且刀具前角偏大、刃帶窄，是導致新刀使用壽命低的主要因素。因此拉刀的設計還需要進行優化，以降低產品拉削時缺陷產生的風險。

表1 拉刀設計驗算

3.刀具刃磨

（1）容屑槽深度h與容屑槽底部R角的關系。通常拉刀容屑槽深度h與容屑槽底部R角約成2 倍關系[2]。該產品刀具刃磨后容屑槽h=5.7mm，容屑槽R角約為1.5mm，h為R的3.8 倍，導致了鐵屑在容屑槽內不易卷起，形成擠軋，鐵屑卷屑效果差，出現形狀不規則和卡刀現象。

（2）刀具前角角度的刃磨。刀具前角主要根據工件材料的拉削性能選取，當拉削韌性金屬材料時應選擇較大前角；拉削脆性金屬材料，如鑄鐵、青銅等，應選擇較小的前角。查手冊中表4.1-27 鋼硬度≤HB229 時，前角為15°[2]，而刀具刃磨后前角25.108°，見圖1。分析認為，刀具前角過大導致了刀齒崩刃，刀具異常鈍化，繼而造成切削不暢、鐵屑大面積粘刀、鐵屑卡在刀具容屑槽處不能自由脫落，最終導致了拉削拽肉及出口端殘缺、豁口問題。

圖1 改進前刀具檢測數據

（3）前刀面的刃磨。經檢測，刃磨后刀具刃口處存在寬約0.1～0.3mm、高約0.1mm 凸棱，且前刀面粗糙度實測1.6 以上。而在拉削工件后，該凸棱演變成了寬0.067mm、深0.425mm 的塌陷，見圖1。分析認為，凸棱產生的原因為刀具磨削進給量過大造成的翻邊，而塌陷則是拉削時凸棱被擠壓脫落造成的。在刀具正常使用時很難目測到凸棱，因此刃口產生塌陷后使得刀具過快的鈍化，導致切削不暢。

三、改進措施及驗證效果

1.改進措施

調整刀具前角角度、加大刃帶寬度，提高拉削過程穩定性、延長刀具使用壽命、降低崩刃風險；選用鎢鉬系高速鋼，其具有高耐磨、高韌性、高強度的優點，提高切削性能、延長刀具使用壽命、降低崩刃風險；調整刀具刃磨角度，優化刀具刃磨參數，提高刃磨效果；更換刃磨砂輪的規格、調整刃磨程序，優化容屑槽，提高卷屑效果；提高毛坯切削性能，主要通過降低正火環境溫度，調整正火過程的冷卻速度，盡可能提高被加工工件表面硬度至HB 180～210。

2.驗證效果

拉削后產品沒有出現豁口現象，刀具出口端輪廓完整無缺，刀具使用壽命得到大幅度提升，如圖2 所示；刀具刃磨后刀具前角合格，前刀面刃部無凸棱現象，粗糙度檢測為0.25，滿足了刀具設計粗糙度0.4 的要求，如圖3所示；h=4.24mm、R=1.58mm，h與R比例明顯好于原刃磨狀態，拉削后卷屑效果良好，鐵屑形狀規則，無擠壓拉傷痕跡。

圖2 改進后拉削出口端輪廓

圖3 改進后刀具檢測數據

四、結語

本文針對公司變速器齒輪拉削加工后產品的刀具出口端產生豁口缺陷的問題，從理論刀具設計、實際刀具刃磨效果及被加工工件拉削條件進行分析，提出相應的改進措施，使拉削效果得到明顯改善，并分享了拉削缺陷產生原因及改進經驗。