李 佳

（中國重汽集團(tuán)大同齒輪有限公司， 山西 大同 037003）

1 漸開線花鍵拉刀概述

漸開線花鍵拉刀是拉削工藝較為常見的一種工具，漸開線花鍵拉刀應(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，對人身造成危害。

本文針對上述情況，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)，都會對磨削加工產(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，有更多無法確定的因素。普通磨削主要是通過磨具對磨料通過旋轉(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，磨削過程其實(shí)就是在砂輪上無數(shù)的切削刀具對磨料進(jìn)行表面加工的過程。磨削加工如圖1 所示。

圖1 磨削加工示意圖

針對漸開線花鍵拉刀，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程極可能對工件表面造成損傷。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程中并不會因刀具磨損而造成加工停止，使用壽命較長。但磨粒的加工變化過程為局部舊磨粒的破壞、脫落與新磨粒的露出，砂輪長時(shí)間的使用會使砂輪表面溫度升高，在加工時(shí)容易對漸開線花鍵拉刀造成表面灼傷，影響拉刀表面質(zhì)量。

3 漸開線花鍵拉刀超聲外圓珩磨工藝原理分析

3.1 運(yùn)動方式

超聲珩磨工藝的運(yùn)動方式是指超聲波對加工工件在珩磨裝置上的振動形式，包括軸向振動、徑向振動和扭轉(zhuǎn)振動三種。不同形式的振動方式對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、材料去除力都會產(chǎn)生影響。運(yùn)動方式示意圖如下頁圖2 所示。

圖2 外圓超聲珩磨油石運(yùn)行方式示意圖

漸開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方式進(jìn)行加工會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的加工方式，本文選取切向振動加工和徑向振動加工進(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油石上的磨粒對工件外圓進(jìn)行共同切削而完成的，油石上的磨?？煽醋髑邢骷庸み^程的刀具。通過對單個磨粒的數(shù)據(jù)分析，可以得到整體超聲外圓珩磨裝置的切向振動加工過程。

通過相關(guān)分析，得到單顆磨粒的加工運(yùn)動軌跡方程為：

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)油石對零件材料去除的質(zhì)量。在零部件加工過程中，磨粒是無法全部加入實(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。通過分析可知，對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 漸開線花鍵拉刀試驗(yàn)成品對比

通過實(shí)際的試驗(yàn)分析，對漸開線花鍵拉刀表面質(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，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??；加工深度越大，表面粗糙度先減小后增大，主要原因是當(dāng)加工深度超過一定數(shù)值之后會使磨粒遭到破環(huán)，磨粒的破碎、黏連等現(xiàn)象會破磨粒的磨削能力，使零部件表面質(zhì)量降低。

對比普通磨削、切向振動加工和徑向振動加工三種加工方式，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漸開線花鍵拉刀進(jìn)行加工。通過超景深三維測量儀對工件表面放大處理，設(shè)置標(biāo)尺為100 μm，倍數(shù)設(shè)置為放大500 倍。得到表面形貌對比圖如圖5 所示。

圖5 拉刀表面形貌對比圖

通過觀察圖5，在圖5-1 中，經(jīng)過車刀進(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。漸開線花鍵拉刀是一種精密的加工刀具，經(jīng)過該工序后無法達(dá)到使用要求。圖5-2 是普通珩磨加工圖，經(jīng)過加工的拉刀表面質(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 為切向振動加工圖，通過觀察發(fā)現(xiàn)，切向超聲振動加工更加適合漸開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

本文通過對普通磨削方法和超聲振動磨削加工方法進(jìn)行對比分析，并進(jìn)行實(shí)際的試驗(yàn)觀察，發(fā)現(xiàn)超聲振動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。