解析小徑定心漸開線花鍵拉刀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

簡單來說拉刀是一種多齒工具，后一個(gè)刀齒(或后一組刀齒)的齒高要高于(或齒寬寬于)前一個(gè)刀齒(或前一組刀齒)，所以當(dāng)拉刀作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)(對(duì)某些拉刀來說則為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng))，便能依次地從工件上切下很薄的金屬層。故加工質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高。拉刀壽命長，并且拉床結(jié)構(gòu)簡單。但拉刀結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造比較麻煩，價(jià)格較高，一般是專用刀具，因而多用于大量和批量生產(chǎn)的精加工。



在齒輪行業(yè)中，漸開線花鍵孔拉刀是應(yīng)用較廣泛的一種，也是設(shè)計(jì)難度較大的一種。小徑定心漸開線同心圓拉刀更是近年來興起的一種高定位精度、高制造難度、非常有發(fā)展前途的拉刀。

小徑定心漸開線花鍵拉刀的結(jié)構(gòu)和實(shí)用價(jià)值

根據(jù)相關(guān)資料介紹，小徑定心漸開線拉刀的主要結(jié)構(gòu)如圖1所示：


圖1 小徑定心復(fù)合式漸開線花鍵刀

1—前柄部 2—頸部 3—過渡錐部 4—前導(dǎo)部 5—圓孔預(yù)切部
6—花鍵預(yù)切部 7—圓孔、花鍵交錯(cuò)切削、校準(zhǔn)部 8—后導(dǎo)部 9—后柄部

小徑定心漸開線花鍵拉刀的最大特點(diǎn)就是它的圓拉齒與花鍵齒的同軸度非常高。由圖1可見，它的精切齒和校準(zhǔn)齒部分是由圓孔齒、花鍵齒交錯(cuò)排列的，（見圖中第7部分）。這樣，就有效的避免了普通拉刀造成的花鍵與內(nèi)孔的偏移，大大提高了被加工孔的精度。因此，凡是小徑定心花鍵聯(lián)結(jié)的花鍵孔，由于小徑與鍵槽有較高的同軸度要求，都應(yīng)采用小徑定心式拉刀。

小徑定心拉刀不僅能有效的提高花鍵孔精度，還能降低工裝費(fèi)用從而降低生產(chǎn)成本，這是因?yàn)槠胀ɡ独鞴ば蛑蟮钠渌ば?，凡是需以花鍵孔定位(如滾齒、磨外圓端面等)，均需制造花鍵心軸包括檢驗(yàn)心軸，以保證必須的定位精度。花鍵心軸制造復(fù)雜，成本高，一根漸開線花鍵心軸的價(jià)格是光滑心軸的3—5倍。而小徑定心拉刀被應(yīng)用以后，小徑與大徑的一致性非常好，可以使后續(xù)工序均以小徑為基準(zhǔn)，只制造光滑心軸即可，省去很多花鍵心軸的費(fèi)用。

小徑定心漸開線花鍵拉刀的設(shè)計(jì)

我公司生產(chǎn)的AC16驅(qū)動(dòng)橋輪邊太陽輪內(nèi)花鍵參數(shù)為：模數(shù)1.25，齒數(shù)40，壓力角30°，齒槽寬公差帶按9H DIN5480，則齒頂圓直徑為：

Da=m*z+2*x.m+0.9*m=40*1.25-0.321*2+0.9*1.25=49.501

齒頂圓直徑公差為H11，則其成品尺寸定為：φ49.5（+0.16/0）。

小徑定心拉刀與普通拉刀的不同點(diǎn)主要集中在切削齒和校準(zhǔn)齒部分，其他如前后柄部、前后引導(dǎo)、拉削力的計(jì)算、拉刀薄弱截面的強(qiáng)度的核驗(yàn)等都與普通拉刀相同。

1 圓切齒部分(即圖1的第⑤部分)

(1)拉前孔L精度要高于普通拉刀的拉前孔精度，應(yīng)達(dá)到8級(jí)精度孔，目的是為了拉刀的圓切齒齒數(shù)盡量少，以減少拉刀長度。

(2)拉削余量要小于普通拉刀。余量太大，勢(shì)必增加拉刀長度，余量過小，又不能保證拉削精度，因此，拉削余量控制在0.2——0.5mm比較好。為此，確定在拉削前的內(nèi)孔尺寸為φ49.3（+0.062/0）。

(3)圓孔部分不能像普通拉刀那樣直接拉到小徑最終尺寸，而是要留出0.06—0.1mm的余量給后面與花鍵齒相同的圓齒去拉削。在本拉刀設(shè)計(jì)過程中，我們選取余量為0.08。


圖2 拉削表面粗糙度與齒升量的關(guān)系

(4)圓孔齒的齒升量要比普通拉刀齒升量小，否則不利于提高小徑精度和粗糙度。在拉削表面的諸多缺陷中，齒升量是影響最大的因素之一，隨著齒升量增加，拉削表面粗糙度升高，這是由于切屑厚時(shí)會(huì)出現(xiàn)較深的前驅(qū)裂紋并增大刀瘤，刀瘤使表面粗糙度損害得更嚴(yán)重，因?yàn)榈读鲆幻婧屠兑积R移動(dòng)，一面將位于其前面的和后面的金屬層扯破，同時(shí)形成毛刺細(xì)紋擦傷和裂痕，拉削20Cr等低碳鋼時(shí)，刀瘤的形成更劇烈。上面圖2即是由試驗(yàn)得到的齒升量與拉削表面粗糙度的關(guān)系曲線，由圖可見，當(dāng)齒升量≤0.04mm時(shí)，可獲得Ra3.2的表面粗糙度，隨著齒升量的增加，粗糙度也隨之上升，這是因?yàn)椋寒?dāng)齒升量低時(shí)，切屑薄，潤滑冷卻液可沿細(xì)微裂紋浸入全部切屑層，落到拉刀刀齒的摩擦接觸面上加以潤滑并降低接觸面的摩擦力及磨損，同時(shí)不易形成切屑瘤，而當(dāng)齒升量超過0.06mm時(shí)，潤滑冷卻液就幾乎不能穿過切屑了，拉刀切削刃上也較容易出現(xiàn)切屑瘤。因此，圓切齒部分的齒升量一般不應(yīng)超過0.04mm，而普通拉刀的齒升量往往在0.06～0.08mm之間。

(5)分屑槽的數(shù)目與允度
拉刀容屑槽是用來形成刀齒的前面以及容納所切下的切屑。在加工韌性金屬時(shí)，通常采用如圖3所示齒背為曲線的槽形，它由兩段圓弧組成，槽底和齒背連接平滑，切屑容易卷曲成緊密屑卷，且可在不減少齒背寬度和拉刀重磨次數(shù)的情況下增大槽的容屑空間。


圖3

一般設(shè)計(jì)手冊(cè)都是通過查表或經(jīng)驗(yàn)公式：nk＝pdo／6—7其中nk——分屑槽數(shù)，pdo——拉刀在圓周上的切削長度來確定分屑槽數(shù)目。

但是拉削實(shí)踐表明，切屑的卷曲程度不僅與材料和齒升量有關(guān)，而且與拉刀刀齒切削寬度有關(guān)，齒寬越寬切屑卷的中間空隙越大，刀齒寬越窄，則卷屑也越緊密，所需容屑空間就越小，過寬的刀齒形成的屑卷由于間隙大，不易在容屑槽里縮緊。


圖4 屑卷的變形情況

當(dāng)切屑超過正常的極限縮緊度后，切屑停止轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋外圈不再沿齒間滑動(dòng)，如繼續(xù)拉削就會(huì)引起切屑不規(guī)則變形，以后產(chǎn)生的切屑將形成褶曲填滿齒間的整個(gè)耷間（圖4）。由于切屑產(chǎn)生的附加變形及與零件表面產(chǎn)生摩擦的結(jié)果，使拉削力大大增加，從而導(dǎo)致刀齒的崩落和折斷，因此刀齒的切屑寬度應(yīng)盡可能小。

目前，日本、德國的某種汽車齒輪用拉刀分屑槽數(shù)目較多，如直徑80mm的拉刀，分屑槽數(shù)達(dá)60個(gè)，B＝4.2mm，而我們一般設(shè)計(jì)手冊(cè)推薦直徑75—80mm拉刀，分屑槽數(shù)為36個(gè)，B＝6.5～7，顯然刀齒過于寬大了。因此該拉刀在設(shè)計(jì)時(shí)選取B=5。

(6)分屑槽角度
分屑槽上沿整個(gè)刀齒的后刀面上槽深，應(yīng)做成相等，即分屑槽底的軸向角度應(yīng)不小于拉刀齒頂后角，以保證整個(gè)分屑的切削刃上獲得一定的后角。使分屑槽底部產(chǎn)生了負(fù)后角。另外，分屑槽夾角e>90°，改善散熱條件。 此外，前后刀齒上分屑槽的位置要相互錯(cuò)開：最后一個(gè)精切齒不開分屑槽。


圖5 容屑槽的參數(shù)

3.2拉刀漸開花鍵齒部分的設(shè)計(jì)(圖1中第⑥部分)

由于拉刀花鍵部分總切削刃寬度比圓孔部分要小，所以齒升量可以取大些，值得注意的是，如果加大齒升量，齒距、槽形參數(shù)也要做相應(yīng)調(diào)整。

拉刀的花鍵齒是逐漸升高的，根據(jù)工件花鍵的高度和拉刀齒升量可算出共需多少齒完成切削任務(wù)，同前面提到的圓孔部分切削一樣，小徑定心花鍵拉刀的花鍵部分也不能拉到最終尺寸，而要留出0.03—0.1mm的量由后面的交錯(cuò)齒切削。

花鍵齒部分的參數(shù)選擇、跨棒距計(jì)算等與普通拉刀相同。為了減少漸開線花鍵拉刀齒側(cè)面與工件被加工表面間的摩擦，應(yīng)磨去刀齒形上不參加形成花鍵孔齒槽側(cè)面的漸開線齒形部分，即磨出齒形的側(cè)隙角。齒側(cè)單面磨去量一般取0.2mm，先將漸開線花鍵拉刀的齒形尺寸磨好，并經(jīng)測(cè)量合格后再磨齒形側(cè)隙角，磨時(shí)用已計(jì)算和修磨好錐角的砂輪從拉刀校準(zhǔn)齒部分進(jìn)刀，向切削齒部分磨，逐齒降低砂輪的位置高度，以保證每個(gè)刀齒保留0.6一0.8mm長的漸開線部分。

3.3圓齒、花鍵齒交錯(cuò)排列部分(圖1中第⑦部分)

這一部分是拉刀的精切齒和校準(zhǔn)齒部分，精切齒是為了繼續(xù)拉削前面圓孔齒和花鍵齒留下的切削余量，達(dá)到最終尺寸要求，同時(shí)與后面的校準(zhǔn)齒一起消除前面刀齒造成的小徑對(duì)大徑的偏移，達(dá)到產(chǎn)品的同軸度要求，從精切齒開始，花鍵齒、圓孔齒交錯(cuò)排列，精切齒齒升量可以是遞減的，最后一個(gè)精切齒的齒升量0.005mm，由于留給精切齒的切削量很小(0.05—0.1mm)，只需排列二、三個(gè)齒就到達(dá)校準(zhǔn)齒了。

校準(zhǔn)齒起校對(duì)孔的形狀，保證同軸度，提高光潔度的作用。校準(zhǔn)齒的橫截面尺寸與最后一個(gè)精切齒相同，沒有齒升量，特別需要指出的是，無論是精切齒還是校準(zhǔn)齒都是一個(gè)圓孔齒和一個(gè)花鍵齒為一組，為了控制拉刀需要，拉刀花鍵齒的小徑尺寸必須小于與其相鄰的前一個(gè)圓孔直徑尺寸，并且齒距要P>P1。本拉刀設(shè)計(jì)時(shí)選取P1=13，P2=11，且小徑差為0.7。見圖6。


圖6 圓齒、花鍵齒交錯(cuò)部分

排列校準(zhǔn)齒時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：校準(zhǔn)齒中花鍵齒圓孔齒各需用5—7個(gè)；校準(zhǔn)齒齒距可以取短一些，如短1—2mm，也可以不變；校準(zhǔn)齒前角可取0°一5°，也可取與切削齒一致，但后角一定要比切削齒小，可在30¢一2°范圍內(nèi)，刃帶a要比切削齒的寬，可取0.5一lmm，這是為了校準(zhǔn)齒尺寸不會(huì)很快減少和提高拉削過程的平穩(wěn)性。根據(jù)以上規(guī)則，該拉刀選取的校準(zhǔn)齒數(shù)量為6組，且校準(zhǔn)齒前角選取30′。

小徑定心漸開線花鍵拉刀的工藝試驗(yàn)

在該產(chǎn)品試制階段，采用L6120拉床進(jìn)行加工，該機(jī)床為臥式拉床，機(jī)床的額定拉力為20×104N。試驗(yàn)時(shí)采取的進(jìn)給速度為6m/min，以及水基冷卻液。經(jīng)過試驗(yàn)，得出拉刀的刃磨周期約為600件刃磨一次，與普通漸開線花鍵拉刀一致。

工件拉削后的切屑呈卷曲狀，且斷屑均勻，與容屑槽設(shè)計(jì)情況一致。（圖7）




圖7 拉削后的切屑

由于采用了小徑定心，所得到的工件尺寸穩(wěn)定，為后續(xù)車床、滾剃齒工序提供了基準(zhǔn)，加工的產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。

總結(jié)

5.1 對(duì)于小模數(shù)漸開線內(nèi)花鍵，采用小徑定心漸開線花鍵拉刀加工，可以達(dá)到很高的尺寸精度和穩(wěn)定的產(chǎn)品質(zhì)量。

5.2小徑定心漸開線花鍵拉刀設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮較小的齒升量、較多的容屑槽以及較小的切屑寬度。

5.3小徑定心漸開線花鍵拉刀的使用，與普通花鍵拉刀相同，但在刃磨該部分時(shí)，砂輪每次進(jìn)給量不應(yīng)過大，進(jìn)給量為0.01以內(nèi)，如后幾組刀齒磨損不嚴(yán)重，可僅做拋光，或不刃磨。