李 佳

（中国重汽集团大同齿轮有限公司， 山西 大同 037003）

1 渐开线花键拉刀概述

渐开线花键拉刀是拉削工艺较为常见的一种工具，渐开线花键拉刀应用范围广、加工效率高、产品精度与质量有保证，适用于大批量零部件生产，产品可进行一次成型加工。渐开线花键拉刀整体结构中，刀齿的加工尤为重要。刀齿表面质量是影响拉刀所加工产品的寿命、质量、效率的关键因素。传统的普通磨削方法所生产的刀齿表面质量普遍较低，使拉刀的整体性能下降，生产效率降低，且普通磨削方法易使砂轮脱落，污染加工环境，对人身造成危害。

本文针对上述情况，引入超声珩磨技术，在保持拉刀原有功能不变的情况下，提高拉刀刀齿表面质量，增加拉刀使用寿命和加工工件质量，提高企业生产效率。

2 渐开线花键拉刀普通磨削原理分析

磨削在外圆表面的加工工艺中属于较为常见的加工方法，常用于精加工与半精加工生产中，具有效率高、精度高的特点，广泛应用于机械加工的各行各业。依据工艺与加工方式的不同，可将磨削加工分为砂轮磨削加工、珩磨加工和研磨加工，砂轮磨削加工的主要影响因素有砂轮尺寸、砂轮结构、磨粒的种类、硬度以及磨粒的粒度。改变上述因素的任意一项，都会对磨削加工产生不同程度的影响，因此磨削加工较其他加工方式更为复杂，有更多无法确定的因素。普通磨削主要是通过磨具对磨料通过旋转等方式进行磨削，将表面需去除的材料磨削掉的加工方法，是现阶段机械加工行业中重要的加工方式。磨削和切削有相似之处，磨削所用砂轮上的磨粒可近似看作切削所用的刀具，磨削过程其实就是在砂轮上无数的切削刀具对磨料进行表面加工的过程。磨削加工如图1 所示。

图1 磨削加工示意图

针对渐开线花键拉刀，普通磨削使用的砂轮上的磨粒在实际加工中真正参与加工的数量其实是不确定的，真正加入切削加工的磨粒只是砂轮上磨粒的一部分。同时，不参与加工的磨粒在加工过程极可能对工件表面造成损伤。其次，磨削加工主要是依靠磨粒进行磨削加工的，磨粒具有不规则特性，在零件加工过程中磨粒的破碎使得磨削加工的切削刃角度为负角，与切削加工中切削角为正角有所不同。最后，不同于切削加工，磨削加工的砂轮在零件加工过程中并不会因刀具磨损而造成加工停止，使用寿命较长。但磨粒的加工变化过程为局部旧磨粒的破坏、脱落与新磨粒的露出，砂轮长时间的使用会使砂轮表面温度升高，在加工时容易对渐开线花键拉刀造成表面灼伤，影响拉刀表面质量。

3 渐开线花键拉刀超声外圆珩磨工艺原理分析

3.1 运动方式

超声珩磨工艺的运动方式是指超声波对加工工件在珩磨装置上的振动形式，包括轴向振动、径向振动和扭转振动三种。不同形式的振动方式对加工零件的加工效率、零件表面质量以及加工生产的珩磨力、材料去除力都会产生影响。运动方式示意图如下页图2 所示。

图2 外圆超声珩磨油石运行方式示意图

渐开线花键拉刀属于回转体零件，且拉刀的刀齿上带有锥度，此类零件若使用轴向振动方式进行加工会使油石与加工零件发生干涉效应，因此不考虑轴向振动的加工方式，本文选取切向振动加工和径向振动加工进行研究。

3.2 磨粒切削机理分析

超声外圆珩磨主要是通过油石上的磨粒对工件外圆进行共同切削而完成的，油石上的磨粒可看作切削加工过程的刀具。通过对单个磨粒的数据分析，可以得到整体超声外圆珩磨装置的切向振动加工过程。

通过相关分析，得到单颗磨粒的加工运动轨迹方程为：

其中，dw为工件直径，mm；ω 为角频率，rad/s；ωm为速度，rad/s；Φ 为初始相位值；t1为运动时间，s；x、y、z 为坐标数值；A 为常数；vm为轴向运动速度，mm/s。

材料加工去除率是指零件进行磨削加工时，单位时间内刀具对材料去除的质量。在外圆超声珩磨加工工艺中，该指标是指单位时间内油石对零件材料去除的质量。在零部件加工过程中，磨粒是无法全部加入实际加工的，超声珩磨加工使磨粒的参与数量比普通磨削更多，使加工效率提升，材料去除率也较普通磨削高。

如图3 所示，为单颗粒材料加工去除率示意图。通过分析可知，对外圆超声珩磨加工有影响的指标包括油石尺寸大小、油石结构外形、工艺设计参数以及超声设计参数。

图3 单颗磨粒材料加工去除率示意图

4 渐开线花键拉刀试验成品对比

通过实际的试验分析，对渐开线花键拉刀表面质量的形成影响因素较多，包括磨床精度、工作环境湿度、温度、冷却液的选择等，但最主要的影响因素主要有三个，包括回转速度、磨头往复速度以及加工深度。其中，工件转速越高，工件的表面粗糙度越小；加工深度越大，表面粗糙度先减小后增大，主要原因是当加工深度超过一定数值之后会使磨粒遭到破环，磨粒的破碎、黏连等现象会破磨粒的磨削能力，使零部件表面质量降低。

对比普通磨削、切向振动加工和径向振动加工三种加工方式，设置最佳转速为230 r/min，工件粗糙度值随着珩磨深度的增加先渐小后增大。由图4可知，当珩磨深度达到20 μm 时，三种方式粗糙度最低。

图4 加工深度对比图

依据上述试验结果进行参数设置，运用三种不同的加工方式对渐开线花键拉刀进行加工。通过超景深三维测量仪对工件表面放大处理，设置标尺为100 μm，倍数设置为放大500 倍。得到表面形貌对比图如图5 所示。

图5 拉刀表面形貌对比图

通过观察图5，在图5-1 中，经过车刀进行车削加工的工件表面加工痕迹明显，存在严重损伤，划痕痕迹严重，粗糙度较大。渐开线花键拉刀是一种精密的加工刀具，经过该工序后无法达到使用要求。图5-2 是普通珩磨加工图，经过加工的拉刀表面质量虽得到了极大的改善，但仍然存在纹路不均现象。图5-3 为径向振动加工图，该图表面质量仍然较差，是由于高频、大振幅的振动破坏了砂轮磨削轨迹，造成划痕散乱，深度大。图5-4 为切向振动加工图，通过观察发现，切向超声振动加工更加适合渐开线花键拉刀的磨削加工，其加工网纹紧密且均匀，表面质量较好[1-4]。

5 结语

本文通过对普通磨削方法和超声振动磨削加工方法进行对比分析，并进行实际的试验观察，发现超声振动加工方法有效提高了拉刀的表面质量，加工网纹紧密且均匀，表面质量较好，提高了拉刀使用寿命、加工工件质量。