一種拉削工藝缺陷的分析及改進(jìn)措施

文/張光燦 徐 華 田 耕（安徽星瑞齒輪傳動(dòng)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(jìn)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(chǎn)效率極高，在大批量生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。但應(yīng)用拉削工藝加工產(chǎn)品后，刀具出口端經(jīng)常會產(chǎn)生豁口缺陷，影響后續(xù)加工。本文對此問題進(jìn)行探討分析，提出改進(jìn)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(gè)方面：一是公司生產(chǎn)的變速器齒輪在拉削鍵槽后，工件刀具出口端出現(xiàn)嚴(yán)重的豁口、表面粗糙度值高、翻邊嚴(yán)重的問題；二是采購的新刀具使用壽命短，拉削后出現(xiàn)多個(gè)刀齒崩刃，且崩刃位置與工件豁口的位置相對應(yīng)；三是刀具刃磨后拉削產(chǎn)品的鐵屑厚度偏厚，有明顯擠壓現(xiàn)象，卷屑效果差或不卷屑，形狀不規(guī)則，表面有拉痕不光滑，以及出現(xiàn)粘刀、卡刀嚴(yán)重等不良現(xiàn)象。

二、產(chǎn)生拉削豁口的原因分析

根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)分析，產(chǎn)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(shè)計(jì)、刀具的刃磨三個(gè)方面分別進(jìn)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(jīng)鍛造、正火、粗精車后進(jìn)行拉削。由于受工件材料末端淬透性及公司現(xiàn)有正火設(shè)備的冷卻速度限制，工件表面硬度只能達(dá)到HB160～180[1]。而《機(jī)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(shí)，拉削才能獲得較好的表面質(zhì)量，工件硬度低于HB170 或高于HB240 時(shí)，拉削后表面質(zhì)量較差[2]。

2.拉刀設(shè)計(jì)驗(yàn)算

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

驗(yàn)算表明，刀具設(shè)計(jì)圖紙中前角、切屑齒刃帶寬、校準(zhǔn)齒后角不符合設(shè)計(jì)手冊要求。前角越大，刀具越鋒利，但過大會降低刃口強(qiáng)度。刃帶主要作用是保證刀具拉削的穩(wěn)定性，延長刀具使用壽命。分析認(rèn)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(dǎo)致新刀使用壽命低的主要因素。因此拉刀的設(shè)計(jì)還需要進(jìn)行優(yōu)化，以降低產(chǎn)品拉削時(shí)缺陷產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 拉刀設(shè)計(jì)驗(yàn)算

3.刀具刃磨

（1）容屑槽深度h與容屑槽底部R角的關(guān)系。通常拉刀容屑槽深度h與容屑槽底部R角約成2 倍關(guān)系[2]。該產(chǎn)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(dǎo)致了鐵屑在容屑槽內(nèi)不易卷起，形成擠軋，鐵屑卷屑效果差，出現(xiàn)形狀不規(guī)則和卡刀現(xiàn)象。

（2）刀具前角角度的刃磨。刀具前角主要根據(jù)工件材料的拉削性能選取，當(dāng)拉削韌性金屬材料時(shí)應(yīng)選擇較大前角；拉削脆性金屬材料，如鑄鐵、青銅等，應(yīng)選擇較小的前角。查手冊中表4.1-27 鋼硬度≤HB229 時(shí)，前角為15°[2]，而刀具刃磨后前角25.108°，見圖1。分析認(rèn)為，刀具前角過大導(dǎo)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(dǎo)致了拉削拽肉及出口端殘缺、豁口問題。

圖1 改進(jìn)前刀具檢測數(shù)據(jù)

（3）前刀面的刃磨。經(jīng)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(shí)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(rèn)為，凸棱產(chǎn)生的原因?yàn)榈毒吣ハ鬟M(jìn)給量過大造成的翻邊，而塌陷則是拉削時(shí)凸棱被擠壓脫落造成的。在刀具正常使用時(shí)很難目測到凸棱，因此刃口產(chǎn)生塌陷后使得刀具過快的鈍化，導(dǎo)致切削不暢。

三、改進(jìn)措施及驗(yàn)證效果

1.改進(jìn)措施

調(diào)整刀具前角角度、加大刃帶寬度，提高拉削過程穩(wěn)定性、延長刀具使用壽命、降低崩刃風(fēng)險(xiǎn)；選用鎢鉬系高速鋼，其具有高耐磨、高韌性、高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，提高切削性能、延長刀具使用壽命、降低崩刃風(fēng)險(xiǎn)；調(diào)整刀具刃磨角度，優(yōu)化刀具刃磨參數(shù)，提高刃磨效果；更換刃磨砂輪的規(guī)格、調(diào)整刃磨程序，優(yōu)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(huán)境溫度，調(diào)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(yàn)證效果

拉削后產(chǎn)品沒有出現(xiàn)豁口現(xiàn)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(xiàn)象，粗糙度檢測為0.25，滿足了刀具設(shè)計(jì)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(tài)，拉削后卷屑效果良好，鐵屑形狀規(guī)則，無擠壓拉傷痕跡。

圖2 改進(jìn)后拉削出口端輪廓

圖3 改進(jìn)后刀具檢測數(shù)據(jù)

四、結(jié)語

本文針對公司變速器齒輪拉削加工后產(chǎn)品的刀具出口端產(chǎn)生豁口缺陷的問題，從理論刀具設(shè)計(jì)、實(shí)際刀具刃磨效果及被加工工件拉削條件進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，使拉削效果得到明顯改善，并分享了拉削缺陷產(chǎn)生原因及改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)。