漸開線花鍵拉刀加工工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 佳

（大同齒輪有限公司， 山西 大同 037003）

引言

隨著機(jī)械制造行業(yè)的不斷發(fā)展，零件加工的工藝不斷革新，老工藝已越來越不能適應(yīng)企業(yè)發(fā)展。航天業(yè)、新能源汽車業(yè)、航空工業(yè)等新工業(yè)的發(fā)展也促使制造業(yè)朝著耐高溫、耐腐蝕、高硬度的方向發(fā)展，制造業(yè)的技術(shù)革新已大勢(shì)所趨。漸開線花鍵拉刀的傳統(tǒng)制造工藝為運(yùn)用普通磨削方法進(jìn)行表面加工，該方法具有效率低、表面質(zhì)量差、使用壽命較短的弊端。本文運(yùn)用超聲珩磨原理對(duì)漸開線花鍵拉刀進(jìn)行加工，提高拉刀表面質(zhì)量和使用壽命，提升企業(yè)生產(chǎn)加工效率。

1 漸開線花鍵拉刀普通磨削弊端分析

普通磨削是通過工件與砂輪的相對(duì)位移，砂輪上的磨粒對(duì)工件產(chǎn)生小的磨削作用而去除表面所需磨削材料部分的加工工藝。首先，普通磨削會(huì)因在實(shí)際加工過程中磨粒參與數(shù)量多少的不確定性導(dǎo)致表面質(zhì)量參差不齊，同時(shí)，未參加的磨粒有時(shí)還會(huì)對(duì)表面造成損傷。其次，由于其零件加工主要運(yùn)用砂輪，磨削角度為負(fù)角。最后，砂輪對(duì)工件的磨削會(huì)產(chǎn)生較高的溫度，對(duì)工件表面造成灼傷[1-2]。

經(jīng)過磨粒加工后的零件表面由于其參加數(shù)量和尺寸的不同會(huì)導(dǎo)致表面形成尺寸不一、形狀各異的微小劃痕。劃痕尺寸與形狀的不同會(huì)形成厚度不同的未變形切屑。切屑會(huì)使磨粒的磨削力發(fā)生改變，使得磨削強(qiáng)度發(fā)生變化。工件加工時(shí)磨削部分溫度的改變會(huì)造成砂輪磨損和工件殘余應(yīng)力的變化，使得零件表面加工質(zhì)量變差。未變形切屑示意圖如圖1所示。

圖1 磨削加工未變形切屑示意圖

2 超聲珩磨原理及設(shè)計(jì)仿真

2.1 超聲珩磨原理

超聲珩磨加工工藝依據(jù)不同的加工工件的特點(diǎn)，可將作用于珩磨頭的超聲波分為三種方式，包括徑向超聲振動(dòng)、軸向超聲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)。本文主要針對(duì)徑向與切向超聲振動(dòng)進(jìn)行研究。

外圓超聲珩磨主要是通過油石上的磨粒對(duì)工件磨削進(jìn)行加工的，磨粒的磨削可以近似看作為刀具的切削。因此通過分析單粒磨粒的切削軌跡可以推算出整體外圓超聲珩磨的加工過程，如圖2 所示。

圖2 外圓超聲珩磨振動(dòng)單粒與整體切削示意圖

外圓超聲珩磨是通過磨粒對(duì)工件磨削而加工零件的，通過計(jì)算單顆磨粒的去除量和有效磨粒數(shù)可得到外圓超聲珩磨實(shí)際的去除量。公式為：

式中：V 為整體去除量，μm3；S 為去除橫截面積，μm2；L 為加工軌跡長(zhǎng)度，μm；K 為常數(shù)項(xiàng)；b 為珩磨油石寬度，μm；l 為珩磨油石長(zhǎng)度，μm；θ 為磨粒率；dm為磨粒直徑，μm。

2.2 外圓超聲珩磨設(shè)計(jì)

外圓超聲珩磨主要由功率發(fā)生器、換能器和復(fù)合變幅桿、變幅器組成。由于漸開線花鍵拉刀的刀齒具有非連續(xù)性和錐形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，因此不采用軸向超聲振動(dòng)。本文基于上述特點(diǎn)，同時(shí)不對(duì)傳統(tǒng)的加工機(jī)床進(jìn)行較大改動(dòng)，設(shè)計(jì)出方便裝卸、工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的外圓超聲珩磨裝置。

2.2.1 功率發(fā)生器

功率發(fā)生器也叫驅(qū)動(dòng)電源，可以產(chǎn)生、傳輸能量，使裝置產(chǎn)生一定頻率諧振的發(fā)生裝置。依據(jù)不同的激勵(lì)方式，功率發(fā)生器可以分為他激式和自激式兩種。他激式是指通過接收前級(jí)發(fā)生器的信號(hào)并進(jìn)行放大，再通過變壓耦合器進(jìn)行能量傳輸?shù)?。自激式是指發(fā)生器、放大器和換能器自身形成閉合回路，再通過相位與振幅反饋生成大功率信號(hào)激發(fā)換能器，使其保持在諧振頻率下持續(xù)工作。本文中的功率發(fā)生器選擇具有頻率自動(dòng)跟蹤功能的超聲波發(fā)生器。

2.2.2 換能器

換能器主要是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件，本文中換能器主要是進(jìn)行電能與聲能的相互轉(zhuǎn)化，稱之為超聲換能器。超聲換能器有兩個(gè)作用，當(dāng)通過換能器進(jìn)行能量發(fā)射時(shí)，也叫作發(fā)射器，主要是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為聲能。當(dāng)換能器進(jìn)行能量接收時(shí)，又叫作接收器，該過程的能量轉(zhuǎn)化為：聲能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為聲能。壓電換能器是指將材料進(jìn)行極化后的電致伸縮式換能器，其原理為壓電效應(yīng)，是第一個(gè)將壓電效應(yīng)應(yīng)用于實(shí)際的產(chǎn)品。

本文中換能器選用夾心式壓電換能器，主要部件包括前后金屬蓋板、預(yù)應(yīng)力螺栓和陶瓷片三部分。該換能器具有抗壓強(qiáng)度大、穩(wěn)定性強(qiáng)、機(jī)電耦合系數(shù)大、設(shè)計(jì)頻率寬以及頻帶寬、振速比等參數(shù)可改變等特點(diǎn)，較為適合本文設(shè)計(jì)。

2.2.3 復(fù)合變幅桿

復(fù)合變幅桿又成為變速桿或聚能器，在超聲復(fù)合領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，尤其運(yùn)用于高聲強(qiáng)超聲振動(dòng)領(lǐng)域。在本設(shè)計(jì)中，復(fù)合超聲變幅桿為整個(gè)系統(tǒng)的核心器件，可放大質(zhì)點(diǎn)位移和速度，聚集超聲能量，也可以作為阻抗轉(zhuǎn)換器，使變幅器與換能器的阻抗更加匹配，暢通能量傳輸。復(fù)合變幅桿設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮三方面的因素：第一，設(shè)計(jì)中的參數(shù)設(shè)置應(yīng)準(zhǔn)確，減少參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。第二，裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單，防止復(fù)雜的裝置結(jié)構(gòu)造成試驗(yàn)誤差，影響裝置傳輸性能。第三，工作性能應(yīng)穩(wěn)定，放大系數(shù)準(zhǔn)確。

變幅桿按振動(dòng)形式可以分為彎振、扭振、縱振和彎扭復(fù)合振動(dòng)四種，工業(yè)領(lǐng)域使用較多的為縱振形式。按母線形狀可以分為階梯形、指數(shù)形、懸鏈形、圓錐形、高斯曲線、正弦曲線等類型，在特殊條件下需對(duì)變幅桿的相關(guān)參數(shù)與性能進(jìn)行修改，由此還產(chǎn)生了許多復(fù)合類變幅桿。按波長(zhǎng)長(zhǎng)度可以分為1/2 波長(zhǎng)變幅桿、1/4 波長(zhǎng)變幅桿兩種。本文根據(jù)加工零件屬性，需設(shè)計(jì)一副性能穩(wěn)定、形狀變化與放大幅度較大的變幅桿，擬采用圓錐形階梯復(fù)合變幅桿。

2.3 試驗(yàn)對(duì)比分析

通過上述設(shè)計(jì)，將各部件安裝完畢后，將超聲珩磨裝置安裝到機(jī)床上，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，對(duì)漸開線花鍵拉刀進(jìn)行試驗(yàn)加工。

首先，將超聲珩磨裝置關(guān)閉，對(duì)漸開線花鍵拉刀進(jìn)行16 組試驗(yàn)加工，并用粗糙度儀進(jìn)行粗糙度測(cè)試，測(cè)量三次后算取平均值作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其試驗(yàn)過程如圖3 所示。通過測(cè)量計(jì)算，得出拉刀表面的粗糙度為Ra=0.243μm。

圖3 普通珩磨試驗(yàn)示意圖

進(jìn)行切向超聲振動(dòng)珩磨試驗(yàn)首先需對(duì)振動(dòng)珩磨進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試。啟動(dòng)聲波發(fā)生器后，將水噴至珩磨裝置，如出現(xiàn)霧化現(xiàn)象說明裝置運(yùn)行正常，可以投入使用。經(jīng)測(cè)試后，裝置正常，如圖4 所示。采用和普通珩磨加工同樣的流程，對(duì)工件表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量得：Ra=0.201μm。

圖4 切向超聲振動(dòng)珩磨試驗(yàn)示意圖

運(yùn)用同樣的方法進(jìn)行徑向超聲振動(dòng)珩磨試驗(yàn)得出的結(jié)果為：Ra=0.210μm。如圖5 所示。

圖5 徑向超聲振動(dòng)珩磨試驗(yàn)示意圖

通過對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過徑向與切向超聲振動(dòng)珩磨試驗(yàn)的漸開線花鍵拉刀其表面質(zhì)量提高較多，粗糙度降低值約為17%，粗糙度有了顯著的提高[3-5]。

3 結(jié)論

當(dāng)今，隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)制造已經(jīng)進(jìn)入4.0 時(shí)代，這標(biāo)志著對(duì)于制造加工的更高要求與更高標(biāo)準(zhǔn)。本文通過對(duì)漸開線花鍵拉刀加工工藝的研究得出以下結(jié)論：

1）普通磨削方法弊端凸顯，無(wú)法適應(yīng)漸開線花鍵拉刀加工的要求。

2）徑向、切向超聲振動(dòng)珩磨裝置的引入可顯著提高拉刀表面質(zhì)量，降低表面粗糙度，提高刀具使用壽命和生產(chǎn)效率。