小徑定心漸開線花鍵拉刀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用
北京華納齒輪有限公司謝雯
摘要本文較詳細(xì)的介紹了小徑定心漸開線花鍵拉刀的優(yōu)點(diǎn)、實(shí)用價(jià)值和設(shè)計(jì)方法。
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關(guān)鍵詞：小徑定心漸開線花鍵同軸度
1前言
拉刀是一種多齒工具，拉削時(shí)由于后一個(gè)刀齒高出前一個(gè)刀齒，從而能夠一層層地從工件上切去金屬，以獲得所要求的工件表面，拉削工藝大量應(yīng)用于孔加工，從理論上講，各種形狀的孔或槽，只要各截面形狀相同，都可以通過拉削刀來獲得。
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伴隨立式拉床的改進(jìn)和工具生產(chǎn)水平的提高而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。
2小徑定心漸開線花鍵拉刀的結(jié)構(gòu)和實(shí)用價(jià)值
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
表1小徑定心拉刀與普通拉刀拉削花鍵孔精度對比表
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，圖1即是小徑定心拉刀的示意圖，由圖可見，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1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，很多工具廠形象地把這種拉刀稱為跳齒拉刀，又叫做同心圓拉刀。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独鞴ば蛑蟮钠渌ば颍彩切枰曰ㄦI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，而花鍵心軸制造復(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。
3小徑定心漸開線花鍵拉刀的設(shè)計(jì)
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，不再述。
3.1圓切齒部分(即插圖1的第⑤部分)
(1)拉前孑L精度要高于普通拉刀的拉前孔精度，應(yīng)達(dá)到8級精度孔，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o．3一o．6mm比較好。
(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o．06—0．1mm的余量給后面與花鍵齒相同的圓齒去拉削。
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(相當(dāng)于△7)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
分屑槽的作用是減小切屑寬度，減小拉削阻力，便于切屑容納在槽中，分屑槽的深度一定
要大于齒升量，否則將不起分屑作用。近年來，對分屑槽的研究越來越深入，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(a)分屑槽數(shù)量趨向增多，一般設(shè)計(jì)手冊都是通過查表或經(jīng)驗(yàn)公式：nk＝pdo／6—7(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，沒有更多的說明，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，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(如圖5所示)，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，因此建議小徑定心拉刀頂寬超過4mm花鍵刀齒都要開分屑槽，圓孔齒部分無論直徑大小一律按槽距B＝5mm計(jì)算分屑槽數(shù)目并取成偶數(shù)。
(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(如圖6(a)所示)，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，應(yīng)避免(圖6(b))的情況。使分屑槽底部產(chǎn)生了負(fù)后角。另外，分屑槽的形式應(yīng)如圖7(a)所示，分屑槽夾角e>90°，改善散熱條件，要避免圖7(b)的情況。此外，前后刀齒上分屑槽的位置要相互錯(cuò)開：最后一個(gè)精切齒不開分屑槽等已是基本常，不多解釋。
3.2拉刀漸開花鍵齒部分的設(shè)計(jì)(圖1⑥)
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。這時(shí)漸開線花鍵拉刀齒形見圖8中的實(shí)線部分。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。見圖9。
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)齒尺寸不會很快減少和提高拉削過程的平穩(wěn)性。
4使用效果和體會
小徑定心漸開線花鍵拉刀的出現(xiàn)至今雖然時(shí)間不長，卻已顯示出很大的優(yōu)越性，我廠自1992年與美國博格瓦納公司合資以來，生產(chǎn)該公司具有多項(xiàng)專利技術(shù)的T5變速箱，為了盡快扭轉(zhuǎn)零件進(jìn)口、國內(nèi)裝配的局面，廠里很快確定了一批國產(chǎn)化零件項(xiàng)目，其中就包括各檔位齒．轂齒套，都是需要進(jìn)行漸開線拉削的零件(見表2)。
表2
顯然，按照我廠過去的拉刀精度水平不能滿足美國產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求，接到這批齒轂齒套設(shè)計(jì)任務(wù)后，我決定采用當(dāng)時(shí)國內(nèi)設(shè)計(jì)制造均在試驗(yàn)階段的小徑定心拉刀的結(jié)構(gòu)，又根據(jù)國內(nèi)工具廠的制造水平，盡可能地壓縮了花鍵圓齒交錯(cuò)排列的數(shù)目，拉刀投入使用后，生產(chǎn)出的零件經(jīng)送交美國博格瓦納公司檢測中心進(jìn)行質(zhì)量檢測認(rèn)證，均獲通過。質(zhì)量、精度都達(dá)到要求，因此獲準(zhǔn)由我廠自行生產(chǎn)，不再進(jìn)口有關(guān)零件。
實(shí)踐證明：小徑定心拉刀在使用時(shí)需要有一些其他條件的配合，如：工作臺上移式拉床；拉前孔精度要求較高等等。
我相信，隨著小徑定心拉刀的不斷推廣應(yīng)用，我們國家的花鍵拉削水平一定能跨上一個(gè)新的高度。
參考文獻(xiàn)
1《復(fù)雜刀具設(shè)計(jì)手冊》，四川人民出版社
2《拉刀設(shè)計(jì)和拉削缺陷》，吳修義