小徑定心漸開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)拉削刀來(lái)獲得。
在齒輪行業(yè)中，漸開(kāi)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(kāi)線同心圓拉刀更是近年來(lái)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(kāi)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(kāi)線花鍵刀
1——前柄部2——頸部3——過(guò)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(duì)比表
小徑定心漸開(kāi)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(jiàn)，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(jiàn)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(chēng)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(kāi)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(kāi)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(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(zhǎng)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(zhǎng)度，余量過(guò)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(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(jiàn)，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(rùn)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(rùn)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(guò)0.06mm時(shí)，潤(rùn)滑冷卻液就幾乎不能穿過(guò)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(guò)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(lái)，對(duì)分屑槽的研究越來(lái)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(cè)都是通過(guò)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(zhǎng)度)來(lái)確定分屑槽數(shù)目，沒(méi)有更多的說(shuō)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(guò)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(guò)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(mǎn)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(guó)的某種汽車(chē)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(guò)于寬大了，因此建議小徑定心拉刀頂寬超過(guò)4mm花鍵刀齒都要開(kāi)分屑槽，圓孔齒部分無(wú)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(kāi)：最后一個(gè)精切齒不開(kāi)分屑槽等已是基本常，不多解釋。
3.2拉刀漸開(kāi)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(kāi)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(kāi)線齒形部分，即磨出齒形的側(cè)隙角。這時(shí)漸開(kāi)線花鍵拉刀齒形見(jiàn)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(kāi)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(zhǎng)的漸開(kāi)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(kāi)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(méi)有齒升量，特別需要指出的是，無(wú)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(jiàn)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(huì)很快減少和提高拉削過(guò)程的平穩(wěn)性。
4使用效果和體會(huì)
小徑定心漸開(kāi)線花鍵拉刀的出現(xiàn)至今雖然時(shí)間不長(zhǎng)，卻已顯示出很大的優(yōu)越性，我廠自1992年與美國(guó)博格瓦納公司合資以來(lái)，生產(chǎn)該公司具有多項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)的T5變速箱，為了盡快扭轉(zhuǎn)零件進(jìn)口、國(guó)內(nèi)裝配的局面，廠里很快確定了一批國(guó)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(kāi)線拉削的零件(見(jiàn)表2)。
表2
顯然，按照我廠過(guò)去的拉刀精度水平不能滿(mǎn)足美國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)博格瓦納公司檢測(cè)中心進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)認(rèn)證，均獲通過(guò)。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(tái)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(guó)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(cè)》，四川人民出版社
2《拉刀設(shè)計(jì)和拉削缺陷》，吳修義