漸開線花鍵拉刀優(yōu)化設(shè)計(jì)

李 佳

（中國(guó)重汽集團(tuán)大同齒輪有限公司， 山西 大同 037010）

引言

漸開線花鍵拉刀是指具有一定齒升量的多齒刀具，具有耐高溫、耐磨、硬度高等特性。作為拉削加工的主要工具，拉刀廣泛應(yīng)用于花鍵孔、鍵槽等零件的拉削加工中。傳統(tǒng)的漸開線花鍵拉刀主要運(yùn)用計(jì)算的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，該方法工作量大、效率低且強(qiáng)度與容屑槽空間的計(jì)算還需依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析，使得整體設(shè)計(jì)精度較低，拉刀性能無(wú)法把控，通過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)后才可使用。本文針對(duì)上述問(wèn)題，引入CAD 與數(shù)據(jù)庫(kù)軟件實(shí)現(xiàn)拉刀參數(shù)設(shè)計(jì)，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，以實(shí)現(xiàn)拉刀設(shè)計(jì)的高效性、科學(xué)性。

1 漸開線花鍵拉刀結(jié)構(gòu)與軟件設(shè)計(jì)

漸開線花鍵拉刀主要包括刀柄、刀頸、過(guò)渡錐、切削部分、前后導(dǎo)部、校準(zhǔn)部分和支拖部分，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。工件主體部分采用正火處理后的45 鋼，漸開線花鍵拉刀的切削部分采用高速鋼W6Mo5Cr4V2 進(jìn)行加工。

圖1 漸開線花鍵拉刀結(jié)構(gòu)示意圖

切削部分和校準(zhǔn)部分為拉刀設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)部分。校準(zhǔn)部分需設(shè)計(jì)出校正齒直徑即可。切削部分設(shè)計(jì)主要為分屑槽與容屑槽的尺寸和形狀設(shè)計(jì)，其對(duì)切削部分的切削力大小和切屑形態(tài)有重要影響，科學(xué)、合理地設(shè)計(jì)分屑槽與容屑槽的尺寸和形狀可有效改善刀具特性和加工工件的質(zhì)量。

運(yùn)用軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)主要分為四大部分，包括初始條件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和刀齒坐標(biāo)計(jì)算。其完整的設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。初始條件設(shè)計(jì)包括對(duì)模數(shù)、分度圓壓力角與弧齒厚、花鍵的齒數(shù)、花鍵內(nèi)徑與外徑、拉削前孔徑、拉削長(zhǎng)度、零件材料及其硬度等。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是對(duì)拉倒的刀柄、刀頸、過(guò)渡錐、切削部分、前后導(dǎo)部、校準(zhǔn)部分和支拖部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，其方法為運(yùn)用數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)結(jié)合拉刀標(biāo)準(zhǔn)，輸入軟件后會(huì)自動(dòng)生成各部件設(shè)計(jì)圖。參數(shù)計(jì)算也是依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與數(shù)據(jù)完成計(jì)算，主要包括校正齒直徑、切削齒直徑、齒升量、周長(zhǎng)等具體設(shè)計(jì)參數(shù)。最后一步為刀齒坐標(biāo)計(jì)算，傳統(tǒng)的齒輪參數(shù)與齒輪與花鍵齒形參數(shù)計(jì)算多依據(jù)公式得出結(jié)論。該方法效率低下且出錯(cuò)概率大，同時(shí)計(jì)算結(jié)果大多為近似值，需大量實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)構(gòu)才可投入使用。本設(shè)計(jì)應(yīng)用上述設(shè)計(jì)所形成的坐標(biāo)值來(lái)計(jì)算完成，提高了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，提高了設(shè)計(jì)效率[1-2]。

圖2 漸開線花鍵拉刀設(shè)計(jì)流程圖

2 漸開線花鍵拉刀設(shè)計(jì)數(shù)值模擬

對(duì)整個(gè)拉削過(guò)程進(jìn)行仿真模擬較為復(fù)雜，通過(guò)對(duì)一個(gè)切齒的加工切削仿真分析可以推導(dǎo)出整個(gè)拉削過(guò)程的模擬分析。將拉刀刀齒與上述設(shè)計(jì)模型導(dǎo)入軟件中，運(yùn)用四面體單元離散化處理刀具與工件，并進(jìn)行關(guān)鍵部分細(xì)化處理，即可生成有限元分析模型。其數(shù)學(xué)模型公式為：

式中：σ 為流變應(yīng)力，kPa；m、n、B、C、D、E 為常數(shù)；ε為塑性應(yīng)變；ε0為參考應(yīng)變率；T 為融化溫度。

切屑的分離準(zhǔn)則主要分為三種：切屑會(huì)在刀具與工件接觸點(diǎn)應(yīng)力大于0.1 MPa 時(shí)，刀屑自動(dòng)分離;當(dāng)流動(dòng)應(yīng)力達(dá)到預(yù)設(shè)值時(shí)，刀屑自動(dòng)分離;在刀與屑接觸后，材料所受壓力大于壓力預(yù)設(shè)值時(shí)，刀屑自動(dòng)分離。

金屬的切削產(chǎn)生的摩擦力主要分布在前刀面與切屑底部之間，該加工過(guò)程存在滑動(dòng)與黏結(jié)兩種摩擦力，本文需對(duì)兩種摩擦力的影響進(jìn)行考慮。其計(jì)算公式為：

式中：μ 為摩擦系數(shù)；p 為材料正壓力，MPa。

切削過(guò)程的仿真分析與切削分離準(zhǔn)則、斷裂準(zhǔn)則相關(guān)。金屬材料的拉削加工過(guò)程會(huì)發(fā)生材料的韌性斷裂，材料在受到拉削力后會(huì)形成局部的塑性區(qū)域，載荷加大后會(huì)加大裂紋的程度，從而造成斷裂?，F(xiàn)階段韌性斷裂的控制方法為臨界值法，計(jì)算出臨界值后，當(dāng)應(yīng)力大于所計(jì)算出的臨界值就會(huì)發(fā)生斷裂。但金屬加工中的斷裂與材料屬性關(guān)系較大，不同材料擁有不同的臨界值。本文選用45 號(hào)鋼，其應(yīng)用準(zhǔn)則為Cockcroft＆Latham 準(zhǔn)則。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 切削形成過(guò)程模擬分析

通過(guò)上述設(shè)計(jì)可得，加工工件軸向長(zhǎng)為75 mm，漸開線花鍵拉刀設(shè)計(jì)切削速度為8 m/min，切削深度為0.08 mm，拉削加工需持續(xù)0.571 s。

切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度與切屑的具體形態(tài)是由刀面形狀與刀刃共同決定的。塑性切屑的卷曲大小由容屑槽決定，不同的切屑位置與容屑槽接觸位置會(huì)使工件加工的切削力發(fā)生變化，從而改變塑性切屑的卷曲程度。切屑過(guò)程中切屑間的相互干涉程度由前刀面決定，干涉程度越大會(huì)使加工消耗變大，增大切削力與切削溫度，影響切削特性。因此，合理、科學(xué)的設(shè)計(jì)前刀面與容屑槽對(duì)拉刀加工工件十分重要。

3.2 作用力變化分析

漸開線花鍵拉刀加工工件過(guò)程中拉削力大小與切屑溫度的影響因素主要為前刀面形狀、刀刃形狀、刀刃圓弧形狀以及上、下凹曲面和前刀面。圖3 為漸開線花鍵拉刀X、Y、Z 三個(gè)方向上拉削力大小變化的規(guī)律示意圖。由圖3 可知，漸開線花鍵拉刀的拉削力X 方向切削力為三方向的最大值，Y 方向次之，Z方向最小。圖中出現(xiàn)切削力波動(dòng)現(xiàn)象的主要原因?yàn)榍行寂c容屑槽接觸壓力的不同。在切屑在形成時(shí)，容屑槽與切屑的接觸位置不同導(dǎo)致壓力與摩擦力會(huì)發(fā)生變化。加工工件應(yīng)力值取950 MPa，在工件拉削加工過(guò)程中切屑如果發(fā)生彎曲，會(huì)使得加工應(yīng)力瞬間增大。漸開線花鍵拉刀切齒刀刃的應(yīng)變與應(yīng)力主要分布在刀刃的相鄰區(qū)域，漸開線花鍵拉刀切削刃的最大應(yīng)變值為167.5 MPa，符合實(shí)際的使用要求[3]。

圖3 拉刀X、Y、Z 拉削力變化規(guī)律示意圖

3.3 溫度分布規(guī)律變化分析

通過(guò)對(duì)漸開線花鍵拉刀的拉削加工過(guò)程進(jìn)行溫度分析可以得出第60 頁(yè)圖4。拉刀拉削的加工溫度主要集中在前刀面和后刀面相鄰的拉刀刀尖處，圖4 為整體的切削溫度變化規(guī)律，從圖中可以看出，加工過(guò)程中的最高溫度達(dá)到640 ℃，符合漸開線花鍵拉刀要求。

圖4 切削溫度變化規(guī)律圖

4 結(jié)語(yǔ)

漸開線花鍵拉刀作為拉削加工工藝中的主要加工刀具，其加工精度高、加工質(zhì)量好、加工效率高，廣泛應(yīng)用于各類拉削加工中。傳統(tǒng)的漸開線花鍵拉刀設(shè)計(jì)效率低下，通過(guò)引入CAD 與數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的方法簡(jiǎn)化了漸開線花鍵拉刀的設(shè)計(jì)方法，使其不再依靠傳統(tǒng)的人工計(jì)算與人工經(jīng)驗(yàn)參數(shù)確定的方法，提高了拉刀設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性與準(zhǔn)確性。通過(guò)數(shù)據(jù)模擬分析，證明該方法科學(xué)、可行，有利于漸開線花鍵拉刀的設(shè)計(jì)效率提升，提高了企業(yè)效率。