漸開線花鍵拉刀優化設計

李 佳

（中國重汽集團大同齒輪有限公司， 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，拉刀廣泛應用于花鍵孔、鍵槽等零件的拉削加工中。傳統的漸開線花鍵拉刀主要運用計算的方法進行設計，該方法工作量大、效率低且強度與容屑槽空間的計算還需依靠個人經驗進行分析，使得整體設計精度較低，拉刀性能無法把控，通過多次重復實驗后才可使用。本文針對上述問題，引入CAD 與數據庫軟件實現拉刀參數設計，并對其進行數值模擬，以實現拉刀設計的高效性、科學性。

1 漸開線花鍵拉刀結構與軟件設計

漸開線花鍵拉刀主要包括刀柄、刀頸、過渡錐、切削部分、前后導部、校準部分和支拖部分，其結構示意圖如圖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 進行加工。

圖1 漸開線花鍵拉刀結構示意圖

切削部分和校準部分為拉刀設計的主要設計部分。校準部分需設計出校正齒直徑即可。切削部分設計主要為分屑槽與容屑槽的尺寸和形狀設計，其對切削部分的切削力大小和切屑形態有重要影響，科學、合理地設計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量。

運用軟件進行設計主要分為四大部分，包括初始條件設計、結構設計、參數計算和刀齒坐標計算。其完整的設計流程如圖2 所示。初始條件設計包括對模數、分度圓壓力角與弧齒厚、花鍵的齒數、花鍵內徑與外徑、拉削前孔徑、拉削長度、零件材料及其硬度等。結構設計主要是對拉倒的刀柄、刀頸、過渡錐、切削部分、前后導部、校準部分和支拖部分進行設計，其方法為運用數據庫中的數據結合拉刀標準，輸入軟件后會自動生成各部件設計圖。參數計算也是依據相關標準與數據完成計算，主要包括校正齒直徑、切削齒直徑、齒升量、周長等具體設計參數。最后一步為刀齒坐標計算，傳統的齒輪參數與齒輪與花鍵齒形參數計算多依據公式得出結論。該方法效率低下且出錯概率大，同時計算結果大多為近似值，需大量實驗來驗證計算結構才可投入使用。本設計應用上述設計所形成的坐標值來計算完成，提高了計算結果的準確性，提高了設計效率[1-2]。

圖2 漸開線花鍵拉刀設計流程圖

2 漸開線花鍵拉刀設計數值模擬

對整個拉削過程進行仿真模擬較為復雜，通過對一個切齒的加工切削仿真分析可以推導出整個拉削過程的模擬分析。將拉刀刀齒與上述設計模型導入軟件中，運用四面體單元離散化處理刀具與工件，并進行關鍵部分細化處理，即可生成有限元分析模型。其數學模型公式為：

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

切屑的分離準則主要分為三種：切屑會在刀具與工件接觸點應力大于0.1 MPa 時，刀屑自動分離;當流動應力達到預設值時，刀屑自動分離;在刀與屑接觸后，材料所受壓力大于壓力預設值時，刀屑自動分離。

金屬的切削產生的摩擦力主要分布在前刀面與切屑底部之間，該加工過程存在滑動與黏結兩種摩擦力，本文需對兩種摩擦力的影響進行考慮。其計算公式為：

式中：μ 為摩擦系數；p 為材料正壓力，MPa。

切削過程的仿真分析與切削分離準則、斷裂準則相關。金屬材料的拉削加工過程會發生材料的韌性斷裂，材料在受到拉削力后會形成局部的塑性區域，載荷加大后會加大裂紋的程度，從而造成斷裂。現階段韌性斷裂的控制方法為臨界值法，計算出臨界值后，當應力大于所計算出的臨界值就會發生斷裂。但金屬加工中的斷裂與材料屬性關系較大，不同材料擁有不同的臨界值。本文選用45 號鋼，其應用準則為Cockcroft＆Latham 準則。

3 數值模擬分析

3.1 切削形成過程模擬分析

通過上述設計可得，加工工件軸向長為75 mm，漸開線花鍵拉刀設計切削速度為8 m/min，切削深度為0.08 mm，拉削加工需持續0.571 s。

切屑與前刀面的接觸長度與切屑的具體形態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使工件加工的切削力發生變化，從而改變塑性切屑的卷曲程度。切屑過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、科學的設計前刀面與容屑槽對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 三個方向上拉削力大小變化的規律示意圖。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。圖中出現切削力波動現象的主要原因為切屑與容屑槽接觸壓力的不同。在切屑在形成時，容屑槽與切屑的接觸位置不同導致壓力與摩擦力會發生變化。加工工件應力值取950 MPa，在工件拉削加工過程中切屑如果發生彎曲，會使得加工應力瞬間增大。漸開線花鍵拉刀切齒刀刃的應變與應力主要分布在刀刃的相鄰區域，漸開線花鍵拉刀切削刃的最大應變值為167.5 MPa，符合實際的使用要求[3]。

圖3 拉刀X、Y、Z 拉削力變化規律示意圖

3.3 溫度分布規律變化分析

通過對漸開線花鍵拉刀的拉削加工過程進行溫度分析可以得出第60 頁圖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律，從圖中可以看出，加工過程中的最高溫度達到640 ℃，符合漸開線花鍵拉刀要求。

圖4 切削溫度變化規律圖

4 結語

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、加工質量好、加工效率高，廣泛應用于各類拉削加工中。傳統的漸開線花鍵拉刀設計效率低下，通過引入CAD 與數據庫軟件的方法簡化了漸開線花鍵拉刀的設計方法，使其不再依靠傳統的人工計算與人工經驗參數確定的方法，提高了拉刀設計的科學性、合理性與準確性。通過數據模擬分析，證明該方法科學、可行，有利于漸開線花鍵拉刀的設計效率提升，提高了企業效率。