漸開線花鍵拉刀加工工藝優化設計

李 佳

（大同齒輪有限公司， 山西 大同 037003）

引言

隨著機械制造行業的不斷發展，零件加工的工藝不斷革新，老工藝已越來越不能適應企業發展。航天業、新能源汽車業、航空工業等新工業的發展也促使制造業朝著耐高溫、耐腐蝕、高硬度的方向發展，制造業的技術革新已大勢所趨。漸開線花鍵拉刀的傳統制造工藝為運用普通磨削方法進行表面加工，該方法具有效率低、表面質量差、使用壽命較短的弊端。本文運用超聲珩磨原理對漸開線花鍵拉刀進行加工，提高拉刀表面質量和使用壽命，提升企業生產加工效率。

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位移，砂輪上的磨粒對工件產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，普通磨削會因在實際加工過程中磨粒參與數量多少的不確定性導致表面質量參差不齊，同時，未參加的磨粒有時還會對表面造成損傷。其次，由于其零件加工主要運用砂輪，磨削角度為負角。最后，砂輪對工件的磨削會產生較高的溫度，對工件表面造成灼傷[1-2]。

經過磨粒加工后的零件表面由于其參加數量和尺寸的不同會導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形成厚度不同的未變形切屑。切屑會使磨粒的磨削力發生改變，使得磨削強度發生變化。工件加工時磨削部分溫度的改變會造成砂輪磨損和工件殘余應力的變化，使得零件表面加工質量變差。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 超聲珩磨原理及設計仿真

2.1 超聲珩磨原理

超聲珩磨加工工藝依據不同的加工工件的特點，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、軸向超聲振動和扭轉超聲振動。本文主要針對徑向與切向超聲振動進行研究。

外圓超聲珩磨主要是通過油石上的磨粒對工件磨削進行加工的，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 外圓超聲珩磨振動單粒與整體切削示意圖

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

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

2.2 外圓超聲珩磨設計

外圓超聲珩磨主要由功率發生器、換能器和復合變幅桿、變幅器組成。由于漸開線花鍵拉刀的刀齒具有非連續性和錐形結構的特點，因此不采用軸向超聲振動。本文基于上述特點，同時不對傳統的加工機床進行較大改動，設計出方便裝卸、工作穩定、結構簡單的外圓超聲珩磨裝置。

2.2.1 功率發生器

功率發生器也叫驅動電源，可以產生、傳輸能量，使裝置產生一定頻率諧振的發生裝置。依據不同的激勵方式，功率發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發生器的信號并進行放大，再通過變壓耦合器進行能量傳輸的。自激式是指發生器、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激發換能器，使其保持在諧振頻率下持續工作。本文中的功率發生器選擇具有頻率自動跟蹤功能的超聲波發生器。

2.2.2 換能器

換能器主要是進行能量轉換的器件，本文中換能器主要是進行電能與聲能的相互轉化，稱之為超聲換能器。超聲換能器有兩個作用，當通過換能器進行能量發射時，也叫作發射器，主要是將電能轉化為機械能，再將機械能轉化為聲能。當換能器進行能量接收時，又叫作接收器，該過程的能量轉化為：聲能轉化為機械能，機械能轉化為聲能。壓電換能器是指將材料進行極化后的電致伸縮式換能器，其原理為壓電效應，是第一個將壓電效應應用于實際的產品。

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、預應力螺栓和陶瓷片三部分。該換能器具有抗壓強度大、穩定性強、機電耦合系數大、設計頻率寬以及頻帶寬、振速比等參數可改變等特點，較為適合本文設計。

2.2.3 復合變幅桿

復合變幅桿又成為變速桿或聚能器，在超聲復合領域中應用廣泛，尤其運用于高聲強超聲振動領域。在本設計中，復合超聲變幅桿為整個系統的核心器件，可放大質點位移和速度，聚集超聲能量，也可以作為阻抗轉換器，使變幅器與換能器的阻抗更加匹配，暢通能量傳輸。復合變幅桿設計主要應考慮三方面的因素：第一，設計中的參數設置應準確，減少參數對試驗結果的影響。第二，裝置結構應簡單，防止復雜的裝置結構造成試驗誤差，影響裝置傳輸性能。第三，工作性能應穩定，放大系數準確。

變幅桿按振動形式可以分為彎振、扭振、縱振和彎扭復合振動四種，工業領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，在特殊條件下需對變幅桿的相關參數與性能進行修改，由此還產生了許多復合類變幅桿。按波長長度可以分為1/2 波長變幅桿、1/4 波長變幅桿兩種。本文根據加工零件屬性，需設計一副性能穩定、形狀變化與放大幅度較大的變幅桿，擬采用圓錐形階梯復合變幅桿。

2.3 試驗對比分析

通過上述設計，將各部件安裝完畢后，將超聲珩磨裝置安裝到機床上，設置好相關參數后，對漸開線花鍵拉刀進行試驗加工。

首先，將超聲珩磨裝置關閉，對漸開線花鍵拉刀進行16 組試驗加工，并用粗糙度儀進行粗糙度測試，測量三次后算取平均值作為試驗數據，其試驗過程如圖3 所示。通過測量計算，得出拉刀表面的粗糙度為Ra=0.243μm。

圖3 普通珩磨試驗示意圖

進行切向超聲振動珩磨試驗首先需對振動珩磨進行試驗調試。啟動聲波發生器后，將水噴至珩磨裝置，如出現霧化現象說明裝置運行正常，可以投入使用。經測試后，裝置正常，如圖4 所示。采用和普通珩磨加工同樣的流程，對工件表面粗糙度進行測量得：Ra=0.201μm。

圖4 切向超聲振動珩磨試驗示意圖

運用同樣的方法進行徑向超聲振動珩磨試驗得出的結果為：Ra=0.210μm。如圖5 所示。

圖5 徑向超聲振動珩磨試驗示意圖

通過對比數據發現，經過徑向與切向超聲振動珩磨試驗的漸開線花鍵拉刀其表面質量提高較多，粗糙度降低值約為17%，粗糙度有了顯著的提高[3-5]。

3 結論

當今，隨著制造業的不斷發展，工業制造已經進入4.0 時代，這標志著對于制造加工的更高要求與更高標準。本文通過對漸開線花鍵拉刀加工工藝的研究得出以下結論：

1）普通磨削方法弊端凸顯，無法適應漸開線花鍵拉刀加工的要求。

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