李 佳

（中國重汽集團(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，拉刀性能無法把控，通過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)后才可使用。本文針對(duì)上述問題，引入CAD 與數(shù)據(jù)庫軟件實(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)拉削過程進(jìn)行仿真模擬較為復(fù)雜，通過對(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 切削形成過程模擬分析

通過上述設(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

通過對(duì)漸開線花鍵拉刀的拉削加工過程進(jìn)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(guī)律，從圖中可以看出，加工過程中的最高溫度達(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

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，通過引入CAD 與數(shù)據(jù)庫軟件的方法簡(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。