三键圆弧摆线拉刀的研制

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图1 摩托车离合器外环内孔工件图

1 引言

离合器是摩托车启动、刹车时频繁使用的关键部件，因此需具有较高的使用寿命。离合器零件的材料选择、热处理工艺、机加工精度等对其使用寿命均有直接影响。离合器外环内孔表面的传统加工方式主要采用线切割加工或铣削加工。但由于线切割加工效率低，成本高；而铣削加工的表面质量不高，因此这两种工艺方法均难以完全满足用户对产品质量的要求，且不适合于批量生产。为解决这一问题，我们通过严格的工艺分析，对图1所示的摩托车超越离合器外环内孔表面的加工设计了新的拉削加工方案，并研制开发了精加工专用刀具———三键圆弧摆线拉刀。 $ i: `+ y! w: v- r9 _# E- e

2 拉刀结构特点及主要参数

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1. 拉刀结构特点 1 ?( a; @5 G9 [' a$ l+ B/ ?
   采用拉削工艺加工离合器外环内孔表面具有加工精度高、效率高、成本低、可一次加工成型、定位准确等优点。为此专门设计的三键圆弧摆线拉刀具有以下特点： # |& {- m; e4 s0 r }

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   (a)一刀结构图

   (b)二刀结构图 图2 拉刀结构简图

   1. 根据加工要求，将拉刀设计为两支一组(如图2所示)。其中一刀主要用于完成基本的矩形齿拉削；二刀主要用于完成圆弧摆线齿拉削。这种设计可显著提高加工效率，同时又可根据拉刀磨损程度分别更换刀具，以降低刀具费用。 . g( t8 p5 |- ~
   2. 普通拉削加工一般采用分层式拉削，即拉刀的每一刀齿均分一定的齿升量，在拉床运动过程中各刀齿将工件余量渐次切除，此类拉刀的刀齿廓形比较简单，易于制造。但是，对于齿形特殊且定位精度要求较高的零件，分层式拉削很难达到加工精度要求。为保证离合器内外环的配合精度及性能要求，三键圆弧摆线拉刀的设计采用了分段造型方式，即将拉刀齿形分为三部分：拉刀前部采用圆切齿，可起定心作用，以保证内孔尺寸精度；中间部分采用拉刀基本齿形———矩形齿，以实现键侧定位并切除大部分切削余量；拉刀后部精切齿采用圆弧摆线齿，其齿廓为一条复合曲线(直线—圆弧—摆线—圆弧—15°斜线)。拉刀各部齿形如图3所示。
   3. 拉刀采用小齿升量设计，因此加工表面粗糙度好，且拉削平稳，加工质量稳定。每组拉刀可加工近千件工件，使用寿命长，可大大降低加工成本。
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2. 拉刀主要参数及技术要求 3 s$ h9 W& k) h1 ^3 v; o7 O
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   1. 拉刀主要参数
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      1. 圆弧与摆线的切点坐标，两段圆弧的圆心坐标，15°斜面与圆弧及摆线的切点坐标； # a3 ?6 g g$ v$ S1 T
      2. 摆线圆半径：R=31.293mm；
      3. 理论外径Ø=63.74mm；
      4. 拉刀键数：三键；
      5. 内孔直径：Ø=44mm。
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   2. 拉刀技术要求 8 f& p, d: B/ Q5 B+ X4 ~
      1. 校准齿径向跳动公差：0.01mm；
      2. 花键齿等分累积公差：0.015mm； R* p6 I* Q# O" Q' i
      3. 摆线齿形公差：0.015mm； w2 T$ |1 e1 A. U0 g
      4. 热处理硬度：45～52HRC；刀体硬度：63～66HRC； 5 K. g4 Y2 q7 e' n, C
      5. 两键齿中心对刀体对称度：0.015mm。

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图3 拉刀各部齿形示意图

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3 拉刀设计要点

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由于三键圆弧摆线拉刀采用奇数键，与偶数键拉刀相比，在设计与制造上增加了不少难度。其设计难点主要是拉刀齿形齿顶圆弧与摆线连接的切点以及各点坐标的确定；其制造难点主要是拉刀齿顶圆弧和摆线齿形的加工。

拉刀刀齿的齿升量是影响加工表面粗糙度的重要因素。刀齿的齿升量越小，加工表面粗糙度值越小，几何精度越高，但拉刀长度也将随之增加，直接影响拉刀强度。因此在拉刀设计时，应全面考虑拉床性能、淬火条件等工艺条件，在满足拉刀强度要求的前提下尽可能采用小齿升量。 }# `! o! v2 F

为提高拉刀设计精度和设计效率，采用了Auto-CAD 软件进行计算机辅助设计。为合理选取拉刀参数，保证拉刀强度，必须对切削力及拉刀强度进行严格校验，方法如下：

1. 拉削力的计算
   拉削力是选用拉床型号和进行拉刀强度验算的依据。影响拉削力的主要因素有：拉刀类型、截面形状、刀具几何参数、拉刀齿升量、拉削宽度、同时工作齿数、工件材料及热处理性能等。最大拉削力F_max的通用计算公式为 , I2 j7 v' l' S; E) i( R' n4 p' P2 S5 v# A. b& {4 L5 |/ D* @7 \3 c. G& {, L! D- j0 R; y

   Fmax=F'SBDZeKgKaKdKw

   (1)

   式中：F'——刀齿单位切削刃长度上的拉削力 + K; C! U( k% z
   SB_D——各刀齿切削刃的总宽度(mm)
   Z_e——最多同时工作齿数
   K_g，K_a，K_d，K_w——分别为拉刀前角、后角、刀齿锋利程度、切削液对切削力影响的修正系数(可查表选取，一般情况下亦可忽略不计)
   计算不同类型拉刀的拉削力时，式(1)的参数选择可有所不同，对于花键拉刀，拉削力计算公式为 + _, M B* O6 ~/ }2 t8 j6 y# x1 j; z* [5 k- a1 }7 Z/ Y+ r, w1 n; e8 e/ ` v/ g0 B

   Fmax=F'BNZe

   (2)

   式中：B——每个刀齿的切削刃长度 0 Z. R8 S3 a, F) j; W* M
   N——花键键数 / Z) x% _4 M( T6 ^. s. J
   Z_e——同时工作齿数
   三键圆弧摆线拉刀作为花键拉刀的一个特例，可采用式(2)计算拉削力。
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2. 拉刀强度校核
   对于横截面尺寸较小的拉刀，必须对其危险截面(最小横截面)进行强度校核，以防止拉刀断裂。在拉削过程中，拉刀除受拉削力外，还受到一定的扭曲变形影响，且引起变形的因素相当复杂(如装夹误差、淬火应力等)。因此，在进行强度计算时，除根据最大拉削力F_max计算主要拉伸变形外，考虑到其它变形的影响，还需增大安全系数。拉刀强度可用拉削过程的实际应力d与许用应力[d]的比值来进行校核。实际应力d由d=F_max/A_min求出，许用应力[d]可查表得出。若d[/d]>1，即实际应力大于许用应力，表明拉刀强度不足，则需重新调整设计参数，增大拉刀横截面，减小拉削力，以确保拉刀具有足够强度。

4 拉刀制造要点

为控制拉刀在冷、热加工工序中的应力变形，拉刀容屑槽采用曲线刃背且全型磨光，这样既有利于排屑，又可降低应力变形；在粗加工工序采取多项措施控制变形超差；采用小进刀量切削，每道工序后都对拉刀进行校直，清除残余应力；热处理后，多次磨外圆、校直、磨支承等。

制造工艺上采用六键偏心加工，然后去掉两键，保留一对称键作为基准，以保证拉刀的定位精度。 ' Y$ z: x. N# ^. P4 v# q

齿顶圆弧和摆线齿形的磨削加工是拉刀制造的关键工序。根据实际加工条件，齿形的磨削加工既可采用AutoCAD 编程在REFORM 数控花键磨床上完成，也可通过设计砂轮滚柱在普通花键磨床上完成。由于拉刀齿形是由几段不同齿形复合而成，加工时可首先单独磨出15°斜面，检验合格后再用滚柱修整砂轮齿形，加工出齿顶圆弧曲线，这样可保证齿形平滑过渡。为保证前后齿中心的一致性，采用数控花键磨床加工效果较好，一次装夹即可完成全部齿形的磨削加工。 & S# D/ y. z; t M" E

5 结语

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通过拉削试验、专家鉴定和用户使用验证，我厂研制的三键圆弧摆线拉刀完全可达到用户使用要求，使用该拉刀加工的摩托车离合器性能有较大改善。目前我厂可根据各种型号的摩托车离合器设计不同规格的拉刀，形成了三键圆弧摆线拉刀系列产品，并可进行批量生产。