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拉刀拉削工艺及存在问题与对策 |
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作者：尚亚（上海）国际贸易公司 章宗城 来源：AI汽车制造业 |
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拉刀是一种多齿刀具，拉削过程只有主运动，没有进给运动，借助后—刀齿对前—刀齿增加齿高或齿宽来实现切削加工，一次直线或螺旋运动即完成加工，生产效率极高，精度也很高，故在汽车工业中得到广泛应用。汽车零件的平面、成型外表面、孔、成型孔、键槽和花键槽均可用拉削加工，特别是自动变速箱中的内齿轮环，拉削加工的效率更远高于一般插齿。
工件的内表面或外表面用粗加工刀刃与精加工刀刃按尺寸顺序连结排列的拉刀去加工，其特长为：极短时间实现高精度加工；可简单地加工轴向形状一致的复杂工件；每刃的切深与全部切削量等在刀具设计制造时已决定，不需熟练工去调节操作解决；加工表面质量良好，尺寸精度稳定；加工时的切削压力，使工件保持定位，夹紧稳定。
用拉刀进行拉削加工能实现高精度、高效率大量生产，即使复杂的形状也不需熟练工操作，尚可广泛适应多品种小批量生产，这是它的重要优点。
若使用数控磨床，最大限度应用CAD/CAM功能，就可能设计制作高精度、复杂的齿形拉刀。若再能融合先进的材料、热处理及涂层技术，更可满足薄壁零件、难加工材料加工等各种客户的拉削加工要求。
选择拉刀材料与表面处理
据工件材料选择拉刀材料与表面处理如表1所示。表1 据工件材料选择拉刀材料与表面处理
注：◎最适；○良好；×不可；※ 1 TiN涂层不推荐用于圆形拉刀；※ 2 刮孤内数字是刀具材料选用硬质合金时的切削速度。上表除A1S1、JIS牌号外，还有三菱公司品牌 1.高精度、长寿命的粉末高速钢拉刀
粉末高速钢的特点是其中的炭化物颗粒微细、组织均匀以及合金含量高，它比熔炼高速钢更富有韧性，耐磨性也更高。拉刀的刃齿为保持锋利性，炭化物颗粒大小很重要，熔炼高速钢炭化物颗粒大，若一脱落，刃齿很快变钝；粉末高速钢因颗粒细，易长期保持刃口锋利。拉刀若进行断续切削时，粉末高速钢的特性（强韧性）可提高加工表面质量抑制尺寸波动，特别是加工高硬度难加工材料，可比熔炼高速钢拉刀寿命高出约2倍左右（如表2所示）。表2 粉末高速钢拉刀切削加工例
注：S48C接近45号钢，FCD700相当QT700，SCr420是淬透性好的铬钢 2.各种表面处理
（1）氮化氧化：切削时为减少摩擦系数，防止被切削材料的切屑熔结在刀刃上，并提高其寿命，可对拉刀进行氮化氧化处理。其方法是在进行提高刃齿硬度的氮化处理后，再进行氧化处理。氧化处理可在刀具表面生成可含有、保存切削油的多孔氧化铁膜，随着氧化扩散深入到氮化层内部可缓和刀具硬化层梯度，提高其耐磨性。
（2）SHT处理：这是三菱公司开发的新表层处理法，原理同氮化氧化，它主要是利用专利技术大幅度地提高氮化氧化扩散渗透层的切削性能与尺寸精度。
（3）PVD涂层：利用PVD（物理气相沉积）技术，在拉刀表面沉积TiN、（AlTi）N等耐氧化性好、硬度高的膜层，现已得到广泛运用。三菱公司开发的miracle、miracle40是一种优秀的界面控制技术，它可以低于高速钢回火温度（550℃），从而克服软的母材与高硬度膜层向巨大硬度差而造成结合力差的问题，最大地发挥膜层高性能效果，也可发挥母体材料与膜层各自特性，互相补充达到最好的实用效果，以延长寿命提高效率，特别适用在较硬材料加工时。
高精度切刃锋利的拉刀再配上多种优秀的表面处理技术就可满足客户各种要求。
3.各类形状拉刀及其特点
（1）圆形拉刀：可加工高精度的圆孔，据需要在拉刀上可设计具有挤光刀齿与二段精加工刀齿。
（2）花键拉刀：花键在形状方面有具有二边互相平行的矩形花键和汽车等传递动力用的以轴与孔结合的渐开线花键。花键拉刀加工刃有2类：只有加工花键的刃齿；有切花键的前刃、后刃与圆刃交互排列的或只有后刃与圆刃交互排列的，使孔与花键同时达到精加工。
（3）细齿与锯齿拉刀：为轴与孔半永久结合用，齿形有小山形与渐开线形、锯齿形等。
（4）键槽拉刀：加工的孔与拉刀导向部之间因有导条，故可用之调整键槽深度。
（5）多角形拉刀：多角孔也可用拉刀迅速正确地加工。如扳手用的六角孔，双六角孔等各种形状也可加工。
（6）特殊形拉刀：各种复杂形状也不需熟练技术，可高精度高效加工。
（7）组合型拉刀：内孔与花键，内孔与键可用一把拉刀同时加工。
（8）螺旋拉刀有2种，即：只由外圆切削刀刃构成的；由外圆切削刀刃与齿厚切削刀刃构成的。前者用于一般汽车零件与电机零件的螺孔加工，后者用于汽车变速箱齿轮环的内齿轮加工。加工齿轮环内齿的螺旋拉刀一般称大直径螺旋拉刀，此种拉刀精度要求很高，但这样大的刀具（直径φ100～φ150mm，全长1500～2000mm），制造及测定齿形精度非常困难，故通常制成组合型螺旋拉刀（见图1），这种拉刀一般粗加工齿形部分刀齿做在本体上，用作外圆切削刃；精加工齿形部分刀齿做在环套上用作齿厚切削刃；带精密齿形的环套，其精密刀齿用作精加工需分开单独制造，在别处用齿形检查仪一面测定，一面制造，比较麻烦，组装在一起总会带来装配等误差影响精度。
图1 组合式螺旋拉刀
图2为组合式螺旋拉刀内齿轮加工剖面图。其中：①刃是图1中粗加工齿形部齿，此处刀齿渐渐升高，加工出全齿高；②刃是图1中圆刀刃，加工内齿轮环（见图3）内圆部；③刃是图1中精加工齿形部的刀齿，主要加工齿厚部，最终达到齿厚上精加工的要求。
图2 内齿轮加工剖面图
图3 内齿轮环
三菱公司具有最新型带齿轮精密测量装置的CNC拉刀齿形磨床，由于充分发挥CAD/CAM功能，位置精度极高，制成了将本体与环套合在一起的一体型螺旋拉刀（见图4）。一体型和组合型的加工余量比较如图5所示。
图4 一体型螺旋拉刀
图5 一体型和组合型的加工余量比较
将组合型的本体与环套制造成一体，就有可能减少齿厚精加工余量，提高加工齿轮精度。由于各刃齿负荷减轻，磨损量也可能减少，增大了每次重磨后的可加工零件数，并且不需要对环套拆卸、安装和相位微调整等复杂作业，也可以削减生产成本。加工齿轮的齿形精度如图6所示。
图6 加工齿轮的齿形精度
①螺旋刃沟与轴线垂直刃沟
大直径螺旋拉刀的刃沟（容屑槽）有与轴线垂直型（环沟）与螺旋沟这二种，加工时轴线垂直型切削力变动大，寿命短，螺旋刃沟切削力变动小，齿形精度与刀具寿命均提高，近年螺旋沟的需要量不断增多。
由二型的切削负荷比较可知轴线垂直刃沟的切削负荷变动大，变动负荷所造成的振动使刀齿的磨损等损伤加快，螺旋刃沟由于参与切削的刃齿数经常保持一定，切削负荷变动小、较稳定，故不但刀齿磨损等损伤小，且加工齿形精度也较能稳定保证。
表3 一体型大径螺旋拉刀切削加工例
注：mn为法向模数，PAn为法向压力角，NT为齿数。 ②螺孔加工用螺旋拉刀
汽车、电气零件等螺孔拉削加工成本、加工精度和生产效率均比电加工远为优越。
（9）平面拉刀：加工外表面的平面拉刀（包括较大的与局部较小的）。可根据被加工工件形状、夹紧方式和切削方式等不同情况应用各种各样的夹持结构（刀柄），适当地设计刀齿形状与相互排列以期达到复杂形状也能高效、高精度加工。
局部内齿（细齿）加工用拉刀：中凹的扇形齿轮，不是用拉刀全周，而仅把必要部分做出来使用即可。
（10）局部外齿加工用拉刀：凸出的扇形齿轮加工时可用局部外齿加工拉刀，拉刀为凹圆面。
（11）二段齿升平面拉刀：在铸件锻件等表面硬表皮切除时，用前加工去除硬化部分以及防止圆孔偏心时可用之。
（12）渐成法带倒角刃拉刀：为防止被加工表面质量差，切槽时键槽拉刀可采用之，以抑制角端磨损，并防止切屑刮擦键槽侧面。
（13）渐成法平面拉刀：铸件锻件表面直接用拉刀加工时，由于工件形状，会使切削力增大此时可用渐成轮切法平面拉刀。
（14）复合表面处理（虎皮色涂层）（见图7）：这是三菱公司专利的花键拉刀，它的特点是只有花键齿齿面有涂层，切削花键孔大径的外圆刃，进行了氮化氧化处理。
图7 复合表面处理
全部表面是涂层的拉刀，切削阻力大，加工表面质量异常且加工尺寸易波动，用此法可解决这些问题。
各种表面处理特性比较如表4所示。
表4 各种表面处理特性比较
 
图8 拉刀拉削状态
4. 拉刀设计主要参数的选定
拉刀设计的基本要求是：结构尽量紧凑小型化，材料要求致密。由于过长的拉刀制造困难，成本提高且使用不便，工件精度也差。因此订货时，拉刀必要的参数不要漏掉非常重要，其中切削长度、底孔直径，对拉刀全长有很大影响，但也不应据此算出过长全长。
图9 拉刀的刃形
内孔型面拉刀诸参数与所用拉床的规格（拉头卡抓部形状、尺寸、拉削能力、拉程长度和安装可能长度）与被加工工件形状、尺寸有关，正是由这些来确定的。
（1）前柄：图8所示为拉刀的拉削状态，前柄的尺寸由使用的拉床型式决定，它的形状应容易进入工件。拉头、复位头应有充分的强度，操作方便切实。
（2）前导向部：为使拉刀最前刀刃正确进入工件，前导向部应比工件长，工件有空刀槽时，应加上切削长成为工件长L。底孔径公差若是0.05mm，前导部应为g7的配合公差。
（3）前部柄长：拉刀装在拉床上应使第一刃与工件不接触，前柄长度若规定了加前导部，再考虑机床到工作台尺寸与夹具厚度，可以算出。
（4）切削长Lw：切削长是指拉刀加工工件的长度，是工件全长减去空刀槽长。切削长度短时（8mm以下）从加工稳定性（寿命、精度等）与拉刀的经济性方面考虑，推荐多次拉削。工件倒角一般不考虑，切削长度短，同时参与刃数有变化时，需考虑合适节距选定。
（5）全切削量（切削尺寸）：全切削量为精加工尺寸和底孔最小径之差；圆刃拉刀的圆刃全切削量一般选底孔直径的0.2～0.35，公差为＋0.05。
（6）第一刃的吃刀量：粗加工第一刃的吃刀量（即与相邻刃的直径差），与工件材料、硬度、拉刀种类和大小以及拉床动力有关。拉刀切刃长度变化大时，粗加工第一刃吃刀量据长度不同可分2～3级变化。
接续粗加工刃的半精加工刃，为使精加工质量好，可设计数刃（通常为4个刃）吃刀量可渐减，精加工切削刃吃刀量定为零。
（7）齿距：拉刀刀刃间的节距通常由下式算出：P=k?LW1/2，其中：P为齿距，k为系数，LW为切削长。k的取值范围为1.2～1.6，第一刃的吃刀量愈多，系数可选取愈大。
计算获得的齿距时，应使LW/P不成为整数。LW/P＞2时，可使各齿吃刀量为0.5mm。
不等齿距则适用于防止切削共振的拉刀。圆形拉刀用齿距不等可防颤振、波度，提高尺寸精度。
（8）刃沟（容屑槽）形状由齿距、刃带宽和沟深齿底圆角等构成，它影响容屑容积、刀齿强度及重磨次数等，是充分发挥拉削功能的基本参数。
拉刀的刃形如图9所示，刃沟形状各值以节距P作基准：L=0.25～0.3P，H=0.3～0.5P，R1=0.4～0.6P。这样计算决定的刃沟容积至少是切削产生切屑体积的6倍，通常可达10倍。这样可安全保证因切刃磨损造成切屑形状变化的影响。在自动加工时，也可弥补因操作者不能一刻不停监视，而可能酿成的事故，故系数据实情可取大值。
（9）前角和后角：前角和后角可据不同加工材料而选取，后角可因重磨后直径减少而造成使重磨量与各切削刃吃刀量变动，为此取其值比其他刀具小。
（10）侧后角：工件与刀齿接触面积宽则易产生切屑熔敷在刀齿上，易使精加工表面质量下降。为减少摩擦，刀齿应有侧后角，侧后角有刃带式、倒锥式和无侧后角式3类，据齿形、齿高和工件材质（调质、未调质）等来选定。
（11）后导向部：最后一刃后，设后导向部，它在最后一个精加工刃齿切削后支承工件。其直径等于圆刃精加工刃径的最小尺寸，长度大致等于直径。
（12）后柄：立式拉床需要吊起拉刀。其结构据机床的复位头工作要求决定，可按用户指示进行设计。
（13）分屑槽：圆刃或齿宽较大的刃，做出分屑槽以分断切屑防止切屑干涉，并使其流出容易。另外加工矩形花键那样的平行沟槽时，切除的切屑，由于切削力作用比切削刃的宽度宽，这样易伤及被加工出的侧面。设计出分屑槽可使切屑分断，以防止损伤侧面，相邻刃齿的分屑槽的相位应不重合，错开布置。
（14）刃长、全长：刃长=刃数×齿距，对应切削长度加上后部柄长，此长度不能超过所使用拉床的拉程。全长=前部柄长+刃长+后导向部长+后部柄长，以上必须满足拉床安装的可能长度。过于细长的拉刀，制造和使用时常产生问题，为此可将余量分成2份或2份以上设计制作2根以上拉刀，作为成套拉刀使用为好。
（15）切削预计负荷：拉削负荷应在所用拉床允许值以内，则可以切削。预计负荷乘安全系数1.8，可以算出安全负荷FS，为保险起见必须确认安全负荷在拉床允许负荷内。
（16）拉刀的强度：根据求得的安全负荷，再按公式校验拉刀的强度可否承受。
5. 拉削工艺
钻削的进给、车削的切深（背吃刀量）及进给可由操作者自由选择，但拉削每一刃的吃刀量在设计时已定，操作人只能改变切削速度。车削、铣削时一面产生切屑，同时又不断排除切屑。拉削时，全部长度的切屑必须让它收容在拉刀容屑槽（刃沟）内。为此，容屑槽的大小是重要问题，设计时应确定适于拉削长度的容屑槽容积。如果拉削比图纸上规定更长的零件时，切屑会堵塞容屑槽，常使加工表面显著恶化，切刃损伤。拉削切除切屑的长度，一定比切削长度短，约为其1/2～1/4，但切屑的厚度却相反增厚了2～4倍，增厚程度可按切削液不同而异。
图10 切屑生成状态
图10所示为切屑生成状态。拉刀与其他切削刀具一样，刀刃切入工件材料产生剪切，形成的切屑沿前刀面滑动，刀刃继续向前，剪切生成新的切屑熔敷在前面形成的切屑上，形成平行四边形层，且形成连续重叠切屑。拉刀前角宜为5°～25°，视切削条件不同可分别选定。
切屑生成时，刀刃前进方向与使切屑滑移面构成的角度称剪切角。此角对切削力、切削机理有重要作用。如图11所示，此角小，则剪切面变长，切屑变厚同时切削力增大；相反，此角大，剪切面缩短切屑薄，切削力减小。
图11 剪切角与切屑厚度
最好的切屑形状是卷得很好的涡卷形。韧性好的被加工材料常形成此种形状。切屑卷曲状态随切削长度、每刃切削量、切削液以及被加工材料的硬度、化学成分和组织状态等不同而异。
一般软材料比硬材料卷曲直径为大，铸铁那样的脆性材料，切屑不成圈，容屑槽小问题也不大。
6. 加工时的注意事项
（1）被切削材料的硬度。拉削适合的材料硬度为200~240HB，一般材料较硬比软材加工表面质量高，因软材易于在拉刀刃齿棱带上发生熔敷，造成咬入划伤。但材料过硬拉刀易磨损，寿命也会变短。
（2）底孔。圆拉刀的底孔大小由于对加工表面质量、拉刀寿命和加工精度等有巨大影响，因此必须正确良好地加工，否则会产生如下问题：底孔对安装基面（端面）必须垂直，否则拉刀会弯曲，不可能加工出高精度、高表面质量的孔；底孔小且弯的话，拉刀前导部不能进入；底孔过大，拉刀易单边接触偏心大；底孔中若有积屑瘤的脱落物或其他硬的异物存在，也是拉刀寿命减少的原因。
（3）切削速度。切削速度影响拉削加工表面质量，加工精度与拉刀寿命，应考虑工件材料的被削性选定，非常要紧，拉削速度一般2～8m/min最近达到15～40m/min。
（4）切削液。切削液对拉刀寿命影响很大，因为它可提高加工表面质量，尺寸精度，抑制拉刀磨损，并使易于排屑。
拉削较其他加工切削速度低，切削温度上升少，从重磨方面来考虑后角宜取小，但这样会使切削油难以浸透，使切屑生成、表面质量和加工精度方面呈现复杂的样态。为改善所有问题选定最适当切削液非常重要。
拉削用切削液市面上购到的不一定适合，因此必须注意。已选定合适的切削液中再混入水、润滑油、轻油等，可能使加工表面质量变坏，产生异常磨损。
（5）被加工工件壁厚。拉削孔时工件壁厚大小对孔径、圆度的加工精度有微妙的影响，拉削时工件受径向力，由于弹性变形和塑性变形而膨胀，加工后弹性恢复（回弹）大致回复原状。
加工时，变形量若过大，会有部分塑性变形残留，因此弹性回复随工件壁厚大小有很大的变化。例如，即使同一把拉刀加工工件壁厚薄的要比加工厚的孔径小，故拉削适宜加工工件定位支承基准面大且壁厚大的工件。
另外，若工件在圆周方向或切削方向壁厚变化不均时，这种现象单由刀具方面来防止是不行的，还应充分研究有关加工精度与工件形状等的相关影响。
7. 圆拉刀、花键拉刀的重磨要领
为正确重磨出前角，砂轮直径、安装角（砂轮倾斜角）必须正确设定。
8. 拉削中出现的问题与对策，如表所示。拉削中出现的问题与对策
 (end)
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(11/15/2008) |
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佳工网友 纪斌
于5/22/2014 6:25:00 PM评论说：
我在别人的拉床上加工了一批花键套，加工的华健都是一边深一边浅，孔径与基准面都是按照工艺干的。就是找不到问题。怀疑拉床的夹头不标准，想请教一下。急急急(电话：13679236446)
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