隨著機(jī)械制造行業(yè)的不斷發(fā)展，零件加工的工藝不斷革新，老工藝已越來(lái)越不能適應(yīng)企業(yè)發(fā)展。航天業(yè)、新能源汽車(chē)業(yè)、航空工業(yè)等新工業(yè)的發(fā)展也促使制造業(yè)朝著耐高溫、耐腐蝕、高硬度的方向發(fā)展，制造業(yè)的技術(shù)革新已大勢(shì)所趨。漸開(kāi)線花鍵拉刀的傳統(tǒng)制造工藝為運(yùn)用普通磨削方法進(jìn)行表面加工，該方法具有效率低、表面質(zhì)量差、使用壽命較短的弊端。本文運(yùn)用超聲珩磨原理對(duì)漸開(kāi)線花鍵拉刀進(jìn)行加工，提高拉刀表面質(zhì)量和使用壽命，提升企業(yè)生產(chǎn)加工效率。
一、漸開(kāi)線花鍵拉刀普通磨削弊端分析
普通磨削是通過(guò)工件與砂輪的相對(duì)位移，砂輪上的磨粒對(duì)工件產(chǎn)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(huì)因在實(shí)際加工過(guò)程中磨粒參與數(shù)量多少的不確定性導(dǎo)致表面質(zhì)量參差不齊，同時(shí)，未參加的磨粒有時(shí)還會(huì)對(duì)表面造成損傷。其次，由于其零件加工主要運(yùn)用砂輪，磨削角度為負(fù)角。最后，砂輪對(duì)工件的磨削會(huì)產(chǎn)生較高的溫度，對(duì)工件表面造成灼傷。
經(jīng)過(guò)磨粒加工后的零件表面由于其參加數(shù)量和尺寸的不同會(huì)導(dǎo)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(huì)形成厚度不同的未變形切屑。切屑會(huì)使磨粒的磨削力發(fā)生改變，使得磨削強(qiáng)度發(fā)生變化。工件加工時(shí)磨削部分溫度的改變會(huì)造成砂輪磨損和工件殘余應(yīng)力的變化，使得零件表面加工質(zhì)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
二、超聲珩磨原理及設(shè)計(jì)仿真
超聲珩磨原理
超聲珩磨加工工藝依據(jù)不同的加工工件的特點(diǎn)，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(dòng)、軸向超聲振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)。本文主要針對(duì)徑向與切向超聲振動(dòng)進(jìn)行研究。
外圓超聲珩磨主要是通過(guò)油石上的磨粒對(duì)工件磨削進(jìn)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(guò)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(guò)程，如圖 2 所示。
圖 2 外圓超聲珩磨振動(dòng)單粒與整體切削示意圖
外圓超聲珩磨是通過(guò)磨粒對(duì)工件磨削而加工零件的，通過(guò)計(jì)算單顆磨粒的去除量和有效磨粒數(shù)可得到外圓超聲珩磨實(shí)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(zhǎng)度，μm；K 為常數(shù)項(xiàng)；b 為珩磨油石寬度，μm；l 為珩磨油石長(zhǎng)度，μm；θ 為磨粒率；dm為磨粒直徑，μm。
外圓超聲珩磨設(shè)計(jì)
外圓超聲珩磨主要由功率發(fā)生器、換能器和復(fù)合變幅桿、變幅器組成。由于漸開(kāi)線花鍵拉刀的刀齒具有非連續(xù)性和錐形結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，因此不采用軸向超聲振動(dòng)。本文基于上述特點(diǎn)，同時(shí)不對(duì)傳統(tǒng)的加工機(jī)床進(jìn)行較大改動(dòng)，設(shè)計(jì)出方便裝卸、工作穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的外圓超聲珩磨裝置。
1.功率發(fā)生器
功率發(fā)生器也叫驅(qū)動(dòng)電源，可以產(chǎn)生、傳輸能量，使裝置產(chǎn)生一定頻率諧振的發(fā)生裝置。依據(jù)不同的激勵(lì)方式，功率發(fā)生器可以分為他激式和自激式兩種。他激式是指通過(guò)接收前級(jí)發(fā)生器的信號(hào)并進(jìn)行放大，再通過(guò)變壓耦合器進(jìn)行能量傳輸?shù)?。自激式是指發(fā)生器、放大器和換能器自身形成閉合回路，再通過(guò)相位與振幅反饋生成大功率信號(hào)激發(fā)換能器，使其保持在諧振頻率下持續(xù)工作。本文中的功率發(fā)生器選擇具有頻率自動(dòng)跟蹤功能的超聲波發(fā)生器。
2.換能器
換能器主要是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的器件，本文中換能器主要是進(jìn)行電能與聲能的相互轉(zhuǎn)化，稱之為超聲換能器。超聲換能器有兩個(gè)作用，當(dāng)通過(guò)換能器進(jìn)行能量發(fā)射時(shí)，也叫作發(fā)射器，主要是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，再將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為聲能。當(dāng)換能器進(jìn)行能量接收時(shí)，又叫作接收器，該過(guò)程的能量轉(zhuǎn)化為：聲能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為聲能。壓電換能器是指將材料進(jìn)行極化后的電致伸縮式換能器，其原理為壓電效應(yīng)，是第一個(gè)將壓電效應(yīng)應(yīng)用于實(shí)際的產(chǎn)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(yù)應(yīng)力螺栓和陶瓷片三部分。該換能器具有抗壓強(qiáng)度大、穩(wěn)定性強(qiáng)、機(jī)電耦合系數(shù)大、設(shè)計(jì)頻率寬以及頻帶寬、振速比等參數(shù)可改變等特點(diǎn)，較為適合本文設(shè)計(jì)。
3.復(fù)合變幅桿
復(fù)合變幅桿又成為變速桿或聚能器，在超聲復(fù)合領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛，尤其運(yùn)用于高聲強(qiáng)超聲振動(dòng)領(lǐng)域。在本設(shè)計(jì)中，復(fù)合超聲變幅桿為整個(gè)系統(tǒng)的核心器件，可放大質(zhì)點(diǎn)位移和速度，聚集超聲能量，也可以作為阻抗轉(zhuǎn)換器，使變幅器與換能器的阻抗更加匹配，暢通能量傳輸。復(fù)合變幅桿設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮三方面的因素：第一，設(shè)計(jì)中的參數(shù)設(shè)置應(yīng)準(zhǔn)確，減少參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。第二，裝置結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單，防止復(fù)雜的裝置結(jié)構(gòu)造成試驗(yàn)誤差，影響裝置傳輸性能。第三，工作性能應(yīng)穩(wěn)定，放大系數(shù)準(zhǔn)確。
變幅桿按振動(dòng)形式可以分為彎振、扭振、縱振和彎扭復(fù)合振動(dòng)四種，工業(yè)領(lǐng)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(shù)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(duì)變幅桿的相關(guān)參數(shù)與性能進(jìn)行修改，由此還產(chǎn)生了許多復(fù)合類變幅桿。按波長(zhǎng)長(zhǎng)度可以分為 1/2 波長(zhǎng)變幅桿、1/4 波長(zhǎng)變幅桿兩種。本文根據(jù)加工零件屬性，需設(shè)計(jì)一副性能穩(wěn)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(fù)合變幅桿。
試驗(yàn)對(duì)比分析
通過(guò)上述設(shè)計(jì)，將各部件安裝完畢后，將超聲珩磨裝置安裝到機(jī)床上，設(shè)置好相關(guān)參數(shù)后，對(duì)漸開(kāi)線花鍵拉刀進(jìn)行試驗(yàn)加工。
首先，將超聲珩磨裝置關(guān)閉，對(duì)漸開(kāi)線花鍵拉刀進(jìn)行 16 組試驗(yàn)加工，并用粗糙度儀進(jìn)行粗糙度測(cè)試，測(cè)量三次后算取平均值作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其試驗(yàn)過(guò)程如圖 3 所示。通過(guò)測(cè)量計(jì)算，得出拉刀表面的粗糙度為 Ra=0.243μm。
圖 3 普通珩磨試驗(yàn)示意圖
進(jìn)行切向超聲振動(dòng)珩磨試驗(yàn)首先需對(duì)振動(dòng)珩磨進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)試。啟動(dòng)聲波發(fā)生器后，將水噴至珩磨裝置，如出現(xiàn)霧化現(xiàn)象說(shuō)明裝置運(yùn)行正常，可以投入使用。經(jīng)測(cè)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(duì)工件表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量得：Ra=0.201μm。
圖 4 切向超聲振動(dòng)珩磨試驗(yàn)示意圖
運(yùn)用同樣的方法進(jìn)行徑向超聲振動(dòng)珩磨試驗(yàn)得出的結(jié)果為：Ra=0.210μm。如圖 5 所示。
圖 5 徑向超聲振動(dòng)珩磨試驗(yàn)示意圖
通過(guò)對(duì)比數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)徑向與切向超聲振動(dòng)珩磨試驗(yàn)的漸開(kāi)線花鍵拉刀其表面質(zhì)量提高較多，粗糙度降低值約為 17%，粗糙度有了顯著的提高。
三、結(jié)論
當(dāng)今，隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，工業(yè)制造已經(jīng)進(jìn)入 4.0 時(shí)代，這標(biāo)志著對(duì)于制造加工的更高要求與更高標(biāo)準(zhǔn)。本文通過(guò)對(duì)漸開(kāi)線花鍵拉刀加工工藝的研究得出以下結(jié)論：
1)普通磨削方法弊端凸顯，無(wú)法適應(yīng)漸開(kāi)線花鍵拉刀加工的要求。
2)徑向、切向超聲振動(dòng)珩磨裝置的引入可顯著提高拉刀表面質(zhì)量，降低表面粗糙度，提高刀具使用壽命和生產(chǎn)效率。