一种拉削工艺缺陷的分析及改进措施

文/张光灿 徐 华 田 耕（安徽星瑞齿轮传动有限公司）

拉削工艺可以对工件的各种截面形状的通孔及特殊形状的外表面进行加工，一次切削行程可完成粗切、半精切及精切加工，加工精度高，表面粗糙度值低，生产效率极高，在大批量生产中得到广泛应用。但应用拉削工艺加工产品后，刀具出口端经常会产生豁口缺陷，影响后续加工。本文对此问题进行探讨分析，提出改进措施。

一、拉削豁口缺陷的描述

拉削豁口缺陷主要有以下几个方面：一是公司生产的变速器齿轮在拉削键槽后，工件刀具出口端出现严重的豁口、表面粗糙度值高、翻边严重的问题；二是采购的新刀具使用寿命短，拉削后出现多个刀齿崩刃，且崩刃位置与工件豁口的位置相对应；三是刀具刃磨后拉削产品的铁屑厚度偏厚，有明显挤压现象，卷屑效果差或不卷屑，形状不规则，表面有拉痕不光滑，以及出现粘刀、卡刀严重等不良现象。

二、产生拉削豁口的原因分析

根据加工经验分析，产生拉削豁口的原因可能是刀具的前角偏大、刀具的容屑槽形状不合适以及被加工工件硬度低。因此从被加工工件、刀具的设计、刀具的刃磨三个方面分别进行理论分析。

1.被加工工件的拉削条件

被加工工件材料为20CrMnTiH2 钢材，经锻造、正火、粗精车后进行拉削。由于受工件材料末端淬透性及公司现有正火设备的冷却速度限制，工件表面硬度只能达到HB160～180[1]。而《机械加工工艺手册》（以下简称手册）中明确指出工件表面硬度在HB180～210 时，拉削才能获得较好的表面质量，工件硬度低于HB170 或高于HB240 时，拉削后表面质量较差[2]。

2.拉刀设计验算

公司拉键槽工序采用的拉刀为分层同廓式。依据手册对所使用的拉刀图纸进行验算，验算内容包括刀具齿升量、刀齿几何参数（前角γ0、后角α0、刃带宽ba1）、刀具容屑槽及容屑槽系数、刀齿齿距[2]。（详见表1）

验算表明，刀具设计图纸中前角、切屑齿刃带宽、校准齿后角不符合设计手册要求。前角越大，刀具越锋利，但过大会降低刃口强度。刃带主要作用是保证刀具拉削的稳定性，延长刀具使用寿命。分析认为，公司工件自身拉削条件较差且刀具前角偏大、刃带窄，是导致新刀使用寿命低的主要因素。因此拉刀的设计还需要进行优化，以降低产品拉削时缺陷产生的风险。

表1 拉刀设计验算

3.刀具刃磨

（1）容屑槽深度h与容屑槽底部R角的关系。通常拉刀容屑槽深度h与容屑槽底部R角约成2 倍关系[2]。该产品刀具刃磨后容屑槽h=5.7mm，容屑槽R角约为1.5mm，h为R的3.8 倍，导致了铁屑在容屑槽内不易卷起，形成挤轧，铁屑卷屑效果差，出现形状不规则和卡刀现象。

（2）刀具前角角度的刃磨。刀具前角主要根据工件材料的拉削性能选取，当拉削韧性金属材料时应选择较大前角；拉削脆性金属材料，如铸铁、青铜等，应选择较小的前角。查手册中表4.1-27 钢硬度≤HB229 时，前角为15°[2]，而刀具刃磨后前角25.108°，见图1。分析认为，刀具前角过大导致了刀齿崩刃，刀具异常钝化，继而造成切削不畅、铁屑大面积粘刀、铁屑卡在刀具容屑槽处不能自由脱落，最终导致了拉削拽肉及出口端残缺、豁口问题。

图1 改进前刀具检测数据

（3）前刀面的刃磨。经检测，刃磨后刀具刃口处存在宽约0.1～0.3mm、高约0.1mm 凸棱，且前刀面粗糙度实测1.6 以上。而在拉削工件后，该凸棱演变成了宽0.067mm、深0.425mm 的塌陷，见图1。分析认为，凸棱产生的原因为刀具磨削进给量过大造成的翻边，而塌陷则是拉削时凸棱被挤压脱落造成的。在刀具正常使用时很难目测到凸棱，因此刃口产生塌陷后使得刀具过快的钝化，导致切削不畅。

三、改进措施及验证效果

1.改进措施

调整刀具前角角度、加大刃带宽度，提高拉削过程稳定性、延长刀具使用寿命、降低崩刃风险；选用钨钼系高速钢，其具有高耐磨、高韧性、高强度的优点，提高切削性能、延长刀具使用寿命、降低崩刃风险；调整刀具刃磨角度，优化刀具刃磨参数，提高刃磨效果；更换刃磨砂轮的规格、调整刃磨程序，优化容屑槽，提高卷屑效果；提高毛坯切削性能，主要通过降低正火环境温度，调整正火过程的冷却速度，尽可能提高被加工工件表面硬度至HB 180～210。

2.验证效果

拉削后产品没有出现豁口现象，刀具出口端轮廓完整无缺，刀具使用寿命得到大幅度提升，如图2 所示；刀具刃磨后刀具前角合格，前刀面刃部无凸棱现象，粗糙度检测为0.25，满足了刀具设计粗糙度0.4 的要求，如图3所示；h=4.24mm、R=1.58mm，h与R比例明显好于原刃磨状态，拉削后卷屑效果良好，铁屑形状规则，无挤压拉伤痕迹。

图2 改进后拉削出口端轮廓

图3 改进后刀具检测数据

四、结语

本文针对公司变速器齿轮拉削加工后产品的刀具出口端产生豁口缺陷的问题，从理论刀具设计、实际刀具刃磨效果及被加工工件拉削条件进行分析，提出相应的改进措施，使拉削效果得到明显改善，并分享了拉削缺陷产生原因及改进经验。