随着机械制造行业的不断发展，零件加工的工艺不断革新，老工艺已越来越不能适应企业发展。航天业、新能源汽车业、航空工业等新工业的发展也促使制造业朝着耐高温、耐腐蚀、高硬度的方向发展，制造业的技术革新已大势所趋。渐开线花键拉刀的传统制造工艺为运用普通磨削方法进行表面加工，该方法具有效率低、表面质量差、使用寿命较短的弊端。本文运用超声珩磨原理对渐开线花键拉刀进行加工，提高拉刀表面质量和使用寿命，提升企业生产加工效率。
一、渐开线花键拉刀普通磨削弊端分析
普通磨削是通过工件与砂轮的相对位移，砂轮上的磨粒对工件产生小的磨削作用而去除表面所需磨削材料部分的加工工艺。首先，普通磨削会因在实际加工过程中磨粒参与数量多少的不确定性导致表面质量参差不齐，同时，未参加的磨粒有时还会对表面造成损伤。其次，由于其零件加工主要运用砂轮，磨削角度为负角。最后，砂轮对工件的磨削会产生较高的温度，对工件表面造成灼伤。
经过磨粒加工后的零件表面由于其参加数量和尺寸的不同会导致表面形成尺寸不一、形状各异的微小划痕。划痕尺寸与形状的不同会形成厚度不同的未变形切屑。切屑会使磨粒的磨削力发生改变，使得磨削强度发生变化。工件加工时磨削部分温度的改变会造成砂轮磨损和工件残余应力的变化，使得零件表面加工质量变差。未变形切屑示意图如图 1 所示。
图 1 磨削加工未变形切屑示意图
二、超声珩磨原理及设计仿真
超声珩磨原理
超声珩磨加工工艺依据不同的加工工件的特点，可将作用于珩磨头的超声波分为三种方式，包括径向超声振动、轴向超声振动和扭转超声振动。本文主要针对径向与切向超声振动进行研究。
外圆超声珩磨主要是通过油石上的磨粒对工件磨削进行加工的，磨粒的磨削可以近似看作为刀具的切削。因此通过分析单粒磨粒的切削轨迹可以推算出整体外圆超声珩磨的加工过程，如图 2 所示。
图 2 外圆超声珩磨振动单粒与整体切削示意图
外圆超声珩磨是通过磨粒对工件磨削而加工零件的，通过计算单颗磨粒的去除量和有效磨粒数可得到外圆超声珩磨实际的去除量。公式为：
式中：V 为整体去除量，μm3；S 为去除横截面积， μm2；L 为加工轨迹长度，μm；K 为常数项；b 为珩磨油石宽度，μm；l 为珩磨油石长度，μm；θ 为磨粒率；dm为磨粒直径，μm。
外圆超声珩磨设计
外圆超声珩磨主要由功率发生器、换能器和复合变幅杆、变幅器组成。由于渐开线花键拉刀的刀齿具有非连续性和锥形结构的特点，因此不采用轴向超声振动。本文基于上述特点，同时不对传统的加工机床进行较大改动，设计出方便装卸、工作稳定、结构简单的外圆超声珩磨装置。
1.功率发生器
功率发生器也叫驱动电源，可以产生、传输能量，使装置产生一定频率谐振的发生装置。依据不同的激励方式，功率发生器可以分为他激式和自激式两种。他激式是指通过接收前级发生器的信号并进行放大，再通过变压耦合器进行能量传输的。自激式是指发生器、放大器和换能器自身形成闭合回路，再通过相位与振幅反馈生成大功率信号激发换能器，使其保持在谐振频率下持续工作。本文中的功率发生器选择具有频率自动跟踪功能的超声波发生器。
2.换能器
换能器主要是进行能量转换的器件，本文中换能器主要是进行电能与声能的相互转化，称之为超声换能器。超声换能器有两个作用，当通过换能器进行能量发射时，也叫作发射器，主要是将电能转化为机械能，再将机械能转化为声能。当换能器进行能量接收时，又叫作接收器，该过程的能量转化为：声能转化为机械能，机械能转化为声能。压电换能器是指将材料进行极化后的电致伸缩式换能器，其原理为压电效应，是第一个将压电效应应用于实际的产品。
本文中换能器选用夹心式压电换能器，主要部件包括前后金属盖板、预应力螺栓和陶瓷片三部分。该换能器具有抗压强度大、稳定性强、机电耦合系数大、设计频率宽以及频带宽、振速比等参数可改变等特点，较为适合本文设计。
3.复合变幅杆
复合变幅杆又成为变速杆或聚能器，在超声复合领域中应用广泛，尤其运用于高声强超声振动领域。在本设计中，复合超声变幅杆为整个系统的核心器件，可放大质点位移和速度，聚集超声能量，也可以作为阻抗转换器，使变幅器与换能器的阻抗更加匹配，畅通能量传输。复合变幅杆设计主要应考虑三方面的因素：第一，设计中的参数设置应准确，减少参数对试验结果的影响。第二，装置结构应简单，防止复杂的装置结构造成试验误差，影响装置传输性能。第三，工作性能应稳定，放大系数准确。
变幅杆按振动形式可以分为弯振、扭振、纵振和弯扭复合振动四种，工业领域使用较多的为纵振形式。按母线形状可以分为阶梯形、指数形、悬链形、圆锥形、高斯曲线、正弦曲线等类型，在特殊条件下需对变幅杆的相关参数与性能进行修改，由此还产生了许多复合类变幅杆。按波长长度可以分为 1/2 波长变幅杆、1/4 波长变幅杆两种。本文根据加工零件属性，需设计一副性能稳定、形状变化与放大幅度较大的变幅杆，拟采用圆锥形阶梯复合变幅杆。
试验对比分析
通过上述设计，将各部件安装完毕后，将超声珩磨装置安装到机床上，设置好相关参数后，对渐开线花键拉刀进行试验加工。
首先，将超声珩磨装置关闭，对渐开线花键拉刀进行 16 组试验加工，并用粗糙度仪进行粗糙度测试，测量三次后算取平均值作为试验数据，其试验过程如图 3 所示。通过测量计算，得出拉刀表面的粗糙度为 Ra=0.243μm。
图 3 普通珩磨试验示意图
进行切向超声振动珩磨试验首先需对振动珩磨进行试验调试。启动声波发生器后，将水喷至珩磨装置，如出现雾化现象说明装置运行正常，可以投入使用。经测试后，装置正常，如图 4 所示。采用和普通珩磨加工同样的流程，对工件表面粗糙度进行测量得：Ra=0.201μm。
图 4 切向超声振动珩磨试验示意图
运用同样的方法进行径向超声振动珩磨试验得出的结果为：Ra=0.210μm。如图 5 所示。
图 5 径向超声振动珩磨试验示意图
通过对比数据发现，经过径向与切向超声振动珩磨试验的渐开线花键拉刀其表面质量提高较多，粗糙度降低值约为 17%，粗糙度有了显著的提高。
三、结论
当今，随着制造业的不断发展，工业制造已经进入 4.0 时代，这标志着对于制造加工的更高要求与更高标准。本文通过对渐开线花键拉刀加工工艺的研究得出以下结论：
1)普通磨削方法弊端凸显，无法适应渐开线花键拉刀加工的要求。
2)径向、切向超声振动珩磨装置的引入可显著提高拉刀表面质量，降低表面粗糙度，提高刀具使用寿命和生产效率。