2023年小模数齿轮的高速干切滚齿技术.doc

小模数齿轮的高速干切滚齿技术 刘大猷 宁波夏厦齿轮 摘 要： 针对小模数齿轮高速干切滚齿工艺中刀具磨损这一核心问题，本文提出了“保持一定齿廓精度的滚切长度〞这一特定的工艺参数作为衡量高速干切滚齿工艺的技术指标,并以此指标作比拟，分析探讨与高速干切滚齿工艺相关的设备、刀具、工艺方法、润滑条件等对高速干切滚齿工艺的影响。 小模数齿轮由于模数小、生产批量大,许多为轴齿轮，齿数少,精度要求高，采用传统的剃、珩、磨加工困难且经济性差。在此背景下，高速、高效、高精度，且符合环保要求的高速干切滚齿技术，率先在小模数齿轮加工领域得以推广应用。尤其是热处理后的硬齿面高速干切滚齿工艺，突出表现出其优越的工艺性能。在工业兴旺国家中，小模数高速干切工艺已成为制齿工艺的主流。如在我国设厂的小型减速机行业的日本电产新宝公司，电开工具行业的美国百得、德国博世、日本牧田公司等均采用一次或二次的高速干切制齿加工而摒弃了以往所惯用的传统切齿工艺。 宁波夏厦齿轮于2023年率先在我国引进日本滨井公司的N60六轴数控滚齿机及相关的高速干切滚齿工艺。几年来，我们在对引进设备技术消化吸收的根底上，结合我国的实际情况进行了一些创新，积累了一些经验，也取得了一定的效益，在此仅就工艺实践的角度与大家一起共同交流探讨。 本文所述的小模数齿轮含传统定义的模数1mm以下，也可视为现在业内提出的将小模数扩展至模数1.5～2mm以内的齿轮。 高速的含义根据我们目前的工艺状况，硬齿面切齿加工一般应到达100m/min以上，而软齿面应到达300m/min以上。在我国也有许多厂家应用传统的普通齿轮机及硬质合金刀具，采用较高的速度进行硬齿面加工，本文的讨论也可涵盖这局部制齿工艺内容。 干切的含义为不采用任何润滑条件下进行干切削加工，但包含采用微润滑条件〔如喷雾润滑〕的准干式切削加工。 一、建立一个工艺比拟系，确立比拟指标 我们从实践中知道，高速干切滚齿工艺的实施牵涉到设备、刀具、工艺及润滑条件等。每一个方面又包含假设干个要素，这些因素的共同作用形成对工艺的制约。因此我们把制约高速干切工艺的假设干要素编制成表格〔附后〕建立起一个工艺比拟系。接下来的问题就是找出一个与各要素相关联便于分析评价和量化的工艺指标。我们称之为“保持一定齿廓精度的滚切长度〞〔以下简称“相对精度滚切长度〞〕。其含义是在一定的滚刀使用长度上〔一般试验为一个刀位〕能保持住一定齿廓精度的最长滚切长度。对于相同的工件来讲，也即是保持住一定齿廓精度的滚刀使用寿命。这样的评价指标就直指问题的实质。实质上，刀具的磨损就是高速干切滚齿工艺的核心问题所在。有了这样一个指标，我们就能方便地对不同工艺条件下的切削实验进行比拟，因为我们要求的是相对的齿廓精度，比拟的是滚切长度。在不同的设备、刀具、工艺及润滑条件下，只须到达“一定的〞齿廓精度，而对其保持住精度的滚切长度进行比拟。通过比拟，我们可以比拟清楚地了解各方面因素对高速干切滚齿工艺的核心问题--刀具磨损的影响，从而找出一些解决问题方法，以期不断地优化工艺。 提出这样一个评价方法的依据是从滚齿原理上讲，滚刀与工件作展成运动时，滚刀基准齿条与工件的齿廓存在精确的对应关系，利用现代的检测手段就能精确地检查工件齿廓，从而准确地反映出刀具的磨损状况。在实际滚切加工中，由于存在机床运动误差、滚刀安装误差以及工件受力变形等因素的影响，工件齿廓的检查结果并不如啮合理论所论述的精确地对应于滚刀的齿形变化，但两者之间的关联度是最大的。因此，齿廓检查是监视刀具磨损的最适宜选择。 在传统的滚齿工艺中，有滚刀重磨寿命这一定义，即滚刀重磨一次的使用时间，其判断依据是刀刃的“磨损量〞及被加工工件的齿面状况等。这种方法对于判断复杂刀具--滚刀的使用寿命来说显然不够准确或过于粗放。滚刀齿形由多段直线，圆弧组成相关联的尺寸和角度；刀刃磨损后也不可能象车刀、铣刀一样通过设备的补偿进给来保持尺寸精度，而是直接引起加工产品的齿廓误差。根据GB/T 10095-2023〔1S0 1327-1997〕齿轮精度标准定义，齿廓检查是最终判断齿轮产品精度等级的四项必不可少的检查之一。从产品质量的角度上讲，要生产出合格的产品，就必须到达一定的齿廓精度。而保持一定齿廓精度的滚刀最长使用时间，也正是生产工艺所追求的主要目标。 围绕这一目标，就必须尽量减少刀具的磨损。然而在高速干切滚齿工艺中，滚刀磨损的原因是复杂的，有时表现出很大的差异，以致于影响这一先进工艺的推广。有了“相对精度滚切长度〞这一评价指标，我们就可以对相关方面的影响进行一些分析，并以期通过这些分析，进一步探讨认识高速干切滚齿加工的内在机理和规律，从而推动这一先进工艺更快更好地开展。 二、高速干切滚齿设备的分析和选择 在其他条件根本相同的情况下，采用不同的机床进行高速干切滚齿工艺，其相对精度滚切长度的比差是很大的。通过工艺实践，我们发现其表现差异与滚齿机床的传动方式与刀具移动方式关联度最大，也最直接。因此，我们依据其传动方式与移刀方式，将现行的滚齿机区分为三种类型。 第一类：传统的机械传动滚齿机，传动系统复杂，传动链长，移刀方式多为手动； 第二类：其主要标志为主传动〔刀轴与工件轴〕为电子藕合(也称电子齿轮箱)的数控滚齿机,主传动虽然不是直接电驱,但传动链短，传动精度高，刚性好,移刀实现了每工件间歇式自动移刀，其典型机型如日本滨井的N60； 第三类：主传动为电轴直接驱动，多轴联动的闭环控制数控滚齿机，移刀方式实现了加工时的自动切向进给，其典型机型如美国格里森的130H。 实践证明，第三类型的滚齿机最适合进行高速干切滚齿加工。在我国，第二种类型的滚齿机逐渐普及，现在国产的数控滚机根本属于此类型，采用此类机型进行高速干切滚齿加工也能取得很好的效果。但其表现,国产第二类型数控滚机与兴旺国家比拟还有一定的差距。我们不难解释纯机械传动且传动链较长的滚齿机为什么不适合高速干切滚齿加工。因为机械传动链的传动误差造成滚切加工过程中的振动，而这种振动对于从事高速干切质地硬脆的刀具材料是致命的影响，振动造成刀刃的非正常磨损，也可理解成现在流行的“微小崩缺〞说，刀具很快就丧失了齿形精度。 移刀的方式直接决定着刀具的均匀磨损程度，磨损越均匀，相对精度滚切长度比就高，产品精度一致性好，滚刀寿命长。手工移刀很难实现均匀磨损，滚刀的使用寿命也就大打折扣。连续的、自动的移刀是保证滚刀合理使用，实现其最正确使用寿命，并保证产品精度一致性的最好方式。因此，在选择进行高速干切滚齿工艺的机床时，以上两个方面是必须考虑的。 现代机床是承载现代制造理论和技术的综合体，就机床对高速干切滚齿工艺而言，也还存在多方面的影响，如机床合理的运动参数、整体的刚性、抗振性等，在选择设备时须综合考虑。在我国还不能普及高性能数控滚齿机的情况下，许多厂家通过调整普通滚齿机的传动精度，提高整体刚性等措施实施高速干切滚齿工艺并取得了较好的效果。但无论何种方法和途径，要较好地实施高速干切滚齿工艺，设备的因素仍都是第一位的。 三、高速干切用齿轮滚刀 进行高速干切滚齿加工的滚刀性能主要取决于以下三个方面：刀具材料、外表涂层、滚刀参数与结构的设计与制造。 现行切齿刀具的材料可以归结为四类：硬质合金、陶瓷、粉末冶金高速钢和高性能高速钢〔由于工艺方法的不同而区分为两大类〕。陶瓷材料作为车刀刀片使用早已普及，但作成复杂刀具的滚刀只见过试验报导，尚未见到市场供给。但陶瓷材料的某些优异性能应是进行高速干切工艺所最需要的。因此，陶瓷材料在高速干切滚刀上的应用也将是一个必然的开展趋势，特别是在硬齿面刮削刀具上的应用前景看好。目前用于高速干切硬齿面加工的滚刀材料主要是硬质合金一类，而用于软齿面高速干切加工的滚刀材料主要是后二类的高速钢，也有采用硬质合金的。我国目前粉末冶金高速钢及高性能高速钢的生产还不多见，但硬质合金由于我国有资源上的优势，理应成为制造高速干切齿轮滚刀的主导材料。根据对一些先进兴旺工业国家及国产硬质合金材料的分析比拟，我们认为就材料本身来讲，并没有太大的差异，其生产装备与加工工艺也根本相同。但在使用过程中，有时表现出较大的差异，究其原因，可能存在以下问题。据长期从事硬质合金检测的专业人员称，由于硬质合金材料制造过程的复杂性和特殊性，采用相同设备和工艺制造的不同批次材料检测数据几乎没有完全相同的，材料的细微差异也许就造成切削性能的巨大差异。而在目前阶段，我国的材料生产商，刀具制造商及刀具使用厂家脱节，缺少紧密的交流合作必然造成材料与工艺的不匹配问题，如果解决好这些问题，如果充分发挥我国硬质合金材料资源优势，是一个值得有关部门〔如工具研究所、大专院校、硬质合金专业厂等〕很好研究解决的课题。 涂层是高速干切滚刀不可或缺的后序工艺，涂层在高速干切中表现出来的优异性能可以说是最突出的，现在已没有不经涂层的滚刀能胜任极端条件下的高速干切加工。在切削试验中，涂层性能有时也表现出很大的差异，其主要原因也存在涂层厂商与使用厂家的“工艺匹配〞问题。涂层技术是一项开展很快的新技术，各厂家工艺不尽相同，如果缺乏密切的合作，就很难找出最正确方案。但可以预料的是，未来的涂层技术必将会有更大的开展和普及。 刀具的设计与制造是一个牵涉面很广的问题。进口刀具价格昂贵，而且完全依赖进口也非长久之计，因此，国产刀具的突破也就成为高速干切滚齿工艺推广的关键问题。根据我国的实际情况，如果目前刀具材料以硬质合金为主考虑，就必须在刀具结构上实现突破。制造硬质合金材料的钨金属是一种不可再生的稀缺资源。现整体小模数硬质合金滚刀已是价格昂贵，如果要进一步适应中、大模数的加工，只有在滚刀结构上下功夫。为此，我们设计了“连续支承的镶片式齿轮滚刀〞并取得了国家创造专利〔详见附图及说明书〕。此创新设计面向未来的高速干切滚齿工艺，立足于现代制造技术，具有以下特点：1、将刀片、刀体、端盖三者组合成一个密不可分的可靠整体，首先满足高速高强度切削的安全性和可靠性要求；2、立足于现代数控加工技术，易于实现高精度、大批量、低本钱的生产；3、实现了最简化设计，设计不受刀具尺寸及安装方式限制，完全满足中、大模数滚刀制作要求；4、适合采用圆磨法加工，提高生产效率；5、最有可能适合安装陶瓷刀片的结构；6、改变经营模式，为客户提供保质保量一次性的不重磨刀具，由制造商实现刀体刀片的屡次利用。 能囊括如此多优点的刀具，必须要对传统的结构形式有大的突破，这就是连续支承的刀体结构。与传统滚刀相比，连续支承镶片式滚刀的轴向容屑槽没有了，只依靠刀片高出支承的局部形成容屑仓。切削试验证明，只要刀片有合理的凸出尺寸加上合理的液、气冲刷排屑，切削进行得很顺畅，特别是二次刮削加工，切屑很细，高速气流正，反两个方向吹，排屑完全不成问题。对于高速大走刀的粗切，也可采用加厚刀片，升高刀片与刀体之间的距离及采取相应在的液气冲刷措施得以较好的解决。 对于滚刀外形尺寸的选择，总的趋势是长度都在往长的方向开展〔如格里森130H刀具的使用长度就达250mm〕，但外径却因为机床、生产方式及刀具制作水平等在选择上有所差异。众所周知，刀具外径较大，切削线速度可提高，也可制造出较多的槽数，有利于延长刀具的寿命和提高加工精度。但相对于相同的刀速加工同样的工件时，外径较小的滚刀刀轴转速提高了，这样工作台转速相应提高进给加快生产效率就提高了。另外，外径较大的刀具的空切行程较大也会导致生产效率下降。因此，美国格里森的工艺方案是加长刀具的长度以延长使用寿命，选用较小的适宜外径并将滚刀尽可能做成多头的，这样以提高生产效率并做到保证加工精度。显然，这种方案依赖于其卓越的机床及精良的刀具制作水平。根据我国目前的设备及刀具制作水平，加大刀具外径对提升产品的水平也是比拟现实的方案，但如何克服滚刀外径加大空切行程加长降低生产效率的问题，我们提出了一种“滚刀完全利用的综合滚齿方法〞并申报了相关专利。这种方法只要具备切向进给的滚齿机均可实施，相对于传统滚齿机现代数控滚齿机的切向进给功能更容易实现。这种