大模數(shù)可轉(zhuǎn)位齒輪滾刀的切削應(yīng)用

大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司通用減速機(jī)廠（遼寧 116013) 劉玉珠 呂世超 呂 艷

滾齒是齒形加工方法中生產(chǎn)率較高、應(yīng)用最廣的一種加工方法。普通滾刀在滾削過(guò)程中承受沖擊載荷和磨損。滾刀磨鈍后均需重新修磨前刀刃面，如果刀齒損壞，則將導(dǎo)致整件滾刀報(bào)廢。采用普通滾刀加工齒輪時(shí)，切削速度根據(jù)齒輪模數(shù)和齒數(shù)，一般取15～30m/min。

可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金齒輪滾刀是一種新型高速重載切削刀具。刀片一般是由高硬度、難熔的金屬碳化物 (WC、TiC等)微米級(jí)粉末，采用Co、Mo及Ni等作粘結(jié)劑燒結(jié)而成的粉末冶金制品，具有高的耐磨性、耐熱性及抗氧化能力，切削速度可達(dá)100～200m/min，壽命是高速鋼的幾倍到幾十倍。

為解決我公司批量產(chǎn)品——齒圈齒部滾齒工序滯后問(wèn)題，我們用德國(guó)藍(lán)幟可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金高速重載切削滾刀 (見(jiàn)圖1)對(duì)齒圈進(jìn)行切削應(yīng)用試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，可轉(zhuǎn)位齒輪滾刀可有效解決滾齒工序批量化生產(chǎn)的瓶頸問(wèn)題，并可大大節(jié)約成本。

圖1 滾刀實(shí)際切削過(guò)程

1.可轉(zhuǎn)位滾刀的組成及結(jié)構(gòu)

可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金齒輪滾刀是一種新型重載切削刀具，它是把車(chē)刀刀片的鑲嵌技術(shù)應(yīng)用在齒輪滾刀上?？赊D(zhuǎn)位滾刀 (見(jiàn)圖2)主要由刀體、刀條模塊組成。刀條模塊為條狀結(jié)構(gòu)，4個(gè)刀條形成一圈螺旋線，通過(guò)壓緊螺釘安裝在帶螺旋凹槽的圓柱刀體上。滾刀刀片交錯(cuò)排列在刀條模塊上，可減小作用在刀體上的軸向反作用力和在齒輪上的切向力。

圖2 可轉(zhuǎn)位齒輪滾刀結(jié)構(gòu)

可轉(zhuǎn)位齒輪滾刀的結(jié)構(gòu)尺寸為:滾刀直徑270mm，滾刀有效刃長(zhǎng)308mm，滾刀槽數(shù)20，滾刀頭數(shù)1。鑲嵌刀片分左側(cè)刃刀片、右側(cè)刃刀片 (各可轉(zhuǎn)2次位)和頂刃刀片 (可轉(zhuǎn)4次位)。

2.可轉(zhuǎn)位滾刀高速滾削過(guò)程質(zhì)量控制

產(chǎn)品零件參數(shù)如表1所示。

表1 產(chǎn)品零件參數(shù)表

滾切工藝方案制定及應(yīng)用如下。

(1)高速切削數(shù)控滾齒機(jī)的選擇。滾齒機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系如圖3所示，實(shí)現(xiàn)滾刀和工件之間的展成分齒運(yùn)動(dòng)關(guān)系，即滾刀 (S軸)轉(zhuǎn)一圈，工作臺(tái) (C軸)帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)K/z轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)分齒運(yùn)動(dòng)。

圖3 滾齒機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系

滾刀轉(zhuǎn)速

式中，n滾刀為滾刀轉(zhuǎn)速;n工作臺(tái)為工作臺(tái)轉(zhuǎn)速;K為滾刀頭數(shù);z為被加工齒輪齒數(shù)。

當(dāng)滾刀沿導(dǎo)軌立柱 (Z軸)方向上下移動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)軸向進(jìn)給。當(dāng)滾刀沿床身導(dǎo)軌 (X軸)水平方向左右移動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)齒輪徑向進(jìn)給，完成一次齒部切深。

(2)普通滾齒機(jī)與數(shù)控滾齒機(jī)的區(qū)別。普通滾齒機(jī)實(shí)現(xiàn)滾刀和工作臺(tái)之間展成分齒靠很長(zhǎng)的機(jī)械傳動(dòng)鏈，這些傳動(dòng)鏈通過(guò)機(jī)械差動(dòng)變速機(jī)構(gòu)將兩個(gè)以上不同運(yùn)動(dòng)，經(jīng)由齒輪按一定的速比傳動(dòng)關(guān)系合成輸出，這些諸多傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)誤差造成滾切加工過(guò)程中的振動(dòng)，制約了機(jī)床高速運(yùn)轉(zhuǎn)。

數(shù)控滾齒機(jī)滾刀主軸采用大力矩伺服電動(dòng)機(jī)，工作臺(tái)采用多級(jí)大轉(zhuǎn)矩低速力矩電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)位置編碼器反饋等代替了工作臺(tái)和滾刀之間的所有機(jī)械傳動(dòng)鏈，稱(chēng)之為“零傳動(dòng)”。分齒和差動(dòng)運(yùn)動(dòng)采取了全閉環(huán)控制并且采用電子齒輪箱，使機(jī)床滾刀和工作臺(tái)的展成等所有運(yùn)動(dòng)全部由計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了高速切削，使硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位滾刀的應(yīng)用成為可能。機(jī)床選擇Gleason-PFAUTER-P3000高速數(shù)控銑齒機(jī)，主軸電動(dòng)機(jī)功率為35kW。

(3)工藝方案的設(shè)計(jì)。齒輪滾刀滾削方式有順銑和逆銑兩種。滾刀滾削時(shí)，為了將刀齒的水平分力始終壓向刀架立柱，從而減少刀具的崩損、機(jī)床的顫振，保證排屑流暢等，滾刀進(jìn)給采取自下而上的順銑方式。

(4)選擇合理的切削用量。切削參數(shù)的選擇直接影響齒輪加工狀況、刀具的損耗程度及排屑。可轉(zhuǎn)位滾刀適合較高切削速度和大走刀量，切削速度vc=(90～110)m/min，軸向進(jìn)給量 fa=(3～6)mm/r，在機(jī)床主軸消耗功率 (機(jī)床自帶的顯示功率變化功能)不大于30%時(shí)為最佳。試驗(yàn)應(yīng)用過(guò)程中在考慮機(jī)床主軸消耗功率、加工后的齒面粗糙度及工裝夾具等因素后，確定主軸轉(zhuǎn)速為100r/min，軸向進(jìn)給量為2.6mm/r。因冷卻采用風(fēng)冷，切削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量通過(guò)切屑 (見(jiàn)圖4)帶走，切屑過(guò)熱變?yōu)樯钏{(lán)色。

圖4 切屑形狀

(5)滾齒竄刀。竄刀是提高滾刀壽命的一個(gè)有效手段。齒輪展成法加工的原理是滾刀與齒輪嚙合，滾刀每個(gè)刀齒的某一段刀刃切削齒輪，形成輪齒齒廓，而刀刃的其余部分不參加切削，竄刀就能夠充分利用刀齒的每一段切削刃，達(dá)到經(jīng)濟(jì)高效的目的。當(dāng)滾刀刀片某一段磨損至極限后，滾刀軸向移位一個(gè)距離 (竄刀)，竄刀距離根據(jù)如下計(jì)算調(diào)整

式中，s為滾刀軸向竄刀距離;Pt為滾刀導(dǎo)程;Z0為滾刀槽數(shù)。

滾刀刀片一側(cè)刃磨損至極限后直接在機(jī)床轉(zhuǎn)位刀片，節(jié)省滾刀拆卸、刃磨時(shí)間，節(jié)省待工時(shí)間。

3.齒圈質(zhì)量檢測(cè)及綜合經(jīng)濟(jì)分析評(píng)價(jià)

齒輪成品檢驗(yàn)項(xiàng)目包括:①傳遞運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性。②傳遞運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。③載荷分布均勻性。④齒厚偏差等4個(gè)方面的指標(biāo)。檢驗(yàn)精度按照國(guó)標(biāo)GB/T 10095—2008中的9級(jí)，檢驗(yàn)組選擇第Ⅰ公差組齒距累積總偏差Fp;第Ⅱ公差組齒廓總偏差Ff;第Ⅲ公差組螺旋線總偏差Fβ作為評(píng)定齒輪指標(biāo) (見(jiàn)表2)。抽查10件。檢測(cè)設(shè)備采用德國(guó)進(jìn)口數(shù)控4m磨齒機(jī)。

表2 齒圈齒輪精度檢測(cè)（單位:mm)

齒面粗糙度對(duì)齒輪的傳動(dòng)精度 (與噪聲和振動(dòng)有關(guān))、表面承載能力 (與點(diǎn)蝕、膠合和磨損有關(guān))和彎曲強(qiáng)度 (與齒根過(guò)渡曲面狀況有關(guān))等都會(huì)產(chǎn)生很大的影響。采用MarSurfPS1粗糙度檢測(cè)儀對(duì)齒面進(jìn)行檢測(cè) (見(jiàn)圖5)，測(cè)得Ra=3.2μm，滿足圖樣要求。

圖5 齒面粗糙度檢測(cè)

通過(guò)滾刀應(yīng)用及工藝改進(jìn)，我們對(duì)兩種滾刀進(jìn)行了綜合經(jīng)濟(jì)分析及對(duì)比，使用可轉(zhuǎn)位齒輪滾刀可以使加工效率提高10倍 (見(jiàn)表3)，每件滾刀可節(jié)約加工費(fèi)用約3000元、滾刀刃磨人工費(fèi)用約1000元。各項(xiàng)數(shù)據(jù)表明，可轉(zhuǎn)位齒輪滾刀從產(chǎn)品質(zhì)量、加工成本和加工時(shí)間等各方面來(lái)看都是批量化生產(chǎn)的最佳選擇。

表3 兩種滾刀滾切工藝參數(shù)對(duì)比

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金滾刀滾切齒輪的應(yīng)用及綜合經(jīng)濟(jì)分析可知，可轉(zhuǎn)位齒輪滾刀滾切后的齒輪精度、刀片的耐用度及刀具壽命、經(jīng)濟(jì)成本、滾切效率等都是普通滾刀不可比的。風(fēng)冷加工不僅降低了成本，而且改善了工作人員的工作環(huán)境。