齒輪切削參數(shù)對(duì)加工效率影響的研究

武永福，翟 浩

（山推工程機(jī)械股份有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

隨著生產(chǎn)力的發(fā)展，齒輪加工朝著高精、高效的方向發(fā)展，而滾齒加工是外圓柱齒輪加工最常用的高效加工方法之一。研究?jī)?yōu)化滾齒切削元素是提高加工效率的有效途徑，因而研究切削參數(shù)對(duì)提高加工效率具有實(shí)質(zhì)性意義。

本文以筆者公司某機(jī)型推土機(jī)太陽(yáng)輪的滾齒加工為研究對(duì)象，通過(guò)結(jié)合分析滾刀、機(jī)床及加工參數(shù)，優(yōu)化切削參數(shù)，縮短加工時(shí)間，提高加工效率。本文研究的滾刀材質(zhì)為M35高速鋼，涂層材料為AlCrN，滾齒機(jī)采用國(guó)內(nèi)某機(jī)床廠(chǎng)生產(chǎn)的高效重切削型機(jī)床，結(jié)構(gòu)為整體式，能承受重負(fù)荷強(qiáng)力和高速切削。自動(dòng)化程度較高，且可實(shí)現(xiàn)多種方框循環(huán)和順逆銑滾齒。太陽(yáng)輪齒的材質(zhì)為20CrMnTi。加工前的熱處理為正火狀態(tài)，硬度為HB170～220。在此，筆者詳細(xì)的列出了工件和滾刀的相關(guān)參數(shù)，具體詳見(jiàn)表1。

表1 工件齒輪參數(shù)及滾刀參數(shù)

1 切削參數(shù)分析

齒輪加工切削參數(shù)的主要參數(shù)有切削速度Vc、進(jìn)給量Fc及滾刀轉(zhuǎn)速。由于是大模數(shù)齒輪，其齒深達(dá)到17mm，需分次加工完成，目前采用3次進(jìn)給，每次進(jìn)給的切削速度Vc、切削深度、進(jìn)給量數(shù)Fc見(jiàn)表2。

表2 切削參數(shù)

根據(jù)齒輪手冊(cè)［1］，將表2切削參數(shù)代入以下公式將可計(jì)算出加工時(shí)間，滾齒加工時(shí)間計(jì)算公式

由此可知：

加工時(shí)間主要與切削長(zhǎng)度、滾刀轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量大小及滾刀的直徑有關(guān)系。

式中 L1——滾刀讓刀長(zhǎng)度（mm）；

L2——滾刀過(guò)切行程（mm）；

Z——工件齒數(shù)；

Fc——進(jìn)給量（mm/rev）；

B——工件寬度（mm）；

Dc——滾刀外徑（mm）；

Vc——切削速度（m/min）；

Z0——滾刀頭數(shù)。

其中，滾刀讓刀長(zhǎng)度L1可通過(guò)齒輪手冊(cè)［2］圖19.3-19查出，也可根據(jù)三菱機(jī)床廠(chǎng)給出的滾刀過(guò)切行程公式計(jì)算，具體見(jiàn)公式2、公式3，計(jì)算可得

式中 Hk——滾刀頂刃高（mm）；

D——工件直徑（mm）；

Dc——滾刀直徑（mm）；

ω——滾刀螺旋升角；

F——送刀余隙按1mm計(jì)算（mm）。

根據(jù)表1和表2的相關(guān)參數(shù)，可計(jì)算出L1=36.9mm，L2=2mm。

將L1、L2代入式（1）可知，單次切削時(shí)間為23.4mm，由于目前采用3次切削法，則可單件加工時(shí)間t=70.3min。

顯然，從式（1）不難看出，提高滾齒加工效率只能從兩個(gè)方面：一是減小滾刀外徑。在此滾刀直徑為140mm，如果滾刀外徑太小，將直接影響滾刀剛性和刃磨次數(shù)，因此對(duì)滾刀直徑不再進(jìn)行優(yōu)化；二是通過(guò)優(yōu)化切削參數(shù)，如切削深度、切削速度以及進(jìn)給量大小，來(lái)減小加工中的不必要時(shí)間浪費(fèi)。本文將從切削參數(shù)方面進(jìn)行深入研究，以提高齒輪滾齒加工效率。

2 切削參數(shù)研究

滾齒的切削參數(shù)主要包括切削深度、切削速度及滾刀軸向進(jìn)給量。

切削參數(shù)的選擇原則：選取盡可能大的切削深度；選擇盡可能大又能滿(mǎn)足工藝質(zhì)量要求的走刀量以及選擇刀具適應(yīng)的切削速度。

下面以太陽(yáng)輪實(shí)際加工研究為例，探索出具有指導(dǎo)意義的確定合理切削參數(shù)的方法。

2.1 切削深度

在切削用量的3大要素中，切削深度對(duì)刀具壽命的影響最小。加大切削深度是提高滾削效率最經(jīng)濟(jì)方法。切削深度加大，在刀具和其它切削參數(shù)不變的情況下，刀具齒頂切屑厚度將增大。不同材質(zhì)滾刀，齒頂最大切屑厚度不同，德國(guó)saacke、Fette和sazzor齒輪滾刀廠(chǎng)均推薦以齒輪滾刀頂刃的最大許可切屑厚度（h1max）來(lái)確定滾刀進(jìn)給量，并根據(jù)不同材質(zhì)滾刀推薦了頂切厚度，具體見(jiàn)表3。在加工過(guò)程中，切削深度選擇的原則是：在滿(mǎn)足工藝質(zhì)量要求情況下，應(yīng)盡量采用一次切入完成滾削。若需提高滾削的加工質(zhì)量要求，可增加一次精滾工序，以提高齒面粗糙度。不同材質(zhì)滾刀，齒頂最大切屑厚度不同。頂切厚度選擇太小反而加速刀具后角磨損。原切削參數(shù)選頂切厚度為0.2mm，則切削深度為10.1mm。如果根據(jù)表3推薦參數(shù)，選頂切厚度為0.3mm，其切削深度達(dá)14mm。通過(guò)對(duì)比來(lái)看，增加頂切厚度，可有效提升切削效率。如果將頂切厚度選為0.3mm，則切削次數(shù)將由3次改為2次，大大減少了切削時(shí)間。

表3 滾刀推薦最大齒頂切削厚度（mm）

2.2 切削速度

切削速度的選擇是根據(jù)滾刀材料、被加工齒輪的材料和熱處理硬度及被加工齒輪的模數(shù)來(lái)確定的。不同材質(zhì)的滾刀，加工同一齒輪時(shí)，切削速度選擇不盡相同，必須根據(jù)滾刀材料來(lái)選擇各自承受的切削速度。滾刀常用材質(zhì)分為鎢鋼（硬質(zhì)合金）、普通高速鋼、含鈷高速鋼（M35、M42）及粉末冶金高速鋼（ASP30、ASP52、ASP60）。根據(jù)復(fù)雜刀具設(shè)計(jì)手冊(cè)［4］推薦的切削速度，在表4中列出了不同材質(zhì)滾刀熱處理后得到的硬度及切削線(xiàn)速度。從表4可以看出，鈷高速鋼M35的切削速度在70～80m/min。由于太陽(yáng)齒輪模數(shù)比較大，正火硬度一般在HB200左右，粗加工采用濕切法。由于選擇較大切削速度會(huì)引起刀桿振動(dòng)造成的滾齒精度變差問(wèn)題，考慮到工藝系統(tǒng)剛性因素，將根據(jù)表4中滾刀材質(zhì)推薦切削速度和現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)相結(jié)合的方法，加工此太陽(yáng)輪選用Vc：45m/min。原切削速度Vc為35.1m/min，大大提高了工作效率。

2.3 進(jìn)給量的選擇

在日常滾齒加工中，進(jìn)給量主要是通過(guò)滾刀廠(chǎng)家的推薦值或滾刀使用廠(chǎng)家的經(jīng)驗(yàn)而選擇的。根據(jù)滾齒切削時(shí)間計(jì)算公式（1）來(lái)看，進(jìn)給量越大，滾削時(shí)間就越少，滾齒效率就越高。但是，增大進(jìn)給量直接影響滾刀頂刃最大切削厚度。德國(guó)Dr.B.Hoffmeister博士于1970年在阿亨大學(xué)發(fā)表的論文中研究了滾齒中的頂刃最大切屑厚度與進(jìn)給量的關(guān)系，并建立了計(jì)算用數(shù)學(xué)公式，《滾齒進(jìn)給量的選擇》的作者對(duì)公式進(jìn)行了簡(jiǎn)化，采用該公式可以從頂刃切屑厚度計(jì)算工件每轉(zhuǎn)的軸向進(jìn)給量。

表4 各種材質(zhì)滾刀熱處理硬度及加工速度（m/min）

其計(jì)算式為［3］

式中Fh1、Fm、Fz2、Fd、F（N/z0）、Fa為6個(gè)影響因子，各因子的表達(dá)式見(jiàn)表5。

表5 fa的各影響因子計(jì)算方程式

表5中 h1max—— 滾刀頂刃的最大切屑厚度，mm；

Fa——滾刀軸向進(jìn)給量/工件每轉(zhuǎn)，mm/r；

β—— 齒輪分圓螺旋角，公式中為弧度值（以度數(shù)為單位的β角，要乘π/180）。

根據(jù)式（4），按照試驗(yàn)中h1max滾刀最大切屑厚度為0.2mm計(jì)算，通過(guò)計(jì)算工件每轉(zhuǎn)進(jìn)給量Fc為1.936mm。另外，考慮到進(jìn)給量Fc對(duì)齒面光潔度的影響，現(xiàn)需對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)算，保證齒面光潔度要求，驗(yàn)算過(guò)程根據(jù)式（5），具體如下［2］

式中 ΔS——每個(gè)刀痕的深度（mm）；

Z0——滾刀頭數(shù)；

α——齒輪壓力角（°）；

Z——工件齒數(shù)；

I——滾刀槽數(shù)。

根據(jù)式（5）計(jì)算可求得，齒表面光潔度為0.029mm，小于齒面光潔度要求0.125mm。進(jìn)行了40件工件的實(shí)踐驗(yàn)證，其齒面光潔度全部滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)上述對(duì)相關(guān)切削參數(shù)的深入分析研究，全面的科學(xué)優(yōu)化了切削深度、切削次數(shù)、切削速度及進(jìn)給量，通過(guò)公式1計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，加工時(shí)間由70.3min/件下降為36.6min/件，加工效率將近提高了47.9%。并通過(guò)大量的工件實(shí)踐，與試驗(yàn)前相比，滾刀壽命有所延長(zhǎng)。因此，科學(xué)合理的選擇切削參數(shù)對(duì)齒輪加工效率提高具有重大作用。