提升等高齒刀具壽命的方法

[摘" " 要]總結(jié)出一套適用于等高齒壽命提升的方法，解決了等高齒刀具壽命低的問題。介紹各刀具參數(shù)的作用及取值范圍，在不改變刀具涂層的情況下，對某型等高齒刀具的各參數(shù)進行優(yōu)化取值。經(jīng)優(yōu)化前后對比，刀具壽命提升了45%以上。

[關鍵詞]等高齒;刀具參數(shù);三面刃;兩面刃

[中圖分類號]TG611 [文獻標志碼]A

1 概況

驅(qū)動橋是重卡的重要傳動部件，其中，螺旋錐齒輪是驅(qū)動橋中最重要的零件。目前，重卡驅(qū)動橋螺旋錐齒輪主要采用收縮齒和等高齒等兩種齒制。收縮齒使用預成型高速鋼刀片，如圖1所示，五刀法加工，多使用濕切。等高齒是隨著近年數(shù)控機床技術的發(fā)展才慢慢被引入國內(nèi)，等高齒采用連續(xù)分度法加工，應用高速干切技術，大幅提高了切削效率，因此，目前國內(nèi)中高端卡車的螺旋錐齒輪大部分都是等高齒。

目前，等高齒切齒通常采用硬質(zhì)合金矩形刀條，如圖2所示，刀條在刀盤中的夾緊剛性和穩(wěn)定性很好。由于刀盤上可容納多組刀條（每組刀條由一片內(nèi)刀和一片外刀組成），因而提高了切削效率。矩形刀條的重磨次數(shù)是傳統(tǒng)預成型高速鋼刀片的120倍以上，因此刀具成本較低。奧立康公司的SPIRON?刀盤和ARCON?刀盤，格里森公司TRIAC?刀盤和PENTAC?刀盤都屬于這種類型。

2 刀具參數(shù)命名

在刀具參數(shù)設置中有3種數(shù)據(jù)格式，分別是中性數(shù)據(jù)、切削方向、300CG。中性數(shù)據(jù)是奧立康獨有，300CG是格里森磨刀機使用，切削方向數(shù)據(jù)兩者通用，因此這3種數(shù)據(jù)格式可以相互轉(zhuǎn)換。以切削方向數(shù)據(jù)作為分析對象，參數(shù)名稱見圖3。圖3中定義了用于螺傘齒輪切削的刀條上的所有有效角度。

前角γC和刀頂前角ηu（根切角）是對切削形成過程影響最大的技術參數(shù)。主刃后角γA、副刃后角γB和刀頂后角γK等卸壓角是二次工藝角，僅對磨損情況有影響。工藝角不影響齒形，可用于優(yōu)化切削過程。

3 刀具參數(shù)的推薦取值范圍

（1）刀頂前角ηu。盡管存在主刃傾角，但在圖3的X-Y截面上可以看見部分刀頂前角。圖4中顯示3種不同情況下的刀條截面。圖4左側(cè)圖所示，正的刀頂前角在刀片尖端形成鋒利的切削刃，對于140HB左右的工件，需要正的刀頂前角（8°～12°）;圖4中間圖中有一個0°的刀頂前角切削180HB左右的工件時推薦使用;負的刀頂前角，如圖4右側(cè)圖所示，通常應該避免。但是，頂刃前角至少要小于刀槽傾角，以避免在重新刃磨過程中出現(xiàn)不可接受的刀條長度損失。

（2）前角γC。對于前角，適用于刀頂前角相同的規(guī)則，前角為12°時，切140HB左右的工件效果最好。前角為4°時，切硬度為180HB的工件可獲得最佳結(jié)果。在硬刮削情況下，負的前角（低至-20°）可獲得最佳切割效果。

（3）主刃后角γA。推薦范圍是10°～14°，該角度增加會使切削刃更鋒利，但同時刀尖后部會變尖，降低刀條整體的強度。主刃后角為14°時，切140HB左右的工件效果最好。前角為10°時，切硬度為180HB的工件可獲得最佳結(jié)果。

（4）副刃后角γB。推薦范圍是8°～12°，副刃也參與切削，該角度增加同樣會使刀尖后部變尖，降低刀條整體的強度，因此這個角度取值需要慎重。副刃后角為12°時，切140HB左右的工件效果最好。前角為8°時，切硬度為180HB的工件可獲得最佳結(jié)果。

（5）刀頂后角γK。推薦范圍是8°～16°，該角度小了會增加切齒過程中頂部的摩擦，大了會降低刀條強度。刀頂后角與工件硬度呈非線性關系，工件硬度在140～160HB時，推薦取值14.5°～16°;工件硬度在160～180HB時，推薦取值8°左右。這是為了避免刀尖出現(xiàn)崩刃，因為硬質(zhì)合金刀具的頂部楔角（90°減去刀頂前角再減去刀頂后角）必須盡可能大，才能保證足夠的強度。

4 刀具壽命的判定標準

（1）當刃口或后角區(qū)域的磨損超過0.25mm寬度，切削產(chǎn)品的總數(shù)量定義為該盤刀的刀具壽命。

（2）以產(chǎn)品的齒面粗糙度為依據(jù)，當齒面粗糙度大于Ra1.6，加工出的產(chǎn)品已不滿足圖紙要求，切削產(chǎn)品的總數(shù)量定義為該盤刀的刀具壽命。由于刀具磨損不方便測量，通常以P65（齒輪檢測中心）檢測齒面粗糙度的數(shù)據(jù)作為判定依據(jù)。

5 提升刀具壽命的方法

刀尖是整片刀的敏感部位，在切齒過程中，刀尖全程與工件材料接觸，而切削刃與工件材料的接觸時間只有50%。也就是說，刀尖是磨損最多的部位。這也是潛在的改進方向，可以通過增加刀具組數(shù)和刀具頂寬來提升刀具壽命。刀具組數(shù)是由刀盤決定的，刀盤在設備投產(chǎn)時已經(jīng)確定，而且刀盤采購成本需20～25萬元/個。因此，想要提升刀具壽命只有從增加刀具頂寬和選擇最優(yōu)的刀具參數(shù)入手。

為避免切屑拖拽、磨損或劃傷表面，或者副刃與相對側(cè)齒面干涉，副刃與相對側(cè)齒面間隙需要0.3mm或更大。從齒頂寬中減去0.3mm或更大值，即可獲得理論刀具頂寬。但經(jīng)驗表明，最佳刀具壽命只有在刀尖寬度大于0.8mm時才能獲得。因此，可以通過人為增加副刃凸角來增加刀具頂寬，如圖5所示。

6 試驗驗證

以某卡車橋10/37后橋刀具為試驗對象，在不改變涂層的前提下，按此方法進行優(yōu)化后，刀具壽命以P65檢測的齒面粗糙度為依據(jù)，每隔10件記錄一次，檢測結(jié)果見表1和表2。

從粗糙度檢測結(jié)果看，切齒過程中粗糙度時好時壞，有的已經(jīng)超過Ra1.6。這是因為刀具在正常使用過程中刀尖到刀刃的上半部分磨損較快，齒面粗糙度會變差。但是隨著切削的進行，刀刃下半部也會隨之磨損，當上下兩部分磨損達到平衡后，齒面粗糙度又會變好，因此粗糙度是波動的。最終還要通過觀察刀具刃口磨損情況，確定刀具壽命。

優(yōu)化后，大輪切齒數(shù)量從130件提升到了193件，大輪刀具壽命提升48%;小輪切齒數(shù)量從220件提升到了325件，小輪刀具壽命提升47%。

7 結(jié)束語

實踐證明，通過優(yōu)化刀具參數(shù)和增加副刃凸角可以大幅提升刀具壽命，從而降低刀具刃磨和換產(chǎn)頻次，也大幅降低了刀具的涂層成本。

參考文獻

[1] 文武，王西彬，夏青，等. 硬質(zhì)合金加工20CrMnTi滲碳淬硬鋼刀具磨損機理研究[J]. 機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2021，34（5）：151-152.

作者簡介

彭金（1985—），男，湖南永州人，本科，工程師，主要研究方向為螺旋錐齒輪設計與制造。