可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀滾齒加工精度影響分析和優(yōu)化

姜榮飛，王明鏡，樊凡，王偉，王鵬軍

（南京高速齒輪制造有限公司，南京 211100）

0 引言

可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀目前在大模數(shù)齒輪批量生產(chǎn)中應(yīng)用越來越廣泛，作為一種新型的高速重載切削刀具，可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀在生產(chǎn)效率和加工經(jīng)濟(jì)性方面具有顯著優(yōu)勢[1]。在效率上，由于其切削材料采用高硬度、高耐磨性、高耐熱性的硬質(zhì)合金刀片，滾刀的轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到100 m/min以上，相比普通高速鋼或者粉末冶金高速鋼材質(zhì)的整體滾刀，在加工效率上得到了大幅提升。在成本上，雖然可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀單次投入高，但在批量生產(chǎn)中單位時間的高產(chǎn)出不但提高了機(jī)床的利用率而且增大了設(shè)備的產(chǎn)能，同時由于刀片的可換性，相比于整體滾刀磨損后需要更換刀具、重新刃磨和涂層，可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀可在工位上直接更換刀片，大幅減少了加工輔助時間和刀具庫存。呂海波[2]等在研究可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀在推土機(jī)淬硬齒輪加工中的應(yīng)用時得出：采用可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀加工推土機(jī)齒輪后不但精度滿足要求，而且在效率上比普通硬質(zhì)合金刮削滾刀提升了近45%，單件成本節(jié)約了近20%。在人機(jī)環(huán)境上，可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀適合干切加工，切削過程中可使用風(fēng)冷或者微量潤滑代替油冷，不僅降低了冷卻油使用成本，同時改善了工作人員的工作環(huán)境，減小了環(huán)境污染[3]。

可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀早期都是從國外進(jìn)口，近幾年國內(nèi)的研究和制造也正快速發(fā)展，湘潭大學(xué)的何超[4]針對加工風(fēng)電齒輪箱中大模數(shù)硬齒齒輪的可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀，利用Pro/E二次開發(fā)工具結(jié)合VS2005編程環(huán)境對可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計，并通過有限元軟件對滾刀進(jìn)行了模態(tài)分析。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的李名揚[5]運用UG對可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀的刀體和刀片進(jìn)行了建模，并使用UG加工模塊從加工工藝的角度對刀片槽和刀體的容屑槽進(jìn)行了數(shù)控加工仿真，同時通過有限元仿真軟件對鑲片滾刀的刀體和刀片進(jìn)行了力學(xué)分析。在可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片壽命研究上，周汝忠[6]研究了對BK8和T15K6可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片進(jìn)行鉻化物表面擴(kuò)散強(qiáng)化處理，刀片壽命提高了0.5～1.0倍?？赊D(zhuǎn)位鑲片滾刀由于其齒形是通過刀片搭接而成，刀具齒形精度不如普通整體刀具，在重載和高速切削過程中齒形精度容易超差，目前國內(nèi)尚未有從加工角度對鑲片滾刀加工精度進(jìn)行研究和分析，本文從設(shè)計和實際應(yīng)用的角度分析了刀片搭接誤差、刀片安裝誤差及刀片磨損對齒輪加工的影響，同時采用DOE試驗設(shè)計方法分析了加工參數(shù)與零件齒形精度的相關(guān)性，并結(jié)合實際生產(chǎn)需求優(yōu)化加工參數(shù)，提升鑲片滾刀加工后的齒形精度。

1 刀片搭接誤差對加工精度影響

可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀的齒形是由刀片在空間上搭接而成，大模數(shù)鑲片滾刀通常是由頂刃和側(cè)刃刀片搭接而成（如圖1），刀片搭接處因刀體設(shè)計和刀片的制造誤差會存在一定的搭接誤差，使用后零件齒面會出現(xiàn)異常臺階或者棱線，圖2所示齒形計量報告中，由于刀片搭接誤差過大，齒形出現(xiàn)了異常波動的情況，當(dāng)誤差過大時，會造成齒形輪廓偏差ffα和齒形總偏差Fα超出精度要求，刀具將無法繼續(xù)使用。因此，在刀具設(shè)計階段需嚴(yán)格控制搭接誤差，在制造后需在刀體上安裝刀片后進(jìn)行精度檢驗，根據(jù)檢驗結(jié)果對刀片定位槽進(jìn)行調(diào)整。

圖1 可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀刀片搭接示意圖

圖2 刀片搭接誤差造成齒形精度異常計量報告

2 刀片安裝誤差對加工精度影響

可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀的刀片通過刀體上定位槽和螺釘固定在刀體上，刀片中間加工有固定螺孔（如圖3），該螺孔具有一定斜度，一方面可以充分利用刀體空間且方便螺釘?shù)陌惭b，另一方面螺釘在安裝過程中與刀片斜孔在水平方向上存在作用力，使得刀片緊貼定位槽，保證定位精度。刀片的安裝誤差除了刀片本身以及定位槽的制造誤差外，主要由螺釘?shù)膲壕o力引起，當(dāng)螺釘?shù)膲壕o力過大時，刀片會在螺釘擠壓下出現(xiàn)斷裂情況（如圖4），當(dāng)螺釘壓緊力過小時，刀片將安裝不到位造成齒形誤差大，同時由于鑲片滾刀高速重載切削，壓緊力不足時刀片易產(chǎn)生松動并掉落，造成刀體和零件損壞，所以在安裝刀片時應(yīng)嚴(yán)格遵循廠家建議的轉(zhuǎn)矩值來擰緊螺釘。在更換刀片時，需及時清理定位槽，殘留的鐵屑或污漬都有可能造成齒形精度超差。

圖3 刀片斜螺孔圖

圖4 刀片在螺釘過度擠壓下斷裂圖

3 刀片磨損對加工精度影響

可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀刀片在使用過程中表面涂層會逐漸磨損，由于熱量的積累，刀片刃口部分的材料會逐漸脫碳和軟化，此時刀片刃口會發(fā)白發(fā)亮，露出刀片基體材料以及刃口出現(xiàn)脫碳區(qū)（如圖5），隨著磨損的持續(xù)增加，刀片刃口切削性能下降，加工出的零件齒面質(zhì)量變差，進(jìn)一步磨損后，刀片會出現(xiàn)劈齒或崩刃的情況（如圖6），此時零件齒形會出現(xiàn)偏差，嚴(yán)重時齒面沿齒向方向出現(xiàn)棱線，無法滿足滾齒要求。因此，當(dāng)?shù)镀蟮睹娉霈F(xiàn)一定范圍的脫碳以及刃口發(fā)白且刃口形狀不規(guī)則時應(yīng)及時更換刀片，避免刀片出現(xiàn)劈齒或者崩刃的情況。

圖5 刀片切削刃脫碳圖

圖6 刀片劈齒或崩刃圖

4 加工參數(shù)對齒形精度影響分析和優(yōu)化

4.1 研究背景和目的

目前可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀制造精度多為B級，適用于加工ISO標(biāo)準(zhǔn)8～9級的齒輪，一般滾齒加工精度要求為ISO 9級，但在實際使用中經(jīng)常出現(xiàn)齒形精度超過9級情況，圖7為模數(shù)為14 mm的可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀加工同一種行星輪齒形精度超過9級的P控制圖，可以看出在12個月以內(nèi)齒形精度超過9級的比例為53%，齒形精度超差會造成磨齒余量不均勻，增加磨齒精度超差風(fēng)險，因此降低滾齒齒形精度不合格率具有重要意義。

圖7 模數(shù)14行星輪齒形精度超過9級的P控制圖

在大模數(shù)齒輪滾齒加工中，考慮到加工載荷、機(jī)床剛度及刀具磨損，一般采用高軸向進(jìn)給速度和多次走刀或單次走刀、低軸向進(jìn)給速度的加工方式來平衡加工效率和加工質(zhì)量。在現(xiàn)有的理論研究中得知，軸向進(jìn)給速度是否與加工后的齒形精度相關(guān)尚未有研究，但軸向進(jìn)給大小與齒向波紋度相關(guān)，相關(guān)性方程為

式中：δx為進(jìn)給切痕深度；fa為軸向進(jìn)給速度；β0為螺旋角；αn為齒形角；da0為滾刀齒頂圓直徑。

可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀自身存在一定螺旋升角，在加工過程中滾刀相對齒輪的螺旋角會偏轉(zhuǎn)一定角度，這使得兩側(cè)側(cè)刃刀片前角不相等，這將造成兩側(cè)切削刃的切削工況不相同。在普通滾刀加工時由于切削力較小，兩側(cè)切削工況不同造成的齒形精度影響較小，但對于可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀的重載切削條件下，該影響不容忽視，具有一定的研究意義。

DOE試驗設(shè)計起源于歐洲，最早用來研究農(nóng)作物產(chǎn)量最大化的問題，并取得良好的效果，DOE通過設(shè)計正交表對試驗進(jìn)行合理安排，并分析試驗所得數(shù)據(jù)，以較少的試驗次數(shù)和成本分析生產(chǎn)過程中各因素之間的相互作用，以此來獲取最優(yōu)參數(shù)組合實現(xiàn)效益最大化[7-9]。為分析滾刀軸向進(jìn)給速度、滾刀偏轉(zhuǎn)角及走刀次數(shù)對齒輪齒形精度的影響，采用DOE試驗設(shè)計方法對這些參數(shù)進(jìn)行分析并優(yōu)化。

4.2 研究對象和基本參數(shù)

研究對象為與前述統(tǒng)計相同的模數(shù)為14 mm的行星輪，其基本參數(shù)和對應(yīng)可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀參數(shù)如表1和表2所示。

表1 行星輪基本參數(shù)

表2 可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀基本參數(shù)

4.3 試驗方案設(shè)計

試驗采用3因子2水平4中心點復(fù)合設(shè)計，表3為各關(guān)鍵參數(shù)的現(xiàn)狀、理論分析和參數(shù)優(yōu)化范圍，其中螺旋角補(bǔ)償為在機(jī)床輸入滾刀螺旋角時人為補(bǔ)償?shù)毒呗菪侵?，目的是為了改變滾齒時滾刀的偏轉(zhuǎn)角，刀具本身螺旋角保持不變。

表3 關(guān)鍵影響參數(shù)分析

4.4 試驗結(jié)果分析

按照試驗設(shè)計方案的參數(shù)加工后，對每一件行星輪進(jìn)行齒形精度計量，根據(jù)測量的齒形斜率偏差fHα、齒廓形狀偏差ffα和齒廓總偏差Fα數(shù)據(jù)中每項的最大值（fHα、ffα、Fα最大值直接決定精度等級），采用Minitab軟件進(jìn)行齒形精度擬合回歸和相關(guān)性分析，圖8所示為行星輪齒形精度的Pareto圖。

根據(jù)圖8可以得出，加工的行星輪齒形斜率偏差fHα與軸向進(jìn)給速度和滾刀螺旋角相關(guān)性高；齒廓形狀偏差ffα與軸向進(jìn)給速度、滾刀螺旋角、走刀次數(shù)，以及它們的交互作用相關(guān)性高；齒廓總偏差Fα與軸向進(jìn)給速度、螺旋角和走刀次數(shù)的交互作用相關(guān)性高。

圖8 行星輪齒形精度Pareto圖

由于齒形精度數(shù)值越小表示精度越高，使用Minitab中的響應(yīng)優(yōu)化器功能，對行星輪齒面齒形精度的fHα、ffα和Fα進(jìn)行望小優(yōu)化模型，同時為保證加工效率，走刀次數(shù)限定為1次，圖9為優(yōu)化模型結(jié)果，當(dāng)軸向進(jìn)給速度選用低水平、刀具螺旋角補(bǔ)償采用高水平時得到最優(yōu)解且齒形精度能夠保證在9級以內(nèi)。

圖9 加工參數(shù)-齒形精度響應(yīng)優(yōu)化圖

4.5 加工驗證

為驗證優(yōu)化模型的準(zhǔn)確性，采用低進(jìn)給速度1 mm/r、螺旋角補(bǔ)償1°即滾刀螺旋角輸入值為4.651°、走刀次數(shù)為1次的加工參數(shù)進(jìn)行12次加工試驗驗證，驗證結(jié)果如圖10所示。

圖10 驗證加工齒形精度過程能力分析

根據(jù)圖10的過程能力分析結(jié)果可知：對比ISO 9級齒形精度要求，參數(shù)優(yōu)化后的fHα預(yù)測不合格率小于9%，ffα預(yù)測不合格率小于17.8%，F(xiàn)α預(yù)測不合格率小于2.5%，12件行星輪加工后整體齒形精度超過9級為25%，相比于參數(shù)優(yōu)化前53%的不合格率有明顯提升，這也說明通過優(yōu)化參數(shù)對可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀加工的齒形精度具有一定的提升作用。

5 結(jié)語

隨著可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀在批量滾齒加工中的廣泛應(yīng)用，其加工精度的穩(wěn)定性也越來越受到重視，本文從設(shè)計的角度分析了刀片搭接存在較大誤差時，加工出的齒輪在齒面會出現(xiàn)異常臺階或者棱線的情況，可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀在批量使用前需嚴(yán)格進(jìn)行檢測或驗證；從實際應(yīng)用的角度分析了刀片安裝誤差和刀片磨損對零件精度的影響：刀片采用螺釘安裝時應(yīng)嚴(yán)格遵守設(shè)計轉(zhuǎn)矩值，轉(zhuǎn)矩值過大時易造成刀片斷裂，轉(zhuǎn)矩值過小時易造成加工過程中刀片松動從而導(dǎo)致齒形超差。刀片磨損過大時，繼續(xù)使用后易造成刀片崩刃或劈齒，加工后的零件會出現(xiàn)齒形超差或齒面沿齒向方向存在棱線，每件零件加工后應(yīng)檢查刀片磨損情況并及時更換新的刃口。

使用DOE試驗設(shè)計方法，分析了可轉(zhuǎn)位鑲片滾刀軸向進(jìn)給速度、刀具螺旋角補(bǔ)償及走刀次數(shù)與零件齒形精度的相關(guān)性，并在保證加工效率的前提下，優(yōu)化滾刀軸向進(jìn)給速度和滾刀螺旋角，通過加工驗證的方式得出了減小滾刀軸向進(jìn)給速度和增大滾刀螺旋角補(bǔ)償值對加工出的零件齒形精度具有一定的提升作用。