大連華銳重工集團股份有限公司通用減速機廠（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、應用最廣的一種加工方法。普通滾刀在滾削過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，則將導致整件滾刀報廢。采用普通滾刀加工齒輪時，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)微米級粉末，采用Co、Mo及Ni等作粘結劑燒結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題，我們用德國藍幟可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金高速重載切削滾刀 (見圖1)對齒圈進行切削應用試驗，試驗結果表明，可轉(zhuǎn)位齒輪滾刀可有效解決滾齒工序批量化生產(chǎn)的瓶頸問題，并可大大節(jié)約成本。

圖1 滾刀實際切削過程

1.可轉(zhuǎn)位滾刀的組成及結構

可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金齒輪滾刀是一種新型重載切削刀具，它是把車刀刀片的鑲嵌技術應用在齒輪滾刀上?？赊D(zhuǎn)位滾刀 (見圖2)主要由刀體、刀條模塊組成。刀條模塊為條狀結構，4個刀條形成一圈螺旋線，通過壓緊螺釘安裝在帶螺旋凹槽的圓柱刀體上。滾刀刀片交錯排列在刀條模塊上，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)位齒輪滾刀結構

可轉(zhuǎn)位齒輪滾刀的結構尺寸為:滾刀直徑270mm，滾刀有效刃長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用如下。

(1)高速切削數(shù)控滾齒機的選擇。滾齒機床運動坐標系如圖3所示，實現(xiàn)滾刀和工件之間的展成分齒運動關系，即滾刀 (S軸)轉(zhuǎn)一圈，工作臺 (C軸)帶動工件旋轉(zhuǎn)K/z轉(zhuǎn)，實現(xiàn)分齒運動。

圖3 滾齒機床運動坐標系

滾刀轉(zhuǎn)速

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

當滾刀沿導軌立柱 (Z軸)方向上下移動時，實現(xiàn)軸向進給。當滾刀沿床身導軌 (X軸)水平方向左右移動時，實現(xiàn)齒輪徑向進給，完成一次齒部切深。

(2)普通滾齒機與數(shù)控滾齒機的區(qū)別。普通滾齒機實現(xiàn)滾刀和工作臺之間展成分齒靠很長的機械傳動鏈，這些傳動鏈通過機械差動變速機構將兩個以上不同運動，經(jīng)由齒輪按一定的速比傳動關系合成輸出，這些諸多傳動鏈的傳動誤差造成滾切加工過程中的振動，制約了機床高速運轉(zhuǎn)。

數(shù)控滾齒機滾刀主軸采用大力矩伺服電動機，工作臺采用多級大轉(zhuǎn)矩低速力矩電動機驅(qū)動，通過位置編碼器反饋等代替了工作臺和滾刀之間的所有機械傳動鏈，稱之為“零傳動”。分齒和差動運動采取了全閉環(huán)控制并且采用電子齒輪箱，使機床滾刀和工作臺的展成等所有運動全部由計算機控制，實現(xiàn)了高速切削，使硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位滾刀的應用成為可能。機床選擇Gleason-PFAUTER-P3000高速數(shù)控銑齒機，主軸電動機功率為35kW。

(3)工藝方案的設計。齒輪滾刀滾削方式有順銑和逆銑兩種。滾刀滾削時，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、機床的顫振，保證排屑流暢等，滾刀進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?？赊D(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，軸向進給量 fa=(3～6)mm/r，在機床主軸消耗功率 (機床自帶的顯示功率變化功能)不大于30%時為最佳。試驗應用過程中在考慮機床主軸消耗功率、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，軸向進給量為2.6mm/r。因冷卻采用風冷，切削過程中產(chǎn)生的熱量通過切屑 (見圖4)帶走，切屑過熱變?yōu)樯钏{色。

圖4 切屑形狀

(5)滾齒竄刀。竄刀是提高滾刀壽命的一個有效手段。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，達到經(jīng)濟高效的目的。當滾刀刀片某一段磨損至極限后，滾刀軸向移位一個距離 (竄刀)，竄刀距離根據(jù)如下計算調(diào)整

式中，s為滾刀軸向竄刀距離;Pt為滾刀導程;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床轉(zhuǎn)位刀片，節(jié)省滾刀拆卸、刃磨時間，節(jié)省待工時間。

3.齒圈質(zhì)量檢測及綜合經(jīng)濟分析評價

齒輪成品檢驗項目包括:①傳遞運動的準確性。②傳遞運動的平穩(wěn)性。③載荷分布均勻性。④齒厚偏差等4個方面的指標。檢驗精度按照國標GB/T 10095—2008中的9級，檢驗組選擇第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作為評定齒輪指標 (見表2)。抽查10件。檢測設備采用德國進口數(shù)控4m磨齒機。

表2 齒圈齒輪精度檢測（單位:mm)

齒面粗糙度對齒輪的傳動精度 (與噪聲和振動有關)、表面承載能力 (與點蝕、膠合和磨損有關)和彎曲強度 (與齒根過渡曲面狀況有關)等都會產(chǎn)生很大的影響。采用MarSurfPS1粗糙度檢測儀對齒面進行檢測 (見圖5)，測得Ra=3.2μm，滿足圖樣要求。

圖5 齒面粗糙度檢測

通過滾刀應用及工藝改進，我們對兩種滾刀進行了綜合經(jīng)濟分析及對比，使用可轉(zhuǎn)位齒輪滾刀可以使加工效率提高10倍 (見表3)，每件滾刀可節(jié)約加工費用約3000元、滾刀刃磨人工費用約1000元。各項數(shù)據(jù)表明，可轉(zhuǎn)位齒輪滾刀從產(chǎn)品質(zhì)量、加工成本和加工時間等各方面來看都是批量化生產(chǎn)的最佳選擇。

表3 兩種滾刀滾切工藝參數(shù)對比

4.結語

通過可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金滾刀滾切齒輪的應用及綜合經(jīng)濟分析可知，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)濟成本、滾切效率等都是普通滾刀不可比的。風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。