張 應(yīng) 曹華軍 朱利斌 李本杰

重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400044

齒輪高速干切滾刀壽命預(yù)估模型與優(yōu)化方法

張 應(yīng) 曹華軍 朱利斌 李本杰

重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶,400044

由于齒輪高速干式滾切工藝切削速度高且缺少切削油的冷卻潤(rùn)滑，為滿(mǎn)足高速干切滾刀的抗磨損、耐高溫等性能要求，高速干切滾刀基體材料和涂層的制備工藝均較為復(fù)雜，且價(jià)格昂貴，因而需要優(yōu)化高速干切工藝以延長(zhǎng)高速干切滾刀使用壽命，進(jìn)而降低工件制造成本，提高效益。結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐和理論分析，研究了齒輪高速干切滾刀的失效形式和失效原理，提出了以單個(gè)刀齒切削長(zhǎng)度為高速干切滾刀壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)并建立相應(yīng)計(jì)算模型的方法，基于此開(kāi)展了高速干切滾刀壽命試驗(yàn)，建立了高速干切滾刀壽命多元線(xiàn)性回歸模型，采用MATLAB求解得到該試驗(yàn)條件下的高速干切滾刀壽命經(jīng)驗(yàn)公式。最后基于此提出了通過(guò)優(yōu)化滾切工藝參數(shù)以及采用新型竄刀方式等來(lái)延長(zhǎng)高速干切滾刀壽命的方法。

高速干切滾刀；刀具耐用度；經(jīng)驗(yàn)公式；優(yōu)化方法

0 引言

滾齒工藝是應(yīng)用最廣泛的齒輪粗加工工藝之一，高速干切工藝的出現(xiàn)和逐步成熟為齒輪滾切實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保加工以及高效自動(dòng)化生產(chǎn)提供了技術(shù)條件[1]。新工藝成果要運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)中，必須考慮經(jīng)濟(jì)效益這一因素，齒輪高速干式滾切工藝中高速干切滾刀不僅購(gòu)買(mǎi)價(jià)格昂貴，且其重磨和重涂層費(fèi)用也很高，有研究表明，高速干切滾刀的購(gòu)置和后期修復(fù)費(fèi)用占整個(gè)齒輪加工成本的30%左右[2]。為在齒輪制造業(yè)推廣這一綠色環(huán)保工藝，迫切需要研究影響高速干切滾刀壽命的因素及其作用規(guī)律，然后據(jù)此優(yōu)化高速干切工藝，提高高速干切滾刀壽命。

對(duì)于齒輪滾刀壽命，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要針對(duì)滾刀磨損機(jī)理、滾刀失效過(guò)程、滾刀切削過(guò)程中的表面形貌特征開(kāi)展了研究。MAIURI[3]分析了影響滾刀壽命的因素，包括工件材料、滾刀涂層、滾刀設(shè)計(jì)、切削參數(shù)等，但由于分析的因素較多，故對(duì)單個(gè)因素沒(méi)有進(jìn)行深入分析；SARI等[4]通過(guò)切削試驗(yàn)，對(duì)比分析了分別以硬質(zhì)合金、粉末冶金高速鋼、金屬陶瓷、PCBN作為精密滾刀材料時(shí)的刀具壽命、刀具磨損情況；KLOCKE等[5]通過(guò)設(shè)計(jì)滾齒工藝飛刀試驗(yàn)，分析了滾刀涂層、基體材料、圓角對(duì)滾刀壽命的影響，并通過(guò)開(kāi)發(fā)數(shù)值計(jì)算軟件來(lái)優(yōu)化滾刀設(shè)計(jì)；RECH[6]基于飛刀銑齒試驗(yàn)對(duì)高速干切涂層滾刀的磨損行為進(jìn)行了試驗(yàn)研究，具體試驗(yàn)方法是利用五軸加工中心模擬齒輪工件與飛刀的展成運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)單個(gè)刀齒的磨損分析，其研究結(jié)果表明刀具的磨損壽命與刀刃的幾何圓角半徑的關(guān)系呈上凸函數(shù)形態(tài)；針對(duì)飛刀試驗(yàn)KUBO等[7]指出，因?yàn)橥暾麧L刀與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和飛刀與工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有明顯區(qū)別，飛刀試驗(yàn)的數(shù)據(jù)不適用于所有的滾齒工藝；KARPUSCHEWSKI等[8]開(kāi)展了大量滾切試驗(yàn)并基于統(tǒng)計(jì)學(xué)方法得出了粉末冶金高速鋼滾刀經(jīng)濟(jì)壽命的經(jīng)驗(yàn)公式，但是其選擇的參數(shù)變量為切屑厚度、切削長(zhǎng)度等，而不是滾齒工藝最重要的進(jìn)給量和滾削速度這兩個(gè)工藝參數(shù)。

鑒于此，本文從分析高速干切滾刀壽命影響因素出發(fā)，提出高速干切滾刀壽命計(jì)算方法；通過(guò)高速干切滾刀壽命試驗(yàn)，結(jié)合多元線(xiàn)性回歸模型，建立高速干切滾刀壽命經(jīng)驗(yàn)公式。最后基于模型求解結(jié)果，提出了通過(guò)優(yōu)化滾切工藝參數(shù)，采用新型竄刀方式等來(lái)延長(zhǎng)高速干切滾刀壽命的方法。

1 高速干切滾刀壽命影響因素

高速干切滾刀在切削加工中不可避免地會(huì)出現(xiàn)損傷，隨著損傷的累積，高速干切滾刀將最終失效。高速干切滾齒工藝缺少切削油的冷卻潤(rùn)滑，高速干切滾刀的磨損和失效機(jī)理更為復(fù)雜。高速干切滾刀的主要失效形式包括磨損失效、崩刃失效等。高速干切滾刀過(guò)度磨損主要由機(jī)床切削功率過(guò)高、切削載荷過(guò)大、機(jī)床振動(dòng)過(guò)高、噪聲或顫振過(guò)大、產(chǎn)熱量過(guò)導(dǎo)致起刀具或工件溫度升高、工件表面過(guò)于粗糙、工件尺寸不在誤差范圍內(nèi)等原因引起[7]。分析發(fā)現(xiàn)影響刀具壽命的主要因素包括：滾刀的基體材料、涂層種類(lèi)；工件的材料類(lèi)別、硬度、微觀結(jié)構(gòu)；切削速度、進(jìn)給量等切削工藝參數(shù)；冷卻類(lèi)型；竄刀方式；滾刀夾緊方式；滾刀進(jìn)給方式；磨損標(biāo)準(zhǔn)等[9]。

高速干切滾刀基體材料目前常用粉末冶金高速鋼或硬質(zhì)合金。實(shí)際生產(chǎn)中，滾刀的基體材料與涂層材料應(yīng)合理匹配，須根據(jù)不同的加工要求選用。高速干切滾刀涂層對(duì)刀具壽命影響非常大，涂層可以提高刀具表面硬度和耐磨性，避免刀具基體和工件直接接觸，提高刀具表面抗氧化性及熱化學(xué)穩(wěn)定性，減小刀具接觸區(qū)及排屑槽的摩擦因數(shù)，降低刀具基體材料溫度，避免刀具紅熱軟化及減小刀具熱變形等[10]。

工件材料的可加工性能包括材料的硬度、抗拉強(qiáng)度等，都會(huì)嚴(yán)重影響滾刀的磨損情況。滾切工藝參數(shù)應(yīng)該與工件材料類(lèi)型匹配。

圖1所示為高速干切滾齒工藝運(yùn)動(dòng)關(guān)系以及切削工藝參數(shù)。其中，δ為齒輪螺旋角；n0、n1分別為滾刀和齒輪的轉(zhuǎn)速。高速干式滾齒切削加工過(guò)程中，滾刀與工件之間因去除材料產(chǎn)生劇烈擠壓，同時(shí)，刀齒前刀面與切屑、后刀面與工件產(chǎn)生劇烈的摩擦與擠壓，且滾齒區(qū)域較為封閉，刀齒散熱及潤(rùn)滑條件惡劣。刀齒頂刃部分、側(cè)刃部分及前刀面磨損較為嚴(yán)重，對(duì)高速干切滾刀使用壽命影響很大。另外，由于高速干切滾齒工藝目前常應(yīng)用于小模數(shù)齒輪的加工，滾刀通常只需在工件徑向采用一次進(jìn)給，滾齒深度即為全齒深，故工藝參數(shù)只需要考慮滾刀軸向進(jìn)給量f以及滾刀切削速度v。

圖1 高速干切滾齒運(yùn)動(dòng)關(guān)系及切削工藝參數(shù)Fig.1 Kinematic relationship and cutting parameters of high-speed dry hobbing

歐瑞康巴爾查斯公司在生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)了圖2所示的高速干切滾刀磨損情況與切削參數(shù)的關(guān)系[11]。在高速干式滾切中，如果切削速度和進(jìn)給速度過(guò)低，在滾刀前刀面容易產(chǎn)生積屑瘤；如果進(jìn)給速度過(guò)高，刀具受到的沖擊較大，容易造成刀刃斷裂；當(dāng)切削速度過(guò)高時(shí)，刀具容易產(chǎn)生化學(xué)腐蝕；當(dāng)切削速度和進(jìn)給速度都較高時(shí)，滾刀刃口容易發(fā)生變形。由此，高速干切工藝切削參數(shù)必須設(shè)置在安全區(qū)范圍內(nèi)才能最大限度地減小滾刀磨損，保證高速干切滾刀的使用壽命。

圖2 滾刀磨損與滾切工藝參數(shù)的關(guān)系Fig.2 The relationship between hob wear and hobbing parameters

高速干切滾刀在正常加工范圍內(nèi)磨損方式通常表現(xiàn)為側(cè)面磨損。側(cè)面磨損標(biāo)準(zhǔn)通常用最大磨損寬度VBmax來(lái)衡量，VBmax可通過(guò)電子顯微鏡進(jìn)行測(cè)量。圖3所示為高速干切滾刀常見(jiàn)的磨損方式。

圖3 高速干切滾刀磨損方式Fig.3 Wear mode of dry cutting hob

2 高速干切滾刀壽命計(jì)算方法

滾刀壽命的定義方式主要有以下4種：滾刀每次刃磨可加工工件數(shù)；滾刀每次刃磨可加工時(shí)間；滾刀從開(kāi)始使用到不能再重磨或重涂層(即報(bào)廢)可加工的工件總數(shù)；單次刃磨滾刀單個(gè)刀齒可滾削的長(zhǎng)度。高速干切滾刀常選用滾刀每次刃磨可加工工件數(shù)為滾刀壽命，但是本文為研究高速干切滾刀壽命優(yōu)化方法，采用單次刃磨滾刀單個(gè)刀齒可滾削長(zhǎng)度定義刀具壽命，其好處在于可以忽略滾刀長(zhǎng)度這一因素，如果選用滾刀每次刃磨可加工工件數(shù)，若滾刀長(zhǎng)度不一樣，則得出的數(shù)據(jù)不好評(píng)價(jià)。在實(shí)際滾切工藝中，若需要知道滾刀每次刃磨可加工工件數(shù)，可以由單齒滾削長(zhǎng)度和在竄刀范圍的有效刀齒數(shù)目計(jì)算得到。

由高速干切滾齒工藝加工原理分析可知，加工完單件齒輪其對(duì)應(yīng)的線(xiàn)性切削長(zhǎng)度

Lpt=z1NwBw/cosβ

(1)

式中，z1為齒輪齒數(shù)；Nw為每次加工裝夾工件數(shù)；Bw為齒輪寬度。

滾刀在竄刀范圍內(nèi)的有效刀齒數(shù)

Nht=ils/ph

(2)

ph=πmn/cosλ

(3)

ls=l3-le-lp0/2-3mn

(4)

式中，i為滾刀槽數(shù)；mn為模數(shù)；ph為滾刀法向節(jié)距；ls為滾刀可用竄刀范圍；λ為滾刀螺旋升角；l3為滾刀有效切削長(zhǎng)度，由滾刀規(guī)格決定；le為滾刀切削刃長(zhǎng)度；lp0為齒部展成嚙合長(zhǎng)度。

圖4所示為高速干切滾齒展成運(yùn)動(dòng)示意圖。由幾何關(guān)系得

(5)

lpa和lpf為中間參數(shù)，其計(jì)算公式如下：

(6)

tanαt=tanαn/cosβcosαat=db/da1
db=z1mncosαat/cosβ

圖4 高速干切滾齒工藝展成加工示意圖Fig.4 Generating process of dry hobbing

綜上可以推出高速干切滾刀壽命，即滾刀單齒可加工長(zhǎng)度

LF=LptNps/(NhtNw)

(7)

在某特定條件下只有干切滾刀長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，可迅速計(jì)算該干切滾刀單次刃磨可加工工件數(shù)Nps，計(jì)算公式如下：

Nps=LFNhtNw/Lpt

(8)

3 高速干切滾刀壽命試驗(yàn)

高速干切滾刀刀具價(jià)格昂貴，若開(kāi)展正交試驗(yàn)，需要消耗大量時(shí)間和資金，本研究在某齒輪加工生產(chǎn)線(xiàn)上的干式滾切機(jī)床上，正常生產(chǎn)特定型號(hào)齒輪，既能獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，也能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。為保證工件質(zhì)量和加工效率，每次加工在工件徑向都采用一次進(jìn)給方式，即一次切出全齒深；對(duì)于切削速度范圍，選擇典型的粉末冶金高速鋼滾刀切削速度常用范圍160～200 m/min；對(duì)于工作臺(tái)每轉(zhuǎn)滾刀沿工件軸線(xiàn)的進(jìn)給量f，在加工質(zhì)量的限制下，選擇范圍為1.4～2.0 mm/r。圖5為高速干切滾刀壽命試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖5 高速干切滾刀壽命試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.5 Experiment of hob life in dry hobbbing

基于高速干式滾切工藝特點(diǎn)，設(shè)計(jì)該試驗(yàn)為兩因素四水平試驗(yàn)，主要研究切削速度和進(jìn)給量與干切滾刀壽命的關(guān)系，在合理范圍內(nèi)將兩者分為4個(gè)水平的參數(shù)值，采用田口正交試驗(yàn)方法，進(jìn)行交叉配對(duì)試驗(yàn)，具體試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 高速干切滾刀壽命試驗(yàn)參數(shù)Tab.1 Hobbing conditions for dry hob tool life experiment

在試驗(yàn)過(guò)程中，每組試驗(yàn)參數(shù)滾切下，每加工20件齒輪，就檢測(cè)刀具的磨損程度，直到達(dá)到失效標(biāo)準(zhǔn)VBmax，計(jì)算得到刀具壽命L,最后得到16組試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，如表2所示。

表2 高速干切滾刀壽命試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Experimental results of dry hob tool life

基于表2試驗(yàn)結(jié)果，以進(jìn)給量f為x軸坐標(biāo)，切削速度v為y軸坐標(biāo)，滾刀壽命L為z軸坐標(biāo)，繪制得到高速干切滾刀壽命試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)圖，見(jiàn)圖6。

圖6 高速干切滾刀壽命試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Experimental results of high-speed dry hob life

選取第5次試驗(yàn)作為研究對(duì)象，即切削速度為 200m/min，進(jìn)給量為2 mm/r，依次測(cè)量每加工20個(gè)工件的滾刀磨損值，作出刀具磨損過(guò)程曲線(xiàn)，如圖7所示。可以發(fā)現(xiàn)刀具在合理工藝參數(shù)下加工時(shí)，磨損呈現(xiàn)分階段趨勢(shì)，這是因?yàn)椴捎昧烁Z刀工藝，在同一個(gè)竄刀周期內(nèi)，干切滾刀的磨損較為均勻。

圖7 滾刀整體磨損曲線(xiàn)Fig.7 Wear curve of the whole hob

4 高速干切滾刀壽命經(jīng)驗(yàn)公式

在一般的切削過(guò)程中，常采用廣義的泰勒壽命公式，由于高速干切滾齒工藝常采用徑向一次進(jìn)給的方式，所以徑向切削深度就不作為變量，而只采用切削速度v和工作臺(tái)每轉(zhuǎn)滾刀沿工件軸向進(jìn)給量f作為變量，建立經(jīng)驗(yàn)公式形式如下：

L=k0vk1fk2

(9)

等式兩邊取對(duì)數(shù)：

lnL=lnk0+k1lnv+k2lnf

(10)

即變化模型為

y=b0+k1x1+k2x2

(11)

因變量y與自變量x1、x2之間存在線(xiàn)性關(guān)系，是一個(gè)線(xiàn)性方程，其中b0、k1、k2為回歸系數(shù)，可通過(guò)線(xiàn)性回歸求解。其中，y=lnL,b0=lnk0,x1=lnv，x2=lnf。

利用MATLAB regress函數(shù)編寫(xiě)程序進(jìn)行多元線(xiàn)性回歸求解，得到表3所示求解結(jié)果，以及圖8所示的殘差示意圖。表3中，R2為相關(guān)系數(shù)，表示擬合度；F表示F統(tǒng)計(jì)量，P為統(tǒng)計(jì)量對(duì)應(yīng)的概率；s2為剩余方差。從圖8可以看出，所有數(shù)據(jù)的殘差離零點(diǎn)均較近，且殘差的置信區(qū)間都包含零點(diǎn)，說(shuō)明回歸模型能較好地?cái)M合原始試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表3 回歸模型求解結(jié)果Tab.3 Results of regression model

圖8 回歸模型結(jié)果殘差示意圖Fig.8 Residual error of regression model

將結(jié)果代入式(9)～式(11)中得

y=2.5876-0.1734x1-0.7382x2

(12)

lnL=lnk0-0.1734lnv-0.7382lnf

(13)

高速干切滾刀壽命經(jīng)驗(yàn)公式為

L=13.2978v-0.1734f-0.7382

(14)

通過(guò)MATLAB函數(shù)繪圖功能，繪出高速干切滾刀壽命經(jīng)驗(yàn)公式函數(shù)圖，見(jiàn)圖9。

圖9 高速干切滾刀壽命經(jīng)驗(yàn)公式Fig.9 Experience formula of dry cutting hob life

高速干切滾刀成本昂貴，優(yōu)化其壽命可以有效降低工藝成本。由高速干切滾刀壽命經(jīng)驗(yàn)公式，可以得到高速干切滾刀壽命與滾切工藝參數(shù)的量化關(guān)系，進(jìn)而推斷出如何優(yōu)化工藝參數(shù)以提高高速干切滾刀壽命。

5 高速干切滾刀壽命優(yōu)化方法

高速干切滾刀常見(jiàn)的壽命優(yōu)化方法包括選擇優(yōu)化的滾切工藝參數(shù)，優(yōu)化滾刀涂層，優(yōu)化滾刀空間幾何結(jié)構(gòu)，優(yōu)化滾刀基體材料，優(yōu)化滾刀竄刀方式，優(yōu)化高速干切機(jī)床，優(yōu)化切削系統(tǒng)散熱和排屑條件等。對(duì)于齒輪生產(chǎn)企業(yè)，干切滾刀和滾切機(jī)床一般都是通過(guò)購(gòu)置得到，齒輪生產(chǎn)企業(yè)最為關(guān)心的是如何最大程度地通過(guò)優(yōu)化本廠的制造工藝(工藝參數(shù)、竄刀方式等)來(lái)降低生產(chǎn)成本。大多齒輪生產(chǎn)企業(yè)本身通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)和竄刀方式來(lái)提高滾刀壽命。本文基于高速干切滾刀壽命經(jīng)驗(yàn)公式提出，通過(guò)優(yōu)化高速干式滾切工藝參數(shù)以及一種新型竄刀方法來(lái)優(yōu)化高速干切滾刀壽命。

5.1優(yōu)化齒輪高速干式滾切工藝參數(shù)

從高速干切滾刀壽命經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果可以看出，當(dāng)切削速度和進(jìn)給量都在合理參數(shù)范圍內(nèi)時(shí)，切削速度對(duì)滾刀壽命的影響相對(duì)較小，而進(jìn)給量由于直接影響滾刀切下的切屑體積，故對(duì)滾刀的壽命影響較大，所以為提高加工效率并同時(shí)保證高速干切滾刀壽命，可以選擇較大切削速度和相對(duì)較小的進(jìn)給量。表2和圖6所示試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了該結(jié)論。在制定高速干式滾切工藝參數(shù)時(shí)，不僅需要考慮干切滾刀壽命，還需要考慮成本、效率等開(kāi)展多目標(biāo)優(yōu)化，本文提出的干切滾刀壽命經(jīng)驗(yàn)公式可以為工藝參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化提供量化的優(yōu)化目標(biāo)。

5.2優(yōu)化高速干切滾刀竄刀方式

對(duì)于齒輪制造企業(yè)，延長(zhǎng)高速干切滾刀使用壽命的另一種方法是在刀齒磨損值達(dá)到一定限度時(shí)進(jìn)行竄刀操作。滾刀加工齒輪時(shí)，切削區(qū)每個(gè)刀齒的切削量都不相等，各刀齒的磨損也不均勻。滾刀的合理竄刀，就是消除少數(shù)刀齒磨損嚴(yán)重，多數(shù)刀齒磨損輕微或無(wú)磨損的弊端，使?jié)L刀整個(gè)長(zhǎng)度上的有效刀齒都能依次均勻地發(fā)揮切削作用，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。滾刀如果能做到合理竄刀，刀具的耐用度將大大提高，而且加工的齒輪齒面的表面粗糙度也會(huì)有所減小。

圖10 高速干切滾刀竄刀原理Fig.10 The principle of hob shifting

如圖10所示，目前普通濕切滾刀大多采用傳統(tǒng)竄刀方法，即每加工完一次裝夾的工件，就沿滾刀軸向竄同一基本蝸桿螺旋線(xiàn)上的相鄰切削刃軸向距離Sk，當(dāng)達(dá)到竄刀范圍后又重復(fù)從原起點(diǎn)開(kāi)始竄刀，直到達(dá)到滾刀的磨損標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于高速干切滾刀，這里提出一種復(fù)合竄刀方式，即每次竄刀量為同一容屑槽上的相鄰切削刃的軸向距離Sg，當(dāng)竄完一個(gè)周期后，下次竄刀周期起點(diǎn)與上次竄刀起點(diǎn)偏移一個(gè)Sk的距離。

對(duì)于斜槽滾刀：

Sk=πmnz0cosλ/i

(15)

Sg=πmnz0cosλ

(16)

對(duì)于直槽滾刀：

Sk=πmnz0/(icosλ)

(17)

Sg=πmnz0/cosλ

(18)

在高速干切工藝中，采用該種復(fù)合竄刀法，在保證磨損均勻的情況下，可以使?jié)L刀盡可能快地竄出當(dāng)前受熱區(qū)，進(jìn)而改善滾刀與工件接觸區(qū)的散熱條件，延長(zhǎng)干切滾刀的壽命。

為驗(yàn)證所提出的高速干切滾刀復(fù)合竄刀方法的效果，在高速干式滾切工藝基礎(chǔ)上開(kāi)展傳統(tǒng)竄刀方式與優(yōu)化竄刀方式的對(duì)比試驗(yàn)，兩次試驗(yàn)都采用表2中試驗(yàn)5的切削參數(shù)，即切削速度為200 m/min，進(jìn)給量為2 mm/r，除了竄刀方式不同，其他參數(shù)保持不變，得到圖11所示結(jié)果，優(yōu)化的復(fù)合竄刀法比傳統(tǒng)竄刀法延長(zhǎng)壽命47%。試驗(yàn)說(shuō)明，在高速干式滾切工藝中選用該種新型復(fù)合竄刀方法能夠有效延長(zhǎng)干切滾刀壽命。

圖11 高速干切滾刀竄刀方式對(duì)比結(jié)果Fig.11 Results of comparison between the traditionalshifting method and optimal method

6 結(jié)論

高速干式滾切工藝在齒輪滾切中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了齒輪的高效環(huán)保生產(chǎn)，但由于齒輪高速干式滾切工藝本身的復(fù)雜性，該工藝對(duì)高速干切滾刀有特別要求，導(dǎo)致高速干切滾刀制造成本昂貴，如何延長(zhǎng)高速干切滾刀壽命是廣泛運(yùn)用該工藝亟需解決的問(wèn)題。本文分析了齒輪高速干切滾刀的失效形式和失效原理，以單個(gè)刀齒切削長(zhǎng)度作為高速干切滾刀壽命評(píng)價(jià)指標(biāo)并建立相應(yīng)的計(jì)算模型；基于此開(kāi)展高速干切滾刀壽命田口正交試驗(yàn)，建立高速干切滾刀壽命多元線(xiàn)性回歸模型，采用MATLAB求解得到該試驗(yàn)條件下的高速干切滾刀壽命經(jīng)驗(yàn)公式；并基于此提出了通過(guò)優(yōu)化滾切工藝參數(shù)和采用新型竄刀方式等來(lái)延長(zhǎng)高速干切滾刀壽命的方法。

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High-speedDryGearHobLifePredictionModelandOptimizationMethod

ZHANG Ying CAO Huajun ZHU Libin LI Benjie

State Key Laboratory of Mechanical Transmissions, Chongqing University, Chongqing,400044

Because high-speed dry hobbing technology lacked cutting oil and lubrication for cooling under high cutting speeds, the high-speed dry gear hob should have very high cutting properties including good wear resistance, high temperature resistant which led to a complex and expensive manufacturing for the substrate material and coating of high-speed dry hobs. Therefore, it was necessary to optimize the high-speed dry hobbing technology to improve the hob tool life to reduce manufacturing costs and improve efficiency. Combining the experiments in production practices and theoretical analysis, the failure modes and wear principles of the high-speed dry hobs were analyzed. The cutting lengths of single blade were used as evaluation indexes of the high-speed dry hob tool life and the corresponding calculation model was established. Based on this calculation model’high speed dry hob life experiments were carried out in gear production line. In order to build the empirical formula for hob tool life, a multivariate linear regression model which solved by MATLAB was established. Based on these work，a way to optimize processing parameters and a new hob shifting strategy were put forward to improve high speed dry hob tool life.

high-speed dry hob; tool life; expirical formula; optimization method

TG61

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.21.017

2016-11-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475058)

(編輯袁興玲)

張應(yīng)，男，1991年生。重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室碩士研究生。主要研究方向?yàn)辇X輪高速干式切削工藝。曹華軍(通信作者)，男，1978年生。重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授、博士研究生導(dǎo)師。E-mail：hjcao@cqu.edu.cn。朱利斌，男，1990年生。重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生。李本杰，男，1992年生。重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士研究生。