硬齒面刮削加工的關鍵技術分析
時間:2011-04-17 07:23:07 來源:未知
隨著機床、刀具等綜合技術的發展，從20世紀80年代起，國內外企業已逐漸采用硬齒面刮削作為淬硬齒輪(40～65HRC)的半精、精加工方法。這種方法可加工任意螺旋角、模數1～40mm的齒輪。普通精度(6～7級)硬齒面齒輪，一般采用“滾—熱處理—刮削”工藝，粗、精加工在同一臺滾齒機上即可完成；齒面粗糙度要求較高的齒輪，可在刮削后安排珩齒加工；對于高精度齒輪，則采用“滾—熱處理—刮削—磨”工藝，用刮削作半精加工工序替代粗磨，切除齒輪的熱處理變形，留下小而均勻的余量進行精磨，可以節約1/2～5/6的磨削工時，經濟效益十分顯著。對于大模數、大直徑、大寬度的淬硬齒輪，因無相應的大型磨齒機，一般只能采用刮削加工。
1 硬齒面刮削的加工特點
淬硬齒輪熱處理前已由前序滾刀切出全齒形，因而刮削滾刀只對齒輪的齒形部分作微量切削。容易磨損的刀齒頂刃部分不參與切削，只有側刃參與切削。由于是從硬度很高的齒表切去薄薄的一層金屬，滾刀左、右側的切削刃同時嚙合的齒數是變化的，很難保證刀齒左、右切削面的切削量一致。切削力(尤其是沿滾刀軸向的分力)的周期性波動極易引起滾齒機的振動、讓刀打滑等，導致滾刀急劇磨損甚至崩刃。
目前國內外一般采用大負前角的硬質合金滾刀加工淬硬齒輪。硬質合金滾刀的硬度和耐磨性較好，但韌性和抗熱裂性能較差。以下從機床、刀具、夾具、齒坯、切削液、切削參數等方面逐一討論如何充分發揮這種切削方式的優勢。
2 影響硬齒面刮削的主要因素及應對措施
- 機床 硬齒面刮削時切削力具有起伏、間歇及強烈的沖擊性，為此，必須提高傳動鏈的扭轉剛度，減小傳動間隙，因而滾齒機需要有足夠的幾何剛度、運動精度及良好的熱力學性能。并有兩點比較嚴格的要求：①驅動工作臺回轉的分度蝸輪副的間隙應盡量小。該間隙對振動和齒形誤差影響較大，一般采取在滾齒機上安裝分度蝸輪副預緊或消除間隙的裝置來減小振動和齒形誤差。新一代的滾齒機常設計為無側隙的雙蝸輪副機構；②滾刀刀桿的剛性要好，振擺要小，應耐磨。刀桿的軸向跳動和徑向跳動應嚴格控制在0.01mm以內，其中軸向跳動應盡量小。主軸止推軸承應耐磨，間隙要小。
- 齒坯粗加工 硬齒面刮削只對齒輪的齒形部分進行加工，而不對齒頂和齒根進行切削。為避免刮削時硬質合金滾刀的頂刃參與切削(易崩刃)，淬火前粗切齒輪時應切至全齒深或作適量的根切。因此，粗加工所用滾刀應采用特殊的修正齒形，如帶凸角滾刀，滾刀的齒頂高為(1.3～1.4)m。最好采用由刀具供應商提供的與硬質合金滾刀配套的刮前滾刀。
- 粗加工時合理選擇齒側預留刮削余量十分重要。確定預留刮削余量應遵循如下原則：即后序加工能夠消除一批因工件熱處理后所產生的不同誤差，一般單側齒面刮削余量為0.3～0.6mm，模數小于3mm的小齒輪，其齒側面在公法線長度上的刮削余量以0.11～0.15mm為宜，熱處理變形較大的區域余量可留1mm，此時應多次走刀。
- 工件裝夾與對刀 夾具的精度、穩定性對齒輪的導程、齒形、跳動等精度都有很大的影響。工件的裝夾剛性要好，以減小切削振動。夾具與工作臺、夾具與齒坯的同軸度也是兩項重要指標。裝夾時應測量齒坯的徑向跳動和端面跳動，并調整至最佳狀態。
- 為了把工件左、右齒面的熱處理變形量都切掉，又由于加工淬硬齒輪時切下的切屑硬而薄，兩側切屑厚度的不均易使切削力波動大，引起崩刃，因此必須認真對刀，盡量使兩側切屑等厚。批量生產時，當首件與滾刀的位置調整好以后，可依靠夾具對中。對刀裝置對大模數齒輪尤其重要，數控機床可用程序實現對刀。
- 滾刀 滾刀是影響硬齒面刮削的關鍵因素。
- 大負前角 刮削淬硬齒輪時滾刀切入、切出時間短，齒面的強度、硬度高，刮削力具有間歇性，加工過程中會產生強烈的沖擊力，這是硬質合金滾刀崩刃的主要原因。因此，把刮削滾刀設計成大負前角，加工時，滾刀先由側刃的根部切入，逐漸移向齒頂，形成一種斜角切削過程，增大了切削刃的有效工作長度，形成一種“推切”，可使滾刀更好地承受加工淬硬齒輪時產生的較大應力，減輕切削振動，因而切削刃受到的沖擊和崩刃的可能性都減小了，刀齒的磨損也相應減小。國內有學者研制出了一種前刀面為凸曲面的刮削滾刀，其側刃的抗崩刃性和重磨次數等均比平前刀面滾刀有進一步的提高。
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表1 滾刀前角推薦值
齒輪齒面硬度
HRC
滾刀前角
≤52
0°
52～60
-10°
60～65
-20°～-30°
- 滾刀負前角的大小將直接影響刀具刃磨后齒形精度的保持性以及抗崩刃的能力。負前角越大，精度保持性越差；但負前角過小，刀具抗崩刃能力也小，因此，在確定前角大小時要綜合考慮這兩點。根據被加工齒輪的齒面硬度，前角推薦值見表1。
- 刀具材料與涂層 硬齒面刮削過程中，刀具承受著較大的沖擊載荷、較高的切削溫度和強烈的摩擦，因此，要求刀具材料具有很高的沖擊韌性、耐磨性和耐熱性。
- 近年來，WC/Co基細晶粒硬質合金已成為齒輪加工技術中的一種重要材料。它是由硬質相碳化鎢(WC)和硬度較低的金屬粘結相鈷(Co)燒結而成。成份相同的硬質合金，WC晶粒小于1µm時，其硬度和抗壓能力比晶粒為1～3µm的普通硬質合金大大提高。超細晶粒硬質合金(≤0.5µm)具有很高的抗彎及抗拉強度，現代制造技術可以生產出均質的超細晶粒硬質合金。含WC和Co分別為94%和6%的超細晶粒硬質合金，其硬度和抗彎強度可分別達2000HV30和4000MPa。
- 刀具涂層可采用化學氣相沉積法(CVD法)和物理氣相沉積法(PCD法)。目前已經研制出PVD法涂層硬質合金，這還是一項新技術，主要采用TiN作涂層材料。人們還研制出其它基于TiN的涂層材料，其中，TiCN和TiAlN已用于商業化生產。
- 切削參數 與其它切削加工方法一樣，硬齒面刮削在確定進給速度和進給量時也要綜合考慮多種因素，盡可能優化加工。需要考慮的主要因素包括：機床的剛性、工件所要求的精度、齒坯預處理情況、工件夾具及機床的狀況等。
表2 建議切削速度
齒面硬度
HRC
線速度
m/min
40～42
110～140
43～45
90～120
46～48
70～115
49～52
60～110
53～56
50～90
57～59
45～80
60～62
41～70
63～65
40～60
- 切削速度： 一般為40～140m/min。它取決于機床運轉條件、工件硬度和模數。高速滾齒時的表面粗糙度值較小，但是，切削速度提高后，滾齒機振動加劇，容易損傷滾刀刀刃，因此，一般齒輪硬度很高時用低速，不太高時用高速，這樣滾刀的磨損比較小。推薦切削速度見表2。
- 軸向進給量：一般為1～5mm/r。工件硬度越均勻，滾齒機的剛性越好，進給量可以越大。進給量越大，滾刀磨損越小。為延長滾刀壽命，應選用較大的進給量而不是較小的進給量。但進給量大時進給波紋也較大，所以一般只有在后續磨削加工工序時才使用盡可能大的進給量，以延長滾刀壽命。它可通過下面公式來確定：
- 滾刀每轉軸向進給量=cosb·(4d·D/sina#p#分頁標題#e#)1/2，mm
式中
b——
齒輪螺旋角
d——
齒輪節圓處允許的進給波紋深度，mm
a——
齒輪壓力角
D——
滾刀外徑，mm
表3 一次走刀切削余量
模數
mm
切削厚度
mm
20
0.4～0.6
17～12
0.3～0.5
≤11
0.3～0.4
- 切削厚度：根據刮削余量確定。淬硬齒輪的單側齒面刮削余量一般為0.3～0.6mm?？梢淮吻谐?，但過大的切削用量將降低刀具的耐用度。推薦值見表,。
- 刮削方式：機床蝸輪副存在間隙時，采用順刮比逆刮要好，可消除間隙帶來的振動和誤差，減小崩刃。
- 切削液 硬齒面刮削可采用干式切削。如果采用濕式切削，則所用切削油必須為低粘度切削油，因為硬齒面刮削使用切削油的主要目的是冷卻而不是潤滑。若使用高粘度油，工件與滾刀就會發生讓刀打滑，引起滾刀崩刃。用作冷卻劑的油在40℃時粘度應在10～20cst。含鉬添加劑的低粘度油比較適于硬齒面刮削。
3 結束語
當今齒輪制造業對齒輪質量及運動精度的要求越來越高，精加工淬硬齒輪已顯得日益重要。硬齒面刮削在發達國家已得到廣泛應用，我國也有不少單位對這一工藝進行了比較深入的研究。近年來，隨著機床結構的不斷改進，機床及工件夾具剛性的提高，新的刀具材料的成功研制，特別是涂層技術的發展，硬齒面刮削的加工質量及穩定性都日益提高，這一工藝已越來越受到眾多齒輪制造商的青睞。雖然目前消除齒輪熱處理變形仍以磨齒加工為主要手段，但是，隨著硬齒面刮削技術的日漸成熟，這一工藝必將得到更加廣泛的應用。