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可转位刀片式齿轮滚刀在大模数齿轮精加工中的应用
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 肯纳飞硕 郭伟清 点击:
一、引言
滚齿是外加工的常用方法之一。相对于插齿、铣齿等其他的加工方法，它具有加工效率高、齿形精度好等优点，而且用同一把滚齿刀加工相同模数但不同齿数的齿轮时，不存在理论齿形误差，减少了的库存需求，所以在实际生产中应用也最为广泛。
除了传统的高速钢整体滚刀，近年来在大模数、大直径齿轮加工领域，刀片式滚刀越来越多地得到运用。相比高速钢滚刀，他们的切削速度高，刀片寿命长，每片刀片有数个切削刃，而且无需重磨，优势明显。
但由于刀片式滚刀的自身局限性，其主要应用范围还只仅限于齿轮的粗加工和半精加工，国内未见有用于齿轮精滚的成功案例。
肯纳公司致力于将高效的刀片式滚刀应用于大模数齿轮的精加工，在原有设计的基础上做了大量的试验和改进，在刀具的精度和刀片寿命方面都有了长足的进步，使刀片式滚刀也能够成功应用于大模数齿轮的精加工。下面结合实际案例对这些改进作一个简单的介绍。
二、工件简介和难度分析
加工工件是一个模数36的外齿圈，齿数296，直径10.8米，高度0.96米。精度等级AGMA10，相当于ISO中的8级精度，齿面光洁度要求Ra3.2。材料为高合金钢，经过热处理，硬度达到HB300左右。
前道工序由铣齿完成，留1.3mm单边余量到最终设计齿廓。
原工艺中精加工由插齿完成，周期10天以上，无法满足客户的生产需求。
将刀片式滚刀用于这个工件的精加工，有以下两个难点：
●刀具精度：相对于8级的齿轮精度，要求滚刀的精度达到AA级，齿廓的精度要求最大允许21微米，刀片式滚刀难以做到。
●刀具寿命：由于滚齿工艺的特殊性，加工途中不能换刀片。刀片的寿命要求达到284.16米，而且不能有明显磨损以免影响齿面光洁度而无法达到Ra3.2。客户尝试过用高速钢和焊接硬质合金滚刀加工，但均因刀具寿命问题使齿面光洁度超标
通过和客户之间的不间断沟通，在得到客户需求的一个月后，图纸设计顺利结束。整个刀体最大切削直径500毫米，总长569.14毫米，由5个独立的切削环组成，通过高精度的联结组成一体。刀具外形见图二。
●刀体精度：借鉴肯纳公司占领导地位的曲轴的经验，在刀体与刀片之间安装调整垫片以便改善轮廓精度。当刀体加工完成以后，安装调整垫片并在高精度测量设备上测量，测量数据输入系统与UG软件中的理论三维实体对照，修整垫片直到误差接近于零。这样，避免了由于检测刀片的精度原因影响刀体精度的可能性。
●刀片精度：考虑到表面光洁度的原因，用一片长度约100毫米的长刀片直接完成齿廓侧面的切削。同时，优化磨削工艺和的设计，保证刀片厚度方向的制造公差为+/-0.005毫米，满足齿廓精度要求。
●刀片寿命：刀片的寿命与涂层有直接的关系，所以合适的涂层是改善刀片寿命的关键。结合客户、夹具、工件材料等的实际情况，选择刀片材质为 SPTAVL，这是一种在硬质合金基体上复合涂层的刀片材质，涂层有TiN/TiCN/Al2O3，适合于钢件、不锈钢和球墨铸铁等材料的高速切削，最佳的切削速度可以达到180m/min。由于出色的高温稳定性，这种材质也同时适用于干切削或冷却液切削，在这个案例中，考虑到刀体的直径和机床的开放程度，选择不用冷却液的干切削。
四、刀具应用
刀具从德国工厂运抵客户以后，顺利在客户的超大滚齿机上完成了安装，并开始齿圈的精加工。
精滚分三刀完成，选择关闭冷却液，干切削
第一刀
切深0.6mm,切削速度80m/min，进给量6mm/rev，铁屑厚度约为0.055mm。
铣削方向为逆铣，即自上而下滚削
切削时间16小时
加工结束后，测量表面光洁度为Ra0.8-2.5，
第二刀
切深0.35mm,切削速度90m/min，进给量5mm/rev，铁屑厚度约为0.04mm。
铣削方向为顺铣，即自下而上滚削
切削时间16小时
加工结束后，测量表面光洁度比较均匀，为Ra1.0左右，
第三刀
切深0.35mm,切削速度90m/min，进给量5mm/rev，铁屑厚度约为0.04mm。
铣削方向为顺铣，即自下而上滚削
切削时间16小时
加工结束后，测量表面光洁度Ra1.0
检查刀片刃口，几乎没有磨损，说明刀片寿命远高于284.16米
五、结论
经过测量，齿轮精度达到要求，齿面表面光洁度达到Ra1.0，工件完全合格。
工件的加工周期从10天以上减少为3天以下，客户非常满意。从切削结果可以看出，在符合工件加工要求的前提下，我们可以留更小的余量并用两刀完成切削，周期将缩短到2天以下。
可转位刀片式滚刀在优化设计的前提下，完全可以用于齿轮的精滚加工。(end)
滚齿是外加工的常用方法之一。相对于插齿、铣齿等其他的加工方法，它具有加工效率高、齿形精度好等优点，而且用同一把滚齿刀加工相同模数但不同齿数的齿轮时，不存在理论齿形误差，减少了的库存需求，所以在实际生产中应用也最为广泛。
除了传统的高速钢整体滚刀，近年来在大模数、大直径齿轮加工领域，刀片式滚刀越来越多地得到运用。相比高速钢滚刀，他们的切削速度高，刀片寿命长，每片刀片有数个切削刃，而且无需重磨，优势明显。
但由于刀片式滚刀的自身局限性，其主要应用范围还只仅限于齿轮的粗加工和半精加工，国内未见有用于齿轮精滚的成功案例。
肯纳公司致力于将高效的刀片式滚刀应用于大模数齿轮的精加工，在原有设计的基础上做了大量的试验和改进，在刀具的精度和刀片寿命方面都有了长足的进步，使刀片式滚刀也能够成功应用于大模数齿轮的精加工。下面结合实际案例对这些改进作一个简单的介绍。
二、工件简介和难度分析
加工工件是一个模数36的外齿圈，齿数296，直径10.8米，高度0.96米。精度等级AGMA10，相当于ISO中的8级精度，齿面光洁度要求Ra3.2。材料为高合金钢，经过热处理，硬度达到HB300左右。
前道工序由铣齿完成，留1.3mm单边余量到最终设计齿廓。
原工艺中精加工由插齿完成，周期10天以上，无法满足客户的生产需求。
将刀片式滚刀用于这个工件的精加工，有以下两个难点：
●刀具精度：相对于8级的齿轮精度，要求滚刀的精度达到AA级，齿廓的精度要求最大允许21微米，刀片式滚刀难以做到。
●刀具寿命：由于滚齿工艺的特殊性，加工途中不能换刀片。刀片的寿命要求达到284.16米，而且不能有明显磨损以免影响齿面光洁度而无法达到Ra3.2。客户尝试过用高速钢和焊接硬质合金滚刀加工，但均因刀具寿命问题使齿面光洁度超标
图一：外齿轮加工现场
通过和客户之间的不间断沟通，在得到客户需求的一个月后，图纸设计顺利结束。整个刀体最大切削直径500毫米，总长569.14毫米，由5个独立的切削环组成，通过高精度的联结组成一体。刀具外形见图二。
图二：滚刀外形
●刀体精度：借鉴肯纳公司占领导地位的曲轴的经验，在刀体与刀片之间安装调整垫片以便改善轮廓精度。当刀体加工完成以后，安装调整垫片并在高精度测量设备上测量，测量数据输入系统与UG软件中的理论三维实体对照，修整垫片直到误差接近于零。这样，避免了由于检测刀片的精度原因影响刀体精度的可能性。
●刀片精度：考虑到表面光洁度的原因，用一片长度约100毫米的长刀片直接完成齿廓侧面的切削。同时，优化磨削工艺和的设计，保证刀片厚度方向的制造公差为+/-0.005毫米，满足齿廓精度要求。
●刀片寿命：刀片的寿命与涂层有直接的关系，所以合适的涂层是改善刀片寿命的关键。结合客户、夹具、工件材料等的实际情况，选择刀片材质为 SPTAVL，这是一种在硬质合金基体上复合涂层的刀片材质，涂层有TiN/TiCN/Al2O3，适合于钢件、不锈钢和球墨铸铁等材料的高速切削，最佳的切削速度可以达到180m/min。由于出色的高温稳定性，这种材质也同时适用于干切削或冷却液切削，在这个案例中，考虑到刀体的直径和机床的开放程度，选择不用冷却液的干切削。
四、刀具应用
刀具从德国工厂运抵客户以后，顺利在客户的超大滚齿机上完成了安装，并开始齿圈的精加工。
精滚分三刀完成，选择关闭冷却液，干切削
第一刀
切深0.6mm,切削速度80m/min，进给量6mm/rev，铁屑厚度约为0.055mm。
铣削方向为逆铣，即自上而下滚削
切削时间16小时
加工结束后，测量表面光洁度为Ra0.8-2.5，
第二刀
切深0.35mm,切削速度90m/min，进给量5mm/rev，铁屑厚度约为0.04mm。
铣削方向为顺铣，即自下而上滚削
切削时间16小时
加工结束后，测量表面光洁度比较均匀，为Ra1.0左右，
第三刀
切深0.35mm,切削速度90m/min，进给量5mm/rev，铁屑厚度约为0.04mm。
铣削方向为顺铣，即自下而上滚削
切削时间16小时
加工结束后，测量表面光洁度Ra1.0
检查刀片刃口，几乎没有磨损，说明刀片寿命远高于284.16米
五、结论
经过测量，齿轮精度达到要求，齿面表面光洁度达到Ra1.0，工件完全合格。
工件的加工周期从10天以上减少为3天以下，客户非常满意。从切削结果可以看出，在符合工件加工要求的前提下，我们可以留更小的余量并用两刀完成切削，周期将缩短到2天以下。
可转位刀片式滚刀在优化设计的前提下，完全可以用于齿轮的精滚加工。(end)
