硬齿面滚齿工艺及滚刀的设计与使用

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随着生产力的不断发展，齿轮传动正朝着高速、重载、高精度的方向发展，越来越多的齿轮传动采用承载能力大、抗点蚀性能好的硬齿面齿轮。国外发达国家的工业齿轮，经表面淬火和整体淬火硬度在350HBS以上的硬齿面几乎已完全取代硬度低于350HBS的软齿面。我国自80年代以来，开始推广硬齿面齿轮的应用。

1 硬齿面滚齿工艺

采用硬质合金滚刀对硬齿面进行加工，革新了传统的硬齿面精加工工艺。首先，对于高精度的磨齿齿轮来说，硬齿面滚齿能用很高的效率代替粗磨工序，切除轮齿的热处理变形，留下小而均匀的余量进行精磨，从而大大地提高了磨齿效率。其次，对于珩齿齿轮来说，在珩齿前安排硬齿面滚齿，可以切除热处理变形，达到必要的精度，再进行珩齿加工，以充分发挥珩齿工艺光整加工的特长，弥补滚齿加工的不足。再次，对于普通精度的淬硬齿轮来说，可以用硬质合金滚刀直接进行精滚加工，以最低的成本保证齿轮加工精度，这一点对于大、中型齿轮更有其技术经济意义。

硬齿面滚齿加工的工艺路线大致如下：

磨齿齿轮(3～6级)：滚齿→淬火→硬齿面半精滚→磨齿；
珩齿齿轮(6～7级)：滚齿→淬火→硬齿面半精滚→珩齿；
普通精度齿轮(7～9级)：滚齿→淬火→硬齿面精滚

硬齿面滚齿工艺的加工精度除了齿形精度外，其它项目均可达到3～5级精度。

造成齿形精度难以进一步提高的原因主要有两个方面，一是滚齿机的稳定性和传动刚度差,二是制造高精度硬质合金滚刀存在一定的困难，特别是大负前角的滚刀在重磨后齿形变化很大。为此，需要对滚刀的结构和参数进行精心设计和计算，对重磨后的齿形精度进行分析，并提出改进措施。

2 硬质合金滚刀设计

滚刀材料
硬齿面滚齿加工的特点是：工件硬度高、切削过程断续和切削层很薄，在切削过程中，刀具承受着较大的冲击载荷、较高的切削温度和强烈的摩擦，因此，对刀具切削部分材料的冲击韧性、耐磨性和耐热性的要求就很高。日本的硬质合金滚刀专家相蒲教授等通过试验，推荐采用P20类硬质合金，相当于我国国产牌号YT14，该材料具有较高的耐磨性，再添加碳化锂等高温碳化物来提高刀片的冲击韧性和耐磨性，以获得良好的切削性能。
滚刀的结构形式
目前，世界各国所设计的硬质合金滚刀，其结构主要有3种：整体式、机夹式、焊接式。
1. 整体式硬质合金滚刀
  其优点是刚性强，机械加工省时，可做到较高精度。但受整体压形工艺限制，目前只能做到外径85mm的滚刀，且损耗昂贵的硬质合金较多，成本高，只宜做模数m=3mm以下的滚刀。
2. 机夹式硬质合金滚刀
  机夹式结构比较复杂，夹紧可靠性也较差，特别是在加工大模数淬硬齿轮时，齿面的挤压力较大，且交变作用显著，因此对刀片的夹紧要求较高。我国韶关工具厂生产的硬质合金滚刀就是此类结构。这种结构可用于前角g=₀°～-30°的各类中模数(m1～6)硬质合金滚刀，切削效果很好。
3. 焊接式硬质合金滚刀
  其优点是结构简单，联接强度高，而且硬质合金刀片烧结容易，材料节省，应用较广泛。但由于焊接应力引起的裂纹一直是产品质量不稳定的因素，因此需要较高的焊接技术，近年来日本对此问题解决较好，并已在生产中应用。我国重庆、汉江等工具厂采用这种结构。
滚刀前角
由于硬质合金的冲击韧性较差，因此，在硬齿面滚齿时，极易产生崩刃，崩刃是硬质合金滚刀要解决的主要问题。为此，设计滚刀时，采用大负前角的特殊形式。
确定前角时要考虑两点：
1. 刀具刃磨后齿形精度的保持性；
2. 提高刀齿抗崩刃的能力，降低刀刃磨损。
表1 前角推荐值

齿轮齿面硬度滚刀前角

HRC≤52 0°

HRC＞52～60 -10°

HRC＞60～62 -20°～-30°
负前角的大小将直接影响刀具刃磨后齿形精度的保持性以及抗崩刃的能力。负前角越大，精度保持性越差，但负前角过小，则刀具的抗崩刃能力越小。
从理论上分析，随着硬质合金滚刀负前角的增大，滚刀侧刀刃倾角增大，使滚刀刀齿平稳地切入金属层，从而减小了冲击，保护硬质合金刀齿不致崩刃，耐用度明显提高。国内外的试验和使用情况也得到同样的结论。但是，负前角值越大，要保证滚刀的齿形精度就越困难。根据被加工齿轮的齿面硬度，前角推荐值，如表1示。

表1 前角推荐值
齿轮齿面硬度	滚刀前角
HRC≤52	0°
HRC＞52～60	-10°
HRC＞60～62	-20°～-30°

3 滚刀前面偏位值的修正

直槽滚刀重磨后，习惯上规定前面偏位值不变，认为这样能保证其齿形精度。但从理论上来讲是不符合的。近年来使用的直槽大负前角硬质合金滚刀也证明了这一点。随着滚刀重磨量的增加，被滚切轮齿的渐开线误差，在齿顶处逐渐朝负向偏离，如图1所示。通过理论分析和试验，发现在重磨时改变前面偏位值能保证直槽滚刀刃磨后的齿形精度，从而提高滚刀的使用寿命。

1.新滚刀切出的正确的渐形线齿形
2.滚刀重磨后切出的齿形
图1

下面以直槽阿基米德滚刀为例，求重磨后的前面偏位值e′。
为使直槽阿基米德滚刀切削刃位于基本蜗杆螺旋面上，滚刀轴向平面的齿形角a_xo应符合：

(1)

式中　a_n——被加工齿轮的法向压力角

l——新滚刀节圆柱螺旋升角

k——滚刀径向铲削量

z——滚刀圆周齿数

e——新滚刀前面偏位值，前角为正时，e为正值；前角为负时；e为负值

r——新滚刀节圆半径

式(1)是滚刀切削刃位于基本蜗杆螺旋面上的必要条件，也是滚刀能加工出正确渐开线轮齿的几何保证。式中a_xo、a_n、k、z在刃磨后是不变的参数，l、e、r在刃磨中是可变参数。刃磨后若要保证式(1)成立，必须使重磨后的l′、e′、r′满足一定关系。

图2

图2为滚刀刀齿，若齿顶处刃磨厚度为Db，外圆半径减小Dr，节圆半径也相应减小Dr，则刃磨后的节圆半径r′=r-Dr。由图2推得：

(2)

式中　g——新滚刀顶刃前角，有正负号，图2中g为正

a——新滚刀顶刃后角

由于r减至r′，则l增至l′：

(3)

式中　s——滚刀轴向齿距

由式(2)求得r′，将式(3)代入式(1)，经整理得，滚刀刃磨后新前面偏位值e′应为：

(4)

使用式(4)计算可知，为了保证直槽滚刀刃磨后的齿形精度，重磨后应改变前面偏位值。对正前角滚刀要增加偏位值；对负前角滚刀要减小负偏位值；对0°前角要增加偏位值(朝正前角方向增加)。总之，使刃磨后的前角增大，才能保证刃磨后的齿形精度。

目前，硬齿面滚齿已广泛应用于m=2～40mm的各种硬齿面齿轮的精加工和半精加工。

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