浅谈大模数内斜齿轮精切盘形可转位铣刀的发展

大模数斜齿内齿轮大量应用于风力发电机，而且需求日益增多，齿轮加工的效率及质量，直接影响风机制造行业的发展。本文论述了目前大模数斜齿内齿轮加工行业的需求现状，以及国内、外齿轮铣刀现状，分析了齿轮精铣刀研制的必要性。

风能是太阳能的转化形式之一，是一种零污染物排放的可再生的自然能源。目前，对于风力发电多采用升力型水平轴风力机。风力发电机组中的齿轮箱是一个十分重要的机械部件，其功能主要是将风轮在风力作用下所产生的动力传递给发电机并使其获得相应的转速。风轮的转速很低，根本达不到发电机发电的要求，必须通过齿轮箱内齿轮副的增速作用来实现，故也将齿轮箱称之为增速箱。与普通圆柱齿轮减速器相比，行星机构齿轮箱重量轻，尺寸小，而被广泛应用，其中内齿轮大多为模数 12 以上的斜齿轮，螺旋角一般为 8° ～ 15°。该类齿轮的加工，采用传统的滚切加工难度较大，采用插齿则效率极低，每更换一种规格齿轮，则需做相应的机床螺旋导轨，且由于插齿斜齿的刀前刀面形状的特殊性，制造和刃磨都非常复杂，导致采用插齿加工费时、费力。因此高效的加工方式及相应机床不断涌现，特别是采用硬质合金可转盘形铣刀的高速铣齿机的出现，使齿轮的粗加工、半精加工的效率极大的提高，但目前采用的可转位盘形铣刀多为刀片搭接形式，如图 1 所示，以多片直线刀片为一组，逼近渐开线齿形，此种方式，刀片数量多，更换刀片时间长，刀片之间的搭接凹痕无法消除，通常为0. 1 mm以上，甚至超过0. 3 mm，如图 2 所示的工件齿形，从而造成后序磨齿余量不均匀，增加磨齿成本，甚至磨不掉该痕迹，造成废品; 由于有凹痕的存在，齿轮在淬火时及容易造成应力集中而产生裂纹;另外，此凹痕在齿轮铣后检测，特别是采用跨帮距检测，容易造成较大误差。采用精铣刀盘可完全避免了刀片搭接痕迹的出现，一次加工渐开线齿形成形，可达到 IT9 级精度，国内目前没有开发出此类刀具，而外著名刀具制造商如蓝帜( 菲特) 、山高、山特维克等均已掌握该项刀具的研制技术，但引进国外刀具，制造周期长、价格昂贵。

1 国内外大模数齿轮的加工现状

目前，大模数内齿齿轮、外齿齿轮大量应用于风力发电机、矿山机械、港口机械、大型立式车床等方面，而且需求日益增多，齿轮加工的效率及质量，直接影响上述行业的发展，因此，齿轮加工企业不断改进加工方式，特别是内齿轮的加工。内齿轮采用滚刀加工，滚刀的制造难度很大，效率低; 采用插齿刀加工，同样存在效率问题，且在加工斜齿时受机床工装限制; 采用指形铣刀加工，效率低，刀具磨损快。因此开始采用铣齿加工工艺，利用滚齿机或高速铣齿机采用硬质合金可转位铣刀加工，一次完成齿形粗或半精加工，是采用指形铣刀加工效率的 20 倍以上。但由于机床刚性问题等影响，前者较后者效率低，已逐步被取替，国外格里森普法特、利波海尔等公司生产的高速铣齿机在国内率先采用，国内天津精诚机床厂、南京工大研究所、齐重数控等企业研发的高速铣齿机在国内大量采用，极大地推进了大模数齿轮加工业的发展。

2 国内外大模数齿轮精铣刀的现状

伴随着齿轮加工业的高速发展、加工机床的发展，相应的与机床配套刀具———可转位齿轮铣刀用量急剧增加，国外知名刀具公司，如山高刀具、蓝帜( 菲特) 刀具、伊斯卡刀具、山特维克刀具、肯纳刀具等纷纷进入国内市场，但进口刀具价格昂贵、交货周期长、设计前期交流困难。国内以哈一工为首的刀具制造企业不断研发和改进，目前所生产的齿轮粗铣刀、半精铣刀可以与进口刀具媲美，并逐步替代进口刀具，但齿轮精铣刀的研制在国内还是一项空白。

平装结构铣刀的夹紧机构采用楔块夹紧方式，刀片很容易产生窜动，因此，国内外的齿轮铣刀通常采用刀片立装结构，此种结构刀具的切削力方向合金截面大，抗压强度高，可实现大切深、大走刀量加工，刀片利用切削力夹紧，夹紧力随着切削力增大而增大，只需要一个螺钉将刀片固定在刀槽上，转位方便，且省去压块之类的夹紧元件，结构紧凑、简单，可以增大容屑槽，使容屑的空间加大，便于排屑。国外的齿轮精铣刀如图 3 所示，绝大多数厂家采用立装结构，只有少数厂家采用平装结构，由一个刀片形成单面齿轮渐开线齿形，根据齿轮工艺的不同需求，铣刀齿形设计各不相同，比如淬火后磨齿的齿轮，通常铣刀设计成带凸角( 加工出的齿轮齿根有沉割量) 结构。铣刀刀片定位有单螺钉孔的，也有双螺钉孔的，刀片多为转位两次。

3 国内外大模数齿轮铣刀设计制造水平现状

齿轮铣刀的设计目前国外主要采用计算机 CAD\CAM 手段，借助软件很直观的设计出铣刀的各个角度，而且容易检验干涉，应用 CAD \CAM 技术是先进国家刀具业目前所具有的最大特点，国外大部分制造厂家采用了这一技术。取得了十分显著的社会效益和经济效益。目前主流的 CAD \CAM 软件很多，I －DEAS、UG 等软件在刀具领域均有广泛应用; 国内哈一工从 20 世纪 90 年代初就开始使用 I－DEAS 软件进行可转位铣刀的设计与编程，是国内首家将CAD \ CAM手段应用于铣刀领域，完全满足齿轮铣刀的计算机 CAD\CAM 要求。铣刀有限元分析 CAE 方面，国外在力学分析、热学分析做得比较深入，应用也比较广泛; 国内只在高等院校做些研究性课题，企业在铣刀设计过程中应用较少，此方面与国外有一定的差距。

轮铣刀制造关键序为刀槽的加工，其加工结果直接影响铣刀的齿形精度。铣刀的切削角度，不是指刀片本身的角度，是刀片装在刀体上形成的角度，主要角度为主偏角、刃倾角、前角、后角。为了设计与制造方便，通常以侧前角( 过去称径向前角) 和背前角( 过去称轴向前角) 来代替刃倾角和前角对铣刀前角的表示。两种前角的不同组合，便形成了前角类型不同的铣刀，各角度复合出空间几何角度，主要在刀体槽上实现，刀槽加工角度位置的计算比较复杂，计算量大，在加工时编制数控程序难度也很大，所以铣刀刀槽加工采用 CAM 手段，即用建好的铣刀三维模型，利用软件生成数控刀具路径; 并编制将工件加工为成品所需的各种工艺，然后，将当前工位所有工步的刀位数据写入刀位文件，将输出的 ASCII 码刀位文件转换成刀具路径文件，使用后处理刀位文件产生用于控制机床的刀具路径文件。即将铣刀的刀槽、容削屑、螺钉孔等的刀路一一生成后利用机床专用的后置处理文件，将刀路文件转化为机床识别的程序代码，输入到五轴加工中心进行加工。实际铣削时可利用的机床具有刀具自动补偿功能，减小由刀具磨损造成的误差; 并在加工时及时更换磨损的刀具，并采取小进给反复检测修光刀槽的方式，提高刀槽的精度。国外采用五轴联动加工机床，实现全部刀槽的加工，加工精度高，效率高; 国内像哈一工等大型刀具制造企业也是采用五轴联动加工机床，实现全部刀槽的加工，制造精度可达到国际水平。铣刀刀片的加工国外采用数控刀片磨削中心，国内也采用相应设备，刀片刃口钝化处理后可达到国外同类刀片使用寿命，因此，刀片的制造精度等方面也可达到国际水平。

4 国内外大模数齿轮铣刀材料应用现状

立装结构齿轮铣刀，主要零件为铣刀刀体、刀片、螺钉。铣刀刀体材料多数为 42CrMo，只是热处理工艺略有差别，国外通常将工件淬火达 40HRC 以上后精加工刀槽，采用此种方式，铣刀刀体整体硬度虽然较高，但加工难度大; 国内通常将工件调质后精加工刀槽，调质可使工件具有较低的硬度、强度和较高的塑性、韧 性，42CrMo 在 580 ℃ 回 火 可 达 到 30 ～35 HRC，在粗车和粗铣键槽后进行调质处理，可消除应力，并提高刀体韧性，降低硬度，便于后序的机械加工，同时为表面渗氮做预先热处理，精加工刀槽后采取表面氮化处理，这样刀具具有较高的表面强度，同时内部具有较好的韧性。

目前，应用于刀片的材料主要有涂层硬质合金、陶瓷、聚晶金刚石和聚晶氮化硼等，其性能各有优缺。针对齿轮材料及加工状况，刀片基体采用 P 类硬质合金，可选国内材质，或者进口材质; 刀片表面采取复合涂层处理，目前国内某涂层公司针对齿轮铣刀刀片的加工工况，为哈一工提供了一种加厚 TiAlN 复合涂层，大大提高了刀片的使用寿命，和国外刀片基本相同。铣刀螺钉为标准 T20 梅花形 M5 铣刀专用螺钉，可采用进口材质。

5 结论

综上所述，研制大模数内斜齿轮精切盘形可转位铣刀不但可以解决风电关键部件加工存在的难题，还可以替代进口刀具，节约外汇，同时，为国内的制造业提供优质高效的切削刀具，其研制成功，将会带来巨大的经济效益和社会效益。

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