高效刀具的应用促进齿轮制造技术发展

在目前的齿轮制造业中，各家公司的齿形加工工艺大致相同。汽车齿轮大多数采用滚齿、剃齿和热后珩齿工艺，少数企业和部分轿车企业采用滚齿和热后磨齿工艺，而重载齿轮传动业普遍采用滚热磨工艺。
    滚齿在制齿加工方面占了70%以上份额，采用高速滚齿意义重大。为了实现高速滚齿，滚齿机必须提高刚性，提高滚刀头的驱动功率，提高数控、伺服功能，实现温度补偿等等，同时也要推广应用高性能、高效刀具。
    目前生产中应用的滚刀材料以高速钢为主，也有使用硬质合金镶块滚刀或整体粉末冶金硬质合金滚刀。高速钢滚刀多采用涂层处理，例如常用的M35、M42、A4等刀具材料，应用TiN涂层，其基体韧性好，涂层耐热、耐磨，防止崩刃，切削速度可提高至120～150m/min。利用粉末冶金烧结成形法制造的整体硬质合金滚刀，也有较好的效果。这种刀具经过涂层处理，切削速度可提高到250m/min以上，轴向进给量可达到3～6mm/r。而且只要设备条件允许，可实现干切。采用干切可以减少原来使用切削冷却液所带来的油雾对环境的污染，而且硬质合金涂层刀具出色的性能使得其使用寿命大大延长，并能降低加工成本。
    滚齿时滚刀与工件相当于一对互相啮合的蜗杆蜗轮，按照连续展成的方式，滚刀的直线齿形刀刃包络切出工件渐开线齿形。滚削加工要为后续的加工，如热处理前的剃齿或热处理后的磨齿留有适当的加工余量，齿根部分则在滚齿中加工至成件要求。滚刀转速越高，头数越多，切削时间越短。为了提高效率，除了提高滚刀转速和进给速度以外，应尽可能采用多头滚刀。增加头数能明显提高切削速度，减少切削刃切削次数，有利于滚刀的切入，减少磨损，提高刀具寿命。滚刀一般常用2～4头，也有5～7头的。
    增大滚刀的直径和刀槽数能加大切屑厚度，也能提高生产率。但由于滚刀直径受机床结构所限，增大的余地不大，增加刀槽数在许多情况下会影响刀齿的强度，故出现了将两排、三排齿槽合而为一的双齿滚刀或三齿滚刀。这种滚刀既可以用于粗切，也可以用于精切。特别是刀齿强度提高后可加大切削用量，改善了切屑形成条件，还能适应重切削的要求沿整个刀刃合理分布切削区域。与普通滚刀相比，效率提高了4～6倍，故常称之为重切削滚刀。
    在整个滚齿过程中，滚刀沿工件轴向进给的同时，还要沿滚刀轴向位移，即作窜刀运动，使滚刀上的全部刀齿都参与切削，均衡刀齿的磨损，提高刀具耐用度。若发现工件齿面粗糙度明显变坏、有光斑、毛刺增多或声音不正常，应及时刃磨。
    采用硬质合金滚刀对淬硬后的齿轮进行加工的方法已在企业中有多年的应用，但在大多数情况下，只是用于代替粗磨。这是由于滚切硬齿面时，切入切出时滚刀的弹让造成工件齿形突变，另外，瞬间的挤压高温使得工件齿面退火生成软点，影响工件的接触强度，故利用其金属切除率比磨齿高的特点，代替粗磨具有较好的效果。也有用硬质合金成形刮铣刀盘对螺伞齿轮进行精加工成功的实例，但是成形刀具十分昂贵，寿命也有限，应用不广泛。
    对于内齿、双联或多联齿轮，常常应用插齿工艺。与滚齿相比，虽然两者均是按展成原理进行工作的，但插齿时刀具切入切出的冲击、刀具主轴上下运动受惯性力的影响，除非工艺条件不许可使用滚齿，否则是不会应用插齿工艺的。也正因为此，干切削插齿加工方法的研究进展不大。
    在现代化的大型滚齿机上，可以根据用户的要求配置内齿轮铣头，采用盘形铣刀，以铣代插，逐齿分度将内齿圈齿形加工余量切除，后续再用内齿磨削方法获取*终齿形。与采用插齿工艺相比，效率提高了数倍。当然，受内齿铣头的限制，工件内径要足够大。另外，在采用以铣代插方法铣削内直齿时，精铣刀的切削刃可以做成工件一样的渐开线形状，加工后预留给磨齿的余量可小一些；铣削内斜齿时，虽然刀座能按螺旋角扳动一个角度，但是盘状铣刀不能像滚齿那样作连续的展成，因而切出的齿形是近似渐开线，留给磨齿的余量要稍大一些。大功率的内齿铣头采用预加负荷的机械传动链，电机或液压马达驱动，为高效加工提供了基本条件。采用优化切削参数的涂层铣刀或硬质合金镶片铣刀，更是为提高金属切除率和延长刀具寿命提供了保证，而且可以实现干切。例如，在P1600/2000带有内齿铣头的高效滚齿机上加工107齿，9模数，8度螺旋角，210毫米齿宽，42CrMoS4材料的内齿轮，采用空冷干切，总的铣齿时间为135分钟(一次性切削)，而同样的切除量，用插齿方法在普通机床上加工，至少也得两三天。
    用户对降低齿轮噪声的要求越来越高，传统的滚剃热珩工艺由于能力所限，无法满足这一要求。如采用滚热磨工艺，又因制造成本过高让企业决策者举棋不定。对于大批量生产的车辆传动齿轮，强力内齿珩磨轮珩齿工艺很好地解决了这一矛盾，为齿轮精整加工提供了一种可行的方法。传统的珩齿工艺*大珩磨余量不超过10微米，只是在剃齿后经热处理的齿面上作精整加工，提高一些表面质量，因而无法改善齿形齿向。强力内齿珩却不一样，在热处理之后可对较大的加工余量(20～50微米)进行精加工，满足工艺要求；而且能在齿面上形成网状纹理，不像磨齿时得到的周期性条状纹理，故能降低轮齿啮合频率，从而降低了噪声。珩磨工具可以采用树脂粘结砂，也可采用金刚砂或CBN珩磨轮。加工外齿时，为了节约成本，通常使用可修整的树脂粘结式珩磨轮，在修整时使用金刚修整轮进行修整。强力珩齿工艺主要应用于大批量生产的汽车齿轮中，工件模数0.3～6毫米，直径10～250毫米，齿宽20～50毫米，*终齿轮精度可达到6级甚至更高，加工成本约为磨齿的一半。