优秀文章分享--中、小模数齿轮滚刀的现状分析

编写:CGMA小模数齿轮工作委员会 俞仁楠

  中国有句俗语:“好马需配好鞍”。随着滚齿机数控化、智能化、环保节能技术的提升,具备了高速度、高效率、高精度及环保节能的基础条件,那么齿轮刀具材料技术、加工技术、涂层技术的进步,就起到了有效的保证作用。   

  用滚刀在工作母机(滚齿机)上,按展成法加工轮缘上带齿的零件。滚刀是滚齿机上必备的工具,它是刀齿沿圆柱或圆锥作螺旋线排列的齿轮加工刀具,用于按展成法加工圆柱齿轮﹑蜗轮和其他圆柱形带齿的工件。根据用途的不同﹐滚刀分为齿轮滚刀﹑蜗轮滚刀﹑非渐开线展成滚刀和定装滚刀等。   

  中、小模数齿轮滚刀具有一定的特殊性及工艺特点。如:硬质合金滚刀、全切式滚刀、多头滚刀、蜗杆滚刀、硬齿面切削(刮削),在中小模数齿轮加工中得到了广泛应用。   

一、滚刀的分类

1、按加工性质分类

2、按结构分类

3、按材料分类

4、按滚刀线数(头数)分类

5、按精度等级分类

二、中、小模数齿轮滚刀的现状与滚齿工艺特点

  渐开线齿轮滚刀(通常称齿轮滚刀)是复杂刀具、是滚刀中最典型、应用面最广的一种。齿轮滚刀是按齿轮啮合原理加工工件齿形的一种展成刀具。齿轮滚刀是按螺旋齿轮啮合原理加工直齿和斜齿圆柱齿轮的一种刀具。它相当于一个齿数很少,螺旋角很大的斜齿轮其外貌呈蜗杆状。

1、齿轮滚刀的材料与涂层的发展现状

  齿轮滚刀材料与涂层技术的进步,是齿轮滚削实现高速、高效的“双刃剑”,是实现硬齿面切削的保证。 齿轮滚刀材料由普通高速钢→高性能高速钢→粉末冶金高速钢(PM 高速钢)→硬质合金。多种滚刀材料的研究成果,适应了各个领域的使用要求。   

  齿轮滚刀的涂层技术也由七十年代起步应用的“黄刀子”逐步发展到现在的各种“黑刀子”。详见涂层种类表。

齿轮滚刀涂层种类表

No 涂层材料 微硬度 (HV) 针对钢材的摩擦系数(干性) 内应力 (Gpa) 最大适用温度 (摄氏) 涂层  颜色 涂层结构
1 TIN 氮化鈦 2300 0.40 -2.5 600 金黄色 单层
2 AlCrN氮铬化铝 3200 0.35 -3.0 1100 蓝灰色 单层
3 TiCN碳氮化钛 3000 0.40 -4.0 400 蓝灰色 多层的
4 WC/C碳化钨/碳 1000/2000 0.10-0.20 -1.0 300 黑灰色 薄板状的
5 CrN氮化铬 1750 0.50 -1.5/-2.0 700 银灰色 单层
6 多晶体金刚石 8000-10000 0.15-0.20 600 浅灰色 单层
7 iAlN氮铝化钛 3300 0.30-0.35 -1.3/-1.5 900 紫灰色 纳米-结构
8 TiCN+TiN碳氮化钛+氮化钛 3000 0.40 -4.0 400 金黄色 多层,倾斜的
9 TiAlN+ WC/C氮铝化钛+碳化钨/碳 3000 0.15-0.20 -1.7/-2.0 800 深灰色 多层的,薄板状的
10 DLC(a-C:H) 2500 0.10-0.20 350 黑灰色 单层
11 TiAlN氮铝化钛 3300 0.25 -1.3/1.5 900 紫灰色 纳米-结构
12 TiAlN氮铝化钛 3300 0.40 -3.0/-3.5 900 蓝灰色 纳米-结构
13 TiAlN氮铝化钛 3500 0.40 -4.0 800 紫灰色 单层

  齿轮滚刀材料的进步越来越实现了良好的磨削性能、良好的热处理尺寸稳定性、良好的韧性、良好的红硬性、良好的耐磨性。材料涂层技术的进步提高了涂层刀具抗摩擦、抗粘结的能力,使用寿命延长了2~3倍,切削速度提高25%~50%。

  随着硬质合金材料的进步、高硬度材料加工技术的进步、硬质合金刀具涂层技术的进步,提高了齿轮刀具耐用度,为中小模数齿轮制造中的推行高速切削、干式切削、硬齿面切削的工艺,提供了有效的保证。

  从以下齿轮滚刀在使用前后及涂层前后的滚削速度关系表(以滚削40Cr、35CrMo、20CrMo合金结构钢为例),可以明确地看出齿轮滚刀材料技术的进步与涂层的重要性。

齿 轮 滚 刀 滚削速度 m/min 刮削速度 m/min
硬质合金 +涂层 120-160 100-140
硬质合金 磨后不涂 100-130 80-110
粉末高速钢 +涂层 90-120 -
粉末高速钢 磨后不涂 70-100 -
高性能高速钢 +涂层 70-80 -
高性能高速钢 磨后不涂 60-70 -
高性能高速钢 不涂 50-60 -
普通高速钢 30-40 -

2、关于全切式齿轮滚刀(顶切滚刀)的应用

  全切式滚刀在中小模数齿轮加工中已得到普遍的应用。

  通常用的滚刀非全切式(也称标准滚刀)。非全切式滚刀只有顶刃和侧刃参加切削。全切式滚刀除了顶刃和侧刃参加切削外,其滚刀槽底也同时进行切削。由于这种滚削方式,可以使齿顶与齿形同时展成,确保了齿顶圆与分度圆的同心,因此突现了三大优点。一是可以降低齿轮坯的外圆精度要求,二是齿轮滚削后,齿顶没有毛剌;并进行了齿顶修圆,对降低齿轮传动噪音起到了重要作用,三是对齿轮热处理后的孔加工可以外径定位,提高了加工效率。

  关于全切式滚刀,在1972年由国防工业出版社出版的《小模数齿轮加工》一书中就有论述。但是由于滚刀制造装备及砂轮制造技术的落后,多年来推广应用难度大。近几年来,随着滚刀制造装备水平的提升及砂轮制造技术的进步,全切式齿轮滚刀的制造已经不是难题。全切式齿轮滚刀的推广应用,对中小模数齿轮制造中成本的下降、精度的保证起到了重要的作用。

3、关于多头齿轮滚刀的应用

  关于多头齿轮滚刀,在1972年由国防工业出版社出版的《小模数齿轮加工》一书中也已有论述:“多头滚刀的加工生产率很高,故若能提高多头滚刀的制造精度,采用多头滚刀加工齿轮将会得到广泛应用。”近几年来,随着滚刀制造装备水平的提升,多头滚刀的制造精度大幅度提升,导致多头滚刀的应用面在广大,特别是在小模数齿轮制造中,对齿数较多的片齿轮加工已普遍应用多头滚刀。

4、关于蜗杆滚刀的应用

  可以说:在六年前,国内说到“蜗杆滚刀”还是新名词。只有“蜗杆铣刀”,没有“蜗杆滚刀”。是民营企业、是中小企业:江阴塞特精密工具有限公司(江阴工具厂)、宁波朗曼达工具有限公司,与齿轮制造厂共同合作,制造出了蜗杆滚刀,填补了国内空白,替代了进口。但是,应该承认,国内目前还不能制造进行蜗杆滚削的机床。

5、关于硬齿面切削及刮削技术的应用

  中、小模数齿轮硬质合金滚刀,已经在齿轮制造企业中得到了普遍地应用。特别是硬齿面切削技术的应用(齿面硬度在48~52HRC的齿轮,已得到普遍应用,齿面硬度高达62HRC的齿轮,也在起步应用。),新工艺的应用,弥补了齿轮热处理变形的难题,对确保齿轮的制造精度、对降低齿轮传动噪音(可结合鼓形齿——齿向修形技术)起到了决定性的作用。硬切齿工艺主要应用于模数m≤1.25的齿轮。硬齿面刮削工艺的应用,一方面体现了滚刀制造技术的进步,另方面还得益于由浙江佳雪数控机床有限公司(民营企业、中小企业)于2006年申报批准的国家专利“滚齿机的精密自动对刀装置”,改变了齿轮刮削加工只能在国外滚齿机上进行的局面。据国内用户反映,佳雪的自动对刀装置的对刀时间还优于国外同类装置。目前硬齿面刮削加工在模数m≤3的齿轮中应用较多。

  硬切齿、硬刮齿的制造精度:能够稳定地达到6~7级GB/T 10095—2008。应该看到,在中、小模数齿轮制造工艺上,由于齿轮滚刀制造技术与数控滚齿机制造水平的高速提升,达到了滚齿加工的高速、高效、高精度。由此,正在以精滚齿工艺挑战传统的滚剃工艺(已经体现在中、小批量的齿轮制造上)、精滚齿工艺的发展也正在与磨齿工艺比拼加工精度、比拼加工成本、比拼实用性。

  目前中、小模数齿轮滚刀的国产化率已经达到了80%以上。

6、小模数齿轮滚刀标准中的《基本型式和尺寸》,已不能适应使用要求

  在齿轮滚削中,为了满足延长一次装刀的使用时间,减少滚齿换刀次数,以达到缩短辅助时间,提高滚齿机使用效率的目的。国内外在齿轮滚刀的设计制造中,已经普遍采用增大直径和加长滚刀长度的方法。随着齿轮滚刀制造技术的进步,制造水平已经完全能满足用户要求。

  《JB/T 2494-2006 小模数齿轮滚刀》、《JB/T 7654-2006 整体硬质合金小模数齿轮滚刀》中的“基本型式和尺寸”已不能适应使用要求,但是又没有标准规范。提议按以下列表中“中、小模数整体硬质合金齿轮滚刀基本型式与尺寸”选用。

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2016/9/15 0:00:00