齒輪加工技術的發展與應用

齒輪的加工可以采用從磨齒到滾齒的多種工藝技術。由于滾齒加工通常具有更高的生產率，因此滾齒在生產中的應用比任何其他齒輪加工方法都更為廣泛。
　　
　　目前，促使齒輪切削加工的效率和精度得以提高的技術發展趨勢包括：
　　
　?。?）齒輪刀具技術（尤其是涂層和基體技術）的進步。

　　
　?。?）對齒輪刀具優化設計的探索。
　　
　　（3）齒輪切削機床柔性程度更高，或可在一次裝夾中完成更多的加工操作。
　　
　　當齒輪制造商努力滿足對生產能力和加工精度的嚴苛要求時，問題已經變為：“未來的齒輪切削機床能達到多高的精度和重復性？”
　　
　　隨著刀具涂層和基體的進步，干切削作為一種趨勢在齒輪加工行業繼續蓬勃發展，在不使用冷卻潤滑液的條件下，提高了切削速度，延長了刀具壽命。目前，干切削已成為錐齒輪加工的標準工藝；同時，平行軸圓柱齒輪的加工也正在逐步轉向干切削。
　　
　　錐齒輪刀具使用的硬質合金刀片通過涂覆薄的硬涂層，大幅度提高了刀具使用壽命。據格里森公司（Gleason Corp.）的應用工程經理T. J. Maiuri介紹，TiAlN涂層的使用仍然相當普遍。同時，不含Ti元素的AlCrN涂層目前已成為一種可選涂層。由歐瑞康巴爾查斯公司（Oerlikon Balzers AG）開發、商品名為“Balinit Alcrona”的AlCrN涂層硬度高達HV0.053200，摩擦系數為0.35，最重要的是，其最高工作溫度可達1100℃。
　　
　　對刀具的更多表面進行涂層也可以提高刀具壽命。格里森公司的Maiuri解釋說，用于加工錐齒輪的條狀刀片通常只在前刀面上進行涂層。如果在刀片的其它表面（頂面和側面）也采用涂層，就可在不對刀片或工藝條件作任何其他改變的情況下使刀具壽命提高50％。
　　
　　用于切削平行軸齒輪的滾刀的成形方法與用于切削錐齒輪的滾刀不同，它們通常為其上有多排刀齒的圓柱體，其形狀與渦桿類似。這種滾刀通常采用高速鋼（而非硬質合金）作為基體材料，并采用了先進的涂層。許多滾刀制造商采用粉末冶金高速鋼作為刀具材料，而另一些制造商則堅持使用更傳統的基體材料。
　　
　　作為平行軸齒輪切削刀具技術進步的一個實例，三菱重工的機床分公司推出了其Superdry齒輪滾刀的一種新版產品。據三菱重工副總裁Ian Shearing介紹，該滾刀采用了稱為“三菱Mach 7”的高速鋼基體和“三菱Superdry”專用涂層。Mach 7基體是一種簡單的高速鋼合金（不是粉末冶金高速鋼）?！癕ach 7具有延展性，能夠承受很高的切屑載荷，”Shearing說，“在進行干式滾削時，這是十分必要的，因為較大的切屑可將切削熱從工作區帶走。此外，用Mach 7作為基體材料可以避免刀具崩刃問題，而合金含量高的粉末冶金高速鋼基體有時會發生刀具崩刃的情況。Mach 7會在崩刃前先出現月牙洼磨損，而這種情況具有較好的可預測性?！?

Superdry涂層有兩種版本。Superdry 1涂層用于切削速度200m/min以下的滾削加工；Superdry 2涂層用于Mach 7基體時，加工相同齒輪的切削速度可高達250m/min。
Superdry 2涂層基本上是一種AlCrN涂層，三菱已為其附加成分申請了專利。
　　
　　通過優化齒輪刀具的幾何形狀也能提高刀具壽命和齒輪加工效率。與通過增加刀具涂層或改用更強韌的刀具基體來提高刀具壽命和加工效率相比，優化刀具幾何形狀是一種成本更低廉的方式。德國亞琛大學的Alexander Klein的思路不是如何使刀具本身變得更強硬，而是如何使切屑對用于錐齒輪面銑加工的條狀刀片損壞更小。在研究了切屑的形成機理后，Klein設計了一種可使切屑從刀具均勻流出的切削形狀。他開發了一種可以模擬錐齒輪表面滾削過程的實驗，可以對不同的刀具設計方案進行研究，并觀察刀具形成無害切屑的能力。他的研究證明，采用新的條狀刀片設計方案，與老的和新的K10F硬質合金刀具（采用TiAlN涂層）設計方案相比，刀具壽命可提高115％。Klein表示，格里森公司擁有該項研究成果的專利權，并可能很快會對他的刀具設計方案進行商業化產品開發?！半m然更好的刀具磨損性能并不完全取決于更好的切屑流，”Klein解釋說，“但切屑流的改善至少可以減小刀尖圓弧處（刀尖與平面切削刃之間的部位）的熱負荷和機械負荷?！?br />　　
　　齒輪切削機床也變得更加多功能化，通過一次安裝可以完成多種加工操作。例如，德國Liebherr和LMT-Fette公司合作，對精滾工藝進行了改進，在一次安裝中，只用一把滾刀即可先后完成對齒輪工件的粗切、精切和倒角加工。
　　
　　由于目前的滾齒機不允許自動換刀，因此通常采用同一把高質量滾刀在精滾工序中完成粗切和精切，刀具很容易過早磨損。為了延長刀具壽命，在刀具設計中，可將粗切區與精切區分開，并分別對每個區的磨損性能進行優化。據LMT-Fette公司齒輪切削集團的業務部經理Darryl Witte介紹，由于現在的精滾刀不再從粗切加工即開始磨損，因此可加工工件的數量提高了幾倍。Liebherr和LMT-Fette公司合作開發了這種滾齒加工概念，由Liebherr公司提供能夠使用多區滾刀的滾齒機技術。
　　
　　這兩個公司的同一開發團隊還發明了一種已獲得專利的精滾刀齒形，它可以消除帶齒向修形的螺旋線齒輪的中凸誤差（稱為“變形”）。通常，為了消除這種變形，還需要額外進行如剃齒或珩齒等后序精加工。采用無變形（twist-free）精滾則意味著有可能取消這些后序精加工。
　　
　　“twist-free技術使滾刀能夠克服在典型精滾加工中的缺陷，但它卻無法實現所要求的齒側修形。”Liebherr公司的Oliver Winkel說。在這種刀具系統中增加一把倒角刀，就可以為同一次安裝加工提供更多的價值，并在將工件從滾齒機上卸下之前去除毛刺。
　　
　　“在過去幾年里，我們在提高齒輪刀具的加工性能方面取得了重大進步，刀具的耐用度不斷提高，一把滾刀在需要重磨前通?？梢约庸?000個工件，而以前的滾刀每加工100～200個工件就需要重磨?！盨tar SU（代表齒輪切削制造商Samputensili和Star Cutter的一家公司）的齒輪刀具產品經理Tom Ware說，“如今的滾齒機床可以達到450m/min的加工速度，而現在的滾齒加工精度可以達到5～10年前的磨齒加工精度。”
　　
　　Ware介紹說，桑普坦斯利（Samputensili）公司現在提供的滾齒機可在一次安裝中完成多種加工，例如，除了切齒加工外，還可以完成對槽去毛刺的簡單車削加工。這種附加功能可以添加到桑普坦斯利公司的任何一款CNC滾齒機上。Star SU公司還提供一種已獲得專利的復合刀具，用同一把刀具即可完成滾齒和倒角加工。

本篇文章來源于 “中國金屬加工在線”