齿轮加工技术的发展与应用

齿轮的加工可以采用从磨齿到滚齿的多种工艺技术。由于滚齿加工通常具有更高的生产率，因此滚齿在生产中的应用比任何其他齿轮加工方法都更为广泛。
　　
　　目前，促使齿轮切削加工的效率和精度得以提高的技术发展趋势包括：
　　
　　（1）齿轮刀具技术（尤其是涂层和基体技术）的进步。

　　
　　（2）对齿轮刀具优化设计的探索。
　　
　　（3）齿轮切削机床柔性程度更高，或可在一次装夹中完成更多的加工操作。
　　
　　当齿轮制造商努力满足对生产能力和加工精度的严苛要求时，问题已经变为：“未来的齿轮切削机床能达到多高的精度和重复性？”
　　
　　随着刀具涂层和基体的进步，干切削作为一种趋势在齿轮加工行业继续蓬勃发展，在不使用冷却润滑液的条件下，提高了切削速度，延长了刀具寿命。目前，干切削已成为锥齿轮加工的标准工艺；同时，平行轴圆柱齿轮的加工也正在逐步转向干切削。
　　
　　锥齿轮刀具使用的硬质合金刀片通过涂覆薄的硬涂层，大幅度提高了刀具使用寿命。据格里森公司（Gleason Corp.）的应用工程经理T. J. Maiuri介绍，TiAlN涂层的使用仍然相当普遍。同时，不含Ti元素的AlCrN涂层目前已成为一种可选涂层。由欧瑞康巴尔查斯公司（Oerlikon Balzers AG）开发、商品名为“Balinit Alcrona”的AlCrN涂层硬度高达HV0.053200，摩擦系数为0.35，最重要的是，其最高工作温度可达1100℃。
　　
　　对刀具的更多表面进行涂层也可以提高刀具寿命。格里森公司的Maiuri解释说，用于加工锥齿轮的条状刀片通常只在前刀面上进行涂层。如果在刀片的其它表面（顶面和侧面）也采用涂层，就可在不对刀片或工艺条件作任何其他改变的情况下使刀具寿命提高50％。
　　
　　用于切削平行轴齿轮的滚刀的成形方法与用于切削锥齿轮的滚刀不同，它们通常为其上有多排刀齿的圆柱体，其形状与涡杆类似。这种滚刀通常采用高速钢（而非硬质合金）作为基体材料，并采用了先进的涂层。许多滚刀制造商采用粉末冶金高速钢作为刀具材料，而另一些制造商则坚持使用更传统的基体材料。
　　
　　作为平行轴齿轮切削刀具技术进步的一个实例，三菱重工的机床分公司推出了其Superdry齿轮滚刀的一种新版产品。据三菱重工副总裁Ian Shearing介绍，该滚刀采用了称为“三菱Mach 7”的高速钢基体和“三菱Superdry”专用涂层。Mach 7基体是一种简单的高速钢合金（不是粉末冶金高速钢）。“Mach 7具有延展性，能够承受很高的切屑载荷，”Shearing说，“在进行干式滚削时，这是十分必要的，因为较大的切屑可将切削热从工作区带走。此外，用Mach 7作为基体材料可以避免刀具崩刃问题，而合金含量高的粉末冶金高速钢基体有时会发生刀具崩刃的情况。Mach 7会在崩刃前先出现月牙洼磨损，而这种情况具有较好的可预测性。”

Superdry涂层有两种版本。Superdry 1涂层用于切削速度200m/min以下的滚削加工；Superdry 2涂层用于Mach 7基体时，加工相同齿轮的切削速度可高达250m/min。
Superdry 2涂层基本上是一种AlCrN涂层，三菱已为其附加成分申请了专利。
　　
　　通过优化齿轮刀具的几何形状也能提高刀具寿命和齿轮加工效率。与通过增加刀具涂层或改用更强韧的刀具基体来提高刀具寿命和加工效率相比，优化刀具几何形状是一种成本更低廉的方式。德国亚琛大学的Alexander Klein的思路不是如何使刀具本身变得更强硬，而是如何使切屑对用于锥齿轮面铣加工的条状刀片损坏更小。在研究了切屑的形成机理后，Klein设计了一种可使切屑从刀具均匀流出的切削形状。他开发了一种可以模拟锥齿轮表面滚削过程的实验，可以对不同的刀具设计方案进行研究，并观察刀具形成无害切屑的能力。他的研究证明，采用新的条状刀片设计方案，与老的和新的K10F硬质合金刀具（采用TiAlN涂层）设计方案相比，刀具寿命可提高115％。Klein表示，格里森公司拥有该项研究成果的专利权，并可能很快会对他的刀具设计方案进行商业化产品开发。“虽然更好的刀具磨损性能并不完全取决于更好的切屑流，”Klein解释说，“但切屑流的改善至少可以减小刀尖圆弧处（刀尖与平面切削刃之间的部位）的热负荷和机械负荷。”
　　
　　齿轮切削机床也变得更加多功能化，通过一次安装可以完成多种加工操作。例如，德国Liebherr和LMT-Fette公司合作，对精滚工艺进行了改进，在一次安装中，只用一把滚刀即可先后完成对齿轮工件的粗切、精切和倒角加工。
　　
　　由于目前的滚齿机不允许自动换刀，因此通常采用同一把高质量滚刀在精滚工序中完成粗切和精切，刀具很容易过早磨损。为了延长刀具寿命，在刀具设计中，可将粗切区与精切区分开，并分别对每个区的磨损性能进行优化。据LMT-Fette公司齿轮切削集团的业务部经理Darryl Witte介绍，由于现在的精滚刀不再从粗切加工即开始磨损，因此可加工工件的数量提高了几倍。Liebherr和LMT-Fette公司合作开发了这种滚齿加工概念，由Liebherr公司提供能够使用多区滚刀的滚齿机技术。
　　
　　这两个公司的同一开发团队还发明了一种已获得专利的精滚刀齿形，它可以消除带齿向修形的螺旋线齿轮的中凸误差（称为“变形”）。通常，为了消除这种变形，还需要额外进行如剃齿或珩齿等后序精加工。采用无变形（twist-free）精滚则意味着有可能取消这些后序精加工。
　　
　　“twist-free技术使滚刀能够克服在典型精滚加工中的缺陷，但它却无法实现所要求的齿侧修形。”Liebherr公司的Oliver Winkel说。在这种刀具系统中增加一把倒角刀，就可以为同一次安装加工提供更多的价值，并在将工件从滚齿机上卸下之前去除毛刺。
　　
　　“在过去几年里，我们在提高齿轮刀具的加工性能方面取得了重大进步，刀具的耐用度不断提高，一把滚刀在需要重磨前通常可以加工8000个工件，而以前的滚刀每加工100～200个工件就需要重磨。”Star SU（代表齿轮切削制造商Samputensili和Star Cutter的一家公司）的齿轮刀具产品经理Tom Ware说，“如今的滚齿机床可以达到450m/min的加工速度，而现在的滚齿加工精度可以达到5～10年前的磨齿加工精度。”
　　
　　Ware介绍说，桑普坦斯利（Samputensili）公司现在提供的滚齿机可在一次安装中完成多种加工，例如，除了切齿加工外，还可以完成对槽去毛刺的简单车削加工。这种附加功能可以添加到桑普坦斯利公司的任何一款CNC滚齿机上。Star SU公司还提供一种已获得专利的复合刀具，用同一把刀具即可完成滚齿和倒角加工。

本篇文章来源于 “中国金属加工在线”