滾齒是利用展成原理加工齒輪的一種方法，相比較于插齒、剃齒等方法具有生產(chǎn)效率高、成本低的特點(diǎn)，但是滾齒中的滾刀屬于生產(chǎn)成本環(huán)節(jié)中的消耗品，普通高速鋼滾刀加工一段時(shí)間后由于前刀面磨損，需進(jìn)行重磨，對(duì)于新型的涂層雙切滾刀則需要進(jìn)行退涂、重磨、涂層的復(fù)雜流程，每次使用后的修復(fù)成本能夠達(dá)到滾刀成本的20%左右，如何控制滾刀磨損不僅是企業(yè)生產(chǎn)成本的控制環(huán)節(jié)，也是企業(yè)生產(chǎn)效率提升的重要環(huán)節(jié)。Maiuri分析了影響滾刀壽命的因素，包括材料、涂層、切削參數(shù)等;張榮闖等對(duì)滾齒切 削力進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并計(jì)算了切削力模型;張應(yīng)等建立了滾刀壽命預(yù)估模型并優(yōu)化，但是該模型計(jì)算復(fù)雜。
本文針對(duì)以上研究的不足，提出了通過六西格瑪實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)研究影響滾刀壽命的顯著性因子，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合出提高滾刀壽命的最佳工藝參數(shù)，并通過實(shí)際加工進(jìn)行驗(yàn)證。
一、高速雙切滾刀特點(diǎn)及現(xiàn)狀
滾齒加工是按照展成原理來實(shí)現(xiàn)切削加工的，滾刀與工件的嚙合相當(dāng)于一對(duì)交錯(cuò)軸的螺旋齒輪嚙合，滾刀可以看作是一個(gè)齒數(shù)很少、螺旋角很大的齒輪，在這個(gè)齒輪垂直于螺旋線方向開出容屑槽，并磨削出前刀面、后刀面。高速雙切滾刀又稱為重切滾刀，是一種具有較多切削槽的涂層整體滾刀，與傳統(tǒng)滾刀相比，其具有更長加工壽命和更短切削時(shí)間的特點(diǎn)。雙切滾刀材質(zhì)為粉末冶金高速鋼，并在其表面增加 PVD 氮鉻化鋁涂層，該滾刀在設(shè)計(jì)時(shí)采用主齒和副齒結(jié)構(gòu)，在相同的外徑時(shí)，切削刃能夠增加一倍。雖然雙切滾刀優(yōu)勢(shì)明顯，但是刀具的磨損還是無法避免，不管是前刀面還是后刀面，當(dāng)受到加工溫度、加工振動(dòng)、工件材質(zhì)和機(jī)床剛性等的影響時(shí)都會(huì)造成刀具磨損，特別是加工溫度越高，刀具材料就會(huì)變得越軟，耐磨性就會(huì)越差，雖然加工過程中75%～80%的熱量會(huì)通過切削液或者鐵屑帶走，但是隨著加工溫度的升高，刀具使用壽命會(huì)急劇降低，因此必須選擇合理的加工工藝以提升雙切滾刀的實(shí)際使用壽命。
二、滾齒加工工藝參數(shù)
在滾齒加工過程中，企業(yè)為了利潤最大化，要求在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下提高加工效率，而這一切都與滾齒加工工藝參數(shù)有關(guān)。滾齒加工工藝是依據(jù)零件圖紙、機(jī)床設(shè)備、刀具參數(shù)和夾具結(jié)構(gòu)等確定的，工藝制定后，如何選取合適的滾齒工藝參數(shù)是各企業(yè)研究的 重要內(nèi)容，參數(shù)選擇不合理容易造成零件加工不合格、滾刀快速磨損和節(jié)拍降低等問題，滾齒工藝參數(shù)包括滾刀轉(zhuǎn)速、滾刀軸向進(jìn)給速度、切削次數(shù)和切削深度等，滾齒工藝參數(shù)直接影響滾刀使用壽命。
三、滾刀磨損現(xiàn)象
滾刀在使用時(shí)隨著時(shí)間和加工次數(shù)的增加，在滾刀后刀面或者前刀面會(huì)出現(xiàn)月牙灣狀磨損，當(dāng)磨損的寬度達(dá)到0.2mm 時(shí)就需要對(duì)滾刀進(jìn)行退涂、重磨、涂層工序，0.2mm 的磨損寬度可以通過電子顯微鏡來進(jìn)行測(cè)量，如果磨損達(dá)到0.2mm 仍然繼續(xù)使用，在加工過程中會(huì)出現(xiàn)加工工件及刀具溫度急劇上升，造成滾刀磨損急劇加大，嚴(yán)重時(shí)可能造成滾刀報(bào)廢。
四、六西格瑪滾刀壽命實(shí)驗(yàn)研究
實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?/strong>
為了提高企業(yè)加工效率，降低高速雙切滾刀重磨、涂層次數(shù)特提出此實(shí)驗(yàn)要求，通過實(shí)驗(yàn)，確定影響滾刀壽命的顯著因子，并通過數(shù)據(jù)分析這些因子對(duì)滾刀壽命的影響，以刀具磨損達(dá)到0.2mm為滾刀壽命界限、刀具壽命最大化為優(yōu)化目標(biāo)，擬合最優(yōu)滾齒加工工藝參數(shù)。
實(shí)驗(yàn)條件及特征因子確定：
實(shí)驗(yàn)零件參數(shù)：齒輪類零件，模數(shù) 18 mm，齒數(shù) 31，壓力角20°，全齒高42.3mm，齒寬500mm，材料為18CrNiMo7，調(diào)質(zhì)硬度 HB217～HB255。
實(shí)驗(yàn)滾刀參數(shù)：高速雙切滾刀，模數(shù)18mm，每圈齒數(shù)18，壓力角20°，材料為粉末冶金高速鋼，硬度為 HRC65～HRC68。
從雙切滾刀加工工藝及現(xiàn)場情況來看，影響雙切滾刀壽命的特征因子有滾刀轉(zhuǎn)速、滾刀軸向進(jìn)給、切削次數(shù)和冷卻方式。
實(shí)驗(yàn)方法：
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種安排實(shí)驗(yàn)和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法，通過前期的策劃和研究，能夠以較小的實(shí)驗(yàn)規(guī)模、較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)和較低的實(shí)驗(yàn)成本得到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和科學(xué)的結(jié)論。
本文采用全因子實(shí)驗(yàn)，共選取4個(gè)因子 X，試驗(yàn)指標(biāo)為雙切滾刀壽命 Y，共計(jì)16次實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中對(duì)各因子分別取高、低兩種水平，通過實(shí)際加工和檢測(cè)來統(tǒng)計(jì)滾刀壽命。
實(shí)驗(yàn)因子選擇和水平設(shè)定：
依據(jù)滾刀廠家推薦參數(shù)及實(shí)際加工過程中使用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置4個(gè)因子 X的高、低水平，如表1所示。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：
通過16 次實(shí)驗(yàn)，將雙切滾刀壽命統(tǒng)計(jì)后經(jīng)過 MINITAB分析所得標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng) Pareto圖如圖 1 所示，圖中橫坐標(biāo)為六西格瑪檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量t值，分界線為依據(jù)選定的顯著性水平α=0.05給出臨界值2.57，超出該值的因子為顯著因子。因子 A 為滾刀轉(zhuǎn)速，B為滾刀軸向進(jìn)給，C為切削次數(shù)，D 為冷卻方式，BC為滾刀軸向進(jìn)給和切削次數(shù)交互效應(yīng)，BD 為滾刀軸向進(jìn)給和冷卻方式交互效應(yīng)，AD 為滾刀轉(zhuǎn)速和冷卻方式交互效應(yīng)，AB為滾刀轉(zhuǎn)速和滾刀軸向進(jìn)給交互效應(yīng)， AC為滾刀轉(zhuǎn)速和切削次數(shù)交互效應(yīng)，CD 為切削次數(shù) 和冷卻方式交互效應(yīng)。從圖1中可以直觀地分析出影 響滾刀壽命的最主要因子為滾刀軸向進(jìn)給，其次為滾 刀轉(zhuǎn)速，而切削次數(shù)和冷卻方式交互效應(yīng)對(duì)滾刀壽命影響最小。
分析完主要因子和次要因子后，還需對(duì)殘差狀況進(jìn)行診斷，以此來判斷分析模型是否合適，圖2為滾刀壽命殘差圖。圖2(a)顯示各點(diǎn)近似在一條直線;圖2(c)中矩形左右對(duì)稱，可認(rèn)為該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的殘差近似服從正態(tài)分布;圖2(b)和圖2(d)顯示該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的殘差基本符合隨機(jī)波動(dòng)。從殘差圖的分析來看，本次實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突緷M足要求。
方差分析能夠直觀地根據(jù)結(jié)果來推斷哪些因子對(duì)結(jié)果有明顯的影響以及影響有多大，表2為方差分析結(jié)果。通過表2結(jié)果中的檢驗(yàn)水平P 值大小來判斷因子是否顯著，P 值小于0.05為顯著因子，而滾刀軸向進(jìn)給和滾刀轉(zhuǎn)速的P 值小于0.05，因此為顯著影響因子。
通過 DOE(DesignOfExperiments)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及分析，可得出以下結(jié)論：
(1)影響雙切滾刀壽命的顯著因子為滾刀軸向進(jìn)給，軸向進(jìn)給的大小直接影響雙切滾刀壽命。
(2)次顯著因子為滾刀轉(zhuǎn)速，滾刀轉(zhuǎn)速較高時(shí)滾刀壽命會(huì)有所下降，但不如軸向進(jìn)給影響顯著。
(3)冷卻方式對(duì)雙切滾刀壽命影響較低，所以在實(shí)際加工中采用油冷和風(fēng)冷對(duì)滾刀壽命影響較小。
(4)切削次數(shù)對(duì)雙切滾刀壽命影響較低，在加 工時(shí)為保證加工效率可采用較少的切削次數(shù)。
優(yōu)化工藝參數(shù)：
通過去除不顯著因子，修正回歸方程，對(duì)響應(yīng)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，擬合出最佳的工藝參數(shù)如表3所示。通過對(duì)該參數(shù)分析，在主要因子滾刀軸向進(jìn)給取低水平、滾刀轉(zhuǎn)速取低水平時(shí)擬合的滾刀壽命取值最大，并且復(fù)合合意性比較接近1，總體看來此設(shè)置能夠?yàn)樗?響應(yīng)獲得一個(gè)較好的結(jié)果。
根據(jù)擬合后的參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過對(duì)油冷機(jī)床多批次零件加工時(shí)的參數(shù)調(diào)整，高速雙切滾刀壽命符合預(yù)期效果，說明該參數(shù)具有一定指導(dǎo)作用。
五、結(jié)論
高速雙切滾刀在實(shí)際應(yīng)用中能夠極大地提升企業(yè)加工效率，但是滾刀磨損、退涂、修磨、涂層占用了滾刀很多的使用時(shí)間，并且滾齒加工是一個(gè)復(fù)雜的工藝過程，如何延長高速雙切滾刀使用壽命是急需解決的企業(yè)生產(chǎn)瓶頸。本文通過六西格瑪實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，通過較少的實(shí)驗(yàn)次數(shù)、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)方法獲得了最佳的結(jié)果，并且分析了影響滾刀壽命的因子，優(yōu)化了加工工藝參數(shù)，通過實(shí)際使用，達(dá)到了預(yù)期目的，并且將 DOE 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用于滾齒工藝參數(shù)優(yōu)化，為其他機(jī)械加工工藝參數(shù)優(yōu)化提供了新的思路。
參考文獻(xiàn)略.