滾齒加工的新模式

ANewParadigminGearHobbing

作者：GuenterWermeister

　　山特維克可樂滿的全新刀具產品縮短了加工時間、減少了滾齒齒輪的成本、最大限度地提高了產品質量以及提高了加工效率。

　　沒有齒輪的旋轉運動的傳動是不可想象的。無論是在工程機械、汽車動力、運輸技術，還是在鐵路、造船，甚至在能源生產方面，沒有齒輪什么都無法運轉。就像齒輪的制造一樣，傳動必須是高效的。

　　在各個領域，人們都希望能提高速度、延長運行時間和降低噪音水平，因此對齒輪的精度要求也越來越高。國際競爭和由此帶來的成本壓力也促使不斷尋求新的節能潛力以及優化生產。當然，這也是新工藝開發的背景和動力，為了找出最新的技術標準，甚至也評估了舊的試驗－測試方法。

　　性價比極高的和精密的齒輪制造工藝之一就是滾銑。對于這種工藝，例如在加工蝸輪的情況下，在滾齒機上工件和刀具是連續嚙合的。這樣做，齒輪滾刀切削的是工件上的齒間和齒，使它們達到變速箱齒輪對所需的形狀。使用這種工藝就不會產生傳統的包絡線切削時容易出現的誤差源，即齒形偏差和齒距誤差。這是因為滾齒切削工藝中的齒形是通過兩個物體嚙合時生成的包絡切削產生的。

　　滾銑過程的一個更大的優勢是，除了可以加工齒輪外，還可以生成其它形狀的工件，例如花鍵軸或棘輪，只要它們相同的形狀和齒距中有空間。

　　所用刀具

　　滾齒刀具有單片刀具和多片刀具，切削刃分布在圓周上，圓周上還有排屑槽。到現在為止，切削材料主要是高合金高速鋼（HSS）。除了粉末冶金制造的HSS整體硬質合金刀具，鑲篏硬質合金刀桿的刀具也用于切削。事實上，傳統的HSS刀具仍然占有超過百分之五十的市場份額。其原因是這兩種整體硬質合金銑刀以及安裝了固定的硬質合金切削刃的刀具不能滿足要求。首先是，在重磨后，服務壽命方面會有嚴重的損失，或單個切削刃崩損會導致必須更換整個刀具。為了重磨刀具，常常必須去除涂層，這就帶走了切削刃口的粘結劑為鈷。

　　由于切削刃的脆性，就導致了降低刀具壽命，縮短了可預測壽命。

　　在大模數的情況下，最近幾年切向安裝的硬質合金可轉位刀片刀具用得越來越普遍。這種解決方案具有明顯的優點。燒結硬質合金也可以用作大直徑齒輪滾刀的切削刀具材料，除了刀體具有長的刀具壽命，還可以與已經適用于相關工件材料和齒形的不同刀具材料材質一起使用。因此，一個相同刀體可以用于不同的任務，這就減少了刀具數量，因此，也就降低了庫存要求。這種概念不僅僅能夠達到要求的形狀精度，而且可以顯著地縮短制造時間，還可觀地減少了重磨和加涂層方面的成本。

　　高效齒輪切削

　　對于山特維克可樂滿來說，齒輪切削刀具是其相對新進的領域。作為全球領先的全面的刀具提供商，它的目標自然不僅僅是推出已令人信服的齒輪切削刀具概念，它還要與合格的機床制造商和客戶方面的合作伙伴緊密合作。到現在為止，山特維克可樂滿的兩個產品已經成功地進入了齒輪切削刀具制造領域：模數范圍為12-22的CoroMill170圓盤銑刀，和有切向安裝的可轉位刀片的大齒輪滾刀。這兩種刀具都極大程度的提高了齒輪加工技術。

　　uP-Gear齒輪工藝用于完整的包括螺旋齒輪在內的錐齒輪生產，它在五軸加工中心上的僅有的兩次夾緊上即可完成。這種工藝是朝著成為齒輪箱生產方面的全服務提供商發展的成功的一步。山特維克可樂滿是與VoithTurbo與Gebr.HellerMaschinenfabrikGmbH一起合作開發出這種技術的。山特維克可樂滿目前正在進行下一步工作：采用可互換的全齒形可轉位刀片的齒輪滾刀的制造。

　　通常，切向安裝的可轉位刀片有不超過兩個切削刃形成接觸。與切向安裝的可轉位刀片相反，使用全齒形可轉位刀片的刀具還形成了三個后刀面切屑。這意味圓周上的切削刃必須可以通向三個側面，從而可以排屑。這就導致了對可轉位刀片與刀體之間有專門的要求，如果是使用刀墊或刀座與可轉位刀片的話。此外，為了能符合DIN3968的嚴格公差，可轉位刀片的夾緊裝置的定位必須有極高的精度。

　　目前已經開發出一種新型刀片定位接口，這種刀片定位接口可以保證精密的定位，并保證在粗加工過程中可轉位刀片的夾緊。由于根據模數大小和用途確定的刀片可以是單切削刃或雙切削刃，一般來說，對于多切削刃刀片不是問題：盡管切削刃可以位于圓周的3個邊，但是，根據仔細的觀察，我們看到單切削刃或雙切削刃可轉位刀片也會被自然地稱為“可轉位刀片”。

　　為了生產可轉位刀片的齒輪滾刀，山特維克可樂滿與知名的合作伙伴一起建立了專門技術。除了HöflerMaschinenbauGmbH，GarlZeissGmbH作為成品刀具和傳動機構的精密測量的工業測量專家也加入了這支隊伍。合作關系還包括與一些知名的齒輪箱制造商和幾個大學的密切合作，例如Lunds技術學院（瑞典）和WZL（機床實驗室，RWTHAachen）齒輪加工集團。

　　初步結果

　　新的滾刀刀具的初始實際生產測試已經完成了，并對它進行了分析。測試表明，安裝了硬質合金可轉位刀片的齒輪滾刀并沒有達到用高速鋼或整體硬質合金滾刀所加工出的精度要求。但是，這種滾刀可以保證符合DIN3968的B等級，這就意味著可以用于制造符合DIN3962的等級9-11的齒輪。如果必須達到更高的工件等級，則要求接著采用傳統滾刀加工或磨削工序。滾銑質量不僅僅是由齒輪滾刀等級決定的，它還受到工件夾緊裝置的牢靠程度、齒輪滾床的精度和滾刀與工件的同心度和跳動量的影響。

　　總地來說，實際生產測試的結果已經表明，在三個重要的判斷標準方面，新的滾刀的實際優點為：縮短了切削時間和滾銑每零件成本，提高了刀具壽命。對測試結果的詳細的研究表明了改進的實際程度。

　　縮短了切削時間

　　齒輪滾銑時，在各種因素中，基本加工時間是由切削速度和工件軸向進給確定的。鋼的類型與切削材料的匹配，以及使用的機床的穩定性與性能是確定最影響性價比的切削速度的決定性因素。在實際生產條件下的測試表明了，在保持刀具的每轉進給率不變的情況下，切削速度通常可以翻番，用這種方法，在一個案例中，切削時間由200分鐘縮短到90分鐘。

　　硬質合金切削刃可以比高速鋼（HSS）切削刃承擔更高的切屑負荷。這就是說可以達到更高的每齒進給率。此外，應用這種方法可以補償因有效切削刃的數目的減少而增加的加工時間。

　　在將切屑離開滾刀時產生的理論最大切屑厚度就是切屑負荷。當確定進給率時，總是應該記錄切屑負荷，并將它用于計算進給率。如果機床性能和工件材料等所有決定性因素都允許，新刀具就可以承受高達0.35mm的切屑負荷，和最高達350m/min的切削速度，具體數字與所加工的模數有關。

　　延長了刀具壽命

　　在齒輪滾銑的贏利能力研究中，不是使用通常以規定的分鐘作為刀具壽命的單位，滾刀是用刀具切削長度作為評價標準。這個長度相應于兩次重磨之間的，或兩次更換刀具上的可轉位刀片之間，所有切削的工件齒的長度的總和。

　　在優化的條件下，比如在合適的涂層和硬質合金切削刃口的條件下，在實際生產測試中，已經達到了每次更換刀具時刀具長度，這個長度至少高于涂層HSS刀具的3倍。更高的每齒進給也對這點有貢獻。如果每齒進給太低，也會加速磨損、縮短刀具壽命并引起在工件上生成過多的熱量。因此在干切削中，應毫不猶豫地采用硬質合金可轉位刀片，從而不降低刀具壽命，進給率的選擇應該是使得大部分熱量隨著切屑排出。更長的刀具壽命也意味著獲得更多的生產時間，例如，如果刀具壽命達到原來的三倍，百分之六十六的安裝刀具時間就不再需要了，這些時間就可以用于切削了。

　　在連續生產中，很少考慮偶爾發生的由于安裝引起的時間浪費：鈍了的刀具的重磨導致刀具直徑的不同，總是要求重新調整機床的設置，因此使用新刀具就可以減少66%的時間浪費。使用新刀具還會縮短翻新磨鈍了HSS滾刀所需的時間，因為翻新刀具還必須送出去重磨和重新涂層。這一切都關乎漫長的時間周期，這個周期從刀具更換開始到交付完成了翻新的刀具為止。很自然，仍然建議轉換到使用新的山特維克可樂滿刀具，從而優化刀具壽命和提高性價比。此外，可轉位刀片在使用后僅僅是單刃磨損，可以從左面更換到右面。

　　更低的滾銑成本

　　刀具的進一步開發的主要目標是降低直接和間接生產成本。與此同時，加工的工件的質量也應維持，或甚至更進一步獲得提高。此外，生產可靠性必須得到保證。

　　山特維克可樂滿提供的新的全齒形滾刀完全滿足了與刀具有關的要求，甚至在它第一次使用時就做到了這點。通過降低投資、庫存、搬運和裝夾以及翻新成本，也可以相當程度地降低比例成本。除此之外，通過減少周轉中的滾刀的數目，可以降低資本投入。還有一個優點是：可以通過提高切削速度，實際切削時間隨之縮短（已經有幾次超過50%），這樣就顯著了增加每日的產出量。通過縮短切削時間和安裝調試時間獲得的機床使用時間可以進一步提高產出。在一些情況下，甚至不再需要使用切削油或潤滑油，這提高了刀具壽命，也減少了油霧或油蒸汽的排放。這里不要低估使用潤滑油或切削油的成本，節約的成本與相應的應用有關，它們常常占總生產成本的15%。

　　底線

　　有了新的滾刀刀具，用戶就有了高性價比和可靠的生產所需的刀具。這種刀具降低了投資成本，易于裝夾，這些刀具使工序與任何外部的操作無關。