剃齒過程中齒面劃傷問題分析與解決

孫鵬，韓海鷹，逄迪，馬云雙，康英杰

一汽解放汽車有限公司 吉林長春 130011

1 序言

齒輪噪聲控制已成為現代齒輪加工中一個重要的質量控制環節，齒輪噪聲控制水平不僅代表一個齒輪制造廠的質量水平，還直接受到有關環保法規的制約。剃齒是一種廣泛采用的齒輪精加工方法，特別在變速器齒輪加工中，大量齒輪精加工均采用剃齒加工。剃齒不僅加工效率高、加工成本低，還能大幅度提高齒輪精度和表面質量。同時，剃齒能實現齒形修形，從而降低齒輪傳動噪聲。由于剃齒過程具有擠壓與切削并存的特點，所以剃齒后齒面的質量很好，對噪聲控制有利。但是由于在實際生產中，經常會遇到剃齒過程中齒面劃傷的問題，對齒面的質量影響很大，進而嚴重影響齒輪嚙合過程中的噪聲控制，所以對剃齒過程中齒面劃傷問題的研究和解決尤為重要。

2 剃齒過程中齒面劃傷問題分析

我公司剃齒加工中不定期出現不同程度的齒面劃傷現象，劃傷情況如圖1所示。劃傷主要集中在齒輪齒面的頂部，齒輪中部沒有，劃傷痕跡的紋路走向一致，每個劃痕平行，都是沿漸開線方向偏離一定角度，劃痕深淺有一定差異，但是同一個齒輪同一曲率半徑處相差不大。劃傷時一些加工條件相似，軟材料齒輪與變位系數大的齒輪更容易出現，同一個齒輪刀具使用時間長了容易出現，剃齒余量大時容易出現，切削液長時間未更換時也容易出現。

圖1 齒面劃傷情況

3 理論分析剃齒過程中產生齒面劃傷的原因

3.1 剃齒原理

剃齒是齒輪的一種精加工方法，其工作原理（見圖2）是根據交錯軸斜齒輪副作無側隙的嚙合時，在齒面上產生相對滑動。剃齒時, 剃齒刀與工件是一對無側隙的交錯軸斜齒輪嚙合。盤形剃齒刀可看作是一個圓柱齒輪, 在其側面做出許多小容屑槽, 槽與齒側面的交線形成切削刃（見圖2a）。切削時，被加工齒輪裝在心軸上，可以自由轉動；剃齒刀裝在機床主軸上，與工件相交呈一角度，帶動工件旋轉，兩者之間作自由嚙合運動（見圖2b）。根據交錯軸斜齒輪嚙合特點，剃齒刀和被剃齒輪在接觸點的速度方向不同，剃齒刀和被剃齒輪的齒面間有相對滑動，剃齒刀切削刃便在齒輪齒面上切除一層金屬。沿螺旋線的切線方向產生相對滑動速度, 這個相對滑動速度就是切削速度（見圖2c）。

圖2 剃齒工作原理

圖2 中剃齒刀為左旋齒，齒輪為右旋齒，嚙合節點P的相對滑動速度為ν＝νwt±ν0t（m/min），即切削速度ν，當剃齒刀與被剃齒輪齒的螺旋方向相同時用“＋”號，相反時用“－”號。圖中βw為齒輪螺旋角，β0為剃齒刀螺旋角，∑為軸交角，P為節點。

剃齒刀切削齒輪如圖3所示，當剃齒刀和工件的齒側面以相對速度ν滑移時, 加上剃齒刀齒面間存在進給壓力, 使剃齒刀齒側面的小槽切削刃從工件齒面上切下很薄的切屑，厚度為 0.005～0.010mm。

圖3 剃齒刀切削齒輪

交錯軸傳動的斜齒輪, 在每個嚙合瞬時理論上是點接觸。由于徑向進給的作用, 工件齒面的接觸部位將產生彈性變形，因此普通盤形剃齒刀剃齒時的實際瞬時接觸區是一個橢圓面（見圖4a）。隨著工件與剃齒刀的嚙合轉動, 這個橢圓形接觸區沿著接觸線（對于斜齒輪，它是齒面上一條傾斜的曲線；對于直齒輪，它是一條平行于端面的漸開線）移動，剃出一條接觸帶（見圖5），再通過軸向進給運動擴展到整個齒面, 切削作用就覆蓋了全齒面，也就是一個直齒輪在沒有軸向進給的情況下，嚙合后被剃出的是一條沿著漸開線的接觸帶。由于剃齒刀是斜齒輪，其接觸點軌跡形成的接觸帶是傾斜于端面的曲線，且左、右兩側面上的曲線具有不同的傾斜方向。

圖5 剃齒時接觸帶

對于徑向剃齒刀, 由于齒面的修正，所以其瞬時接觸區將是一條相當于齒寬的帶形面（見圖4b）。隨著工件與剃齒刀的嚙合轉動, 即可實現齒面的精加工。

圖4 剃齒刀瞬時接觸區

剃齒刀齒側面的切削刃槽側面通常是平行于刀具端面或垂直于刀具齒向, 使兩側切削刃分別具有正、負前角或零前角, 如圖6所示。由于剃齒刀切削工件時, 它的齒側面（側后刀面）和工件的加工表面相切, 所以剃齒時的后角等于0°，這將產生擠壓現象，因此剃齒是一個在滑移運動中產生切削與擠壓的加工過程。

圖6 剃齒刀的切削角度

3.2 齒輪嚙合過程中漸開線切向滑移運動

由于剃齒的切削原理是利用交錯軸齒輪嚙合過程中齒向螺旋角與軸交角產生軸向滑移速度進行切削的，因此剃齒刀的梳槽方向平行于漸開線方向。剃齒過程中除切削運動外，還存在漸開線齒輪嚙合必然產生的漸開線切向滑移速度，雖然此速度與切削刃平行，起不到切削作用，但是此速度卻是不可以忽略的，齒輪的嚙合過程如圖7所示。由漸開線齒輪的嚙合過程可知，齒輪在嚙合過程中同時存在滾動和滑動，滑移速度方向與齒面相切，與接觸線垂直，速度方向在節圓處換向，也就是說節圓處的相對滑移速度為零。

圖7 齒輪的嚙合過程

3.3 齒面劃傷原因分析

由齒面劃傷的描述可知，齒面劃傷是一些細小的細溝狀劃痕。由于剃齒刀的前刀面與后刀面都是光滑的，不會劃傷齒面，因此齒面劃傷的力不是刀具本身產生的。與齒面接觸的物體中除刀具外只有切屑，但是切屑是如何劃傷齒輪的齒面呢？根據剃齒原理可知，剃齒過程中的切削運動方向垂直于刀具齒面梳齒槽，剃齒是一個在滑移運動中產生切削與擠壓的加工過程（見圖8），剃齒切屑被刮下后，被剃刀切削槽的前刀面推向槽內，正常情況下無法劃傷齒面，假設在切削熱的作用下，切屑粘結在刀具上，將有可能劃傷齒面，但由剃齒原理可知，即使有刀具粘屑也不應劃傷齒面，因為后刀面與工件是擠壓的，而且切削過程中前刀刃是整體前移刮削的，不應產生劃傷問題。若以上因素均不考慮，假設粘屑隨前刀刃切削方向移動劃傷齒面，那么劃傷痕跡的方向應該是沿著齒向的方向，但是劃傷痕跡方向與齒向垂線有一定角度。從這個角度講，粘屑不會隨著切削運動劃傷齒面，但是在剃齒過程中除了對剃齒有用的齒向滑移運動外，還有一個齒輪嚙合過程中產生的漸開線切向滑移運動，此運動在切削刃光滑時無任何作用，但是如果切削刃上粘有切屑，將像一把刀一樣劃傷齒面，且劃傷方向應該沿漸開線方向。同時由于與齒向方向的切削運動矢量合成，因此使得此劃傷方向偏離了一定角度，劃傷方向與前文所描述的齒面劃痕方向一致。也就是說齒面劃傷的原因是齒面粘屑劃傷齒面。產生齒面劃傷的剃齒刀如圖9所示，是一把已經磨損嚴重且出現剃齒劃傷的刀具，在其表面可以看到許多粘連在切削刃上的細絲狀切屑，這些切屑冷作硬化后會劃傷齒面。

圖8 剃齒刀切削

圖9 產生齒面劃傷的剃齒刀表面粘屑情況

從以上分析可知，齒面劃傷的原因是粘屑。粘屑的主要影響因素是被剃齒輪的材質與切削熱，也就是影響切削熱的因素將會影響剃齒齒面劃傷情況，影響切削熱的主要因素有以下幾點。

1）刀具前刀刃不鋒利，將會導致擠壓增大、切削熱增加。

2）切削速度，切削熱與切削速度呈正相關關系，速度越快切削熱越多。

3）切削液效果差將無法很好地帶走切削熱，使齒面與刀具溫度上升。

4）刀具排屑槽設計不合理，使切屑不能及時排出，切削液無法到達，冷卻效果差，將導致切削熱不能及時散出。

5）剃齒循環過程中背吃刀量大將導致切削熱增加，背吃刀量主要影響因素有：①剃齒循環過程中徑向進給的選取。②剃齒前的齒坯精度。③被剃齒輪齒形修形量要求。④剃齒前余量均勻性。

根據剃齒劃傷的描述及上述分析可知，劃傷的位置主要在齒輪的齒頂，劃傷的主要原因是切削熱，剃齒過程中齒輪頂部的切削是刀具齒根處完成的，由于刀具齒根處的冷卻效果與排屑效果最差，所以此處切削熱難以散去，產生粘屑，從而劃傷齒面。另外，齒輪粘屑劃傷的主要運動是齒輪嚙合漸開線相對滑移，根據齒輪嚙合相對切向滑移原理，齒輪在嚙合過程中，節圓處的漸開線切向速度為零，此處將不會產生劃傷，而齒頂與齒根處的漸開線切向滑移速度最快（此處速度不是切削速度，不影響切削熱產生），劃傷相對嚴重。

齒頂劃傷嚴重的另一個原因是剃齒過程中齒頂的切削速度最快，產生的切削熱最多，所以齒頂出現劃傷，齒頂切削速度最快的原因分析如下。

盤形剃齒刀工作時, 齒高上各點的切削速度是變化的。一般所說的切削速度是指嚙合節點處的滑動速度（見圖2c）。剃齒刀在嚙合節點的圓周速度ν0可以分解成垂直于刀齒方向的速度ν0n＝ν0cosβ0和沿刀齒方向的速度ν0t＝ν0sinβ0。同理, 齒輪在嚙合節點的圓周速度νw也可分解為νwn＝νwcosβw和νwt＝νwsinβw。由于剃齒刀和齒輪在嚙合節點的法向分速度應相等, 所以ν0n＝νwn，即ν0cosβ0＝νwcosβw。

剃齒刀和齒輪在嚙合節點的齒面滑動速度v為沿齒向分速度的向量差, 此v即為剃齒刀的切削速度，其計算式為

式中，d0是剃齒刀外徑（mm）；n0是剃齒刀轉速（r/min）；Σ是軸交角（°）(Σ=β0±βw, 剃齒刀與工件螺旋方向相同時用“＋”； 相反時用“－”)。

加工斜齒齒輪時, 由于工作臺的縱向進給是沿工件軸向進行的, 所以工件將產生附加轉動。因進給量f很小, 對滑動速度的影響可忽略不計，所以通常v0為131～145m/min，v為35～45m/min。

以上分析的是盤形剃齒刀嚙合節點處的切削速度。由于嚙合時接觸點是變化的, 所以切削刃沿齒高各點的切削速度也不相同, 其變化如圖10所示。

圖10 剃齒刀切削速度的變化

通過分析我們知道，齒頂的切削速度是最快的，產生切削熱也是最多的，加上與齒輪齒頂嚙合的是刀具的齒根，排屑與冷卻效果最差，因此齒頂最容易產生劃傷。

4 試驗驗證理論分析的正確性

4.1 試驗驗證

通過理論分析出可能影響齒面劃傷的因素，逐個將其作為單一變量，其他條件恒定，驗證這些因素是否為劃傷的影響因素，從而得出影響關系。

（1）不同硬度的材料 使用同一臺剃齒機，相同參數，相同剃齒刀，對不同硬度的材料進行剃齒，剃齒效果見表1。由表1可知，材料的硬度對剃齒齒面劃傷有影響，剃齒材料過軟，容易導致粘刀，出現齒面劃傷；材料過硬，刀具容易鈍化，產生切削熱，進而產生劃傷。由于刀具磨損使齒形產生變化較大，因此剃齒齒坯材料硬度要適中。

表1 不同硬度材料剃齒效果

（2）不同鈍化程度的剃齒刀 試驗采用1把已經加工過2000件以上零件的剃齒刀，且已經嚴重用鈍，一把新磨完成的剃齒刀，使用同一臺剃齒機，相同切削參數，剃削相同零件。檢測劃傷情況，發現用鈍的刀具加工的零件出現劃傷情況，而新磨刀具沒有出現劃傷情況。

（3）不同切削參數 采用已經加工了1500件零件的相同剃齒刀，使用不同切削參數進行剃齒，并檢驗其劃傷情況，試驗效果見表2。從表2中可以看出，切削速度與切削過程中的背吃刀量都影響齒面劃傷。

表2 不同切削參數剃齒效果

（4）不同切削液 使用相同的剃齒條件，改變切削液，驗證切削液對齒面劃傷的影響，試驗效果見表3。由表3可知，切削液的冷卻潤滑效果對齒面劃傷影響非常大，油品變質、臟、有氣泡等都將直接影響冷卻潤滑的效果，導致剃齒刀粘屑，并劃傷齒面。

表3 不同切削液剃齒效果

4.2 試驗結論

通過控制單一變量的方法進行試驗，結果顯示每一個變量的變化引起劃傷的變化規律與理論分析完全契合，證明理論分析的正確性，為齒面劃傷的解決奠定了理論與試驗基礎，也為解決齒面劃傷問題提供了依據。同時，我們發現所有影響剃齒切削熱的因素都將影響剃齒齒面的劃傷，剃齒齒面劃傷是多重因素綜合影響導致的結果。

5 解決剃齒齒面劃傷問題

通過以上分析和驗證可知，剃齒齒面劃傷的根本原因是切削熱導致粘屑劃傷齒面，影響切削熱與切屑黏性的因素都影響齒面劃傷，齒面劃傷是多個因素綜合影響的結果，因此要解決齒面劃傷問題，需要從多方面因素考慮。綜上所述，我們需要針對每一個影響因素制定解決措施與標準，主要從以下幾個方面著手。

（1）被剃齒輪材料選擇 剃齒前工件材料要求密度均勻，不含雜質，不應存在局部缺陷或韌性過大，材料硬度要求在170～197HBW。

（2）切削液的選擇與控制 切削液的冷卻效果直接影響齒面質量，切削液的純凈度、抗泡能力、濃度及潤滑性等都將影響其冷卻效果與潤滑效果。因此，要保證切削液不被污染，特別是杜絕混油現象的產生，可以在切削液中增加適當的添加劑，提升切削液的抗泡性與潤滑性。

（3）齒坯切削余量的控制與選擇 齒坯切削余量的選擇原則是在能保證齒面全部剃出的前提下選擇最小的切削余量。切削余量的減小主要受剃齒前齒輪精度與齒部修形要求限制，齒輪齒向精度、齒形精度、周節累積精度三者的綜合尺寸精度相加，再加上齒形與齒向修形公差之和就是理論最小切削余量。模數10以內的齒輪，按一般的經驗推薦，切削余量為0.06～0.10mm，在提高精度不允許的情況下，只能通過降低徑向進給、增加循環次數，以及犧牲剃齒效率的方法進行彌補。

（4）切削參數的選擇 切削參數的選擇將直接影響切削的效率，同時也影響齒面劃傷情況，且兩者是矛盾的，切削速度快可以提升生產效率，但是更容易出現劃傷現象，因此切削參數的選擇需要結合理論推薦與現場試驗綜合給出。

（5）刀具控制 刀具的控制主要有兩個方面：一是用鈍程度控制，刀具用鈍后要及時更換，保證刃口鋒利，否則極易出現劃傷現象；二是控制刀具設計的合理性，主要是刀具容屑槽的設計、刀具平衡點的選取控制以及刀具材質選取等。

（6）剃齒方法的選擇 前面提到切削效率，刀具用鈍壽命與齒面劃傷是矛盾的，經常是因為切削效率過高，刀具用鈍后未及時更換而產生齒面劃傷，因此選取合適剃齒方法解決齒面劃傷問題尤為重要。徑向剃齒是線接觸剃齒，相對軸向剃齒的點接觸剃齒效率有很大的提升，同時由于徑向剃齒的進刀方式不同，剃齒過程中背吃刀量遠小于軸向剃齒，加上徑向剃齒是線接觸切削，刀具壽命得到了大幅度提升，很好地解決了上述矛盾。徑向剃齒不僅解決齒面劃傷問題，還兼顧了刀具壽命與剃齒效率。目前，我公司已全面使用徑向剃齒工藝進行加工。

6 改進效果

我公司采用徑向剃齒工藝，通過選擇合理硬度材料、優化剃齒刀容屑槽、試驗得到合理的切削參數、控制切削液純度定期換油以及使用添加劑等一些列措施后，徹底解決了齒輪剃齒過程中齒面劃傷問題。改進前后齒面對比如圖11所示，且方案已經穩定維持1年以上，完成200萬件以上達標產品，有效保證了剃齒產品的齒面質量。

圖11 改進前后齒面對比

7 結束結

通過分析剃齒齒面劃傷的根本原因，對導致齒面劃傷的眾多影響因素逐一進行變量規律驗證，得出的變量變化規律與理論分析的規律相吻合，進而證明了理論的正確性，為解決齒面劃傷問題奠定了理論與試驗基礎。綜合考慮引起齒面劃傷的眾多因素，制定出合理的解決措施，并付諸實踐，徹底解決了齒面劃傷問題，有效地提升了齒輪的齒面質量，降低了齒輪的嚙合噪聲。