刮削滾齒精加工工藝特性與試運用研究

成 鋼，舒 兵，劉子聰，袁劍平，野妙玲，田 凱，蔣琪琳

(江麓機電集團有限公司，湖南 湘潭 411100)

硬齒面齒輪主要應用于車輛、船舶、工程機械、航空等領域的動力輸出變速裝置中。對于淬火后的硬齒面齒輪的精加工，一般都采用磨齒、珩齒和剃齒進行修形工藝方法，以消除淬火(熱處理)造成的變形，這是高精度硬齒面齒輪制造必不可少的關鍵工序，這不僅能提升齒輪的綜合精度和嚙合狀態，還能提高齒輪的實際使用壽命，但是這種方法效率較低。

1 硬齒面齒輪精加工主要方法

現滲氮或滲碳淬火后的硬齒面齒輪一般工藝流程為：鍛造→正火→粗車→開齒→滲碳淬火→修磨基準→磨齒和剃齒修形。這種方式效率較低，雖磨齒精度較高(可達到3級)，但設備的價格較高，一般企業很少使用。同時磨齒存在散熱較差的問題，易造成齒面局部“燒傷”而形成缺陷；而剃齒效率較低，提高切削速度雖會提升剃齒精度和加工效率，但刀具易磨損降低壽命(刀具制造成本較高)，甚至還會引起機床頂尖的燒損等。

滾齒加工是連續展成運動切削的制齒方法，所以其生產效率(是各種機械加工制齒效率最高和最廣的制齒設備)、漸開線齒形精度較高且穩定。由于滾齒機床的設計剛度較高，一般用于去除齒形大余量加工(開齒)，未精加工減少加工余量，適合提高進刀量達到提高效率的目的(鋼件粗滾2～3.5 mm/r、精滾0.8～1.2 mm/r)。一般滾齒機床的滾齒加工精度為標準GB/T 10095.1—2008和GB/T 10095.2—2008的7～8級，高速鋼滾刀滾齒切削速度為100～200 m/min，被加工齒面硬度為300～400 HBW。隨著國內精密、高精密滾齒機床的運用，高效率、高精度滾齒的運用工藝研究逐步替代部分磨齒和剃齒工序，如重慶機床廠的YMA3150、YMA3150、YGA31125等精密、高精密滾齒機床的推廣應用。

2 刮削滾齒加工特性

刮削滾齒加工是一種針對小中模數的硬齒面精加工的滾切方法，其前角采用零度或較小的負前角，其切削原理是通過微量的擠壓切削對變形后的齒形進行修整達到提高精度的目的，同時通過微量切削后的刀具刃部擠壓，可達到細化齒表面晶粒、提高齒面強度、使齒表產生壓應力降低裂紋產生和提高齒面耐磨性等作用。其加工效率比錐面砂輪磨齒機高5～6倍，具備磨齒和剃齒不可替代的明顯優勢。

刮削滾齒技術主要適用于半精加工或精加工的齒輪，其加工速度較低，被加工齒輪齒面的硬度可達45～64 HRC。而采用高速鋼滾齒，切削速度較低且特易磨損，磨損后換刀困難(重新對刀困難)，極易造成齒坯報廢，所以刮削滾齒的刀具高硬度、高耐磨性是重要特性指標。

從設備而言，一般普通滾齒機床的加工精度為7～8級，而精密、高精密滾齒機床的滾齒精度可達5～6級，所以通過刮削滾齒所選設備一般為精密、高精密滾齒機床。對應刮削滾刀的精度選取一般為A級、AA級和AAA級。A級為一般精加工(7級)或高精度齒輪的半精加工，AA級為高精度齒輪的精加工(5～6級)，齒面粗糙度為Ra(0.63～1.25)μm。刀具的精度越高產品齒形精度高，而設備精度高則產品的周節誤差、齒向誤差、基節偏差會很低。

3 刮削滾齒的工藝優化研究

3.1 刮削滾齒的適用范圍和加工刀具的特性

齒輪材料分為滲氮齒輪合金鋼(如18CrNiWA)、滲碳齒輪合金鋼(如20Cr2Ni4)、常用調質和淬火齒輪鋼(如40Cr)、鑄鐵等。由于鑄鐵和其他材料較難形成齒面硬化，一般只對前3種材質齒輪淬硬后采用刮削滾齒。

刮削滾齒的刀具除了具備硬度和耐磨性要求較高外，刀齒形狀也有特殊要求。刮削滾齒的頂刃具有很大的負前角，對切削過程很不利，為防止頂刃產生顯著的磨損和刃崩而盡量取“小”[1]。

淬火后應只刮削齒面有效段的漸開線而不加工齒根底[2]，所以對熱處理前的刮前滾齒，應按不同齒輪參數設計帶預挖根的專用刮前滾刀。同時為減輕淬火后齒輪齒根應力集中問題，刮前滾刀的齒頂可設計成圓頭形，使得切出的齒槽略深于齒輪標準齒高，且槽底兩側有適量的圓滑過渡的沉割。

刮前滾齒的留余量原則上應根據齒輪的模數、齒數、材料和熱處理變形的大小來確定，但不能一概而論，因為每個企業的設備能力、控制變形手段等不同，制定余量時應以經驗和標準余量作參考，經過驗證后再確定固化工藝參數。

3.2 刮削滾齒加工刀具材料優化

現刮削滾齒刀具一般采用整體高速鋼對其前角進行修磨成零度或較小的負前角，但其材質耐磨性較低，較難長時間使用，主要適用于調質或較低硬度(32～40 HRC)齒輪的滾刮。通過對同一材質相同齒面硬度(45 HRC)小批量的鋼件齒輪進行試用，分別采用整體硬質合金滾刀、整體硬質合金涂層滾刀、鑲片齒輪滾刀、整體高速鋼滾刀等4種AA精度滾刀進行刮削滾齒加工比較，其對比項和數據見表1。

表1 4種滾刀刮削滾齒加工對比表

通過對比，整體硬質合金滾刀的性價比最高(齒面硬度為45～64 HRC)，使用硬質合金半精滾或刮削精滾淬火后的硬齒面齒輪，可減少磨齒余量甚至部分代替磨齒，如大批量生產，采用整體硬質合金滾刀的總費用遠低于磨齒。如中批量或小批量生產，可采用鑲嵌式刮削滾刀更經濟。

3.3 刮削滾齒加工刀具的結構特點

刮削滾齒刀具與普通滾齒刀具的區別(見圖1)如下：普通滾齒刀具為正前角，而刮削滾齒刀具前角采用零度或較小的負前角，并有磨鈍“寬帶刃”Δ。經過對比驗證，半精滾加工的磨鈍標準可采用0.2～0.3 mm，精滾加工的磨鈍標準可采用0.1～0.2 mm。硬質合金滾刀一般采用刃磨機(鏟齒車床)使用金剛砂輪進行刃磨[3]。

滾刀刃磨后，刮削滾刀的頂刃一般具有很大的負前角，切削過程非常不利，同時會產生振動。硬質合金刮削滾刀會產生磨損和崩刃，應對刃口進行強化處理，常用的刃口強化方法有如下2種。

1)用細粒度碳化硅油石沿刀齒側刃輕微而均勻地研磨1～2次，即可形成0.01～0.03 mm的倒棱，研磨后刃口應具有一定的鈍圓形狀。

2)用金剛石油石沿刀齒側刃研磨1～2次，可獲得比較平直的刃口。硬質合金滾刀應在高剛度的滾刀刃磨機床上利用金剛石砂輪進行刃磨。

一般刮削滾刀的頂刃寬度取1.15 mm，以便使刮削滾刀只加工齒廓而加工不到齒頂位置，刮削前一般采用帶凸角的滾刀滾齒。

3.4 刮削滾齒加工的設備選取

刮削滾齒主要是針對硬齒面(45～64 HRC)的加工，滾刀刀齒所承受的沖擊力較大，易產生較大的振動而影響齒形精度和齒面粗糙度，同時刮削滾齒是齒輪精度最后成形的保障，機床的精度會影響齒輪的周節累積誤差、節圓跳動、公法線檢測變化量等參數。所以刮削滾齒的設備選取應保證如下幾項基本要求。

1)機床整體剛度高。在刮削滾切中硬齒面齒輪時，滾刀刀齒所承受的沖擊力較大，要求機床具有足夠的抗振能力和吸振能力。

2)機床傳動鏈的間隙要小。傳動鏈的間隙過大就會造成各關聯運動誤差加大，影響齒輪精加工的精度等級，一般工作臺的分度蝸輪副間隙應控制在0.015～0.025 mm。

3)機床采用滾珠絲杠。軸向進給系統最好采用滾珠絲杠，其間隙應調整到最小。

4)機床應在恒溫間使用。刮削滾齒所使用設備為精密、高精密滾齒機，各傳動鏈間隙應調整到最小，如果溫度過高或過低，金屬受熱脹冷縮的影響會造成精密、高精密設備的損害。同時，對高精度齒輪加工的尺寸控制有益。

3.5 刮削滾齒加工的切削液選取

滾齒時，為提高滾刀耐用度和冷卻效果，降低齒面的表面粗糙度，應向切削區直接澆注切削液，其流量為8～10 L/min。而刮削滾齒的刀具進行了前角的修鈍，其后刀面刃與產品接觸表面是擠壓作用，金屬間具有親合作用，易造成粘結拉傷齒面降低表面粗糙度。所以應采用油脂切削液，切削過程中在刀具與產品表面形成油膜，隔離金屬間的直接接觸，避免造成粘結拉傷齒面降低表面粗糙度。實踐證明效果明顯。刮削滾齒切削液的選用見表2。

表2 刮削滾齒切削液選用表

4 結語

硬齒面刮削是使用硬質合金滾刀來對硬齒面齒輪進行精加工和齒輪磨前半精加工的工藝技術，齒面硬度為45～64 HRC，加工精度可達5～7級，齒輪表面粗糙度為Ra(0.63～1.25)μm，可部分替代磨齒和剃齒進行修形，以消除淬火(熱處理)造成的變形。加工效率比錐面砂輪磨齒機高5～6倍，而其生產費用遠低于磨齒，同時刀具擠壓可細化齒面晶粒和硬化表層。通過小批次試應用，驗證其具備磨齒和剃齒不可替代的優勢。研究與應用該技術對企業降低成本、提高生產效率有著積極的意義。