可轉位鑲片滾刀滾齒加工精度影響分析和優化

姜榮飛，王明鏡，樊凡，王偉，王鵬軍

（南京高速齒輪制造有限公司，南京 211100）

0 引言

可轉位鑲片滾刀目前在大模數齒輪批量生產中應用越來越廣泛，作為一種新型的高速重載切削刀具，可轉位鑲片滾刀在生產效率和加工經濟性方面具有顯著優勢[1]。在效率上，由于其切削材料采用高硬度、高耐磨性、高耐熱性的硬質合金刀片，滾刀的轉速能夠達到100 m/min以上，相比普通高速鋼或者粉末冶金高速鋼材質的整體滾刀，在加工效率上得到了大幅提升。在成本上，雖然可轉位鑲片滾刀單次投入高，但在批量生產中單位時間的高產出不但提高了機床的利用率而且增大了設備的產能，同時由于刀片的可換性，相比于整體滾刀磨損后需要更換刀具、重新刃磨和涂層，可轉位鑲片滾刀可在工位上直接更換刀片，大幅減少了加工輔助時間和刀具庫存。呂海波[2]等在研究可轉位鑲片滾刀在推土機淬硬齒輪加工中的應用時得出：采用可轉位鑲片滾刀加工推土機齒輪后不但精度滿足要求，而且在效率上比普通硬質合金刮削滾刀提升了近45%，單件成本節約了近20%。在人機環境上，可轉位鑲片滾刀適合干切加工，切削過程中可使用風冷或者微量潤滑代替油冷，不僅降低了冷卻油使用成本，同時改善了工作人員的工作環境，減小了環境污染[3]。

可轉位鑲片滾刀早期都是從國外進口，近幾年國內的研究和制造也正快速發展，湘潭大學的何超[4]針對加工風電齒輪箱中大模數硬齒齒輪的可轉位鑲片滾刀，利用Pro/E二次開發工具結合VS2005編程環境對可轉位鑲片滾刀進行了參數化設計，并通過有限元軟件對滾刀進行了模態分析。哈爾濱工業大學的李名揚[5]運用UG對可轉位鑲片滾刀的刀體和刀片進行了建模，并使用UG加工模塊從加工工藝的角度對刀片槽和刀體的容屑槽進行了數控加工仿真，同時通過有限元仿真軟件對鑲片滾刀的刀體和刀片進行了力學分析。在可轉位硬質合金刀片壽命研究上，周汝忠[6]研究了對BK8和T15K6可轉位硬質合金刀片進行鉻化物表面擴散強化處理，刀片壽命提高了0.5～1.0倍。可轉位鑲片滾刀由于其齒形是通過刀片搭接而成，刀具齒形精度不如普通整體刀具，在重載和高速切削過程中齒形精度容易超差，目前國內尚未有從加工角度對鑲片滾刀加工精度進行研究和分析，本文從設計和實際應用的角度分析了刀片搭接誤差、刀片安裝誤差及刀片磨損對齒輪加工的影響，同時采用DOE試驗設計方法分析了加工參數與零件齒形精度的相關性，并結合實際生產需求優化加工參數，提升鑲片滾刀加工后的齒形精度。

1 刀片搭接誤差對加工精度影響

可轉位鑲片滾刀的齒形是由刀片在空間上搭接而成，大模數鑲片滾刀通常是由頂刃和側刃刀片搭接而成（如圖1），刀片搭接處因刀體設計和刀片的制造誤差會存在一定的搭接誤差，使用后零件齒面會出現異常臺階或者棱線，圖2所示齒形計量報告中，由于刀片搭接誤差過大，齒形出現了異常波動的情況，當誤差過大時，會造成齒形輪廓偏差ffα和齒形總偏差Fα超出精度要求，刀具將無法繼續使用。因此，在刀具設計階段需嚴格控制搭接誤差，在制造后需在刀體上安裝刀片后進行精度檢驗，根據檢驗結果對刀片定位槽進行調整。

圖1 可轉位鑲片滾刀刀片搭接示意圖

圖2 刀片搭接誤差造成齒形精度異常計量報告

2 刀片安裝誤差對加工精度影響

可轉位鑲片滾刀的刀片通過刀體上定位槽和螺釘固定在刀體上，刀片中間加工有固定螺孔（如圖3），該螺孔具有一定斜度，一方面可以充分利用刀體空間且方便螺釘的安裝，另一方面螺釘在安裝過程中與刀片斜孔在水平方向上存在作用力，使得刀片緊貼定位槽，保證定位精度。刀片的安裝誤差除了刀片本身以及定位槽的制造誤差外，主要由螺釘的壓緊力引起，當螺釘的壓緊力過大時，刀片會在螺釘擠壓下出現斷裂情況（如圖4），當螺釘壓緊力過小時，刀片將安裝不到位造成齒形誤差大，同時由于鑲片滾刀高速重載切削，壓緊力不足時刀片易產生松動并掉落，造成刀體和零件損壞，所以在安裝刀片時應嚴格遵循廠家建議的轉矩值來擰緊螺釘。在更換刀片時，需及時清理定位槽，殘留的鐵屑或污漬都有可能造成齒形精度超差。

圖3 刀片斜螺孔圖

圖4 刀片在螺釘過度擠壓下斷裂圖

3 刀片磨損對加工精度影響

可轉位鑲片滾刀刀片在使用過程中表面涂層會逐漸磨損，由于熱量的積累，刀片刃口部分的材料會逐漸脫碳和軟化，此時刀片刃口會發白發亮，露出刀片基體材料以及刃口出現脫碳區（如圖5），隨著磨損的持續增加，刀片刃口切削性能下降，加工出的零件齒面質量變差，進一步磨損后，刀片會出現劈齒或崩刃的情況（如圖6），此時零件齒形會出現偏差，嚴重時齒面沿齒向方向出現棱線，無法滿足滾齒要求。因此，當刀片后刀面出現一定范圍的脫碳以及刃口發白且刃口形狀不規則時應及時更換刀片，避免刀片出現劈齒或者崩刃的情況。

圖5 刀片切削刃脫碳圖

圖6 刀片劈齒或崩刃圖

4 加工參數對齒形精度影響分析和優化

4.1 研究背景和目的

目前可轉位鑲片滾刀制造精度多為B級，適用于加工ISO標準8～9級的齒輪，一般滾齒加工精度要求為ISO 9級，但在實際使用中經常出現齒形精度超過9級情況，圖7為模數為14 mm的可轉位鑲片滾刀加工同一種行星輪齒形精度超過9級的P控制圖，可以看出在12個月以內齒形精度超過9級的比例為53%，齒形精度超差會造成磨齒余量不均勻，增加磨齒精度超差風險，因此降低滾齒齒形精度不合格率具有重要意義。

圖7 模數14行星輪齒形精度超過9級的P控制圖

在大模數齒輪滾齒加工中，考慮到加工載荷、機床剛度及刀具磨損，一般采用高軸向進給速度和多次走刀或單次走刀、低軸向進給速度的加工方式來平衡加工效率和加工質量。在現有的理論研究中得知，軸向進給速度是否與加工后的齒形精度相關尚未有研究，但軸向進給大小與齒向波紋度相關，相關性方程為

式中：δx為進給切痕深度；fa為軸向進給速度；β0為螺旋角；αn為齒形角；da0為滾刀齒頂圓直徑。

可轉位鑲片滾刀自身存在一定螺旋升角，在加工過程中滾刀相對齒輪的螺旋角會偏轉一定角度，這使得兩側側刃刀片前角不相等，這將造成兩側切削刃的切削工況不相同。在普通滾刀加工時由于切削力較小，兩側切削工況不同造成的齒形精度影響較小，但對于可轉位鑲片滾刀的重載切削條件下，該影響不容忽視，具有一定的研究意義。

DOE試驗設計起源于歐洲，最早用來研究農作物產量最大化的問題，并取得良好的效果，DOE通過設計正交表對試驗進行合理安排，并分析試驗所得數據，以較少的試驗次數和成本分析生產過程中各因素之間的相互作用，以此來獲取最優參數組合實現效益最大化[7-9]。為分析滾刀軸向進給速度、滾刀偏轉角及走刀次數對齒輪齒形精度的影響，采用DOE試驗設計方法對這些參數進行分析并優化。

4.2 研究對象和基本參數

研究對象為與前述統計相同的模數為14 mm的行星輪，其基本參數和對應可轉位鑲片滾刀參數如表1和表2所示。

表1 行星輪基本參數

表2 可轉位鑲片滾刀基本參數

4.3 試驗方案設計

試驗采用3因子2水平4中心點復合設計，表3為各關鍵參數的現狀、理論分析和參數優化范圍，其中螺旋角補償為在機床輸入滾刀螺旋角時人為補償刀具螺旋角值，目的是為了改變滾齒時滾刀的偏轉角，刀具本身螺旋角保持不變。

表3 關鍵影響參數分析

4.4 試驗結果分析

按照試驗設計方案的參數加工后，對每一件行星輪進行齒形精度計量，根據測量的齒形斜率偏差fHα、齒廓形狀偏差ffα和齒廓總偏差Fα數據中每項的最大值（fHα、ffα、Fα最大值直接決定精度等級），采用Minitab軟件進行齒形精度擬合回歸和相關性分析，圖8所示為行星輪齒形精度的Pareto圖。

根據圖8可以得出，加工的行星輪齒形斜率偏差fHα與軸向進給速度和滾刀螺旋角相關性高；齒廓形狀偏差ffα與軸向進給速度、滾刀螺旋角、走刀次數，以及它們的交互作用相關性高；齒廓總偏差Fα與軸向進給速度、螺旋角和走刀次數的交互作用相關性高。

圖8 行星輪齒形精度Pareto圖

由于齒形精度數值越小表示精度越高，使用Minitab中的響應優化器功能，對行星輪齒面齒形精度的fHα、ffα和Fα進行望小優化模型，同時為保證加工效率，走刀次數限定為1次，圖9為優化模型結果，當軸向進給速度選用低水平、刀具螺旋角補償采用高水平時得到最優解且齒形精度能夠保證在9級以內。

圖9 加工參數-齒形精度響應優化圖

4.5 加工驗證

為驗證優化模型的準確性，采用低進給速度1 mm/r、螺旋角補償1°即滾刀螺旋角輸入值為4.651°、走刀次數為1次的加工參數進行12次加工試驗驗證，驗證結果如圖10所示。

圖10 驗證加工齒形精度過程能力分析

根據圖10的過程能力分析結果可知：對比ISO 9級齒形精度要求，參數優化后的fHα預測不合格率小于9%，ffα預測不合格率小于17.8%，Fα預測不合格率小于2.5%，12件行星輪加工后整體齒形精度超過9級為25%，相比于參數優化前53%的不合格率有明顯提升，這也說明通過優化參數對可轉位鑲片滾刀加工的齒形精度具有一定的提升作用。

5 結語

隨著可轉位鑲片滾刀在批量滾齒加工中的廣泛應用，其加工精度的穩定性也越來越受到重視，本文從設計的角度分析了刀片搭接存在較大誤差時，加工出的齒輪在齒面會出現異常臺階或者棱線的情況，可轉位鑲片滾刀在批量使用前需嚴格進行檢測或驗證；從實際應用的角度分析了刀片安裝誤差和刀片磨損對零件精度的影響：刀片采用螺釘安裝時應嚴格遵守設計轉矩值，轉矩值過大時易造成刀片斷裂，轉矩值過小時易造成加工過程中刀片松動從而導致齒形超差。刀片磨損過大時，繼續使用后易造成刀片崩刃或劈齒，加工后的零件會出現齒形超差或齒面沿齒向方向存在棱線，每件零件加工后應檢查刀片磨損情況并及時更換新的刃口。

使用DOE試驗設計方法，分析了可轉位鑲片滾刀軸向進給速度、刀具螺旋角補償及走刀次數與零件齒形精度的相關性，并在保證加工效率的前提下，優化滾刀軸向進給速度和滾刀螺旋角，通過加工驗證的方式得出了減小滾刀軸向進給速度和增大滾刀螺旋角補償值對加工出的零件齒形精度具有一定的提升作用。