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高效绿色滚切齿轮
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       滚齿作为范成齿轮加工方法的一种,实际生产中运用最广,滚齿过程是连续的,因此生产效率较高。滚刀为什么能加工出齿轮?可以近似地把滚刀的一排刀齿,看作一排齿条(图1),由于滚刀上各齿条上的刀齿,按螺旋排列,互相错开一个小的距离,滚刀转动起来就像齿条在移动,所以能在与它啮合按一定关系旋转的齿胚上,加工出同样模数与齿形角的轮齿。当然,更正确也可以把滚刀看成一个大螺旋角斜齿轮,斜齿轮的法向模数等于被加工齿轮的法向模数,二者按交错轴齿轮啮合原理,在啮合运动过程中把齿轮加工出来。从传动关系来看,滚刀又相当于蜗杆,齿轮相当蜗轮,单头(条)滚刀(蜗杆)转一圈,齿轮(涡轮)转个一个齿,滚刀有几头(条),它转一圈,齿轮就转过几个齿,转速加快几倍。这样,滚刀的切削速度越高,相啮合的齿坯也转的越快。滚刀的头(条)数越多,单位时间,齿轮转过和被切削出的齿数也越多。二者都使生产效率提高。
 

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图1滚齿原理       

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图2滚齿运动

       滚齿运动如图2,滚刀的旋转是主运动,其切线速度就是滚齿的切削速度(米/分)。滚齿有几种辅助进给运动如:①齿坯相应的转动亦称范成运动、分齿运动,圆周进给运动,它转动的快慢与滚刀转速与滚刀头数等有关。②轴向进给运动,即齿坯每转一圈,滚刀沿齿坯轴向进给的距离。③附加旋转运动,滚斜齿时,齿向不是轴向直线而是绕圆柱的螺旋线,所以齿坯除作分齿运动外,还需作附加的旋转运动,这个附加转动和滚刀的沿齿坯轴向进给可合成为被加工斜齿轮要求的螺旋线。下面分别说明一下提高滚齿速度和效率方面的问题与保护环境的绿色滚齿问题。

㈠提高滚齿速度和效率方面的途径;
⑴改进滚刀材料和涂层;

       由上知滚齿主副运动关系密切,主运动的滚刀转速加速,辅助运动特别是圆周进给的分齿运动必须相应加快跟上,整个生产效率就可提高。但速度快刀具的磨损也会加快。为此首先要改进刀具的材料和涂层。材料选用可从一般高速钢,钴高速钢,粉末高速钢,特种高速钢直到整体硬质合金。涂层也由一般的TiN,TiCN,(AlTi)N改进的(ALTI)N到各大公司专利特殊涂层。其中滚刀的涂层品种发展进步更为突出,不但提高滚刀的硬度等机械性能,而且发展到用它,还可以不用冷却润滑液的干式绿色切削。下面分别说明高速钢和硬质合金在涂层方面的进展。

A 高速钢涂层滚刀

       韧性杰出的高速钢至今仍是最常制作滚刀的材料。具有各种涂层的高速钢滚刀广泛地为用户采用。相对没有进行涂层处理的滚刀,涂层滚刀的耐磨性和生产效率提高很多,图3显示无涂层和几种常用涂层模数为m2.5压力角为20º的滚刀,以切削速度100米/分,进给量3.1毫米/转,滚切时加注HS4M切削油,在加工合金钢SCr420H不同数量后,滚刀后刀面的磨损高度VB(毫米)的变化情况。可知(Al,Ti)N涂层超过其他一般涂层取得了良好的效果。
 

\ 加工数量

图3几种常用涂层高速钢滚刀加工铬钢后的比较

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表1 几种涂层性能的比较

表1是几种高速钢涂层滚刀的性能比较。下面分别说明一下各涂层特色。

       ①TiN涂层:这种涂层最早为各公司采用,通常作为标准品供客户选用,它比没有进行过涂层处理的滚刀寿命可提高四倍以上。TiCN涂层性能稍高于TiN涂层,
       ②(Al,Ti)N涂层:这种涂层处理温度高,一般只用于硬质合金等耐高温材料。要把它推广应用到高速钢,温度应作限制不能超过550ºC,因为这是高速钢的回火温度,超过了会使滚刀基体硬度下降,膜层结合力变差。在低温下涂覆的技术难题,经三菱综合材料公司技术人员不懈努力,终于开发成功。并解决了(Al,Ti)N膜在低温下结合强度低的难题,提高了抗氧化性,同时保持了基体硬度和韧性。(Al,Ti)N涂层呈紫色故又称为(VIOLET)涂层;(Al,Ti)N涂层滚刀,它的使用寿命超过TiN和TiCN涂层滚刀,约为TiN涂层滚刀的两倍以上。由于耐热性好,可进行较高速度的切削。
       ③DP(GV50)涂层:这是三菱综合材料公司所开发新的耐热,耐磨还可适高速干式切削的新涂层,由于专用的设计和涂层表面的平滑处理,即使切削速度达到200米/分以上,且具有很长的寿命。
       ④GV40涂层:其硬度比GV50高,但耐热性不及GV50。

       一般滚刀涂敷涂层多次使用磨损后,重磨重涂后性能有所提高但不太大,但经DP和GV40涂层磨损后重涂的滚刀仍具有相当高的综合性能。

       由表1中,从切削速度方面来比较,一般无涂层高速钢滚刀约为;18-35m/min,TiN涂层可达30-80m/min,应用专门涂敷技术的VIOLET (Ai,Ti)N涂层速度可提高到70-140m/min,.这已经是很不错的成绩了,而GV40,DP等涂层,甚至达到200米/分以上的切削速度。超过150多米/分后,杰出的高速钢ALTIN涂层磨损也加剧,但新开发的DP和GV40涂层,磨损仍较小。图4是一项实验结果;这是用模数m=1.75。压力角PA=17.5º的滚刀加工合金钢SCr420H在切削速度VC=200米/分,完全不用冷却润滑液,仅以喷压缩空气的干切削方式所得到的。可见加工50个以后,新开发的涂层后刀面仅磨损0.07左右,仍可继续加工。

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图4新涂层在高速滚齿条件下的效果

       另外一家三菱重工业公司开发了Super DryII,III型新可高速干式滚切的涂层,也取得良好的效果,为此并同时研制出专门的干切滚齿机GE15A。

B  硬质合金涂层滚刀

       过去硬质合金整体滚刀虽坚硬但由于韧性较差,加工成本高,价贵用得不多。近来随着硬质合金微粒化等制作技术的不断发展,使其韧性大为提高。又由于在烧结时对收缩的控制技术和磨削技术的改进,已能制造出了高精度硬质合金滚刀。而且可以做到和高速钢滚刀一样的小直径、多槽、多头。硬质合金滚刀涂层可有TiN和(Al,Ti)N等,它的基体坚硬如再适配了性能优异的以MIRACLE技术的涂敷的(Al,Ti)N涂层,加工合金钢实现了300m/min以上的超高速高效滚齿,耐磨性也远超一般的TiN涂层。

⑵增加滚刀的头(条)数

       提高切削速度提高生产效率,除了上述的改进滚刀的材料和涂层外,还可以从滚刀设计的多头化方面来进行。上面已经讲到过,单头滚刀转一圈,齿轮转过一齿。滚刀有几个头它转一圈,齿坯就转过几个齿。头数越多,分齿的圆周进给运动越快,加工效率就越高。但速度加快,滚刀每一个刀齿的负荷就会加重,为此常有必要使切削速度和进给量降低一些,单纯认为采用几头滚刀,效率就要增加几倍是不可能的。
另外滚刀多头化了,如图5可见参与精加工齿轮各齿的齿数减少了。齿形上的多角误差变大(齿形多角误差与头数的平方成正比)。另外,多头不但切削负荷增大,滚齿机自身刚性差时,齿向弯曲度误差也易产生。

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图5多头(条)滚刀的展成状态

多头滚刀切削时,切屑形状厚而短,切屑与前刀面的接触位置远离切削刃,故抑制了切刃的后退和损坏,后刀面的磨损得以减少,寿命得以提高。在一定条件下必须保证具有长寿命时,是可取的。一般情况下采用多头滚刀时,应该使用能耐高负荷,高刚性的滚齿机。

㈡不用冷却润滑液绿色滚齿方面

       保护环境这一问题日益为各国重视,金属切削加工业由于刀具对金属切除时,产生高热,特别为提高生产效率,提高切削速度时产生的热量更高,为减少因高温使刀具急剧磨损,保证加工质量,加工中要求使用大量冷却润滑液,这一方面消耗大量资源,另一方面排出大量废液,又会污染环境。近年来,减少或不使用冷却润滑液的绿色加工越来越受到大家重视,也在各方面得到了发展。分析切削热产生主要来自;⑴切除切屑过程中,在被加工材料剪切区域弹塑性变形。⑵切屑流过前刀面时的摩擦。⑶刃口部分对材料的切断分离和后刀面对已加工表面的摩擦。因此为了少用不用冷却润滑液,宜;

       ⑴合理设计刀具的几何形状,在保证一定强度条件下,使刀具锋利,尽量减少需使材料变形切离所需消耗的功,并由之生成的热量。合理形状还可使切屑切离后,迅速离开刀具排出,减少将其热量导入刀具。
       ⑵对涂层或刀具外表面加敷特殊涂层或作特殊处理以降低其对被加工材料的摩擦系数,从而减少因摩擦生成的热量。
       ⑶选用坚硬耐磨耐热难以导热的涂层,减少热量传入刀体保持刀具良好状态。

       少用不用冷却润滑液的干式切削,即刀具和工件间处于空气中,或以压缩空气吹拂的环境中。但通常切削温度可达数百度,这会引起切屑和金属的氧化,氧化是一种放热反应更会使刀具的切削部分温度上升,所以还必须研究开发出抗氧化温度高的涂层。由表1可知新开发的两种涂层抗氧化温度达到了1000ºC以上,涂层硬度达到HV3300,故知即使在切削速度,进给速度都很高,还能抵抗承受,保持良好的耐磨性。即可不用冷却润滑液,省下占生产成本不少及保护环境的费用实现了绿色切削。值得注意的是这是高速钢滚刀加特殊涂层实现的,虽然它不及硬质合金能适应更高速度的干式切削,但毕竟还是做到了。硬质合金比高速钢滚刀贵许多,采用熔炼高速钢又比粉末高速钢便宜。三菱综合材料公司采用特制开发的熔炼高速钢,涂上自己开发的新涂层,又好又省地实现了高效绿色新的滚齿。
 

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