陶瓷刀具近年來(lái)在需要超高精度的加工領(lǐng)域中，贏得了日益廣泛的應(yīng)用。與其他技術(shù)相比，它們不僅在精確度方面，在經(jīng)濟(jì)性方面也展現(xiàn)出越來(lái)越大的優(yōu)勢(shì)，比如在齒輪生產(chǎn)加工技術(shù)上的應(yīng)用。

　　如果不計(jì)較加工時(shí)間的長(zhǎng)短，人們可以按照任意高的精度進(jìn)行加工。但是，俗話(huà)說(shuō)“時(shí)間就是金錢(qián)”，如今這一點(diǎn)比以往任何時(shí)候都更重要更有意義。大批量生產(chǎn)加工通常要面對(duì)許多挑戰(zhàn)，比如要同時(shí)滿(mǎn)足精確、快速和成本低廉的要求。機(jī)動(dòng)車(chē)變速器就是一個(gè)很好的例子，因?yàn)樗鼘?duì)于功率重量比、噪聲和有效作用系數(shù)都有著極高的要求。然而，所需的精度不能過(guò)分加重生產(chǎn)成本的負(fù)擔(dān)，這正是機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)中的一大挑戰(zhàn)。位于科堡的磨齒和成形磨削技術(shù)的專(zhuān)業(yè)生產(chǎn)商卡普奈爾斯集團(tuán)，為此向客戶(hù)提供全面多樣化的解決方案。

　　陶瓷代替電鍍?

　　在齒輪加工領(lǐng)域，傳統(tǒng)的磨削刀具常常是通過(guò)電鍍方法生產(chǎn)的。使用這種方法，在一個(gè)經(jīng)過(guò)高精度打磨、淬火加工過(guò)的基體上鍍上一層CBN-立方氮化硼砂晶?；蚪饎偸Я?。CBN在硬度上僅次于金剛石，是已知材料中第二硬的。陶瓷的研磨體則是由一個(gè)均勻的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成。這就簡(jiǎn)化了生產(chǎn)過(guò)程，從而降低了生產(chǎn)成本。與電鍍生產(chǎn)的刀具不同，陶瓷刀具可以被修整，最終用戶(hù)可以對(duì)其進(jìn)行成形和磨銳加工。多年來(lái)卡普奈爾斯致力于可修整的，也就是結(jié)合陶瓷工藝的刀具，以及為之配備的高精度金剛石修整刀具的開(kāi)發(fā)，客戶(hù)群持續(xù)增長(zhǎng)日益龐大。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)十分顯著。使用無(wú)需修整的電鍍CBN-刀具進(jìn)行展成磨削，根據(jù)工件的幾何形狀和要求，加工5000-20000個(gè)工件之后必須送回生產(chǎn)廠(chǎng)家進(jìn)行重鍍。而采用陶瓷刀具的話(huà)，取決于工件，在加工20-100 個(gè)工件之后就必須進(jìn)行修整了。但是磨削刀具不需要送回生產(chǎn)廠(chǎng)家，使用適合的金剛石修整刀具在機(jī)床內(nèi)部即可完成修整(圖1)。

　　這等于一次面對(duì)兩個(gè)挑戰(zhàn)：機(jī)床變得更加復(fù)雜，生產(chǎn)過(guò)程也總會(huì)由于修整工序而一再被中斷。盡管如此，這種加工方法依然很有價(jià)值。雖然與無(wú)需修整的刀具相比，可修整的陶瓷刀具磨損得更快，但是可以利用為之配備的金剛石修整刀具對(duì)其反復(fù)進(jìn)行重新磨銳。修整刀具視應(yīng)用情況而定，可以完成數(shù)百次的修整磨銳任務(wù)。這種工藝還有另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，盡管磨損高，卻能保持穩(wěn)定的高質(zhì)量。這是一個(gè)悖論嗎?在卡普奈爾斯集團(tuán)從事加工工藝開(kāi)發(fā)和刀具產(chǎn)品管理的碩士工程師烏爾里希羽博解開(kāi)了這個(gè)謎團(tuán)：“無(wú)需修整的刀具在使用過(guò)程中會(huì)逐漸產(chǎn)生齒廓形狀偏差，刀具的切削能力也將逐步變下降。人們想要越高加工精度，就必須越早更換刀具。在可修整的磨削加工中，陶瓷磨削刀具的齒廓可以用金剛石修整刀具反復(fù)進(jìn)行重塑成形，從而使得陶瓷刀具能夠一直被重新磨銳。與此同時(shí)，傳感器監(jiān)控修整過(guò)程。因此可以保證在修整刀具的整個(gè)使用壽命中，磨削加工的工件有著非常穩(wěn)定的質(zhì)量。”

　　另外，時(shí)間因素也值得進(jìn)一步關(guān)注。對(duì)于大部分工件來(lái)說(shuō)，人們?cè)谑褂锰沾傻毒叩臅r(shí)候，可以采用較快的進(jìn)給速度和較大的進(jìn)給量，這樣就彌補(bǔ)了一部分用于修整的輔助時(shí)間。盡管如此，用于修整的輔助時(shí)間依然無(wú)法忽略。然而，修整時(shí)間是可以盡量縮短的。在這方面，卡普奈爾斯根據(jù)不同的磨削工藝研發(fā)出了一系列金剛石修整刀具，這些刀具當(dāng)然也可以在其他品牌的機(jī)床上投入使用。

　　它們可劃分為成形修整滾輪、靈活成形修整滾輪和修整齒輪。

　　修整磨削蝸桿

　　使用磨削蝸桿進(jìn)行傳統(tǒng)的展成磨削加工，可以連續(xù)加工帶有自然扭曲的工件，從而在緊迫的規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成大批量生產(chǎn)。

　　但是，展成磨削也可以用于加工帶有針對(duì)性扭曲設(shè)計(jì)的工件。這就是人們所說(shuō)的拓?fù)湔钩赡ハ?。不管刀具的齒形多復(fù)雜，在任何情況下都應(yīng)該盡可能的保持較短的修整時(shí)間。圖2展示了各種產(chǎn)品類(lèi)型。

　　尤其值得一提的是家族中的最新、也是最快的成員：多槽全齒廓修整滾輪，它是修整工具家族中的“短跑健將”。與慣用的金剛石成形修整滾輪相比，根據(jù)槽數(shù)的不同，最多可縮短三分之二的修整時(shí)間。這種刀具是針對(duì)工件特定的，也就是說(shuō)是專(zhuān)門(mén)為定義了尺寸規(guī)格的工件而設(shè)計(jì)的。滾輪的涂層采用逆向電鍍工藝制造。另外一種省時(shí)的刀具，是帶有一體化齒頂修整器的金剛石修整滾輪，可以同時(shí)修整陶瓷蝸桿砂輪的工件齒面齒廓和齒頂形狀。假如可以放棄單獨(dú)修整磨削刀具外徑的靈活性，這就節(jié)省了一道工序。圖像說(shuō)明了選擇適用的刀具，將會(huì)對(duì)靈活性的變化產(chǎn)生怎樣的影響。拓?fù)湫拚峁┳罡叩淖杂啥?，采用拓?fù)湫拚拚毒吆吞沾傻毒咧g近乎于點(diǎn)狀接觸，因此可以將其塑造成任何想要得到的形狀。此類(lèi)刀具最典型的應(yīng)用就是樣品制造。

　　修整滾輪的品質(zhì)特征

　　卡普的修整滾輪既可以使用人工合成的金剛石也可以使用天然的金剛石進(jìn)行制作。齒頂圓角半徑較小的修整滾輪，通過(guò)一種可持續(xù)使用的高耐磨的CVD-金剛石片強(qiáng)化滾輪邊緣。齒廓精度可達(dá)2μm，模數(shù)可小于1.0毫米。借助于展成磨削模擬軟件，可以計(jì)算刀具幾何并確保數(shù)據(jù)無(wú)誤。這樣以來(lái)，磨齒加工中的典型參數(shù)，如齒廓修形、齒根形狀以及扭曲量，都可以得到精確調(diào)整。修整滾輪可根據(jù)磨損情況，進(jìn)行重新磨削或完全重鍍。

　　修整磨削砂輪

　　磨削砂輪的修整，需要采用所謂的金剛石靈活成形修整滾輪(圖3)。

　　這種刀具的幾何形狀基本上由一個(gè)高精度的半徑組成，而不像展成磨削加工中的修整滾輪有復(fù)雜的層次。相應(yīng)的，此類(lèi)刀具的選擇范圍也比較小。主要可劃分為兩種類(lèi)型：?jiǎn)伟霃叫拚喓碗p半徑修整輪(圖4)。

　　后者由于穩(wěn)定性高的原因，被應(yīng)用于高精度的成形磨削加工。這就抵消了修整刀具在與待修整的磨削砂輪接觸時(shí)產(chǎn)生變形的風(fēng)險(xiǎn)，特別是在半徑很小的情況下。金剛石靈活成形修整滾輪的半徑范圍是0.1至3毫米，適用于外徑范圍80-230毫米的刀具。

　　金剛石靈活成形修整滾輪的品質(zhì)特征

　　和其他修整滾輪一樣，使用金剛石靈活成形修整滾輪進(jìn)行修整的齒廓，也能實(shí)現(xiàn)2μm的精度(圖5a 5b)。

　　用兩種不同類(lèi)型的切削鍍層來(lái)進(jìn)行區(qū)別劃分。其中一種采用嵌入CVD(化學(xué)氣相沉積)的處理方法強(qiáng)化齒廓。視磨損情況而定，CVD可在保證齒廓質(zhì)量不變的情況下，進(jìn)行五至六次重新磨削。

　　另一種代替嵌入CVD的方法是播撒天然金剛石顆粒。然而，播撒金剛石顆粒的靈活成形修整滾輪只能在個(gè)別情況下進(jìn)行重新磨削。

　　修整珩磨環(huán)

　　為了完善產(chǎn)品系列，卡普奈爾斯也針對(duì)珩磨成齒提供金剛石修整齒輪。由于加工工藝限制的原因，修整齒輪使用人工合成的金剛石進(jìn)行鍍層。根據(jù)應(yīng)用情況的不同，齒廓精度可保持在2μm范圍內(nèi)。模數(shù)可小于1毫米。

　　展望未來(lái)

　　無(wú)需修整CBN刀具仍然有絕對(duì)充分的理由贏得市場(chǎng)效益。在某些規(guī)定的磨削加工中，必須非常頻繁得重新磨銳陶瓷刀具。這在最壞的情況下，會(huì)耗費(fèi)很多時(shí)間，使修整工序顯得沒(méi)有吸引力?；蛟S客戶(hù)更偏愛(ài)簡(jiǎn)單的操作程序，從而傾向于選擇無(wú)需修整的刀具。但是，可修整的刀具才是發(fā)展的趨勢(shì)。在這個(gè)高度專(zhuān)業(yè)化的市場(chǎng)上，卡普奈爾斯集團(tuán)將自己定位為機(jī)床、刀具以及加工工藝的供應(yīng)商。羽博說(shuō)：“無(wú)論客戶(hù)拿來(lái)一個(gè)什么樣的零件，我們都能為它提供量身定制的磨齒方法?？ㄆ漳螤査棺鳛橄到y(tǒng)供應(yīng)商，客戶(hù)能夠從我們這里獲得一站式服務(wù)，而不必為一款產(chǎn)品費(fèi)心尋找多個(gè)供應(yīng)商。”