齒輪刀具是齒輪制造工藝的關(guān)鍵和核心，因此，如何設(shè)計好和應(yīng)用好刀具，直接關(guān)系著齒輪制造成本和生產(chǎn)效率。本篇的主題單獨針對齒輪刀具展開，主要將一些目前齒輪刀具設(shè)計的技術(shù)問題進(jìn)行分析。

　　與其它類型刀具不同，齒輪刀具所牽扯的專業(yè)類別很多，其中很重要的一個方面是空間嚙合理論及數(shù)學(xué)分析。

　　齒輪刀具的整體方案設(shè)計

　　業(yè)界有一句話說得非常正確：做齒輪刀具的，必須要比做齒輪的和做齒輪機床的都更懂齒輪。這是很有道理的。也正因為如此，對齒輪制造系統(tǒng)進(jìn)行整體方案設(shè)計和整體優(yōu)化的，往往由齒輪刀具供應(yīng)商完成。在整體方案的設(shè)計中，以自上而下的設(shè)計思想為指導(dǎo)，以整體優(yōu)化為目標(biāo)，達(dá)到和超過齒輪加工精度，效率，成本的客戶要求。

　　一、基本的設(shè)計思路：

　　1. 理清產(chǎn)品的技術(shù)要求。被加工工件，加工節(jié)拍，整體方案的層次。

　　2. 摸清楚現(xiàn)有條件。包括設(shè)備能力，技術(shù)能力，操作能力，熱處理水平，批量大小，預(yù)算等

　　3. 確定工序。滾+剃，滾+磨，插+剃，粗滾+精滾，怎么剃，怎么磨等

　　4. 將加工要求分解至每個工序，并確定前后工序的配合要求。

　　5.確定單個刀具的幾個重要指標(biāo)，包括(單次修磨壽命級別，單件加工時間，切削速度級別，修磨壽命等)

　　6. 確定刀具基本參數(shù)，包括(結(jié)構(gòu)形式，材料，涂層，孔徑，外圓，長度，頭數(shù)，槽數(shù)等)7. 進(jìn)行刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計，給出加工工藝，包括(切削速度，走刀量，進(jìn)給速度，切削深度，竄刀策略，單次修磨量，修磨間隔等)。

　　二、滾刀設(shè)計方面

　　滾刀銑刀槽型優(yōu)化：如何選取合適的參數(shù)組合來設(shè)計槽型，以達(dá)到強度剛性和容屑排屑性能的最佳平衡?這個優(yōu)化，對于高速切削干切削，對于粉末鋼硬質(zhì)合金滾刀，尤為重要的。

　　滾刀插刀刃型優(yōu)化：刃型(已經(jīng)包括了變壓力角)，關(guān)系到刀具切削角度，流屑，磨損的均勻性等重要因素。

　　滾刀銑刀插刀切削角度優(yōu)化：包括前角后角刃傾角(滾刀與螺紋升角相關(guān))等在多個角度參數(shù)之間的平衡，在性能和精度之間的平衡，在單次修磨和修磨次數(shù)之間的平衡等。

　　被加工齒輪齒根部分的優(yōu)化：由于齒輪齒根部分直接由滾刀銑刀插刀決定，而齒輪的強度很大程度上決定于齒根部分的截型，所以，如何設(shè)計滾刀插刀，使其截型優(yōu)化，達(dá)到強度和刀具壽命的最佳平衡，是一個很有價值的課題。對于某些重載齒輪特別重要。

　　磨損均勻：無論滾銑插剃，不均勻磨損都是很突出的問題。如何通過結(jié)構(gòu)設(shè)計提高磨損均勻性，對于提高刀具壽命有著直接的意義。

　　三、剃刀設(shè)計方面：

　　剃刀槽型優(yōu)化：對梳槽(環(huán)形槽)，如何優(yōu)化槽型?可以說，剃刀壽命起碼 50% 取決于梳槽(環(huán)形槽)。

　　徑向剃刀槽排列優(yōu)化：徑向剃刀槽的排列，也是表面質(zhì)量，效率之間的一種平衡。而梳槽在牙齒上的位置，對牙齒的強度和排屑，都有很重要的影響。

　　剃刀牙齒截面參數(shù)優(yōu)化：為什么有些公司能夠?qū)?模數(shù)的剃刀梳槽，而國內(nèi)<1.6模數(shù)，幾乎全部采用環(huán)形槽?這里面是有技術(shù)含量的。其中一部分就來源于設(shè)計。在剃刀各種參數(shù)之間平衡，以求精度強度和性能的平衡。這種高于經(jīng)驗之上的優(yōu)化設(shè)計，相信會讓剃刀設(shè)計更上層樓。

　　剃刀最佳螺旋角：這個問題，牽涉面非常廣。主要以經(jīng)驗為主。各家有各家的經(jīng)驗。為什么不從理論出發(fā)，以切削試驗為驗證，來進(jìn)行優(yōu)化?

　　剃刀最佳齒數(shù)：現(xiàn)行的設(shè)計，一般不會考慮這個問題。就像很多設(shè)計者一般不會考慮滾刀插刀的外徑也存在最佳值的問題。而且，通過改變齒數(shù)，往往能夠從某些約束中脫身。

　　滾刀銑刀鍵槽位置的優(yōu)化：當(dāng)滾刀槽底距孔壁很近時，滾刀存在著在鍵槽處開裂破壞的風(fēng)險。通過分析確定鍵槽的周向位置，可以降低開裂破壞的風(fēng)險。整體方案設(shè)計中基本參數(shù)的優(yōu)化：如外徑，長度，頭數(shù)，槽數(shù)這些基本參數(shù)，平時訂單里都規(guī)定了。但是在整體方案設(shè)計中，這些參數(shù)由設(shè)計者來定。那么，這個最優(yōu)解，怎么來求?

　　倒棱刀參數(shù)優(yōu)化：由于倒棱刀的壽命一般很高，所以其參數(shù)優(yōu)化的研究并不多。而實際上，對倒棱刀的參數(shù)優(yōu)化，往往能夠有效降低修磨次數(shù)，并實現(xiàn)一刀多用。

　　四、特殊齒輪刀具的設(shè)計方面：

　　里說的“特殊齒輪刀具”指的是，區(qū)別于普通的常見的滾銑插剃的齒輪刀具。其設(shè)計具有特色，頗具創(chuàng)新，自成一體，需要進(jìn)行特殊設(shè)計(包括優(yōu)化)。

　　粗切滾銑刀：追求大切除率的高效率加工。一般模數(shù)較大。有輪切式，后刀面分屑槽等結(jié)構(gòu)。設(shè)計粗切滾刀，不僅可以借鑒以上思路，還可以有其他思路。另外，不論輪切結(jié)構(gòu)，后刀面分屑槽還是其他的思路，各種參數(shù)的搭配平衡都會對刀具精度和性能造成很大的影響。

　　非圓柱形滾刀：帶錐度，鼓形凹形等。新一代的CNC鏟磨機和刃磨機，大多數(shù)支持非圓柱形滾刀的磨削。這使得設(shè)計工程師，具有了在軸向截型上設(shè)計的發(fā)揮空間。一般來說，主要著眼點是磨損均勻，防根切。

　　柄式/多聯(lián)滾銑刀：柄式滾銑刀與孔式滾銑刀相比的優(yōu)勢：1.大大提高了定位精度2. 在制造上，也為刀具供應(yīng)商和齒輪制造商降低了不少的工裝成本(主要是芯軸)3. 對硬質(zhì)合金滾銑刀而言，柄式結(jié)構(gòu)加工要容易得多?；谝陨显颍綕L刀取代孔式成為主導(dǎo)結(jié)構(gòu)將是大勢所趨。其設(shè)計，有些是標(biāo)準(zhǔn)柄(成文發(fā)布的或者齒輪制造公司專用的)，有些需要設(shè)計，溝通。多聯(lián)(一般雙聯(lián))滾刀則可以一次裝夾滾切多個不同規(guī)格的齒輪，故常用于齒輪軸。這里的設(shè)計要點是制造方便和性能之間的平衡。

　　多頭/多槽/大直徑/超長度滾刀：這是目前歐美比較流行的設(shè)計思想。與傳統(tǒng)滾刀設(shè)計相比的優(yōu)勢：1.降低被加工齒輪單件制造成本2. 大大提高效率3.多槽數(shù)的滾齒精度更高4. 降低修磨次數(shù)，減少了修磨后的齒形誤差，并提高了全鏟磨的比例，對刀具制造和使用提出更高的要求。

　　一次性滾刀/插刀以下就是傳說中的 wafer hobs & wafer shaper cutters 。這兩種設(shè)計，已被 Gleason 申請專利。將減少修磨次數(shù)的設(shè)計思想發(fā)揮到極致，不用修磨，用完就扔。所以英文名為 thrown hobs, thrown shaper cutters要設(shè)計點：1.解除了考慮修磨的約束，設(shè)計工程師的刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化就可以得到極大的解放，從而大大提高刀具性能2.降低被加工齒輪單件制造成本3.對于齒輪制造商而言，不用考慮刀具修磨問題，刀具的使用得到簡化4.制造工藝不同，優(yōu)化設(shè)計方向和思路不同。

　　雙壓力角滾刀剃刀：主要應(yīng)用在油泵齒輪。其有效齒形的設(shè)計計算和結(jié)構(gòu)設(shè)計，異于普通齒輪刀具。

　　強力剃刀(高速剃齒刀，同期式剃齒刀):完全跳出普通剃齒切削速度范圍。選材，槽型，參數(shù)設(shè)計迥異。

　　交錯式滾插剃(跳牙):對付小模數(shù)齒輪的一個方法是交錯式切削，即節(jié)距為被加工齒輪的兩倍，其他參數(shù)不變。對于插刀剃刀相當(dāng)于隔一個牙缺一個牙。對于滾刀，相當(dāng)于螺紋每2頭缺1頭。這是以效率為代價的極限加工。由于各種原因并未推廣。但仍不失為特殊情況下的一種思路。

　　倒角滾刀:發(fā)動機啟動齒輪(大)和部分倒檔齒輪的端面需要切出一個半牙寬的倒角，方便齒輪軸向切入嚙合。要切出端面截型為直線，深度夠，同時又不干涉的倒角，刀具的設(shè)計是最重要的。設(shè)計者還需要給出安裝數(shù)據(jù)。現(xiàn)行的倒角加工，很少用滾刀。很大一部分原因是刀具設(shè)計能力不夠。

　　蝸桿式剃刀:普通剃刀是齒輪式。蝸桿式曾有研究，后來由于各種原因并未推廣。但隨著新型材料涂層的應(yīng)用，該類型剃刀在高速剃齒/硬齒面剃齒中，有可能得到新的應(yīng)用。

　　齒向錐度剃刀:倒檔齒輪一般都采用齒向錐度?，F(xiàn)行剃刀設(shè)計一般很少考慮錐度的影響。事實上錐度齒輪的剃齒都很多的問題，諸如劃傷，齒形差，光潔度差等，都與錐度有關(guān)。如何優(yōu)化設(shè)計錐度剃刀，是一個具有實用價值的問題。

　　齒條銑刀：為環(huán)形。相當(dāng)于多個單片齒條銑刀并聯(lián)。其結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和優(yōu)化，與滾刀和普通銑刀不同。

　　筒式插刀：插刀牙齒在內(nèi)，造型為內(nèi)齒輪。應(yīng)用在與普通插刀發(fā)生干涉的錐度齒輪。由于制造工藝迥異于普通插刀，再加上結(jié)構(gòu)不一致，其設(shè)計優(yōu)化與普通插刀不同。

　　環(huán)形槽剃刀：這是為了對付模數(shù)較小的齒輪，采取不同結(jié)構(gòu)形式的剃齒刀。槽貫穿剃刀牙齒。一般槽為環(huán)形。但也有的設(shè)計，把槽做成螺旋。其設(shè)計與普通剃齒刀著眼點不一樣。

　　高速/干切滾銑刀：高速干切，是未來金屬切削技術(shù)(包括齒輪加工)必然的發(fā)展趨勢。要點：(1) 汽車車型迅速開發(fā)迅速投產(chǎn)，對零部件的交貨期提出的要求將是越來越高(2)高速切削固有的優(yōu)勢，反而能夠更好的發(fā)揮刀具的性能(3)環(huán)保的壓力在任何一個國家，都會越來越大，直接推動干切的應(yīng)用(4) 配用自動上下料，可以進(jìn)一步縮短總加工時間該滾銑刀的選材(甚至參與材料廠家的新產(chǎn)品開發(fā))，選涂層，工藝，結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計，都和普通滾刀有區(qū)別。

　　零造型誤差滾刀：得益于CNC鏟磨機和測量儀器的應(yīng)用和發(fā)展，設(shè)計者可以進(jìn)行滾刀的非近似造型，將滾刀設(shè)計誤差降為零。這在高精度滾刀的應(yīng)用中，非常有價值。

　　特殊刃型滾刀:同樣得益于CNC鏟磨機的應(yīng)用和發(fā)展，設(shè)計者可以借助特殊設(shè)計軟件，將刃型復(fù)雜化，不再是齒頂圓弧，齒根圓弧這樣簡單的圓弧曲線，從而達(dá)到刃型優(yōu)化和齒輪根部截型優(yōu)化的效果。

　　蝸輪滾刀:蝸輪滾刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計和優(yōu)化，不同于普通齒輪滾刀。而且根據(jù)不同類型蝸輪，不同材料，都會有很多設(shè)計者充分發(fā)揮的空間。

　　高精度高性能特殊齒形滾刀:特殊齒性種類繁多，鏈輪，擺線針輪，同步帶輪，矩形花鍵，圓弧，雙圓弧，等等。甚至轉(zhuǎn)子這些非齒輪類的零件也可以用滾刀展成加工。技術(shù)的發(fā)展，對特殊齒形滾刀的精度和性能提出更高的要求。

　　五、刀具設(shè)計需要的基礎(chǔ)

　　引用一句話：只有和數(shù)學(xué)掛上鉤了，才能稱得算科學(xué)。齒輪刀具在原理層面與數(shù)學(xué)關(guān)系非常大。也難怪老一輩齒輪刀具專家，大部分有著深厚的數(shù)學(xué)功底，尤其是空間解析幾何?？偟膩碚f，齒輪刀具是齒輪和刀具的復(fù)合。在原理層面，也主要劃分為數(shù)學(xué)模型計算和金屬切削原理兩部分。

　　一般來說，設(shè)計工程師，并不需要在原理這一部分多花心思，特別是在 CAD 技術(shù)日益發(fā)展的今天。這部分主要是研發(fā)人員的戰(zhàn)場。正因為齒輪刀具研發(fā)人員在數(shù)學(xué)上的優(yōu)勢，通用刀具的很多研發(fā)項目在他們看來是小菜一碟。這是由數(shù)學(xué)工具在工程技術(shù)上通吃的特點所決定的。由于齒輪刀具的復(fù)雜性和專用性，大部分公司的研發(fā)與設(shè)計是重合的。也正因為如此，很多的研發(fā)人員來源于設(shè)計工程師，或兼做刀具設(shè)計工作。

　　5.1 滾刀的空間造型設(shè)計根據(jù)共軛原理和嚙合關(guān)系，從被加工工件齒形反求滾刀的齒形。目前(包括國外)主要使用平面設(shè)計方法進(jìn)行造型，將滾刀近似看作齒條，存在固有設(shè)計誤差。在一定情況下，設(shè)計誤差會增大到不可接受的地步。空間造型，可以從根本上消除設(shè)計誤差。兩種基本方法：解析幾何，三維軟件。如果把漸開線，擺線，矩形，圓弧等林林總總的齒形都實現(xiàn)空間造型設(shè)計，那將會是一個龐大的工程。

　　5.2 剃刀偶接觸理論(類似平衡剃齒)偶接觸理論(Even Contact )在西方很流行，已經(jīng)運用到剃刀設(shè)計中。基本原理：剃刀與齒輪的接觸點數(shù)目為偶數(shù)時，左右面單點承受壓力相等，從而切除量相等。隨著剃刀的轉(zhuǎn)動，接觸點數(shù)目應(yīng)盡量控制在偶數(shù)，如2-4-2, 4-4-4, 4-6-4 等，而不是2-3-2, 3-4-3 等。非偶接觸，造成最常見的現(xiàn)象，是齒輪齒形呈 S 形。接觸點數(shù)目的控制，主要通過嚙合角(實際壓力角)和外圓。徑向剃同樣適用，剃前滾與剃齒必須有合適的配合。但是，偶接觸理論的局限性仍然很大。如何完善該理論，是一個大家(包括國外)都很感興趣也很有價值的問題。

　　5.3 修形剃刀齒形齒向修形量的求解剃齒的復(fù)雜性，使得修形剃齒的結(jié)果，很難達(dá)到預(yù)想的齒形。目前大多采用經(jīng)驗數(shù)據(jù)，進(jìn)行試剃，然后再調(diào)整。如果能夠在理論上建立足夠精度的數(shù)學(xué)模型，解決這個問題，將是極具使用價值的。同時，足夠精度的數(shù)學(xué)模型本身，也能夠拿來分析剃齒過程的其他優(yōu)化問題。需要注意的事：在幾何上根據(jù)齒輪齒形，求解出共軛的剃齒刀齒形，能夠?qū)⒃囂甏螖?shù)減少，能夠?qū)⒔?jīng)驗數(shù)據(jù)看作幾何理論數(shù)據(jù)的修正從而建立一定的經(jīng)驗公式。基本的方法，仍然采用解析幾何和三維軟件建立的數(shù)學(xué)模型，考慮齒輪變形，接觸點數(shù)目，剃削區(qū)域等造成誤差的重要因素，在理論上徹底解決這個問題。剃刀修形對齒厚外圓公差等，安裝誤差有更高的要求

　　5.4 滾插刀鏟磨的誤差控制眾所周知，滾插刀修磨后，齒形會畸變。這是由鏟磨本身特性所決定的。定量的研究誤差大小和控制，又是一個數(shù)學(xué)問題?；镜姆椒?，仍然需要解析幾何和三維軟件。需要解決鏟磨砂輪最佳截型，安裝參數(shù)，對設(shè)計的反饋等子問題。該問題，在某些特殊齒形滾刀中會很突出。一來很多特殊齒形滾刀的設(shè)計，把可修磨長度放得很大;二來很多特殊齒形滾刀的螺旋升角很大，如蝸輪滾刀。

　　5.5 齒輪加工切削熱場分布及影響切削熱場，國外有一些研究所做了這方面的試驗。深入地研究，是非常困難的。但是由于切削熱對切削刀具的重要性，在切削熱上的任何進(jìn)展，都會對刀具設(shè)計加工和使用產(chǎn)生的指導(dǎo)性的作用。難度比較低一些的課題有：** 切削溫度峰值的大小和大致位置及變化** 切削熱傳入工件，切屑，刀具的大致比例及變化** 切削熱/溫度的計算這些子課題，對磨損形式和位置的確定，材料涂層的選擇，結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計，冷卻都有指導(dǎo)意義

　　5.6 齒輪加工切削力和振動切削力的研究做得比較多。但是切削力和切削熱，速度，切屑的關(guān)系，卻仍然沒有準(zhǔn)確的把握。切削振動研究少。而事實上，很多情況下，我們都發(fā)現(xiàn)振動是很大的問題。除了機床和裝夾的剛性問題外，刀具誤差和切削加工產(chǎn)生的振動，是很難控制的。目前尚無一個明確的指導(dǎo)性準(zhǔn)則。而振動對加工精度和刀具性能都是相當(dāng)不利的。這方面，需要給復(fù)雜的齒輪加工建立振動模型，需要進(jìn)行切削試驗驗證。所得到的成果，會對刀具誤差控制，刀具設(shè)計和生產(chǎn)產(chǎn)生指導(dǎo)性的意義，這就是基礎(chǔ)研究的威力

　　5.7 切屑研究和控制做齒輪刀具設(shè)計的朋友，可能基本上看過袁哲俊那本經(jīng)典的《齒輪刀具設(shè)計》。書里面幾次提到切屑的分布和流向。但是這樣的考慮對于高性能刀具來說，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。目前有公司在經(jīng)驗上關(guān)注了這個問題，發(fā)現(xiàn)刀具很多性能和設(shè)計與切屑問題有關(guān)。難度比較低一些的課題有：** 切屑厚度隨結(jié)構(gòu)參數(shù)和切削參數(shù)的變化。這可以從數(shù)學(xué)上求解，或者仿真** 切屑大致截型及變化。同上** 切屑大致形態(tài)和變化。從數(shù)學(xué)和金屬切削原理上出發(fā)，以切削試驗驗證** 流屑方向，容屑空間大致估計。綜合分析和經(jīng)驗，如果有試驗驗證最好** 斷屑分屑的方法和一定程度上的優(yōu)化

　　5.8 高速干切滾插理論和試驗如果你和 sandvik 或者 seco 的工程師聊高速切削干切削，他們會跟你滔滔不絕，說上幾個小時不成問題。但是，如果你跟他說高速滾齒和高速插齒，他們就沉默了。一個額外的范成運動，將滾齒插齒的切削過程變得非常復(fù)雜。所以，將普通車銑鉆的高速切削干切削理論照搬過來肯定會有問題。那么，滾插的高速干切，是怎么樣的呢?撇開復(fù)雜性我們不論，至少通過一定的分析和試驗，在如下幾個實用性問題上可以給出答案：** 刀具怎么選材和涂層** 切削參數(shù)跟一般速度相比，有哪些不一樣的要點** 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計跟一般速度相比，有哪些不一樣的要點** 切削熱，切削力，切削振動，切屑，有哪些明顯的不一樣?是不是和普通車銑鉆具有一樣的高速效應(yīng)?

　　5.9 滾插刀刀刃鈍圓的影響和最優(yōu)解這是最容易被忽略的課題之一。刀刃鈍圓對金屬切削過程的影響是相當(dāng)大的。尤其是對于涂層刀具。要知道這么大這么重的一把刀，實際上參與切削過程的只有刀刃部分。由于滾插的復(fù)雜和鈍圓制造的難度，目前在這方面的深入研究試驗很少。業(yè)內(nèi)著名公司一般用經(jīng)驗的方法定量。