本文中硬齒面滾齒和插齒是指利用硬質(zhì)合金刀具加工熱處理后硬度為 HRC48 以上齒輪的加工技術(shù)。隨著國產(chǎn)硬質(zhì)合金刀具以及機(jī)床技術(shù)的發(fā)展，這種低成本、高效率的齒輪加工技術(shù)逐漸被推廣應(yīng)用，本文將介紹我們?cè)趹?yīng)用硬齒面滾齒和插齒中的相關(guān)案例，就硬齒面加工所涉及的切削參數(shù)、切削效率等提供參考數(shù)據(jù)。

　　1 硬齒面加工技術(shù)的發(fā)展

　　目前最主要的齒輪熱后精加工方式是磨齒，包括 ( 成型磨和展成磨)。大批量生產(chǎn)時(shí)精度等級(jí)可達(dá)到 DIN 6、7級(jí)精度。一般情況下，采用整體感應(yīng)淬火或滲碳、淬火工藝方法熱處理后的齒輪(由于變形量大、易開裂等原因)，表面應(yīng)力大小和方式會(huì)隨淬火方式、工藝參數(shù)、淬火介質(zhì)、冷卻速度等因素不同而不同。雖然經(jīng)過低溫回火處理，但殘余應(yīng)力很難徹底消除。如果表面應(yīng)力的合力形式是拉應(yīng)力，而且應(yīng)力值小于工件表層晶界的屈服強(qiáng)度極限，此時(shí)表層應(yīng)力尚處于平衡狀態(tài)，即使對(duì)于高碳馬氏體這一類比體積比較大的組織，在工件表面也不會(huì)出現(xiàn)裂紋，如果表面應(yīng)力的合力形式為壓應(yīng)力，而壓應(yīng)力對(duì)于提高表層硬度和質(zhì)量有較大的好處，更不會(huì)造成齒面產(chǎn)生裂紋。

　　磨齒時(shí)，加工表面應(yīng)力主要是磨削熱載荷作用所致，由于表面溫度的升高和砂輪顆粒的擠壓切削，會(huì)在加工后的齒面形成拉應(yīng)力，若此拉應(yīng)力與熱處理后殘余的拉應(yīng)力疊加或遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于熱處理后表面的壓應(yīng)力，就破壞了齒輪表面應(yīng)力平衡，容易產(chǎn)生燒傷、微裂紋、殘余拉伸應(yīng)力、表層內(nèi)形成的組織和硬度都有顯著差別的分層。

　　為了降低齒輪傳動(dòng)過程中的噪音問題，增加齒輪重合度是一種有效的手段，這就需要增加齒輪的漸開線嚙合長度，降低有效漸開線起 始點(diǎn)，一般的滾磨工藝(不磨削齒根)由于熱前留磨量的原因無法保證有效點(diǎn)，只用精滾加全磨齒根才能最大化的提高齒輪嚙合重合度。但全磨齒根工藝容易產(chǎn)生磨糊磨裂問題，影響齒根強(qiáng)度，而且對(duì)工藝、機(jī)床要求很高。

　　磨削加工還有生產(chǎn)率低，成本高(砂輪消耗、金剛滾輪消耗);設(shè)備復(fù)雜，價(jià)格昂貴，單件消耗成本高等缺點(diǎn)。

　　硬齒面滾齒、插齒技術(shù)是采用硬質(zhì)合金滾刀、插刀加工熱后硬齒面齒輪的工藝技術(shù)(由于切削薄、寬度小等特點(diǎn)，通常也稱為硬齒面刮削技術(shù))。

　　采用硬質(zhì)合金齒輪刀具加工硬齒面齒輪的優(yōu)點(diǎn)：相較熱前磨齒可以消除齒輪熱處理后變形量;相較熱后磨齒可以消除磨削熱造成的燒傷、微裂紋，殘余拉伸應(yīng)力;生產(chǎn)率高，具前蘇聯(lián)資料其生產(chǎn)率較磨齒提高 3~9 倍;精切后齒輪精度弧齒錐齒輪可達(dá) DIN 6 級(jí)或 AGMA11 級(jí)，直齒輪可達(dá) 7 級(jí)，齒面粗糙的度 Rz 3.2~1.6。由于齒面粗糙度低，有利于提高齒輪輪齒的表面耐用度和抗膠合能力;不需要使用專用機(jī)床，在保證機(jī)床精度和剛性滿足要求的情況下一般切軟齒面機(jī)床即可加工，因而降低了設(shè)備投資和加工成本。

　　從以上可以看出，使用硬質(zhì)合金齒輪刀具刮削精加工硬齒面齒輪，有著一系列優(yōu)點(diǎn)，尤其在薄壁件、臺(tái)階齒、有位置度要求、表面強(qiáng)度高、磨齒砂輪受限等的硬齒面齒輪加工，更充分顯示其優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用范圍必將越來越廣。

　　漢江工具廠作為國內(nèi)首屈一指的齒輪刀具設(shè)計(jì)和制造廠家，可以設(shè)計(jì)和生產(chǎn)硬質(zhì)合金滾刀和插刀，到目前為止已先后生產(chǎn)過 m 3、4、5、6、10.5 的硬質(zhì)合金插齒刀和滾刀，試切的材料有 45、CrWMn. 30CrMnTi，20CrMnTi，熱處理硬度范圍為HRC50~64，沖程數(shù)范圍各 50~240 次/分，齒面粗糙度為 Ra1.25~0.32，精度為 JB179-60、7~8 級(jí)。

　　目前硬質(zhì)合金插齒刀在國內(nèi)外的發(fā)展、應(yīng)用不及硬質(zhì)合金刮削滾刀 那樣普遍，其原因在于硬質(zhì)合金插齒刀切削沖擊大，對(duì)于硬質(zhì)合金刀具沖擊是對(duì)刀具壽命影響的最大因素。因此開發(fā)專用的切削參數(shù)、切屑厚度計(jì)算工具十分重要。

　　2 硬齒面加工技術(shù)難點(diǎn)

　　刀具的設(shè)計(jì)與制造

　　1. 硬質(zhì)合金滾刀的設(shè)計(jì)加工由于硬質(zhì)合金材料價(jià)格昂貴、硬度大、不耐沖擊等特點(diǎn)對(duì)硬質(zhì)合金滾刀的加工提出了很高的要求。也使想要使用硬質(zhì)合金滾刀的門檻增加。目前主流的做法是按照齒輪模數(shù)的大小將硬質(zhì)合金滾刀結(jié)構(gòu)分級(jí)：

　　(1)模數(shù)在 0.4~2 的合金滾刀采用整體式結(jié)構(gòu)(如圖 1 所示)，具有高速切削的特點(diǎn)，切削速度達(dá)到150m/min，切削效率高。

　　圖 1 整體硬質(zhì)合金滾刀

　　(2)模數(shù) 2~14 的合金滾刀采用單刀片式焊接結(jié)構(gòu)或者可換刀片的機(jī)夾式結(jié)構(gòu)。焊接式結(jié)構(gòu)合金滾刀刀體材料選用合金結(jié)構(gòu)鋼，成本低廉，且具有良好的力學(xué)性能、工藝性能和焊接性能，也具有較高的強(qiáng)度和塑性，同時(shí)熱處理后內(nèi)孔及端面有較高的硬度以增加其耐磨性，保證刀具的精度。

　　整體硬質(zhì)合金滾刀直接進(jìn)行鏟磨加工，鏟磨加工所采用的金剛石砂輪轉(zhuǎn)速要達(dá)10000r/min 以上，這對(duì)機(jī)床的性能提出了超高要求。

　　2. 硬質(zhì)合金插刀的設(shè)計(jì)與加工特點(diǎn)

　　硬質(zhì)合金插刀加工熱后硬齒面齒輪普遍采用粗插、熱處理、精插的工藝。粗插一般采用高速鋼材料的插刀，這是由于插齒過程沖擊大。這樣就涉及到熱前加工留量的問題。

　　根據(jù)和廠家的技術(shù)交流以及我們實(shí)驗(yàn)初步將精加工留量設(shè)定如下，模數(shù) 2 齒厚留量 0.2， 模數(shù) 3 齒厚留量 0.25~0.3，模數(shù) 4 和 5 齒厚留量 0.4，模 5 以上留量 0.5。

　　為了避免硬質(zhì)合金凼輪刀具的頂刃和側(cè)刀同時(shí)參加工作而引起崩刃和急劇的圓角磨損， 熱處理前，齒輪粗加工時(shí)，要求齒輪齒槽略深于標(biāo)準(zhǔn)齒高，槽底兩側(cè)有適當(dāng)?shù)母?，并留適當(dāng)?shù)木庸び嗔?，以便熱處理后精加工時(shí)，硬質(zhì)合金刀具只切削余量均勻的漸開線有效齒形部份，從而達(dá)到高的精度和增加刀具壽命。

　　對(duì)機(jī)床夾具的要求

　　盡可能選擇剛性強(qiáng)、強(qiáng)度高的機(jī)床。因?yàn)橛昌X面加工的切削薄、小的特點(diǎn)，剛性不足容易導(dǎo)致加工時(shí)受力不均。在一般剛性機(jī)床上加工時(shí)，機(jī)床分度機(jī)構(gòu)及刀架間隙要適當(dāng)調(diào)整，一般為 0.005~0.015 mm，不能太大，切屑的厚度變化大會(huì)引起硬質(zhì)合金刀具崩刃。夾具一定要精度高，并且夾緊工件應(yīng)牢固可靠。

　　由于熱后精加工，因此工件粗加工和精加工需要對(duì)齒，工件安裝前后都必須保持正確的位置。機(jī)床和夾具應(yīng)有對(duì)齒機(jī)構(gòu)，以保證工件不會(huì)裝偏。

　　硬齒面加工的試驗(yàn)

　　1. 硬齒面滾齒實(shí)驗(yàn)

　　硬質(zhì)合金滾刀的切削速度在 40~60 m/min。本次試驗(yàn)工件為漸開線花鍵齒，工件材料粉末冶金，熱處理要求：高頻淬火，齒面硬度 HRC40~55，層深 0.59~1.01，花鍵參數(shù)如表 1 所示。

　　表 1 花鍵參數(shù)

　　實(shí)驗(yàn)用滾刀采用整體硬質(zhì)合金材料，使用金剛石砂輪鏟磨出齒形。

　　表 2 硬質(zhì)合金滾刀參數(shù)

　　加工時(shí)的滾齒線速度控制在 40~60m/min, 軸向進(jìn)給 0.2mm。

　　2. 硬齒面插齒實(shí)驗(yàn)

　　硬齒面插齒實(shí)驗(yàn)是我們聯(lián)合兄弟單位合作實(shí)驗(yàn)，加工工件為模數(shù) 2 的內(nèi)齒圈參數(shù)如表 3 所示，插刀參數(shù)表 4，精加工留量為跨棒距留量。

　　表 3 內(nèi)齒圈參數(shù)

　　表 4 插刀參數(shù)

　　以上是本次試驗(yàn)的機(jī)床為格里森 P200。

　　切削參數(shù)如表 5 所示。

　　表 5 切削參數(shù)

　　加工結(jié)束后檢測齒形，精度等級(jí)為 DIN7 級(jí)，滿足了工藝要求。表面光潔度 Ra0.8。

　　3 目前存在的困難與突破口

　　硬齒面加工技術(shù)的持續(xù)發(fā)展為齒輪加工提供了有一種工藝方案的選擇，硬齒面滾齒、插齒技術(shù)有效率高、能耗低、成本低、適用特殊結(jié)構(gòu)等一系列優(yōu)勢，必將會(huì)得到大量的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)過程中積累的經(jīng)驗(yàn)對(duì)以后的生產(chǎn)提供幫助，也遇到了很多問題，需要去研究和解決的。