齿轮加工中的径向剃齿技术

Nico

在汽车变速器齿轮的大批量生产中，剃齿是被广泛采用的齿轮精加工手段。其主要方法有轴向剃齿（普通剃齿）、径向剃齿、对角剃齿、切向剃齿等，由于轴向剃齿所用的剃齿刀在设计、制造及修磨方面均比较容易，所以轴向剃齿一直是最普遍使用的剃齿方式。
随着对汽车齿轮质量要求的不断提高，轴向剃齿已逐渐被径向剃齿所代替。那些具备一定规模和实力的汽车齿轮企业紧跟世界汽车齿轮加工技术发展潮流，几乎全部采用了径向剃齿技术。和轴向剃齿相比，径向剃齿在生产效率、加工质量、刀具耐用度等方面具有更大的优势。
轴向剃齿与径向剃齿的加工原理
1、轴向剃齿加工原理
剃齿是应用交叉轴螺旋齿轮啮合原理，利用齿面带小槽的具有切削能力的刀具齿轮（如图1所示）与被加工件无间隙自由对滚啮合，通过进给加压并利用啮合齿面间相对滑移产生的切削作用去除金属进行加工。从理论上讲，刀具与工件啮合齿面间是一种点接触，但由于剃齿过程中，在进给压力作用下会使刀具与工件接触点处材料产生弹性和塑性变形，使得啮合齿面接触点扩展为小椭圆面接触区。

图1 剃齿刀如果剃齿刀和工件仅在原位转动，就只能在工件齿面上剃出一块狭窄的区域，为剃出齿轮全部齿面，轴向剃齿利用工作台沿工件轴线相对于刀具做轴向往复运动来实现，每次往复行程后沿两轴线公垂线方向做径向进给，剃出要求的齿厚，轴向剃齿工作循环见图2a。
' v1 k+ i6 {% C; h& n* |( D, ] 2、径向剃齿加工原理
* P$ @7 p6 ?5 k  X由前述剃齿原理可知，轴向剃齿啮合齿面间理论上是点接触，切削过程中在进给压力作用下齿面受载后扩展为一个比较小的椭圆面接触区，如果工件与剃刀只在原位转动，工件齿面上只会剃出一个与剃刀切削刃槽宽等距的狭窄剃痕。如果将剃齿刃进行特殊设计，使其与工件齿面保持全齿宽线接触啮合，再将切削刃槽沿圆周螺旋错位排列，这样就可以使剃齿刀与工件只在原位转动就可剃出整个工件齿宽，为剃至规定的齿厚尺寸，只需径向进给即可，这种剃齿方法就是径向剃齿，其工作循环见图2b。
( i  Z! e7 @7 {" A径向剃齿的应用条件
7 L! X6 d/ K) Z& W' {# c. N$ o0 k# H1、径向剃齿刀
3 r& K# [* j: U2 b' M口为保证剃齿刀与工件全齿宽线接触，剃刀齿长方向需做修形处理，即将剃刀的齿向修成反鼓形，如图3所示。

- E" c* k4 c3 ]+ |图3 颈向剃齿刀齿面反鼓形状为保证剃全工件齿面和细化表面质量，提高剃齿效率，剃齿刀齿面切削刃槽必须沿圆周呈螺旋状错位排列，并分成若干个错位组。刀具齿宽必须大于工件齿宽。
- ^( C+ R+ W1 G" [3 S- [1、剃齿刀齿面与工件齿面为共轭齿面，因此刀具需在沿齿长和齿高方向修形。
0 I$ i' a0 E( p6 Y' Y  G2、径向剃齿刀必须有质量可靠、供货稳定、价格适中的供货来源。
; ]9 B1 a% c4 a6 K' [- S+ e3、必须有修磨径向剃齿刀的修磨设备。
+ I  E; O; P4 E' Y: g* |( c4、必须有具备径向剃齿功能的高刚性剃齿机。
# j1 s3 |: W; S( Z4 `& _径向剃齿的优缺点
. ?# R( O$ F7 m0 @与轴向剃齿相比，径向剃齿具有如下优点：
( n0 w0 c+ d, N' H, J7 G1、加工效率高
; c0 R0 `2 ?3 X7 o- c' |5 }! d径向剃齿由于没有轴向走刀运动，只有径向进退运动，所以加工效率比轴向剃齿高1～3倍。
2、加工质量高
, K+ S* \1 K/ ~0 s0 @可以有效减轻甚至消除齿形中凹现象
轴向剃齿齿面啮合属点啮合，而且节圆附近处单对齿啮合机会大，这样单对齿啮合时齿面压强增大，该处切除的余量也比其他部位切除的多，从而造成节圆附近齿形中凹。而径向剃齿齿面啮合为线接触，所以与普通剃齿相比增大了齿面啮合进给压力的承载面积，因而可以使剃齿剃除余量大小对啮合时啮合齿接触点数目的变化的敏感度下降，这样就可以减缓齿形中凹的形成。
0 K* Z. L$ E( W" l3 d, v4 W1 }4 x4 F. _1、有利于提高齿面粗糙度
径向剃齿为多刃同时切削，剃齿切削过程比轴向剃齿稳定，刀痕相对较浅，加之切削刃错移量选择合适，可以达到较高的粗糙度水平。
& Y% E5 \& z0 Q) ^- I; \# t2、剃后齿轮的齿形齿向精度稳定性好
由于轴向剃齿较径向剃齿多出一个轴向走刀运动，因而影响剃齿精度的环节和因素增多。首先，在同等条件下机床刚性不如径向剃齿；其次，剃齿机轴向运动精度和运动稳定性、可靠性成为影响剃齿精度的一个因素，所以轴向剃齿过程不易稳定，剃后齿轮齿形齿向精度稳定性也比较差。而径向剃齿剃削时由于是线接触，啮合平稳，而且不需轴向走刀，只需径向进给，没有轴向运动的影响，所以剃削过程稳定，剃后齿轮齿形齿向精度比较稳定。
' M  M$ y" k: S$ y* D3、有利于降噪修形齿轮加工
根据汽车齿轮的不同用途及要求，为了降低啮合噪声，提高承载能力，多数汽车齿轮采用了特殊的齿形齿向修形——鼓形。对于轴向剃齿，除需要刀具齿形修形以外，还需剃齿机轴向运动机构具有鼓形运动功能，这样才能实现齿向鼓形修形。但由于轴向运动机构的复杂性和不稳定性，导致轴向剃齿的齿向修形很困难，主要表现为修形鼓形量调整困难、不稳定。而径向剃齿齿形齿向修形均是通过在剃齿刀齿部修磨时实现的，比较容易控制修形量，剃齿过程又比较稳定，所以剃后零件修形的稳定性比较好。
7 G' I. A2 ^% R7 c4、剃齿刀耐用度相对较高
径向剃齿由于多刃同时切削，刀具刀刃的磨损比较均匀，与轴向剃齿刀比较，其平均单刃剃除的金属余量较小，因此磨损较小，耐用度也就相对较高。
" Q/ Y0 C- [, M- n当然，径向剃齿相比轴向剃齿也有以下一些不足：
& f1 s5 O, J9 E' n1、径向剃齿刀的设计、制造相对复杂，且专用性强，没有通用性。
2、径向剃齿一般只能剃削模数≤3mm，齿宽≤2.5mm的齿轮，加工范围有一定的局限性。
3、需要有径向剃齿功能的机床，机床刚性要好。
2 w; j6 R& l7 a7 F  d& T随着径向剃齿技术的日益发展成熟，以上不足都已得到很好的解决。国内相关的专业制造厂家均已具有相当的径向剃齿刀具和机床制造水平。
另外大多数汽车齿轮模数一般都≤3mm，齿宽≤25mm，因此，径向剃齿加工范围的局限并不对汽车齿轮加工构成问题。
综上所述，径向剃齿与轴向剃齿相比具有无可比拟的优势，非常符合汽车齿轮行业的经济、高效、高质的发展方向。近几年，径向剃齿技术在国内汽车齿轮专业生产厂得以迅速推广，并已成为了主流剃齿工艺，其应用发展前景非常广阔。
文章关键词： 齿轮 加工工艺