剃齿加工存在的问题及其对策

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设计中综合考虑被加工齿轮左右齿面与齿宽上切削平衡，齿轮圆角部分影响，三菱神户工具公司开发了可输出预想齿形系统，只要输入前加工刀具和被加工齿轮诸参数就可以输出预想齿形，选定合理的啮合压力角。
4 }( T9 p3 G6 z0 d4 k6 e5 e6 F/ y剃齿是对未淬火齿轮进行精加工的一种方法。剃齿的原理是：一对互相交叉构成一定轴交角的齿轮啮合传动，传动时齿面间有相对滑动，在这一对齿轮中的一个齿面上制出许多小槽（梳形齿），梳形齿槽构成剃齿刀的侧刃与顶刃，这些刀刃在齿面相对滑动中，对另一齿面工件进行切削。由图1可见剃齿刀设计成斜齿或直齿以便得到必要的轴交角，当剃齿刀与加工齿轮二者螺旋角方向相同时轴交角为二者之和，相反时为二者之差。
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图1 在节圆上的中啮合与切割啮合点的相对滑动速度也与二者螺旋角大小与方向有关。相同时为二者之和，相反时为二者之差。剃齿刀刃的运动轨迹见图2。剃齿加工有以下优点：加工时间短，生产率高；可使被加工齿轮精度显著提高；每加工一个齿轮，消耗刀具费用低；可进行齿形修整；可简单使被加工齿轮在齿向上形成中鼓；不需要熟练工操作。

图2 齿轮齿面上剃齿刀刃的运动轨迹剃齿方式
剃齿方式以剃齿刀与被加工齿轮的相对进给方向而定名，表1中有4种剃齿方式。剃齿方式的选定，要视被加工齿轮形状、尺寸和产量而定。
4 b: E6 K0 D  k) z5 q  R表1 剃齿方式
' c1 c  I" w4 n0 `# V$ S# M7 f 径向剃齿法是只沿切深（径向）方向进给的剃齿法（见图3），最适合大量高效生产。图4所示为各种剃齿法切刃的径向进刀与横向进刀的状态。径向剃齿时，各梳形齿切刃均匀地作用于齿面，切削量均一。径向剃齿由于刀具梳形齿予以特殊配列，被加工齿轮齿面粗糙度比原有方法可下降50%。
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图３ 径向剃齿法的背吃刀量（切深）
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2 n) h# V# Z8 }' b图４ 不同剃齿法形成进刀状态切削条件选择
1.剃齿刀的转速
剃齿刀转速Nc=1 000×Vc/（π×dc）；其中，Vc为剃齿刀切削速度；dc为剃齿刀齿顶圆直径。
$ l9 j+ Y4 U; m径向剃齿因为只有一次反转，故可采用比其他剃齿方式高20%的切削速度。当刀具与被加工齿轮齿数比大时，由于会使被加工齿轮转速过大，此时可适当降低转速。
% w, c9 |) [, R: C- t! L2.横向进给速度
轴向剃齿法时：被加工齿轮转一圈进给0.15～0.3mm；对角剃齿法：约为以上的70%； 切向剃齿法：约为以上的50%。
3.进刀量
轴向剃齿、对角剃齿和切向剃齿时，剃齿刀向被加工齿轮中心方向切入是阶段式地进行。据剃削余量大小，每次进刀量在0.02～0.06mm范围内选定。
径向剃齿时，机械进刀机构可连续径向切入，梳形齿一节距转进过程中推荐向齿厚方向切入约0.007mm。
4.径向剃齿回送运动的调整
/ c/ [; T& q% n) \% \  u% a剃齿刀主要参数设计
1.模数与压力角
剃齿刀的法向模数和法向压力角与被加工齿轮必须相等。
- E: |6 o# t, n7 f- a' v$ F  [2.螺旋角与前角、后角
3 q, R4 C$ U& }" [% t2 @: G; d! G( G( s剃齿刀节圆柱螺旋角的设计应使剃齿刀与齿轮的轴交角最适当。因轴交角大致是剃齿刀与被加工齿轮螺旋角之差，其大小对切削锋利性和加工精度有很大的影响。
, z# F1 `3 c  y1 J  H+ N$ V轴交角大切削性能好，但齿面接触面积变小，导向性变坏，有可能增加齿向误差。相反，轴交角小接触面积增大，导向性好，切削性能变差，加工表面被挤刮。因此考虑加工精度与生产效率这两方面，必须设计好轴交角。适当的轴交角范围见表2。
; r5 S& O0 u  ]4 A* x表2 适当的轴交角范围
' g+ a) x  Y  F4 _- J 由图1可见，梳形齿侧刃顶刃构成前角与后角的状况，前角为0°，也可做出一定“+”角度，以提高其锋利性，并能减少齿槽振摆造成不良的影响，理论上剃齿刀与工件是点啮合，实际其间有压力，接触是一小面积；实际后角常为零。
5 z& j( K. w: B7 i  K4 e3 ^3.剃齿刀齿数
7 L: l+ ~& ]' w: W, ]+ x首先由使用剃齿机规格尺寸与被加工齿轮尺寸决定剃齿刀的公称尺寸，再计入剃齿刀模数与螺旋角，使节圆直径接近于公称尺寸从而去决定齿数，齿数原则上选单数。
1 ?+ @; C- D1 U) A; D& r5 I4.啮合压力角的选定
剃齿加工与其他展成加工方法不同，因为没有强制啮合传动机构，被加工齿轮齿形精度很大地受到啮合情况的变动影响。啮合率在2左右，被加工齿轮质量稳定，随啮合率减少，啮合状态变动大，齿形精度也变得不稳定。但即使在此条件下，若能选择一个合适的啮合压力角也有可能加工出稳定的齿形。
三菱神户切削工具公司考虑到被加工齿轮左右齿面切削的平衡而选定啮合压力角。在综合考虑被加工齿轮圆角部分的影响、齿宽方向上切削平衡等影响开发了可输出预想齿形的系统。只要输入被加工齿轮诸参数和前加工刀具诸参数，就可以输出预想齿形，从其中选出齿形精度稳定区域，即使此时啮合率低也可制成出使被加工齿轮齿形稳定的剃齿刀。
5.剃齿刀直径的设定
. E7 g4 P1 p. s+ c# ?剃齿刀直径设定应考虑两个条件，即：①应超过被加工齿轮与配对齿轮的啮合最小圆直径（或渐开线开始径TIF），②不会与前加工齿形圆角（过渡曲线）干涉。实际有仅优先满足①条件，不满足②条件的情况。
①和②是否有允许变动范围，可由剃齿刀齿顶的延长外摆线轨迹、配对齿轮的延长外摆线轨迹及前加工齿轮描绘出齿形的轨迹图来判断（见图5、6）。为描述配对齿轮的轨迹，配对齿轮齿数、外径与被加工齿轮的中心距需要知道，另外，前加工刀具形状，剃齿余量也应知道。据轨迹图认定剃齿刀轨迹的变化。由于剃齿刀重磨相当于减小变位，同一剃齿直径设定时，剃齿刀与被加工齿轮间间隙增大了，刀具轨迹比配对齿轮轨迹更远离了被加工齿轮，这样刀具轨迹（此时剃出的齿形）将与配对齿轮常发生干涉（见图5）。实际产生干涉时，可改变剃齿刀外径逐渐深入切削（刀具外径设定得较大）来防止干涉（见图6）。

图5 轨迹图（刀具到寿命时有干涉）
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3 {, A% W7 m3 }  t7 K% j图6 轨迹图（刀具到寿命时不干涉）加工时注意事项
1.前加工精度
按JIS标准应使前加工精度达到JIS齿轮精度标准的2～3级（GB与DIN标准约6～7级）以内。
6 [% o' m4 e( V" H& o; t2.剃齿余量
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8 ?" y- P8 j. A; p) i' p图7 前加工滚刀进刀量与剃削余量的关系剃齿余量与前道滚切工序的进给量有关（见图7），表3为剃齿余量推荐值和齿厚上的剃削余量（双侧）。
表3 剃齿余量推荐值
! ?( o) y$ q: x9 z1 t( L! k 3.剃前加工刀具的选定
" a6 O& h; w, m  o（1）剃前加工刀具的齿顶高应选1.35m以上的高齿顶型。
8 ^, `% m  o; w( ]- K  w/ S. S（2）剃齿刀齿顶与被加工齿轮底部应有0.15m以上的齿顶间隙。
% \* S$ ?; i: ?  q) [4 u（3）应使被加工齿轮的根部不与剃齿刀齿顶干涉。
) f/ W/ W) X7 F( j: L& k% P) T4.回转方向与进给方向的关系
由剃齿刀回转方向与被加工齿轮进给方向的异同所造成的梳形齿刀刃的不同工作情况，梳形齿有必要进行调整达到为逆铣（up cut）作用效果。
  ^$ b! S, w" U, c5.剃齿加工用心轴形状
剃齿加工时，推荐使用夹紧点接近加工部位，即靠近齿根部的心轴压板。
4 d# Y6 `, t' T# p+ f6.剃齿加工用心轴的精度
  L! |# ?& c' a% ^. g6 i5 {心轴外径作为定位安装基准，其振摆应在5mm以内，被加工齿轮孔精度应达H6～H7。
- h) \: X8 M* m1 E, r7.前加工须除去被加工齿轮端面的毛刺
% t+ ]: q5 }, u, O) o* O2 t1 V! J被加工齿轮端面在前加工中留下的毛刺在剃齿时会塞堵剃齿刀梳形齿槽。
' l+ N5 @) j% D- D7 k0 }, m8.剃齿刀寿命判定标准
- x6 O" S. b) P! u1 r& @9 w' W（1）被加工齿轮齿形精度变差。
% v1 t2 o4 M" J5 i( P（2）被加工齿轮齿面用手指抚摸感到毛糙，有毛刺。
& j" O9 b0 P; D+ G; I9 L（3）精加工时出现蜂鸣之声。
（4）不出现针状长切屑，而出现如锉削产生的粉状短切屑。
8 R4 k7 S; O$ f- {1 @! i# \（5）进给至一定中心距离，即使精加工，也不能剃出一定齿厚的齿轮。
（6）剃齿刀齿形精度变差。
0 z0 B+ `# I, w8 A+ V5 v剃齿加工的问题与对策
( u. ?! j! q% \/ a1 i5 ?: o1.前加工齿形精度的影响
前加工中若有显著的齿形特征误差存在，剃齿后这个特征误差会复映下来。
2.剃齿刀齿侧径向跳动的影响
被加工齿轮齿形上产生波形，可能是由于剃齿刀齿侧径向跳动造成。加工的问题与对策详见表4。
0 i/ ~- i; i; S7 K3 Z$ b3 J表4 剃齿加工的问题与对策
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文章关键词： 齿轮