剃齿工艺的现状及其与磨齿工艺的比较

魔神

    1 引言
 
 众所周知，剃齿加工和磨削加工是两种不同的齿轮精加工方法。剃齿是在热处理前进行的（这也是剃齿加工受限的原因），而磨齿是在热处理之后进行的。近几年来，随着机械加工精度的不断提高、数控机床的不断完善以及加工软件的迅速发展，齿轮精加工技术得以不断发展，齿轮磨削精度、效率和各种功能已达到了极高的水平。由于新型陶瓷和CBN砂轮的使用，无论成形磨削还是展成磨削都获得了很大的进步，因此曾经有人认为，几年以后剃齿加工几乎会完全被磨齿加工取代，因为确实有很多过去用剃齿加工的齿轮现在改用了磨齿加工。但出乎人们的预料，目前在全球的齿轮生产中，剃齿加工还是最主要的齿轮精加工手段。
 
 2 剃齿工艺与磨齿工艺的对比
 
 齿轮剃齿工艺与齿轮磨削工艺并存的原因有很多，限于文章篇幅，仅作以下简单分析对比：
 
 （1）传动噪音的降低
 
 造成传动装置噪音的原因主要有：①齿轮的精度（包括齿形、齿向、齿距等）；②装置的精度（箱体孔系精度、中心距及其变动量）；③变速箱的结构（传动的刚性及变形）等。
 
 一直以来，齿轮生产商完全依赖齿轮磨削加工以改善整个齿轮的质量。但尽管磨削加工工艺在保证齿轮加工精度方面几乎完美无缺，可惜的是其加工费用及投资成本很高，难以用较低的成本获得高质量的齿轮。另一方面，高精度的齿轮并不一定会保证传动噪音的降低。
 
 随着数控剃齿技术的发展，借助于先进的数控剃齿刀磨床，如今我们可以在几十分钟内完成各种修形剃齿刀的磨削。与此同时，现在的剃齿机床通过程序可以控制所有的动作。也就是说，目前我们已有能力实现几年以前还无法实现的剃齿加工。虽然一些齿轮热处理后的质量还无法全面控制（淬火会造成某些齿轮、特别是结构不匀称的齿轮的变形，常见于车辆及拖拉机的变速装置），但我们通过将剃齿精度控制在5级并设置剃齿的反变形措施，可以将汽车齿轮、尤其是那些用于自动变速器中的行星齿轮的热处理变形降到最低，从而稳定齿轮的成品尺寸。
 
 采用先进的剃齿加工工艺可将齿向精度提高2～3个等级（DIN标准），把齿形精度提高2～3个等级（DIN标准），把齿距的精度提高1～2等级（DIN标准），使剃齿表面粗糙度接近磨削加工表面粗糙度（Ra0.4～0.6μm），通过细致的剃前及剃齿加工得到5级精度（DIN3962）的齿轮（齿轮的内在特点应该符合剃齿加工的使用情况）。
 
 为了降低齿轮的啮合噪音，我们通常要考虑到齿形和齿向的理论标准与实际情况。在剃齿生产时，必须检查啮合齿轮的啮合状况，有时还需进行齿形的特殊修形，以降低传动噪音。现在有了全数控剃齿刀磨床，这样的修形是很容易实现的。
 
 （2）热处理变形的消除或减小
 
 在中、大规模的生产中，通过分析研究因热处理造成的齿轮齿形及齿向的变形，可以在剃齿加工期间加以补偿量（反变形），以达到消除或减小热处理变形的目的。
 
 由于理论齿向会与实际测量的齿向有差别，因此通过对剃齿加工工艺剃齿参数及特殊剃齿刀的各方面控制，达到理想的齿轮齿向精度，同时降低传动噪音，实现用低成本的剃齿工艺加工出与高成本磨齿工艺加工的相同质量的齿轮，满足各种变速齿轮的质量要求。
 
 （3）数控机床剃齿加工工艺的优势
 
 ①可完成各种齿形、齿向修形，获得具有高精加工表面、良好齿形的齿轮；
 
 ②剃齿作为一种被广泛采用的齿轮加工工艺，具有加工过程灵活而迅速、生产效率高、自动化程度高等特点。可以将剃齿机床插入自动生产线；对刀具可实现物尽其用；
 
 ③加工费用低（包含机器折旧与工具费用），维修费用低，可降低成本。
 
 （4）齿轮剃齿工艺的适用范围
 
 根据齿轮标准DIN3962，剃齿工艺的主要适用范围为：
 
 ①DIN7～8等级：使用范围：质量要求不高的工业车辆、农业机械、拖拉机和机床齿轮；汽车变速箱、低速的减速器等；
 
 ②DIN6等级：首先通过剃齿加工达到5级精度，则热处理后达到6级是很容易实现的。使用范围：各种汽车（包括质量要求较高的汽车）的变速箱，工业车辆、机床、减速器用齿轮。这是应用最广泛的精度等级；
 
 ③DIN5等级：在剃齿加工后，通过对热处理变形的控制，保证经过热处理后的齿轮成品精度不会改变。使用范围：飞机的齿轮系，高品质汽车，公共汽车，卡车，量仪等。
 
 除此以外，有一些齿轮因不能磨削，也需要采用剃齿工艺来加工，如与大齿轮相连的小齿数齿轮或带台肩的齿轮、同步器等零部件。例如变速箱二轴的剃齿加工，被剃齿轮主要是用于车辆的传动装置。由于二速齿轮不能磨削，因此必需剃齿（一般来说用插齿刀加工的齿轮都不能采用磨削加工）。
 
 当然，对一些传动极大力矩的齿轮系（如重型卡车等）而言，尽管采用剃齿工艺同样可以得到最终要求的精度，但目前多是经过成形磨削加工的。这是因为成形磨削使齿轮的根部圆滑过渡，使齿轮变得更坚固，传动中打齿的风险也大大减少，因此较大模数（4～8mm）的齿轮通常采用磨削加工。此外，DIN4等级以上的齿轮必须要采用磨削工艺。
 
 近年来一项快速发展的新工艺———内珩磨工艺推动了齿轮剃齿工艺的大量采用。由于CBN砂轮珩磨加工去除的金属材料不多，珩磨齿轮的珩前误差也不能很大，同时CBN砂轮的价格非常昂贵，如果热处理造成的齿轮变形很大，为了便于切除材料，应在热处理前用具有变形补偿的剃齿工艺切除较多的余量，并有效减少热处理变形，这将有助于热处理后的珩磨加工。
 
 （5）对比实例
 
 同样加工自动变速用的行星齿轮，采用磨削工艺可以在大约一分钟内获得5级（DIN标准）齿轮；而采用剃齿加工获得同样等级的齿轮所需加工时间比一般磨削的减少13～15s。此外，剃齿加工仅仅需要一台机床，而磨削加工却至少需要三台机床，所以选择磨削加工的成本也是剃齿加工的两倍。
 
 鉴于上述情况，在选择齿轮加工工艺之前，首先应估算所有费用和利润。
 
 3 剃齿工艺的进步
 
 （1）剃齿刀的改进
 
 目前剃齿刀不像齿轮加工业使用的其它刀具那样有很大的进展（比如滚刀首先通过引进TiN、TiAlN、TiCN涂层，并允许采用切削速度近200m/min的新型高速钢材料，达到了很好的效果）。剃齿加工时，切除的材料不多，切削速度也不高，因此加工中刀具刃口的压力不大。尽管如此，有关专家仍觉得有必要使剃齿刀刃口更加锋利以便能降低损耗。剃齿刀的制造工艺没有变化，涂层工艺对剃齿刀也没有很大的作用（因为剃齿刀容屑槽的侧表面热处理后不再加工，表面较粗糙，TiN涂层难以贴附在该槽侧面上），因此专家们把注意力转到了改善剃齿槽的侧面粗糙度上。现在开发的数控梳槽机已使剃齿刀容屑槽侧面的加工表面粗糙度有了很大改变。此外，日本已有研究人员在有关刀具材料热处理后的液化氮深冷处理方面进行了试验。通过这种方法使剃齿刀材料的特性予以改变，平均使用寿命延长，剃齿刀的性能也有所改善。
 
 另一方面值得强调的是现代数控剃齿刀磨床实现了灵活性、高精度及快速。这三个主要特点使采用剃齿工艺加工的齿轮精度得到了显著的改进。这也是剃齿工艺没有被磨削工艺代替的另一个原因。
 
 （2）剃齿机床及工艺的发展
 
 近50年来，剃齿机床不断地发展，剃齿技术日益完善。最新的数控剃齿机床可以执行各种各样的剃齿加工程序（包括轴向剃齿、对角剃齿、切向剃齿和径向剃齿等），而且在对同一齿轮的剃齿过程中，可以从一种剃齿方法转到另一种剃齿方法。这些特殊的工艺过程都是在数控（NC）的直接监督和控制下实现的。数控剃齿的好处在于在剃齿过程中可实现切削速度、径向进给、行程等各种参数的控制，在剃齿过程中，进给量、切削速度和行程长度等参数都能进行改变，更便于我们选择不同的加工条件。在具体的剃齿加工过程中，除了上述标准剃齿方法以外，也可以选择“渐进对角剃齿（Progressive Diagonal Cycle）”、“不连续对角剃齿（Disjointed Diagonal Cycle）”、“混合剃齿（Mixed Cycle）”和“双联剃齿（Twin Linked Cycle）”等特定工艺。
 
 ①渐进对角剃齿
 
 对角剃齿时，在齿向上可能发生的鼓形由工作台围着中心的摆动来实现。这种动作是绕x轴线摆动而实现的，是在计算机控制下完成的。x、y、w三轴线的协同运动可造成鼓形或者在齿轮的双侧面形成锥角。如果鼓形相当大、拟切除的材料过量、要对齿轮进行多次摆动剃齿，可以设定x轴线的摆动次数以便两端的材料渐进地切除。
 
 ②混合剃齿
 
 众所周知，径向剃齿比切向剃齿所用的时间短，但加工表面比较粗糙。解决办法是通过径向切削切除大量余量，然后进行轴向或对角剃齿实现精加工。采用这种混合剃齿方法，可实现缩短剃齿时间和获得良好剃齿表面质量的统一。
 
 ③不连续对角剃齿循环、双联剃齿
 
 采用不连续对角剃齿循环和双联剃齿两种特殊工艺可得到不同的齿向修正。例如：用不连续对角剃齿把加工程序分成三段，并根据每段的具体加工标准拟订不同的鼓形和锥度要求。由此我们比较容易获得特殊及不对称凸形的齿向修正，从而能加工出与淬火后可能发生的变形相对应的反变形齿形，改变齿轮的啮合状况，降低齿轮啮合的噪音。