（机械制造及其自动化专业论文）硬齿面刮削插齿刀构形方法与刀具的研究.pdf

摘要 糖齿_ t - 艺是霉嚣黄轮加工不可缺少而且应惩鞠刍广泛的齿轮如工方 法之一。随蕾硬齿曲齿轮的广泛应用，硬齿的精密插齿技术的研究崴得 芄为壤要。奶于传堂充锥面硬蠢曲话鸯露毒誊翳影祷发与合理秘越氟度、 抗崩刃能力之间相曩制约的弊端，导致硬齿面插齿刀在插齿过程中椒易 裘刃，毒命较短，从而导致硬凑合金摄齿刀难娃在生产中掺广应爆，硬 质合金材料散用难蹦充分发挥。为此，本文研究一种新构彤硬齿面刮削 摇齿刀，使其蚕仅具瘴较高的构彤耱度而且具毒合理的切燃霸度。 本交跌运动学角度出发，根据微分凡何的包络原理，运用空间街面 族求包络面的运动学方法，建立砂轮铲磨硬齿面插齿刀前刀薅过程中砂 轮裁褥萄巍线族昀特征点、砂轮曲萄族酾特征线、砂轮曲面族包络确方 程。并在分析、比较的基础上，提出确定硬齿面插鼗刀侧刃空间曲线遥； 菰翡新方法，建立了插蠹嚣钢刃空阗曲线穷程，著对不霸捌辫空两婚线 进行对比。分别针对不同前刀面曲萄形状修整铲磨前刀面所用砂轮，并 豆对在不弱波形垂豳萌露番情藐下分折镬舞翦角、需领鸯沿镧刃翡变托 规律。设计并采用相应形状的砂轮及凸轮进行硬齿两插齿力制造试验， 蒡靖辑裁造酶拯蠹刀避卷捡测，验强疆 菪应髑及分辑结果趵正确强。 关键漏：磺爨覆刮粼矮齿群蟪征蔗特经缝毽终覆镪臻运馥 a b s t r a c t m o r ea n dm o r eh a r d e n e df a c eg e a r sa r eu s e dw i d e l y s h a p i n gh a r d e n e d f a c eg e a rw i t hh i g hp r e c i s i o ni so n eo ft h ek e yd e v e l o p m e n t so fg e a rc u t t i n g t e c h n o l o g y a t p r e s e n t t h e t r a d i t i o n a lc o n i c a lh a r d s h a p e r c u t t e rc a n t m a c h i n eh a r d e n e df a c eg e a rw i t hh i g hp r e c i s i o n b e c a u s eo ft h ei n v i n c i b l e a n t i o m yb e t w e e ni t ss h a p i n gp r e c i s i o na n dc u t t i n ge d g e sa n g l e s t oe x e r t c u t t i n gp e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r ，an e wp r o f i l i n gm e t h o d o f h a r d s c r a p i n g s h a p e rc u t t e r i si n t r o d u c e d s u c c e s s f u l l y ，w h i c hc a nm a k eh a r ds c r a p i n g s h a p e rc u t t e rh a v en o to n l yh i g hp r o f i l i n gp r e c i s i o nb u ta l s op r o p e rc u t t i n g e d g e sa n g l e s i nt h i sp a p e r ，t h ep r e c i s ec u t t i n g e d g ec u r v em o d e lo f t h es h a p e rc u t t e ri s c o n s t r u c t e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h er a k ef a c eo ft h en e wp r o f i l i n g h a r d s h a p e rc u t t e ri se s t a b l i s h e d ，w h i c hh a sp r o p e rr a k ea n g l e s ，b yu s i n g p r i n c i p l e o fe n v e l o p eo fd i f f e r e n t i a l g e o m e t r y m a dm o t i o n t h e o r y t h e d i s t r i b u t i o n so fh a r d s h a p e r c u t t e r s p r o f i l i n g e r r o r sa n dr a k e a n g l e s a r e a n a l y z e d t h et h e o r yb a s i sf o rs h a p i n gg r i n d i n gw h e e li sp e r f e c t e d t h ec a m u s e di nt h ep r o c e s so f g r i n d i n gh a r ds h a p e rc u t t e rr a k ef a c ei sd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e da c c o r d i n gt ot h ec o r r e s p o n d i n gt h e o r y a tl a s t ，t w ok i n d so f n e wp r o f i l i n gh a r ds h a p p e rc u t t e r sa r ed e s i g n e d ，a n do n ei sm a n u f a c t u r e d s u c c e s s f u l l yd u et ot h en e wp r o f i l i n gm e t h o d d e t e c t i o ni sm a d et ot e s tt h e r e s u l to f t h e e x p e r i m e n t k e y w o r d s ：h a r d s c r a p i n gs h a p e r c u t t e r sc h a r a c t e r i s t i c p o i n t c h a r a c t e r i s t i cc u r v e e n v e l o p i n gs u r f a c ee n v e l o p i n gm o t i o n 第一章绪论 11 齿轮切削加工新动向 2 0 世纪8 0 年代以来，随着全球化市场竞争的目益激烈，为争取技 术优势，各国纷纷开展先进制造技术的研究与开发。其中各种新的加工 方法和加工工艺得以迅速发展，比较典型的有( 超) 高速切削、干式切 削、硬切削、( 超) 精密切削加工技术等。同时，许多企业家都认识到有 必要把以单纯追求利润而制造产品的旧观念转变为以环保至上、消费者 至上的新观念。在齿轮切削加工过程中，大型；气车厂的各种制造现场， 以高速加工来减少能源的消耗，以更换切削油近一步优化环境，以干式 加工减少切削油的使用量等，这些环保课题都在积极地、配合地进行着。 其中，切齿加工如滚齿加工、插齿加工、剃齿加3 - 等从来都是大量使用 油性切削液的加工方法，而且在齿轮生产戍本中占的比例也犬，因而被 视为改善环境的重点l 。 1 、高速滚齿中的干式切削加工 在切削加工中，使用切削液对于降低切削温度、断屑与排屑、改善 零件加工质量均可起到重要作用，但同时也存在诸多弊端，例如：切削 液系统的购置、使用与维护需花费大量资金，增大加工成本；切削液需 定期更换、添加防腐剂等，增加了加工辅助时间；固切削液加注过程的 不连续性及冷却程度的不均匀性，使刀具产生不规则的冷、热交替趸化， 容易使刀具产生裂纹，引起刀具破损，从而降低刀具使用寿命；切削液 是机械加中的重要污染源，需花费大量资金进行防护和治理：为此， 作为一种绿色制造工艺的干式切削加工技术应运而生。 千式切削由于缺少切削液的润滑、冷却、冲洗和排屑断屑等功能， 导致刀具与工件、切屑之间摩擦加剧，切削力增大，切屑变形加剧、切 削热急剧增加，导致切削区温度显著升高，刀具耐用度降低，同时工件 加工质量不易保证。为使干式切削加工可以顺利进行，达到甚至超过湿 切削加工时的加工质量、生产率和刀具耐用度，就必须通过分析干式切 融的特定边界条件和影响予切稍的备种殴隶，寻求相应的技术解决方藁 及措施表旃补不使用切j | j j 液昀缺陷。 滚齿加_ 1 2 是播出非常厚的切屑的断续切鲫加工，圆_ 1 2 具齿顶部分形 成高温高压，所泓说是切裁加工孛蕊于非常惑劣昀加工方法之一。为此， 切$ 油的诈稿是j 常霪要的，多使璃在高温下可影戍固体润滑膜的j # 氯 颤骞扭钼系韧鑫 矮。另外，嚣为羔具弼砖材糟要巽有高镪拄，通常使嗣 昀是蕊逶钢，在英表族镀上硬质的筑亿物可挺高英耐磨挂，劳可实琨高 速加王及廷长使瘸寿审。羧秘放实用偬鲢t i n 镀藏，氯纯西始温度较低， 只有6 0 0 。c 一6 2 0 。c ，但切裁遗度超过t 0 0 m m i b 秘高速切利对，h t , i - 中 辑产生的切糕热使镀璇遘载速坏，工具寿命也大史下降。通常，滚刀的 需刀萄需要璧磨蜃继睡使瘸，嚣在嚣涵没蠢旋蔟，旨筝刀蠡会发生菇爹洼 磨损翰变滠。因为切削, y 逮鳃缺释会产生走髓磨攮，所以，需要具有耐 月牙洼磨损的优良工吴榜辫。不过，軎渗碳钢戆滚刀切列加工孛发爱予 式切削加工比湿式加工的只矛洼縻损约减少一半。 2 、硬滚刀切削加工 硬切蛾是糖对高硬度材料直接进行切划加工。硬切削避常可直按作 为最终鞲加工工序。自磨剡稳比，硬切鄯具有：如工灵活挂强，耪度易 于保证；硬切黼的加工成本低于摩黼( 通常仅为摩削蟾1 4 ) ：硬切刺不 需要挚霸机泰、刀县和夹具，在瑰有加王谈静上即可宾琉：硬切割的生 产效率高于磨龋；磨瓣产生的磨鹰与瘊液混合物势污染环境，难以处理 争再剥弱：赫缝韬利势于嶷跷于式劭潮，产生的切躇可再剥鞠。由于硬 切嬲具有以上优势，霹诧“以惦代蘑”已成为弼裁力。工的发展趋势之一。 躁蓠弼超硬滚霹遗行切溅拳玉鞠铡予遗不多，但王翼和加工设备 在援拳方瓣都进入了安霸除袋。在巽有丙争煞龟襞岛耐卷刃的坚霹的起硬 滚刀上，镀上a i 、鞭) n 镀溪到威奇迹瀵露旺薅奇邃滚刀可以进行切 蜊速凌为3 0 0 r 0 2 m i n 3 5 0 n v m i n 的翥速予式加工。帮便是起硬掰辫，在 超过3 0 0 r r t m i n 的葛速务，f 串下，由于镀膜鲢耐黪援性黥、霹高温氧纯性不 霸，箕产生的影响也太。( a l ：t i ) n 镀璇麓巍速钢滚刀一详具有 常好 的耐黪损性能。由于超硬滚刀每被切削拷姆敏亲和瞧小，使罔裹逮钢滚 刀酌予式加工中就幂存在鬯蘑上的鼯罄阚题，瞌薅可褥到 常好镌切骞 袁鼬随着高目4 性超硬滚齿机的出现，超硬滚刀的需求也会慢慢地增加“ 用超硬滚刀滚啬，受齿轮材料的切朝槛能影响狠大。尚高速钢滚刀的千 式加x - 一样，馨要的是开发出适合于超硬滚刀切削加工用的齿轮材料。 3 、插齿加工 鑫为韧鲻速度低，切鲻辫疆处蓉易影戍7 i 瘦，在切溅孛刀吴后刀蕊 与加3 - 齿面的摩擦面走。由于用同一切剞刃口连续加工，故加工中的热 影响较大。为此，切削油所具有的冷却作用、润滑作用及抑制刀瘤的作 用等对切齿加工是必不可少的。插齿刀与滚齿刀一样，通过( a l 、t i ) n 绞菠使后刀螽的耐磨损缝礴以提高，跌褥能适应予式加工，但仍有许 多有待解决的问题。 4 、剃齿加工 在切齿加工中最需要f f l 切蜊浊砖是裁蠹加王。裁轰加工是锯齿彤刃 凹”j 的切巅加工作角与后刀葫的压光作用麓时进行的加工发法。因要求 其加工袁面精度安达到几微米的精确程度，必须瞬时排屑以防咬合，切 a 嗡自在高压接触的金属面间发挥的润滑作甩也非常重要。匿此，剃齿加 工要实爨于式切懿加工是霉常霆碴戆，凌在正在透行善嫡蛀切嗣秘殁为 水溶性切削油的实验。 面向2 1 世纪，切齿加工中也必须把环保问题列为靛蹙要的课题采加 以研究。过去在切利加工时，切削工具与磷轮靖势之霹有切划浊，出于 这种切翻油具有各种特征，故吴有缓冲材霉争作用。但在干式切削加工中 就不存在这种缓冲材料。作为解决环保问题的方法，预料今后将从飘系 向非氟系、从油性向啦溶性、从湿式加工向干式加工逐步转变，切削油 馋为缓冲榜势秘诈嗣骛透驽减少。而双弦臻强多妁妻轮耪料主要考虑齿 轮强度，今后舞求开发齿轮材料则要更加霞视其切削性能。另外，应注 意开发能适合于干式加工的齿轮材料，开发适合于该齿轮材料用的切削 工具，选定适合于齿轮材料与使用的切削_ t - 具的加工条停。为此，各研 究单位的相互繇合显得充为妻要。 1 2 硬齿面齿轮及其工艺特点概述 随着汽车工业的发展，特别是轿车生产中对变速器齿轮精度及机械 蛀能的要求越皋越高，齿轮正朝着高精度、低噪声、高承裁、高运度、 轻量化及长寿命方向发展。因此，高精度硬齿面齿轮将得咄广泛的应用。 硬齿面啬轮是糖表面硬度在h r c 4 5 6 4 的齿轮。硬齿交齿轮的齿委 接触疲劳强度和齿根抗弯强度都很高，但是接触应力和弯曲应力的大小 孝口精度是密切莲爨关鹋。齿轮和箱体等砖铡遣装配误薹以及安装误差均会 引起齿面和啬根的局部过载，从而影响齿轮舞际承载能力。硬齿面齿轮 只有在毫精度醍每停下，其承裁能力离的特点才能充分发撂。由于硬齿 面齿轮的跑合性能比软齿面齿轮差得多，所以由于精度低造成硬齿渤齿 轮承栽能力下降，其后果要比软齿蕾齿轮严鼙褥多。可以说今后硬齿西 齿轮加工工艺的研究重点，旨在提高制造精鹰。 同时，对与重载齿轮，特别是硬盘面齿轮，由于其弹性变形很大， 跑舍性能又搬差，为了减少由于齿轮受载变形所； 起的啮八啮出冲击， 改善啮合过程中齿面栽荷分配特性，减少震动噪声和动载，以及系统受 载雯形后，裁荷沿齿宽均匀分布，有必要进行齿廓修影；由于硬齿黝的 表面粗糙度对齿面的承载能力的影响很大，因此，要求硬齿面较软齿面 具有更低秘表两粗髓度数值。 由于硬齿面齿轮的广泛应用，硬齿面齿轮的高散、清洁加工方法的 研究棱普遍黧享琵。硬巍面赣加王逯常采餍蘑蹦工艺，帮齿轮在淬欠前进 行粗切齿，淬火后用磨齿的方法精加工。此工艺的特点是效率低、成本 毫，英应焉受截很大翡隈裁。”2 0 世纪7 0 年代，国爨跨开始采爰硬赝合 金刀具精 s 。y - 的研究，相继开发了硬质合金滚刀、硬质合金插齿刀等精 切硬囊西毒轮的錾技术，璁已取碍了一定砖蔽效，坟王艺上保证了淳硬 齿轮的广泛应用的可能性。但是到目前为止刀具都存在易崩刃、寿命短 的问题，使这类刀具帮使在稳定的工况上也难于使餍。 辩前，髓质合金刀具加工过程中主要损伤的发生原因已能解释清楚 p j 。得知尤其是在高逸钢滚刀加工申，基于滚刀争毅加工材精的亲合性 的损伤在硬质合金滚刀加工中是极其重要的。适宜的硬质合念种类和滚 4 削条件因被加工材料的成份、前处理工序而异，将硬质合金刀具投入生 产前，嗣模拟豹7 3 巽一刀齿的飞z j4 数基菇切躺试验的方法，在新7 具的 开发过程中是值得借鉴的。同时也加快了很多复杂刀具的硬质合金化进 程。 刀具涂层技术取得重大进展“。出前p v d 涂层技水在改进控制技术、 提高等离子傣密度、提毒磁场强度、菠透弱极靶麓影狡，卖现适程的诗 算机全自动控制等美键技术上取得了全面进展，从而使涂层与肌体的结 合强度、涂屡的性缀有显著的提高，涂层砖蒜赞也反常规竣t i n 、t i c n 、 t i a l n 迅速扩展到特殊t i a l n 、a l t i n 、t i a l c n 、c r n 、c b c ( d l c ) 等飧层，并能对涂屡砖纽份、百分比、熊拘在更大范萤内加以控割和改 变，以适应不同的被加工材料和不问的切削奈件，从而显著的提高丁刀 具的切削性能，使涂层技术黠刀具材辫的“改性”作用迭1 4 了馥蜗警， 开拓了更大的空间，成为当前发展高速切削、硬切削、干切削中一项十 分关键的技术，处在切燃技术发展的前沿，照示出基欠的发展潜力。以 及当前市场上流行的五辐联动的数控工具磨床所具有的超强加工能力都 为新型齿轮刀具的开发与应甩奠定了雄厚的基础。 3 疆蠢嚣擂裔技拳鼹磷究奄发袋 i ) 箍誊技幂在齿轮加工申的地位 齿轮是应用非常广泛的骧要传动元件“，目前，在机械制造中，绝 天多数齿轮郎采嗣切掰加工方法钢逸。按其工作原瑷，可将切削加工方 法分为仿形法和展戍法两类，其中用展成法加工齿轮是目前齿轮加工中 应矮最普遍的方法“，它是利用一对齿轮啮合或齿轮鸯齿奈嘧合的工作 原理来加工的，如滚齿、插齿、剃齿及梳齿等工艺方法。对于插齿“1 工 艺来说，由于糖壹跨嚣翼载巍距累积误差和瓿寨传动链误差都将反姨l 被加工的齿轮上，因此插齿刀不易加工出精度很高的齿轮，典加工效率 亦搬对低于滚齿王艺。滚齿生产吴耆高效率、高精度及加工范盈广等待 点，因此滚齿工艺是密际生产中应用最为广泛的切齿方法，在齿轮加工 中一蛊居优势地位。然而有些情况，特别是时内齿轮、玲梯齿轮或多 联齿轮、元室刀礴的人字齿轮及莱些 标凑巍轮粒加工，插蠹加工方法 具有不可替代性，嗣而插齿工艺在蛰个齿轮加工业中仍占有很大的比例 随着工囊技书拳乎黩提筠，撼壹援拳也褥爨黎炙发展，对瑟齿执暴 和秘蠹刀具璐有效改选，使程英生产效率和加工精度与滚齿生产弱差距 日益缩小，加之其所具有的0 i 工特性，在实际盎产中至今仍被广泛采用， 鑫此+ 它是一种不可驭代的卺稔加工技拳。 2 ) 硬齿商插荫技术的簪内外现状 齿轮是瓿械谤动i 奇主要形式，是氟器秘豢破锌。涟着科学技拳的发 展，齿轮的传动装置朝着大功搴、小体积和离寿命方向发展，这就时齿 轮的承裁惫力、使弼毒令、稍遭砖受等方灏鼹垂了越拳趱裹麓要求；为 了满足这些要求，硬齿面齿轮获得越来越广泛的应用43 。而硬齿面齿轮 的精加工g 成为齿轮加工技泰发展雅重点”。伴随番新挺摩糟扫刀具耩 精滋及握关技术和设务的发展，也逶之产生了对硬费彝齿轮嬷加工的多 赞方法。传统上多拳麓普通摩蠹法、嚣蠢浚。近争拳，在汽车葶韭走量 生产中，主要采用蜗杆砂轮磨齿机磨齿，它是磨齿工艺中散率较高的， 同时为了提高硬嵌鼹费轮的加工效率，满足各砖硬齿藩加工娟需要，许 多黧褰致力于各：盼奶朝方法翡耢究双客瑰旋齿翦酶翕效加工。迄今为止， 用硬质合金刀具避行硬齿面的滚齿、襁齿、剃齿等均有了很大砖成娥， 扶工苞上保诚了淬硬费轮广泛应用的可能性，尤其适用于申小批生产规 模的机械制造工厂，可取得投资小，霓效快，获得较高的竣拳、经济效 益鳓效莱”。 硬齿面珩齿加工能加工6 7 级精度的落轮，不仅能加工淬硬的蛊 鸯，料齿、簿藏畿轮，而显铯缝正毒轮预加量时的各项谈差，常用于精 密和高精密齿轮毂加量。硬蠢裁滚蠹如工广泛嗣5 - 模数为斌2 卿4 e ，齿 蠢斌受为h r c 4 5 6 4 各静硬嚣面鑫穗齿轮的半精滚和精滚加工，由于滚 齿加工能有效的纠正热处理变彤，使齿轮恢艇到热前精度，因此，可用 于加工5 6 缓精度齿籍； 插齿技求是罄前离精度硬齿面齿轮加盖的一种广泛威用的切齿方法 “】。硬齿面插齿加工对于硬齿面的直齿外齿轮、内齿轮、双联( 三联) 或带台肩齿轮都能方便的进行齿部加工。在加工6 、7 级精度的一般齿轮 时，与传统的磨齿工艺相比，其加工设备简单、操作方便、效率高、成 本低：与传统的滚一剃一珩切哿工艺和新开发的硬齿面滚一珩x - 艺相比，其 工艺过程简单、操作容易、加工成本较低“，而且插齿刀的精度储备较 大，新旧插齿刀的使用精度比较稳定，因此加工精度较高。 硬齿面齿轮的精插削是指用硬质合金插齿刀精加工热处理后硬度为 h r c 4 5 6 4 的硬齿面齿轮。目前，标准的插齿刀只能用于加工中硬度齿 面的齿轮。硬齿面插齿刀的研制，国外起步较早，德、日、前苏联等国 早在7 0 年代就开始此项目的研究，现已进入应用阶段。国内开始于8 0 年代中期，目前正处于研制阶段，并已取得了显著成果。如内蒙古第一 机械制造厂采用7 58 刀片制造的压配式插齿刀( 采用平前刀面) 加工硬 度h r c 6 0 的齿轮( 18 c r n i4 a ) 达到8 级精度；成都工具研究所用a a 级 硬质合佥插齿刀加x - h r c 4 5 6 2 的硬齿面齿轮，加工精度可达6 7 级 ( g b l 7 9 8 3 ) ，表面粗糙度违到r a o 4 0 8 埘2 ；瑞士m a a g 公司研究的 硬齿面梳齿法，可加工m 6 m 5 0 ，硬齿面硬度小于h r c 6 5 的齿轮，精度 可迭5 6 级( d i n 3 9 6 2 ) ，与磨齿相比，加工时问可减少3 0 4 0 。但 这些插齿刀突出的问题是极易崩刃，寿命较短( 即使采用一5 。径向前 角) ，从而导致硬质合金插齿刀难以在生产中推广应用，硬质合金材料效 用难以充分发挥。 大圆周进给量插齿方法的开发成功使插齿技术得到了重要进展 ”。采用大圆周进给插削齿轮时，插齿刀的切削负荷比滚齿加工大的多。 切削速度超过5 0 m m i n ，圆周进给量增大，插削出的切屑变窄变厚，引起 刀具磨损状态的变化。前刀面上磨损形成的月牙洼的深度减小，月牙洼 最深处离刀刃较远，磨损区沿整个刀刃均匀分布。由于切屑变厚，容易 发生磨损，但插齿的啮出侧刀刃部的磨损有所减少；同时由于单个刀刃 的切削面积为传统插齿方法的1 5 倍以上，切削负荷集中于顶刃，容易 发生由热冲击和切削应力集中造成的刀具破损。前7 1 面磨损造成的月牙 洼虽然变浅，但磨损区的材料软化却深入到刀具材料内部，要注意在刀 具重磨时将软化层除去。采用c a e 技术在切削负荷、应力预测，刀具材 料选择、热处理方法等方面进行分析，找出对策，就能延长刀具寿命。 此外切削形状数值模拟程序与大圆周进给下刀具返程干涉校验程序的开 发成功，能有效防止7 3 具异常磨损和突然失效等现象。由于插齿刀在高 速断续切削条件下工作，要求耐热龟裂性高，韧性高，研究表明粉末冶 金高速钢适于制造插齿刀，在最佳热处理条件下提高材料性能后，可使 用于6 0 以上的插齿刀制造。随着刀具材料性能的提高，插齿刀的表面 处理也由t i h 单层涂层向多层涂层、复合涂层等方向发展，表面处理技 术向多样化发展。 3 ) 插齿刀的发展方向 近年来，由于机床设计的改进和技术的发展，在生产中采用新型的 高速或c l q c 高速插齿机床已成为一种趋势。在一些x _ 3 k 发达的国家，如 德，美、日，英等国，已得到较为普遍的应用，插齿生产的效率和精度 都在逐步提高。为了充分发挥现代机床的效能，开发和制造与之适应的 新型插齿刀具，已成为刀具研究和生产领域面临的重要课题之一。 插齿刀的发展主要在以下三个方面进行：刀具材料、刀具结构和刀 具几何参数改进。在刀具材料方面：高速钢插齿7 1 由于受切削速度的限 制，已满足不了现代插齿工艺的要求，因此，为了改善这一情况，通过 大量的研究和实验，已探索出两务切实可行的途径：第一、采用硬质合 金材料，第二、采用喷涂材料。两者均可提高刀具的切削速度和耐用度， 在实际生产中已取得令人满意的效果；结构设计方面：应用新型刀具材 料的基础上，采用新型机夹、焊接、粘接工艺的装配式刀具结构，已在 实际生产中得到应用，并收到良好效果；刀具几何参数改进方面：刀具 的几何参数包括角度，刀面形式，切削刃形状等，据国际生产工程研 究会资料介绍，刀具几何参数和结构的改进对刀具的耐用度每隔十年会 提高两倍”“，一些先进7 1 具的出现都是从改进7 1 具几何参数着手的。 随着硬齿面齿轮应用的越来越广，硬齿面插齿工艺也越来越受到齿 轮制造业的重视“。而硬齿面插齿加工的关键在于硬质合金插齿刀的设 计一制造及合理使用。对硬质合金插齿刀，虽然硬质合金材料具有耐磨 性、耐热性好，允许选用较高切削速度等优点，但其抗弯强度低，冲击 韧性差】。为此，切削部分采用硬质合金材料的插齿刀须采用绝对值较 大的径向负前角，以提高插齿7 1 抗冲击、抗崩刃能力，延长刀具使用寿 命，同时发挥硬质合金材料的切削性能。另一方面，基于齿轮啮合原理“ 切制齿轮的插齿刀( 渐开线型) 须保证切削刃刃口曲线在前端面上的投 影为渐开线，这时插齿刀便无设计误差。然而，在一般的高速铜插齿刀 ( 正前角) 的传统设计方案中，由修正基圆半径或齿形角等近似方法得 出的公式和算例知，设计误差对一般插齿7 1 已是不小”，因而采用越大 负前角的硬质合金插齿刀，其构形精度将越低。为了解决插齿刀( 包括 一般高速铜插齿刀) 构形精度与采用合理切削角度以发挥刀具最佳切削 性能这一问题，成为近年来国内外插齿刀设计制造研究的热点问题。这 一问题的解决办法大致分为以下三类： 第一、改变插齿刀现有设计误差的传统设计方案。 如哈尔滨工业大学的唐余勇等人运用微分几何理论推导出适合任何 齿形的插齿刀设计、制造的几何模型“。该新方案的设计原理是：视被 加工的齿轮不动，插齿刀运动可视为插齿刀沿齿轮轴向作高速往复直线 运动，同时相对齿轮节圆作展成运动，而由于轴向运动极快，故其所得 创成表面近似于柱面。因此求插齿刀的刃口曲线可归于依被加工的齿轮 齿廓曲线求与之啮合的曲线问题，并以此曲线为准线，使之；吕轴线方向 运动，求出创成表面，则要求的刃口曲线就是创成表面与插齿刀前刀面 一锥面的交线，而由历次重磨所得的刃口曲线所形成的曲面就是插齿刀 的后7 1 面。由于顶刃后角的存在，上述各刃口曲线对应着不同的变位系 数，从而也就有了一定的侧刃后角。该新方案所得各刀口曲线( 历次重 磨所得) 在端面上投影是与被加工齿轮正常啮合的齿形曲线，不存在设 计误差。由于无设计误差，硬质合金插齿刀的前角可取至一3 0 。，固而可 以充分发挥硬质合金材料的切削效用，延长刀具使用寿命。但按此方案 设计只有在数控机床上才可获得高精度硬质合金插齿刀，而国内现状还 不能在短期内完全做到，必须就现有专门设备探讨相应制造问题。相应 制造原理是：以硬齿面中心为接触点求砂轮近似截形，再按变位系数为 零的刀口曲线上造形误差小于1 0 。 f m 来修整砂轮。对于硬质合金插齿 刀，即使是渐开线形，按此法所得砂轮截形也非直线，需要设计专用磨 制机构，或用直线形砂轮来代替非直线型砂轮，也可磨削出高精度的括 齿刀“”。 新设计方案突破了传统渐开螺旋面后刀面的插齿刀( 渐开线型) 设 计理论，是插齿刀技术发展的一大突破。但由于目前我国设备落后，该 新型插齿刀的工业实现较困难，对小批量生产更是不经济”“，因而目前 难以推广应用。 第二、改进插齿刀切削部分的结构形状。 主要是改变前刀面形状即前刀面不再是单纯的圆锥面而是特别的形 状。如双圆锥形前刀面的插齿刀”1 ，特形曲线外形( 凸或凹) 前刀面 的插齿刀( 俄) ”，变前刀面和后刀面的插齿刀，成形前刀面的插齿刀 。1 等。这些插齿刀提高了主切削刃齿形的精度并增强了刀具的耐用度， 是属于有发展前途的新型插齿刀。 目前比较有影响的是双圆锥前刀面插齿刀，全国高技术产业化协作 组织( c f i c ) 于2o o o 年推出了这种插齿刀“。该种新型插齿刀用双圆锥 前刀面代替现有插齿刀的单一圆锥前刀面，形成双重前角，这样给新型 插齿刀获得优良的切削角度及较高齿形精度创造了条件。该新型插齿刀 有下列性能特点：有最适宜的几何角度，第一、第二前角可分* t 3 增至 9 。、l5 。，齿顶后角增至9 。1 0 。；齿形误差大幅度减一j 、，仅为普通 插齿刀的20 一5 0 ；切g i , 3 功率降低3 0 ，切削温度平均降低2o ： 刀具耐用度平均提高6 0 。它在各种规格的外圆柱直齿轮高速铜插齿刀 上都适用。但对负前角锥面的硬质合金插齿刀，该方案是否可行是值得 商榷的。 第三、对现有插齿刀的某些齿形参数加以修正，以减少设计误差并 尽可能改善刀具的切削性能。 近年来在生产实践中获得的这方面的成果多种多样：有重新修正齿 形角的“”，有对齿形角进行二次修正的，有把顶刃后角增为9 。并精化 造形误差的”，还有一些综合各种参数运用优化技术极小化造形误差的 ”。如此多的齿形修正方法，本质上只是对影响齿形精度或刀具耐用度的 压力角、基圆半径后角、变位系数、齿厚等的修正，在综合提高插齿 刀的齿形精度和切削性能方面，还显得不够完善，因而在生产应用申至 今未能得到统一。 尽管高精度硬齿面插齿技术的研究与应用都取得了很大的进步，但 由于受制造工艺水平和经济实力的约束，在国内齿轮生产行业中，仍无 法普7 l t , l 4 l 插齿机床和硬质合金插齿刀具的应用，通用插齿机床和高速 钢插齿刀的使用仍占主导地位“”，传统插齿刀具的制造工艺虽已日趋成 熟，可是其在设计精度和切削性能上仍存有缺陷，因此，开展高精度硬 齿面插齿刀具构形新方法及精密加工技术的研究，不但具有较高的理论 价值，而且具有广泛的实际应用前景。 1 4 本课题的主要研究内容 由于硬齿面插齿工艺在齿轮加工申的独特地位，随着机械工业的发 展，硬齿面插齿刀的研制将越来越受到齿轮制造业的重视。 传统的硬质合金插齿刀的刀齿前刀面为圆锥面，而刀齿两侧面，即 刀齿侧后刀面均为渐开螺旋面，左侧后刀面为右旋，右侧后刀面为左旋， 而刀齿两侧刀则为圆锥面与渐开螺旋面相交而得的三维空问曲线。只有 硬齿面插齿刀前刀面改为垂直于插齿刀轴线的平面时，与倒后刀面相交 而得的左右侧刃才与理论渐开线( 齿形角为2 0 。) 相一致，此时刀齿构 形误差( 也称齿形设计误差) 等于零，构形精度最高。但是由于硬齿面 插齿刀的径向前角也等于零，这将削弱硬质合金刀具的耐磨性与抗崩刃 性能，这是受冲击较大的硬齿面插齿刀所不能允许的。 目前，国内外已有的硬齿面插齿刀切削部分多数采用硬质合金材 料，其主要技术特征是前刀面为圆锥面，以便使7 3 齿顶、侧刃形成强要 的径向负前角，即切深剖面前角y 。这样做，意在提高硬质合金切削部 分的抗冲击性能，提高侧刃的抗崩刃能力，延长硬齿面插齿刀的使用寿 命。但由于所取径向前角的绝对值较小，为一5 0 ( 换算为主剖面前角y 。、 齿顶只有2 。多，到基圆处减小到0 。) ，此种作用有限。之所以不能把y 的绝对值取得再大些，是因为y 。的绝对值取得越大，引起两侧刀在端平 面上的投影与理论渐开线齿形的差异越大，即设计齿形精度越低，加j - 出的齿轮，其齿形误差越大；这是齿轮啮合过程中所需要的平稳性所不 允许的即使只取y ，：一5 。，所导致的插齿刀构形误差也已不尽人意， 模数较大时，更是如此。简言之，国内外已有的硬齿面插齿7 2 ，由于在 构形理论与方法上基本上与传统齿轮插齿刀相同，故尚存两方面不容忽 视的弊端：两侧刃主剖面前角k 的绝对值太小，不仅有碍于硬质合金 刀具材料固有性能的充分发挥，还因有时产生微崩刃而使刀具寿命缩短： 构形精度太低，即使y 。= 一5 0 ，所导致的两侧刃构形误差仍然较走， 甚至比a a 级( g 1 3 6 0 82 - 85 ) 标准插齿刀所允许的齿形制造误差还大，无 法保证加工出6 级精度( g b l0 0 95 - 88 ) 的硬齿面齿轮。 针对现有插齿刀的上述弊端，本论文提出一种抗崩刃能力更强、耐 磨性更高，而且设计齿形精度可以大大提高的硬齿面插齿刀构形新方法， 研制出该种插齿刀，以满足插削6 7 级精度( g b l 00 95 - 8 8 ) 硬齿面齿轮并 达到实用要求。硬齿面插齿刀新构形方法，就是以波形凸曲面作为硬齿 面插齿刀刀齿的前刀面；插齿刀的顶后刀面仍然是圆锥面，构成顶刀后 角，通常也选为6 。；与前刀面和顶后刀面相毗邻的是分布在齿顶圆柱 面上的近似等宽的顶刃刃带；刀齿侧后刀面为渐开螺旋面，左侧右旋， 右侧左旋。 新构形法硬齿面插齿刀的意义在于：突破传统硬齿面插齿刀设计理 论中一贯采用平面或圆锥面作为插齿刀前刀面的观念，而是选用一种特 定形状的波形凸曲面作为插齿刀每个刀齿的前刀面，形成一整套新的构 形理论与方法，从而使硬齿面插齿刀的切削性能和构形精度太幅度提高。 本丈将为新构形法硬齿面插齿刀的研制作如下具体工作： 1 、在理论研究方面，针对现有加工方法，将修整后的砂轮铲磨硬齿 面插齿刀前刀面过程简化为空间曲面族包络问题。以微分几何的包络原 理”“为基础，从运动学角度出发，分析影响工件已加工表面形状的几何 因素和运动学因素。根据包络原理中曲线族( 包括空间曲线族、平面曲 线族) 的特征点、曲线族的包络线、曲面族的特征线及曲面族的包络面 相关知识，使具体加工过程与包络原理二者紧密联系在一起，将微分几 何知识应用于解决实际问题之中。运用空间曲面族求包络面的运动学方 法，建立砂轮磨餐播齿刀前刀面过程中，任意时褰砂轮截面图曲线耱征 点方程、砂轮曲面特征线方程，包络面( 前刀面) 方程。同时，在分析、 比较基础土提蠹确定穗齿刀恻刃空藏薅线彤拭鲢瑟方法，筹建立髑刃空 间曲线数学模型。建立根据包络运动和一系列砂轮截面圆曲线特征点坐 辑馕为已知案件豢鼹砂轮廓彤镑数学模型，靼建立起矽埝修蘩的理论基 础。基于上述理论，设计硬齿面刮削插齿刀，修整砂轮。并且针对不同 情况分析插费刀侧刃嚣角及英沿侧刃媳变化规律。 2 、在实际加3 - 方面，设计、制造出磨削插齿刀前刀面所用的砂轮和 凸轮。按照新掬形理论与方汝加工硬鹰面括襄刀，蒡对该硬痰合金撼齿 5 7 的精度进行检测，验证是否达到a a 级插齿刀的要求，同时，验证理论 应用及分析结果的正确性。 簟二章硬也面刮削插齿刀构形方法 2 1 传统硬齿面插齿刀的构彩理论 撼齿7 3 就像一食磨有前、后角南影戍切4 刃的齿轮，它是根据展戍 原理与被加工齿轮啮合来插制齿轮的。标准插齿刀的主要技术特征是其 前刀曲为圆锥面，使顶刃和侧刃形成径向前囊，即协深剖面前角、，。齿 嘲 表面是渐开螺旋面形成侧刃后角g 【。，两侧齿面螺旋角相等但螺旋方向 相反。顶刃居刀面亦为一圆锥面，形成顶刃胎角c 【。 括齿刀切扪齿轮对，切削刃运动轨迹形成一个齿轮，称为产形齿轮， 直齿插齿刀切削刃在端面的投影就是产形轮的端面搬形。要加工出正确 的渐开线齿彤齿轮，和它共辘的产形齿轮齿形必须是渐开线，敌插齿刀 切削刃在端面的投影必须是渐开线时插齿刀才没有构形误差( 也称齿形 设诗误差) 。但由于韬齿刀鸯蒋角奔口露角，这妊蒋； 起褐影 芙差。如暴径 向前角y 。= 0 ，插齿刀端剖面中的齿形是渐开线，没有构形误差。对于一 般鞠高速镪臻齿露，其莆力静常常设诗或y ， 0 。翡黉锥面：对于硬壤合 金插齿刀，为提高插齿刀的抗崩刃能力，其前刀面须设计成v 。 0 。的圆 锥彝，它们争后刀蕊一澎矛螺旋函醍交线( 秘絮刃) 在端函中的投影已 不是渐开线，即存在构形误蔗。 以下逐步终导受蓠蠢锥彩羲刀巍( 传统翰形法) 硬齿萄糖齿刀的掏 形误蔗计算公式。 ( 1 ) 知图2 。l ，过受羲惫鹈齿刃露交磺刃锋端割蠡0 - 0 莆端交) ， 它与刀齿的丧侧渐开螺旋面相交成渐开线a b ，以0 - 0 械面为极坐标平两， 并令o , y 轴遗过澌骨线a 8 款起点，剃淑舞线a b 鹤板坐标方程为： j t 尹 o y 。i n v o t y = t a nc z p a y c o s 搿。= 量) 。 2r oe o s g 0 , - - - 嘲论澎开线矗鐾上任意一点m 的展贾叠 口，删e 论渐开线a b 上任意一点m 的压力角 v - - - - 一- 理论渐开线a b 上任意一点m 的半径 n 一- 理论渐开线a b 的基圆半径 一一一击齿刀分圆半径 口一- 理论渐开线的分圆压力角 ( 2 ) 离0 - 0 截面b 处作任一平行截面i - i ，通过切削刃上的一点 m ”设m 。到插齿7 轴线的距离- 为半径r 。截面i i 与7 7 齿侧面的交线在 右边投影图上为渐开线c d 上的下半段d m ( m 为m 。的投影点) 。 aq ) 一 n ，畦t 图2 1 负前角锥形前刀面插齿刀的齿形误差分析 由于刀齿侧后角的影响，m 点所在的渐开线c d 相对于m ，点所在的 渐开线a b 转过了角度a 击： 西：m m ：a b t a n , 8 -厂。 而 6 = ( 一) t a n y ， 阶ifovtant a n 尾专，t a n c r ，t a n o t ， 成。尾= 旦。 。* r 、 式中：风一一渐开螺旋面上任一点m 。的螺旋角 卢。一渐开螺旋面上分圆处的螺旋角 。一插齿刀顶园半径 所以 西=( _ 。一r o 。) t a n y p t a n a t a n a p ，o 令常数 ，t a n y p t a n a t a n 口p e = j 2 0 则切削刃上一点m 在端面上的投影方程为 0 。= 0 一( r o 。一) k ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 此式即为切削刃在端面上的投影方程式，即a w 的方程表达式。由此式可 知：切削刃在端面上的投影曲线偏离渐开线的程度，随v 。和d 。的增大 而加大，并随r 。的改变而变化。 为比较切削刃投影线与理论渐开线的误差，将切削刃投影线a w 绕 0 。占、旋转至渐开线a b 与分圃的交点g 处，并标记为a w ( 如图2 1 中 虚线) ，这时从7 即为插齿刀顶圆处在圆周方向上的齿形误差f 。b w 7 即为基圆处的齿形误差f 。 ( 3 ) 为了减小插齿刀的齿形误差值，负前角插齿刀也和正前角插齿 刀一样，采用了齿形角修正的方法。其实质是改变插齿刀的分圆齿形角， 使得插齿刀切削刀的投影曲线在分圆上与理论渐开线相切。按正前角插 齿刀的修正齿形角求法，可由切削刃的投影方程导出负前角插齿刀分圆 齿形角的修正计算式： tan盘 t a n 口。= ( 2 5 ) 。 1 一t a n y t a n a 。 、。 式中： 口。7 螂形前刀面插齿刀齿形角的修正值 a 一被切齿轮的分圆压力角 r ，一一插齿刀齿顶前角( 含负号) ( 4 ) 修正插齿刀齿形角后插齿刀切削刃在端平面投影的分圆压力角 正好为口，这样使可切制分园压力角为口的齿轮，但在齿顶和齿根处仍 存在较大误差，以下分析之。 如图2 2 ，修i f _ 齿形角后，相应的基圆半径为r ，切削刃投影曲 线变为a v ，其上任一点的半径为r 。，其与y 轴夹角为o 。，相应压力角 为a 。 根据式( 2 - 4 ) ，切削刃投影曲线a v 的极坐标方程为： o 。= o 。一( 7 磊一勺) k 。= i n v c t 。一( 。一，) 尼。 ( 2 - 6 ) 式中： k 。= t a n y p t a n a 口t a nc z 口 ( 2 - 7 ) ( 5 ) 为了求得修正插齿刀齿形角后，切削刃投影曲线a v 相对理论 渐开线a b 的齿形设计误差，使a v 上分圆点g ，绕圆心0 。转角，与a b 上分圆g 重合。 g 7 点( 半径为r 。) 的角坐标：a 。：i w v a 。一( 一_ ) 一。 g 点( 半径为r 。) 的角坐标：o ：i n v 口 所以转角： ， = a 。一目= i n v o t 。一i n v c t 一( 一r o ) k 。( 2 - 8 ) a v 转过后到a v ，其方程为： o 。”。o o ， - s = i n v c t 。一( i n v a 。一i n v a ) 一( 一。) k 。( 2 - 9 ) 爿矿7 上任一点与理论渐开线a b 之间的转角差( 弧度) 为： a o = ( i n v c z 。一i n v z ，) 一( i n v a 。- i n v c o 一( r o 一乞。) 。 ( 2 - 10 ) 所以， 投影曲线上任一点与理论渐开线之j 司的齿 4 ，：= p n 鸟j = w 。一j n w ，) 一i , b t 。- - m w ) 一( 。一) 。】 ( 2 1 1 ) 式中：d 。一切削刃上半径r 。，处任一点的压力角，则 口。= 口，c o s ( o 形) 、 零篓j 。_ | 鼹2 。2 修正齿彤壶詹囊黄襄疆齿并的蠹彰谖茬诗算 i n v c t 口v = t a n 搿o p 一口d v g 、一理论澎开线上半径t ，楚任一点的莲力角，列 盘。s ( ) i n v c t 。= t a n “。一口。 ( 2 12 ) 2 ，2 硬齿面刮削插齿刀的构形方法 为克服传统构形锥形前刀面硬齿面插齿刀构影方法中存在的侧刃前 角与构形精度、切削刃抗崩刃能力之闯相互制约的弊端，本文提出了一 种硬费面插裔刀的新构形方法。所谓硬齿面插齿刀的新构形方法，就是 4 5 h h 式中：a 。一切削刃上半径r 。，处任一点的压力角，则 一o s ( l ) o ， 。畦 图2 2 修正齿形角后负前角插齿刀的齿形误差计算 i y t v c t m ，2t a n a 一口 a 、一理论渐开线上半径f ，处任一点的压力角，则 口，c o s ( 形) 州v 口v2 t a n a v t 2 y ( 2 12 ) 2 2 硬齿面刮削插齿刀的构形方法 为克服传统构形锥形前刀面硬齿面插齿刀构形方法中存在的侧刃前 角与构形精度、切削刃抗崩刃能力之间相互制约的弊端，本文提出了一 种硬齿面插齿刀的新构形方法。所谓硬齿面插齿刀的新构形方法，就是 d 5 h h 以波形凸懒前刀商代替琉有硬齿面播齿刀的锥形前刀面，称为波形前刀 萄是鞠为新构形法硬齿萄樯齿刀每一个刀齿 鼙2 。3 硬舞茜到蜊糖裔力三壤模舞蚕 秘蠡刀函为为穗蘸，魏整令嚣盎赫言，任意半径柱馥岛前刀溺砖截彤曲 线为分段空瓣妊线( 如毽2 ，3 及鹫2 ；4 ) ；话嚣刀戆镁君刀萄扔然是强锥 面，构成预薅君角搿。；与壤嚣彝和接磨刀戆粕辞乏邻辩是分布在齿镞凿拄 两上的近似等变的埙刃舜带，矮鸯刀侧屠刀藏仍是鸯雳螺旋霸，左侧右 旋，右侧左旋。 这莲申鼹橡彤方法i l 起了硬鸯藏捂嵌霹构彤理论旁菇秘一系列突革， 其主鼹技拳姥瑟如下：硬蠢趣拯鸯刀舔热影方法舔糖所需设诗瑟齿刀的 技术