圆柱齿轮刀具设计.doc

圆柱齿轮刀具关键难题系列设计篇圆柱齿轮刀具关键难题系列设计篇（暂缺前言）/viewthrea . p;page=1&extra=圆柱齿轮刀具关键难题系列生产制造篇/viewthrea . &extra=page%3D1圆柱齿轮刀具关键难题系列应用篇（写ing）/viewthread.php?tid=766&extra=page%3D1圆柱齿轮刀具前辈论文小集（传ing）/viewthread.php?tid=767&extra=page%3D10， 前言1，整体方案设计。业界有一句话说得非常狠：做齿轮刀具的，必须要比做齿轮的和做齿轮机床的都更懂齿轮！这是很有道理的。也正因为如此，对齿轮制造系统进行整体方案设计和整体优化的，往往由齿轮刀具供应商完成。在整体方案的设计中，以自上而下的设计思想为指导，以整体优化为目标，达到和超过齿轮加工精度，效率，成本的客户要求。基本的设计思路：1.1理清客户要求。被加工工件，加工节拍，整体方案的层次（有的要求高的甚至需要刀具供应商为其设计设备工装投入方案）1.2清楚客户现有条件。包括设备能力，技术能力，操作能力，热处理水平，批量大小，预算等1.3确定工序。滚+剃，滚+磨，插+剃，粗滚+精滚，怎么剃，怎么磨等1.4将加工要求分解至每部工序，并确定前后工序的配合要求。1.5确定单个刀具的几个重要指标，包括（单次修磨寿命级别，单件加工时间，切削速度级别，修磨寿命等） 如果发现有指标过高，应返回1.3重新确定工序1.6确定刀具定购数量，周期和交货期。1.7确定刀具基本参数，包括（结构形式，材料，涂层，孔径，外圆，长度，头数，槽数等）1.8报价（附技术方案）。如果不能通过，返回1.5或者1.31.9进行刀具结构设计。1.10给出加工工艺，包括（切削速度，走刀量，进给速度，切削深度，窜刀策略，单次修磨量，修磨间隔等）。并验算 1.5 中的的指标。如果怎么都达不到，返回 1.7 重新确定；若仍然达不到，返回1.5甚至1.31.11客户确认其中几个要点：*客户与供应商相互信任，密切合作。*双方合作的具体操作人员，必须在技术上有相当好的可交流性。*刀具的成本在整个加工系统中的比例 约6%，但是刀具所影响到成本的比例约75%。所以采用高性能刀具以降低整体加工成本，是整体方案的基本方法之一。*考虑到前后工序的配合关系和刀具管理及修磨的重要性，最好所有的刀具和服务（管理和修磨）由一个供应商提供。*方案至少需要制作2个。*保险系数须根据经验初定，也可根据试验结果修正。难点：*整体把握2，刀具寿命的评估在整体设计方案里，这个问题是一个中间环节。目前多根据经验评估，在整体设计中再加上一个保险系数。进一步的发展，应该牵?2.1寿命评估的指标体系以增进评估的可计算性怎样可以，用一个或多个指标，来衡量刀具的基本切削能力，再通过计算得到某个具体刀具设计的切削能力。如现在多采用的，滚刀单牙切削长度。在一定切削速度和被加工工件材料条件下，单个牙齿切削的长度，由刀具材料+涂层确定。然后滚刀的总牙数*这个数值，就可以得到总切削长度。滚切的长度，则可以由工件参数和滚刀参数计算得来。再比如，被加工材料的难易程度，可以用可加工性的某个系数来评估。还需要考虑机床刚性，冷却条件，加工方式，某些关键参数等等。建立起一整套的指标体系，才能更准确和方便地评估刀具寿命。2.2切削数据库将刀具使用的实践和经验，整理到一个统一的切削数据库中。让齿轮加工，能够像普通加工，钻车铣那样，有一个整合的统一的切削数据库。在这个数据库的基础上，可以统计，可以分析，可以进行切削试验的数据分析。还可以为刀具结构设计提供反馈和验证。这样一个公司的经验积累，速度将会是相当快。而不是单纯依赖经验。2.3进行关键性的切削试验有计划有选择的进行关键性切削试验，并将数据记录。其他的刀具寿命评估，就可以与这些关键案例进行对比和修正，从而获得一定的参考价值。齿轮刀具设计自由度太大，是其基本特点之一。案例式的切削试验，毫无疑问可以让寿命评估更准确更方便。2.4提出更高的要求2.4.1对刀具的性能稳定性提出更高的要求我们常说这么一句话，一个公司的刀具好还是不好，不是看一次两次谁切的齿轮多，而是看百次千次是不是你都切得下这么多齿轮。这就是性能的稳定性。与热处理，材料，涂层，机加工都关系紧密。是一个典型的木桶模型，即性能由最差的环节决定。2.4.2对被加工齿轮的材料稳定性提出更高的要求被加工齿轮的用材，热处理水平，如果稳定性不好，都会直接影响到刀具寿命2.4.3对刀具结构设计提出更高要求如何进行结构优化设计，才能最大限度发挥出刀具的切削能力，依然是刀具结构设计不懈的追求。2.4.4对刀具的使用提出更高的要求合理的切削参数，高刚性的设备和装夹，合适的冷却，熟练的操作，合理和严格的刀具管理，都是发挥刀具性能的前提。难点：*本身就是高难度*变量太多3，刀具结构参数设计的优化这里说的优化，指的是在已有基础上的改进。优化基本的方法是：*数学建模进行分析*使用软件分析*从使用中得到反馈和验证目前主要是靠经验但又很重要，需要进行优化的设计，有如下几个难题：3.1滚刀铣刀槽型优化如何选取合适的参数组合来设计槽型，以达到强度刚性和容屑排屑性能的最佳平衡？这个优化，对于高速切削干切削，对于粉末钢硬质合金滚刀，尤为重要的。3.2滚刀插刀刃型优化刃型（已经包括了变压力角），关系到刀具切削角度，流屑，磨损的均匀性等重要因素3.3滚刀铣刀插刀切削角度优化包括前角后角刃倾角（滚刀与螺纹升角相关）等在多个角度参数之间的平衡，在性能和精度之间的平衡，在单次修磨和修磨次数之间的平衡等3.4插刀铣刀最佳变位这也是一个求解最佳平衡的问题。3.5剃刀最佳啮合角直接关系到啮合过程的质量和剃刀加工的难度。3.6滚剃之间，插剃之间，粗滚精滚之间的最佳配合我们经常碰到的是，多照顾后续工序，则前道工序约束加大；优化了前道工序，后道工序却很难照顾到。3.7被加工齿轮齿根部分的优化由于齿轮齿根部分直接由滚刀铣刀插刀决定，而齿轮的强度很大程度上决定于齿根部分的截型，所以，如何设计滚刀插刀，使其截型优化，达到强度和刀具寿命的最佳平衡，是一个很有价值的课题。对于某些重载齿轮特别重要。3.8磨损均匀无论滚铣插剃，不均匀磨损都是很突出的问题。如何通过结构设计提高磨损均匀性，对于提高刀具寿命有着直接的意义。3.9工艺参数的优化如何选取走刀量，进给策略，窜刀策略？如何在经验的基础上优化？理论基础？3.10剃刀槽型优化对梳槽（环形槽），如何优化槽型？可以说，剃刀寿命起码 50% 取决于梳槽（环形槽）。3.11径向剃刀槽排列优化径向剃刀槽的排列，也是表面质量，效率之间的一种平衡。而梳槽在牙齿上的位置，对牙齿的强度和排屑，都有很重要的影响。3.12剃刀牙齿截面参数优化为什么有些公司能够对1模数的剃刀梳槽，而国内1.6模数，几乎全部采用环形槽！这里面是有技术含量的。其中一部分就来源于设计。在剃刀各种参数之间平衡，以求精度强度和性能的平衡。这种高于经验之上的优化设计，相信会让剃刀设计更上层楼。3.13剃刀最佳螺旋角这个问题，牵涉面非常广。主要以经验为主。各家有各家的经验。为什么不从理论出发，以切削试验为验证，来进行优化？！3.14剃刀最佳齿数现行的设计，一般不会考虑这个问题。就像很多设计者一般不会考虑滚刀插刀的外径也存在最佳值的问题。而且，通过改变齿数，往往能够从某些约束中脱身。3.15滚刀铣刀键槽位置的优化当滚刀槽底距孔壁很近时，滚刀存在着在键槽处开裂破坏的风险。通过分析确定键槽的周向位置，可以降低开裂破坏的风险。3.16整体方案设计中基本参数的优化如外径，长度，头数，槽数这些基本参数，平时订单里都规定了。但是在整体方案设计中，这些参数由设计者来定。那么，这个最优解，怎么来求？3.17倒棱刀参数优化由于倒棱刀的寿命一般很高，所以其参数优化的研究并不多。而实际上，对倒棱刀的参数优化，往往能够有效降低修磨次数，并实现一刀多用。难点：*解决一个不算难，解决所有的就不简单了4，特殊齿轮刀具的设计这里说的“特殊齿轮刀具”指的是，区别于普通的常见的滚铣插剃的齿轮刀具。其设计具有特色，颇具创新，自成一体，需要进行特殊设计（包括优化）。4.1粗切滚铣刀追求大切除率的高效率加工。一般模数较大。有轮切式，后刀面分屑槽等结构设计粗切滚刀，不仅可以借鉴以上思路，还可以有其他思路。另外，不论轮切结构，后刀面分屑槽还是其他的思路，各种参数的搭配平衡都会对刀具精度和性能造成很大的影响。4.2非圆柱形滚刀带锥度，鼓形凹形等。新一代的CNC铲磨机和刃磨机，大多数支持非圆柱形滚刀的磨削。这使得设计工程师，具有了在轴向截型上设计的发挥空间。一般来说，主要着眼点是磨损均匀，防根切。下图是一个大锥度滚刀，怀疑是用来加工锥蜗轮。锥蜗轮介绍： /read.php?tid=443234.3柄式/多联滚铣刀柄式滚铣刀与孔式滚铣刀相比的优势：*大大提高了定位精度*在制造上，也为刀具供应商和齿轮制造商降低了不少的工装成本（主要是芯轴）*对硬质合金滚铣刀而言，柄式结构加工要容易得多基于以上原因，柄式滚刀取代孔式成为主导结构将是大势所趋。其设计，有些是标准柄（成文发布的或者齿轮制造公司专用的），有些需要设计，沟通。多联（一般双联）滚刀则可以一次装夹滚切多个不同规格的齿轮，故常用于齿轮轴。这里的设计要点是制造方便和性能之间的平衡。4.4多头/多槽/大直径/超长度滚刀这是目前欧美比较流行的设计思想。与传统滚刀设计相比的优势：*降低被加工齿轮单件制造成本*大大提高效率*多槽数的滚齿精度更高*降低修磨次数，减少了修磨后的齿形误差，并提高了全铲磨的比例对刀具制造和使用提出更高的要求。4.5一次性滚刀/插刀以下就是传说中的 wafer hobs & wafer shaper cutters 这两种设计，已被 Gleason 申请专利（在国内不知道申请没有）。将4.4的减少修磨次数的设计思想发挥到极致，不用修磨，用完就扔。所以英文名为 thrown hobs, thrown shaper cutters要点：*解除了考虑修磨的约束，设计工程师的刀具结构参数优化就可以得到极大的解放，从而大大提高刀具性能*降低被加工齿轮单件制造成本*对于齿轮制造商而言，不用考虑刀具修磨问题，刀具的使用得到简化*制造工艺不同*优化设计方向和思路不同.6双压力角滚刀剃刀主要应用在油泵齿轮。其有效齿形的设计计算和结构设计，异于普通齿轮刀具。4.7强力剃刀（高速剃齿刀，同期式剃齿刀）相关信息：/read.php?tid=264807&page=e3000, 剃刀 >1000, 插刀 >500 后，该工作会产生明显的效益。否则不明显。7.2简化工艺在结构上，基本上是没有简化工艺的空间。但是在局部参数上，简化的空间很大。这就相当于局部的减少规格数。要点：*变模数设计，主要针对压力角这一基本参数。已有阐述：/read.php?tid=259941*设计前对某参数校核。借助档案和软件帮助，横向对比，筛选相近设计，并校核。将该工作作为设计不可缺少的必然流程*参数系列化，并根据统计结果和分析，减少系列中的规格数量*降低外圆尺寸数量。需要和销售合作与客户沟通，尽量采用标准外圆尺寸。这种情况在公制英制之间，一些奇怪外圆尺寸上碰到得多。外圆是设计的基本约束，是生产的最基本数据之一。该工作对生产有着重要的意义。*当滚刀年产量 >1000, 剃刀 >500, 插刀 >200 后，该工作会产生明显的效益。市场范围相对集中则更佳。否则不明显。7.3支持工艺革新与普通刀具相比，齿轮刀具的生产制造是相当复杂的。特别是高性能的齿轮刀具。没有设计的技术支持，生产工艺永远是在小踏步而无法有革命性的创新。这也是很多公司的设计工程师兼做工艺工程师的原因。重点：*剃齿刀落刀槽。使用特殊滚刀加工落刀槽，陆联已经申请专利。欧洲多流行铣槽，亚洲多钻孔，美国近来越来越多的应用铣槽。*特殊滚插刀的生产工艺。很多特殊的滚刀结构奇特复杂，需要设计工程师自己制作生产工艺。*对铲磨工序的支持。见 5.4*设备改造或开发难点：*管理层面的参与和支持*设计工程师的能力够强8，持续发展*在曾经辉煌的年代里，几乎每个在机械工程上有名的大学都设置了齿轮刀具教研室，几乎每个著名的齿轮刀具厂家都有强大的研究力量。是他们奠定了我们齿轮刀具昨天和今天的整套理论和制造体系。然而我们看到，今天绝大部分齿轮刀具设计者手里拿着的书，有1991 年的，有 1978 年的，甚至还有大量50年代翻译的前苏联资料和印着毛主席语录的书籍。跟国外的差距再一次拉大到至少 10 年以上。很自然问一个问题：怎样才能持续发展？值得我们深思啊。*机遇期的来临，意味着我们有可能在短期内取得突破，缩短差距甚至完成超越。但是，这不是终点，而只是一个新的起点。*甚至就这个缩短和超越的过程本身而言，也不是轻松容易一蹴而就的。同样需要持续的发展才能完成。这是由齿轮刀具的复杂性和专用性所决定的。*持续发展的问题，都将在设计篇，生产制造篇，应用篇出现。8.1全球视野无数实践已经证明，闭门造车是行不长久的。只有成为世界的一部分，我们才能不断的进步，低谷的时候不掉队，高峰的时候领先超越。对设计这一块来说，做到这一点，必须具有全球视野。要点：*外语能力。能够在公开资料中汲取营养，能够和国外交流*企业提供的培训机会。这在外企中比较突出*学术或商业性质的考察交流8.2持续改进，不断创新的文化技术进步的两种基本形式：*小步快跑，量变到质变*革命性创新，包括设计思想；这两种是相辅相成，缺一不可。8.3设计团队这里说的一切，都是靠人去完成的。人才，是最重要的资源。业内著名的公司，都有自己的一个稳定的，高水平的设计团队。个人的才能和团队的合作，推动着技术的持续和快速进步。当你看到某某公司声明在外的时候，当你看到某某刀具新颖独特或性能优越的时候，要知道这背后就是一个优秀的设计团队，这就是他们的杰作。8.4产学研结合这是一个复杂的问题。牵涉到各种体制。但是原则就是一个：产学研，必须结合。没有科研的支持，产业的发展就没有长远的持续动力。对某些针对性强的关键问题，也无法取得突破。难点：*更多的是一个管理层面甚至体制的问题一、 范成法(generating method) 根据动瞬心线法形成共轭齿廓的原理，当直线齿廓的齿条与动瞬心线(直线)S相固结并沿齿轮作纯滚动时，可以包络出渐开线齿廓来。这种方法还可以看成是利用齿轮与齿条相啮合或齿轮与齿轮相啮合时，其齿廓互为包络的原理来加工齿轮齿廓的，这种齿轮加工方法称为范成法。 下面研究加工刀具及切削过程中的运动。 刀具及其齿形 齿条插刀(又称梳刀)的齿形为基本齿廓齿条上加一段圆角，用以加工出齿轮的齿根过渡曲线。 齿轮插刀(rack-form generating cutter)的形状与外齿轮相似，它不但能够加工外齿轮，还能加工内齿轮。 切削过程中的运动 范成运动(generating motion) 齿条插刀加工齿轮时，刀具的节线与被加工齿轮齿坯节圆的分度圆相切并作纯滚动运动，齿轮插刀加工齿轮时，刀具的节圆与齿坯节圆相切并作纯滚动运动，该运动称为范成运动。 切削运动(cutting motion)及其它运动 切削运动：刀具沿齿轮毛坯轴向的切齿运动。 让刀运动：插齿刀具返回时,为避免擦伤已加工出的齿廓,工件后退的运动。 进给运动：为了加工出全齿高，刀具沿齿轮毛坯径向的进给运动。 滚齿加工法(hobbing)的特点： 为了克服齿条插刀插齿的切削不连续和齿条刀齿数一定与被加工齿轮齿数为任意的矛盾，避免机床复杂化，提出滚齿加工。滚刀相当于轴截面为直线齿形的螺杆，滚刀旋转时，相当于直线齿廓的齿条沿其轴线方向连续不断移动，从而可以加工任意齿数的齿轮。 滚直齿轮 滚斜齿轮 滚齿法既可以