滚齿进给量的选择

滚齿进给量的选择滚齿进给量的选择 作者 成都工具研究所 吴元昌 来源 制造技术与机床 1999 年第 11 期 1997 年参观德国汉诺威 欧洲机 床工具展览会 EMO 97 时 了 解到欧美几个齿轮滚刀厂为轿车齿轮加工发展的高效齿轮滚刀的滚削参数中 是从被加工 齿轮的强度和齿轮滚刀材料的性能出发 计算滚刀切削时的顶刃最大许可负荷 然后给用 户一个 滚刀顶刃最大许可切屑厚度 推荐值 以此确定滚刀轴向进给量的优化选择 国外汽车齿轮材料一般多为硬度 176 209HB 的低合金结构钢 齿轮滚刀的材料多为高 速钢及硬质合金两种 近年各厂重点使用整体硬质合金滚刀 在轿车齿轮加工的滚剃工序中 滚齿时 齿部质量要达到剃齿要求来选定滚削速度和最大 进给量 1 滚刀进给量 1 欧洲工具厂的推荐值 德国 saacke Fette 和 sazzor 齿轮滚刀厂均推荐以齿轮滚刀顶刃的最大许可切屑厚度 h1max 来确定滚刀进给量 a 硬质合金滚刀的 h1max 规定 按国际标准 ISO 对硬质合金的分类 P 类硬质合金滚刀 h1max 为 0 18mm K 类硬质合金滚刀 h1max 为 0 12 0 15mm P 类硬质合金常用牌号为 P25 P40 这类整体硬质合金滚刀在新刀时要进行 TiN 表面涂 层处理 但刃磨后一般不再进行涂层 K 类硬质合金滚刀常用于对淬硬钢齿轮的齿形精加 工 牌号多为 K10 对较小模数的滚刀要用细颗粒硬质合金 在精滚齿时 新刀及每次刃 磨后均进行 TiN 涂层处理 轿车方向盘转向器上的小齿轮淬硬后采用硬质合金滚刀精滚工 艺 b 高速钢滚刀的 h1max 规定 对中小模数的轿车齿轮 m 1 4 2 8mm 一般选用 h1max 为 0 2 0 25mm 对模数大的齿轮 可选用较大值为 0 25 0 3mm 上述欧洲工具厂的高速钢滚刀材料常用含钴 5 的钴高速钢 S6 5 2 5 S 后的数字依次为钨 钼 钒 钴的百分数 淬火硬度为 65 66HRC 2 美国 star 工具厂的推荐值 美国 star 工具厂是美国主要的齿轮滚刀生产厂之一 该厂也是推荐滚刀顶刃的最大许可 切屑厚度 h1max 来确定滚刀进给量 a 对于 P 类硬质合金滚刀的 h1max 规定为 0 15mm b 对高速钢滚刀的 h1max 规定为 0 2 0 25mm 该厂与德国 Liebherr 滚齿机厂交换过 意见 两厂分别导出的滚齿切屑最大厚度公式 得到的 h1max 值很相近 2 滚刀顶刃的 h1max 与滚刀轴向进给量 fa 的关系 根据滚刀顶刃最大切屑厚度 h1max 值换算成滚刀轴向进给量 fa 值才能在滚削加工中应用 德国人 Dr B Hoffmeister 博士于 1979 年在阿亨大学发表的论文中研究了滚齿中的顶刃最 大切屑厚度 并建立了计算用数学公式 用它可以从顶刃切屑厚度计算工件每转的轴向进 给量 此公式在顶刃切屑厚度 h1max 0 35mm 对 m 1 的滚刀和 h1max 0 1mm 对 m 32 的滚刀皆得到验证 德国的滚刀厂皆用 Hoffmeister 博士的公式从 h1max 值计算 fa 值 计算式为 fa Fh1 Fm Fz2 Fd F N z0 Fa 式中 Fh1 Fm Fz2 Fd F N z0 Fa 为 6 个影响因子 各有其计算式 由于各因子 的计算方程式较为复杂 考虑工业应用 近年有人将其简化列于表 1 表 1 fa的各影响因子计算方程式 简化式 影响因子名称计算方程式 顶刃切屑厚度 h1因子 Fh1Fh1 h1max1 9569 齿轮法向模数 m 因子 FmFm 0 0446m 0 7730 齿轮齿数 z2因子 Fz2对 z2 120Fz2 z21 0607 滚刀外径 d mm 因子 Fd Fd d 2 1 6145 10 2 0 4403 Fd d 2 0 4403 0 滚刀刃齿数 N 和滚刀头数 z0因子 FN z0F N z0 N z0 1 7162 滚刀切入深度 a mm 和齿轮齿形位移修正系数 p因子 Fa Fa a 0 6243 p影响极微 皆以 p 0 计算 表 1 中 h1max 滚刀顶刃的最大切屑厚度 mm fa 滚刀轴向进给量 工件每转 mm r 齿轮分圆螺旋角 公式中为弧度值 以度数为单位的 角 要乘 180 3 h1max 或 fa 的选取 滚削实例的原始数据及按公式 1 计算所得的 fa 或 h1max 均列于表 2 说明如下 1 表 2 中 1 号滚刀 这是德国 saacke 厂在 1997 年国际展览会上作为新产品宣传的 TiALN 涂层硬质合金整体 滚刀加长结构 60 D mm 150 刃长 mm 27 孔 mm 体现了小直径 加长 多刃齿 多头的现代滚刀 它代表了现代硬质合金滚刀滚齿的最高水平 用来加工 20MnCrS5 含 硫易切渗碳钢齿轮 含硫 0 03 滚齿速度 Vc 395m min 2095r min 采用 fa 1 8mm r 188mm min 用公式 1 计算 可得 h1max 0 14mm 此值与该厂推荐的不 超过 0 18mm 最大许可切屑厚度相符 刀具寿命为 32m 刃齿 全刀可加工 12600 个齿轮 2 表 2 中的 2 号滚刀 这是成都工具研究所研制的镶齿硬质合金滚刀 1982 年开始应用至今 齿轮材料为 40Cr 与 20CrMnTi 硬度为 176 209HB 滚齿速度 Vc 175m min 497r min 进给量 fa 1 8mm r 31 23mm min 用公式 1 计算 可得加工 29 齿齿轮时 h1max 0 14mm 在国外推荐的最大切屑厚度范围内 此刀在 80 年代初与世界先进水平相当 表 2 齿轮 齿轮滚刀及切削参数数据 齿轮齿轮滚刀切削参数滚 刀 编 号 m mm z2 pd mm z0N材料涂层结构Vc m min a mm fa mm r h1max mm 11 740 31 46 602 16P25TiALN 整体多 刃齿硬 质合金 滚刀 3955 61 80 14 23 175 29 0 31121 12 S30 601 镶齿硬 质合金 滚刀 1757 11 80 14 32 836 1083 12 圆磨法 齿轮滚 刀 746 31 20 25 42 836 1203 20 整体多 刃齿齿 轮滚刀 746 33 00 25 524715 503 22 5 钴高速 钢 TiN 整体多 刃齿不 重磨滚 刀 1204 54 40 23 注 计算示例 用表 1 公式对 4 号滚刀的各因子进行计算 得 Fh1 0 0663 Fm 0 0201 Fz2 44 747 Fd 6 066 F N z0 25 94 Fa 0 317 fa 2 97 取 fa 3 0mm r 3 表 2 中的 3 4 号滚刀 这组数据为德国 Fette 工具厂 1993 年在德国 Nord 齿轮厂作的圆磨滚刀与整体多头 多 刃齿轮滚刀加工轿车齿轮的经济分析的一部分 齿轮材料的抗拉强度为 650N mm2 Fette 厂在数据中既给了 fa 值 也给了 h1max 值 经将 h1max 值代入公式 1 求得的 fa 值和已知 fa 值相同 这个试验是在给定相同的 h1max 值前提下进行的 说明该厂是用公式 1 来决定相应的 fa 值 表 1 中的 6 个因子计算式即为该厂提供 3 号与 4 号两把滚刀 主要是刃齿数相差大 前者圆磨滚刀为 12 齿 后者整体滚刀为 20 齿 由于 F N z0 因子与滚刀刃齿数 N 的关系为 1 7162 次方 所以两把刀在相同的 h1max 0 25mm 条件下 其相应的 fa 值各为 1 2 和 3 0mm r 相差 2 5 倍 4 表 2 中 5 号滚刀 这是意大利 SU 齿轮刀具厂 1995 年报道的一把整体多槽不重磨滚刀加工轿车齿轮的试验 数据 注意滚刀直径小 50mm 刃齿数多 22 齿 头数多 3 头 每个刃齿的全高为 5mm 但可承受 h1max 0 23mm 的切屑负荷 滚刀材料为含钴 5 的钴高速钢 S6 5 2 5 不重磨滚刀只在美国有市场 从上述 5 把不同类型的滚刀可以看到 它覆盖了现代滚刀的不同品种和结构 1 4 和 5 号滚刀为整体结构 分别代表现代流行的先进滚刀类型 2 和 3 号滚刀为镶齿结构 刃齿 数较少 分别代表 80 年代在世界上流行 但目前在欧美已让位给在每次刃磨后能重新进 行 PVD TiN 涂层的 更先进的整体滚刀 表 2 中的各滚刀所采用的 h1max 值说明 符合 工具厂的推荐许可值 计算 fa 值的公式 1 在实际生产中已获得应用 下面介绍以另一种方式求解滚齿进给量 1 用图解法求 fa 的各影响因子 德国 Fette 工具厂将文献 1 中表 1 的 Fh1 Fm Fz2 Fd F N zn Fa 等 6 个 fa 影响 因子的方程式绘成曲线图 根据齿轮和滚刀的基本参数 可从曲线图上直接查到影响因子 的数值 不必用指数方程式计算 以利车间滚齿工人直接应用 此外 曲线图还有可应用 于被加工齿轮齿数 z2 120 的场合 及使 Fh1 等 6 个因子对 fa 的影响一目了然的作用 1 顶刃切屑厚度 h1 因子 Fh1 曲线见图 1 一般 h1 实际值在 0 1 0 4mm 间 2 齿轮法向模数 m 因子 Fm 曲线见图 2 3 齿轮齿数 z2 因子 Fz2 曲线见图 3 当 z2 120 时 用 0 的曲线 1 当 z2 120 时 按齿轮分度圆螺旋角 b 的值用插入法在 对应于 0 30 和 60 的曲线间求得 4 滚刀外径 d mm 因子 Fd 曲线见图 4 Fd 值用插入法从对应齿轮分度圆螺旋角 0 和 60 的曲线间求得 5 滚刀刃齿数 N 和滚刀头数 z0 因子 F N z0 见图 5 6 滚刀切入深度 a mm 和齿轮齿形位移修正系数 xp 因子 Fa 见图 6 图 5 滚刀刃齿数 N 和滚刀头数 z0 因子 F N z0 曲线 图 6 滚刀切入深度 a 和齿轮选形位移修正系数 xp 因子 Fa 曲线 取滚刀切入深度 2 25m 及 xp 0 7 在从图 1 6 上获得 Fh1 等 6 个影响因子的数值后 代入式 1 即可得应采用的滚刀轴 向进给量 fa mm r 值 fa Fh1 Fm Fz2 Fd F N z0 Fa 1 2 SU 齿轮刀具厂确定滚齿进给量的资料 SU 厂是意大利齿轮刀具制造商 多年来向我国出口齿轮滚刀 1995 年在工具行业总工程 师会议上 SU 厂举办技术讲座 谈及齿轮滚刀滚齿产生的切屑形状比较复杂 而且不断 变化 用 平均切屑厚度 hz 代表齿轮滚刀刃齿上的 平均机械负载 其计算式为 hz fa z0 N 2 式中 fa 齿轮每转滚刀轴向进给量 mm r z0 齿轮滚刀头数 N 齿轮滚刀刃齿数 在国内外资料中使用式 2 者颇多 SU 厂在安排不同结构的滚刀进行切齿效率及切齿费用的比较时 采用相同的 hz 值为前 提 对切小轿车齿轮的高速钢高效滚刀 其 hz 值选用 0 6mm 附表 3 把齿轮滚刀采用 相同的 平均切屑厚度 hz 但用式 1 算得的 最大切屑厚度 h1max 是不同的 齿轮 齿轮滚刀及切削参数数据表 齿轮齿轮滚刀切削参数 滚刀 编号 m mm z2 d mm z0N 材 料 涂 层 结构 Vc m min a mm fa mm r hz mm h1max mm 115 圆磨法齿轮 滚刀 3 00 23 2 100 28 整体多刃齿 齿轮滚刀 5 60 18 3 247 15 50 3 22 5 钴 高 速 钢 TiN 整体极多刃齿 不重磨齿轮滚刀 204 5 4 4 0 6 0 23 注 1 hz是试验前安排的数值 由此值计算出各滚齿试验用的 fa值 h1max值是用式 1 根据 fa值计算出来的值 2 1 及 3 滚刀的 h1max值实际是 0 225mm 和 0 229mm 两个不同的数值 取 2 位小数化整均成为 0 23mm 1 和 3 滚刀在取 hz 0 6mm 安排进给量时 所