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可转位刀片式齿轮滚刀在大模数齿轮精加工中的应用

时间: 2011-06-28 11:01 来源: 作者: 肯纳飞硕 郭伟清 点击:
一、引言

滚齿是外加工的常用方法之一。相对于插齿、铣齿等其他的加工方法,它具有加工效率高、齿形精度好等优点,而且用同一把滚齿刀加工相同模数但不同齿数的齿轮时,不存在理论齿形误差,减少了的库存需求,所以在实际生产中应用也最为广泛。

除了传统的高速钢整体滚刀,近年来在大模数、大直径齿轮加工领域,刀片式滚刀越来越多地得到运用。相比高速钢滚刀,他们的切削速度高,刀片寿命长,每片刀片有数个切削刃,而且无需重磨,优势明显。

但由于刀片式滚刀的自身局限性,其主要应用范围还只仅限于齿轮的粗加工和半精加工,国内未见有用于齿轮精滚的成功案例。

肯纳公司致力于将高效的刀片式滚刀应用于大模数齿轮的精加工,在原有设计的基础上做了大量的试验和改进,在刀具的精度和刀片寿命方面都有了长足的进步,使刀片式滚刀也能够成功应用于大模数齿轮的精加工。下面结合实际案例对这些改进作一个简单的介绍。

二、工件简介和难度分析

加工工件是一个模数36的外齿圈,齿数296,直径10.8米,高度0.96米。精度等级AGMA10,相当于ISO中的8级精度,齿面光洁度要求Ra3.2。材料为高合金钢,经过热处理,硬度达到HB300左右。

前道工序由铣齿完成,留1.3mm单边余量到最终设计齿廓。

原工艺中精加工由插齿完成,周期10天以上,无法满足客户的生产需求。

将刀片式滚刀用于这个工件的精加工,有以下两个难点:

●刀具精度:相对于8级的齿轮精度,要求滚刀的精度达到AA级,齿廓的精度要求最大允许21微米,刀片式滚刀难以做到。

●刀具寿命:由于滚齿工艺的特殊性,加工途中不能换刀片。刀片的寿命要求达到284.16米,而且不能有明显磨损以免影响齿面光洁度而无法达到Ra3.2。客户尝试过用高速钢和焊接硬质合金滚刀加工,但均因刀具寿命问题使齿面光洁度超标


图一:外齿轮加工现场

三、刀具设计和制造

通过和客户之间的不间断沟通,在得到客户需求的一个月后,图纸设计顺利结束。整个刀体最大切削直径500毫米,总长569.14毫米,由5个独立的切削环组成,通过高精度的联结组成一体。刀具外形见图二。


图二:滚刀外形

针对上面提到的2处技术难点,在刀具设计中通过相对应的设计优化给出了解决方案

●刀体精度:借鉴肯纳公司占领导地位的曲轴的经验,在刀体与刀片之间安装调整垫片以便改善轮廓精度。当刀体加工完成以后,安装调整垫片并在高精度测量设备上测量,测量数据输入系统与UG软件中的理论三维实体对照,修整垫片直到误差接近于零。这样,避免了由于检测刀片的精度原因影响刀体精度的可能性。

●刀片精度:考虑到表面光洁度的原因,用一片长度约100毫米的长刀片直接完成齿廓侧面的切削。同时,优化磨削工艺和的设计,保证刀片厚度方向的制造公差为+/-0.005毫米,满足齿廓精度要求。

●刀片寿命:刀片的寿命与涂层有直接的关系,所以合适的涂层是改善刀片寿命的关键。结合客户、夹具、工件材料等的实际情况,选择刀片材质为 SPTAVL,这是一种在硬质合金基体上复合涂层的刀片材质,涂层有TiN/TiCN/Al2O3,适合于钢件、不锈钢和球墨铸铁等材料的高速切削,最佳的切削速度可以达到180m/min。由于出色的高温稳定性,这种材质也同时适用于干切削或冷却液切削,在这个案例中,考虑到刀体的直径和机床的开放程度,选择不用冷却液的干切削。

四、刀具应用

刀具从德国工厂运抵客户以后,顺利在客户的超大滚齿机上完成了安装,并开始齿圈的精加工。

精滚分三刀完成,选择关闭冷却液,干切削

第一刀

切深0.6mm,切削速度80m/min,进给量6mm/rev,铁屑厚度约为0.055mm。

铣削方向为逆铣,即自上而下滚削

切削时间16小时

加工结束后,测量表面光洁度为Ra0.8-2.5,

第二刀

切深0.35mm,切削速度90m/min,进给量5mm/rev,铁屑厚度约为0.04mm。

铣削方向为顺铣,即自下而上滚削

切削时间16小时

加工结束后,测量表面光洁度比较均匀,为Ra1.0左右,

第三刀

切深0.35mm,切削速度90m/min,进给量5mm/rev,铁屑厚度约为0.04mm。

铣削方向为顺铣,即自下而上滚削

切削时间16小时

加工结束后,测量表面光洁度Ra1.0

检查刀片刃口,几乎没有磨损,说明刀片寿命远高于284.16米

五、结论

经过测量,齿轮精度达到要求,齿面表面光洁度达到Ra1.0,工件完全合格。

工件的加工周期从10天以上减少为3天以下,客户非常满意。从切削结果可以看出,在符合工件加工要求的前提下,我们可以留更小的余量并用两刀完成切削,周期将缩短到2天以下。

可转位刀片式滚刀在优化设计的前提下,完全可以用于齿轮的精滚加工。(end)

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