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-EMO97”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 176209HB 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 0.120.15mm。P 类硬质合金常用牌号为 P25P40。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=1.42.8mm)，一般选用 h1max 为 0.20.25mm。 对模数大的齿轮，可选用较大值为 0.250.3mm。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 6566HRC。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 0.20.25mm。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=Fh1FmFz2FdF(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，考虑产业应用，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 z2120Fz2=z21.0607滚刀外径 d(mm)因子 FdFd=(d/2)1.614510-20.4403Fd=(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滚刀切进深度 a(mm)和齿轮齿形位移修正系数p因子 FaFa=a-0.6243p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)mm150(刃长)mm27(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 176209HB，滚齿速度 Vc=175m/min(497r/min)。进给量 fa=1.8mm/r(3123mm/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) z2pd(mm) z0N材料涂层结构Vc(m/min) a(mm) fa(mm/r) h1max(mm)11.740 3146-602 16P25TiALN整体多刃齿 硬质合金滚 刀3955.61.80.1423.175 29-0.31121 12 S30(601)-镶齿硬质合 金滚刀1757.11.80.1432.836-1083 12圆磨法齿轮 滚刀746.31.20.2542.836-1203 20整体多刃齿 齿轮滚刀746.33.00.25524715-503 225%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 值代进公式(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 条件下进行的，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，留意滚刀直径 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 z2120 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 z2120 时，用 =0 的曲线 1。当 z2120 时，按齿轮分度圆螺旋角 b 的值用插进法在对应于 =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 值用插进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) 滚刀切进深度 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 滚刀切进深度 a 和齿轮选形位移修正系数 xp 因子 Fa 曲线 (取滚刀切进深度=2.25m 及 xp=0)7) 在从图 16 上获得 Fh1 等 6 个影响因子的数值后，代进式(1)即可得应采用的滚刀轴向进给量 fa(mm/r)值。fa= Fh1FmFz2FdF(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外形比较复杂，而且不断变化，用“均匀切屑厚度 hz”代表齿轮滚刀 刃齿上的“均匀机械负载”。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用度的比较时，采用相同的 hz 值为条件。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“均匀切屑厚度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)z2d (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3.00.232247 151003 285% 钴 高TiN 整体多刃齿204.5 5.60.6 0.18齿轮滚刀35022速 钢整体极多刃齿 不重磨齿轮滚刀4.40.23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