滾齒進(jìn)給量的選擇50263.doc

滾齒進(jìn)給量的選擇 作者：成都工具研究所 吳元昌來(lái)源：制造技術(shù)與機(jī)床1999年第11期1997年參觀德國(guó)漢諾威“歐洲機(jī)床工具展覽會(huì)-EMO97”時(shí)，了解到歐美幾個(gè)齒輪滾刀廠為轎車(chē)齒輪加工發(fā)展的高效齒輪滾刀的滾削參數(shù)中，是從被加工齒輪的強(qiáng)度和齒輪滾刀材料的性能出發(fā)，計(jì)算滾刀切削時(shí)的頂刃最大許可負(fù)荷，然后給用戶(hù)一個(gè)“滾刀頂刃最大許可切屑厚度”推薦值，以此確定滾刀軸向進(jìn)給量的優(yōu)化選擇。國(guó)外汽車(chē)齒輪材料一般多為硬度176209HB的低合金結(jié)構(gòu)鋼。齒輪滾刀的材料多為高速鋼及硬質(zhì)合金兩種，近年各廠重點(diǎn)使用整體硬質(zhì)合金滾刀。在轎車(chē)齒輪加工的滾剃工序中，滾齒時(shí)，齒部質(zhì)量要達(dá)到剃齒要求來(lái)選定滾削速度和最大進(jìn)給量。1 滾刀進(jìn)給量1) 歐洲工具廠的推薦值德國(guó)saacke,Fette和sazzor齒輪滾刀廠均推薦以齒輪滾刀頂刃的最大許可切屑厚度(h1max)來(lái)確定滾刀進(jìn)給量。a. 硬質(zhì)合金滾刀的h1max規(guī)定 按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO)對(duì)硬質(zhì)合金的分類(lèi)：P類(lèi)硬質(zhì)合金滾刀h1max為0.18mm；K類(lèi)硬質(zhì)合金滾刀h1max為0.120.15mm。P類(lèi)硬質(zhì)合金常用牌號(hào)為P25P40。這類(lèi)整體硬質(zhì)合金滾刀在新刀時(shí)要進(jìn)行TiN表面涂層處理，但刃磨后一般不再進(jìn)行涂層。K類(lèi)硬質(zhì)合金滾刀常用于對(duì)淬硬鋼齒輪的齒形精加工，牌號(hào)多為K10，對(duì)較小模數(shù)的滾刀要用細(xì)顆粒硬質(zhì)合金。在精滾齒時(shí)，新刀及每次刃磨后均進(jìn)行TiN涂層處理。轎車(chē)方向盤(pán)轉(zhuǎn)向器上的小齒輪淬硬后采用硬質(zhì)合金滾刀精滾工藝。b. 高速鋼滾刀的h1max規(guī)定 對(duì)中小模數(shù)的轎車(chē)齒輪(m=1.42.8mm)，一般選用h1max為0.20.25mm。對(duì)模數(shù)大的齒輪，可選用較大值為0.250.3mm。上述歐洲工具廠的高速鋼滾刀材料常用含鈷5%的鈷高速鋼S6-5-2-5(S后的數(shù)字依次為鎢-鉬-釩-鈷的百分?jǐn)?shù))，淬火硬度為6566HRC。2) 美國(guó)star工具廠的推薦值美國(guó)star工具廠是美國(guó)主要的齒輪滾刀生產(chǎn)廠之一。該廠也是推薦滾刀頂刃的最大許可切屑厚度h1max來(lái)確定滾刀進(jìn)給量。a. 對(duì)于P類(lèi)硬質(zhì)合金滾刀的h1max規(guī)定為0.15mm。b. 對(duì)高速鋼滾刀的h1max規(guī)定為0.20.25mm。該廠與德國(guó)Liebherr滾齒機(jī)廠交換過(guò)意見(jiàn)，兩廠分別導(dǎo)出的滾齒切屑最大厚度公式，得到的h1max值很相近。2 滾刀頂刃的h1max與滾刀軸向進(jìn)給量fa的關(guān)系根據(jù)滾刀頂刃最大切屑厚度h1max值換算成滾刀軸向進(jìn)給量fa值才能在滾削加工中應(yīng)用。德國(guó)人Dr.B.Hoffmeister博士于1979年在阿亨大學(xué)發(fā)表的論文中研究了滾齒中的頂刃最大切屑厚度，并建立了計(jì)算用數(shù)學(xué)公式，用它可以從頂刃切屑厚度計(jì)算工件每轉(zhuǎn)的軸向進(jìn)給量。此公式在頂刃切屑厚度h1max=0.35mm對(duì)m=1的滾刀和h1max=0.1mm對(duì)m=32的滾刀皆得到驗(yàn)證。德國(guó)的滾刀廠皆用Hoffmeister博士的公式從h1max值計(jì)算fa值。計(jì)算式為fa=Fh1FmFz2FdF(N/z0)Fa式中，F(xiàn)h1、Fm、Fz2、Fd、F(N/z0)、Fa為6個(gè)影響因子，各有其計(jì)算式。由于各因子的計(jì)算方程式較為復(fù)雜，考慮產(chǎn)業(yè)應(yīng)用，近年有人將其簡(jiǎn)化列于表1。 表1 fa的各影響因子計(jì)算方程式(簡(jiǎn)化式)影響因子名稱(chēng)計(jì)算方程式頂刃切屑厚度h1因子Fh1Fh1=h1max1.9569齒輪法向模數(shù)m因子FmFm=0.0446m-0.7730齒輪齒數(shù)z2因子Fz2對(duì)z2120Fz2=z21.0607滾刀外徑d(mm)因子FdFd=(d/2)1.614510-2b0.4403Fd=(d/2)0.4403 (b=0)滾刀刃齒數(shù)N和滾刀頭數(shù)z0因子FN/z0F(N/z0)=(N/z0)1.7162滾刀切進(jìn)深度a(mm)和齒輪齒形位移修正系數(shù)cp因子FaFa=a-0.6243cp影響極微，皆以cp=0計(jì)算表1中 h1max滾刀頂刃的最大切屑厚度，mmfa滾刀軸向進(jìn)給量/工件每轉(zhuǎn)，mm/r齒輪分圓螺旋角，公式中為弧度值(以度數(shù)為單位的角，要乘/180)3 h1max或fa的選取滾削實(shí)例的原始數(shù)據(jù)及按公式(1)計(jì)算所得的fa或h1max均列于表2，說(shuō)明如下。1) 表2中1號(hào)滾刀這是德國(guó)saacke廠在1997年國(guó)際展覽會(huì)上作為新產(chǎn)品宣傳的TiALN涂層硬質(zhì)合金整體滾刀加長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。60(D)mm150(刃長(zhǎng))mm27(孔)mm,體現(xiàn)了小直徑，加長(zhǎng)，多刃齒，多頭的現(xiàn)代滾刀，它代表了現(xiàn)代硬質(zhì)合金滾刀滾齒的最高水平。用來(lái)加工20MnCrS5含硫易切滲碳鋼齒輪(含硫0.03%)，滾齒速度Vc=395m/min(2095r/min)，采用fa=1.8mm/r(188mm/min)，用公式(1)計(jì)算，可得h1max=0.14mm，此值與該廠推薦的不超過(guò)0.18mm最大許可切屑厚度相符。刀具壽命為32m/刃齒，全刀可加工12600個(gè)齒輪。2) 表2中的2號(hào)滾刀這是成都工具研究所研制的鑲齒硬質(zhì)合金滾刀，1982年開(kāi)始應(yīng)用至今。齒輪材料為40Cr與20CrMnTi，硬度為176209HB，滾齒速度Vc=175m/min(497r/min)。進(jìn)給量fa=1.8mm/r(3123mm/min)。用公式(1)計(jì)算，可得加工29齒齒輪時(shí)h1max=0.14mm，在國(guó)外推薦的最大切屑厚度范圍內(nèi)。此刀在80年代初與世界先進(jìn)水平相當(dāng)。 表2 齒輪、齒輪滾刀及切削參數(shù)數(shù)據(jù)滾刀編號(hào)齒輪齒輪滾刀切削參數(shù)m(mm)z2bcpd(mm)z0N材料涂層結(jié)構(gòu)Vc(m/min)a(mm)fa(mm/r)h1max(mm)11.7403146-60216P25TiALN整體多刃齒硬質(zhì)合金滾刀3955.61.80.1423.17529-0.3112112S30(601)-鑲齒硬質(zhì)合金滾刀1757.11.80.1432.836-1083125%鈷高速鋼TiN圓磨法齒輪滾刀746.31.20.2542.836-120320整體多刃齒齒輪滾刀746.33.00.25524715-50322整體多刃齒不重磨滾刀1204.54.40.23注：計(jì)算示例，用表1公式對(duì)4號(hào)滾刀的各因子進(jìn)行計(jì)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/r3) 表2中的3、4號(hào)滾刀這組數(shù)據(jù)為德國(guó)Fette工具廠1993年在德國(guó)Nord齒輪廠作的圓磨滾刀與整體多頭、多刃齒輪滾刀加工轎車(chē)齒輪的經(jīng)濟(jì)分析的一部分。齒輪材料的抗拉強(qiáng)度為650N/mm2。Fette廠在數(shù)據(jù)中既給了fa值，也給了h1max值。經(jīng)將h1max值代進(jìn)公式(1)，求得的fa值和已知fa值相同。這個(gè)試驗(yàn)是在給定相同的h1max值條件下進(jìn)行的，說(shuō)明該廠是用公式(1)來(lái)決定相應(yīng)的fa值(表1中的6個(gè)因子計(jì)算式即為該廠提供)。3號(hào)與4號(hào)兩把滾刀，主要是刃齒數(shù)相差大。前者圓磨滾刀為12齒，后者整體滾刀為20齒，由于F(N/z0)因子與滾刀刃齒數(shù)N的關(guān)系為1.7162次方，所以?xún)砂训对谙嗤膆1max=0.25mm條件下，其相應(yīng)的fa值各為1.2和3.0mm/r，相差2.5倍。4) 表2中5號(hào)滾刀這是意大利SU齒輪刀具廠1995年報(bào)道的一把整體多槽不重磨滾刀加工轎車(chē)齒輪的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，留意滾刀直徑小(50mm)，刃齒數(shù)多(22齒)，頭數(shù)多(3頭)，每個(gè)刃齒的全高為5mm，但可承受h1max=0.23mm的切屑負(fù)荷，滾刀材料為含鈷5%的鈷高速鋼S6-5-2-5。不重磨滾刀只在美國(guó)有市場(chǎng)。從上述5把不同類(lèi)型的滾刀可以看到，它覆蓋了現(xiàn)代滾刀的不同品種和結(jié)構(gòu)，1、4和5號(hào)滾刀為整體結(jié)構(gòu)，分別代表現(xiàn)代流行的先進(jìn)滾刀類(lèi)型，2和3號(hào)滾刀為鑲齒結(jié)構(gòu)，刃齒數(shù)較少，分別代表80年代在世界上流行，但目前在歐美已讓位給在每次刃磨后能重新進(jìn)行PVD-TiN涂層的、更先進(jìn)的整體滾刀。表2中的各滾刀所采用的h1max值說(shuō)明，符合工具廠的推薦許可值。計(jì)算fa值的公式(1)在實(shí)際生產(chǎn)中已獲得應(yīng)用。下面介紹以另一種方式求解滾齒進(jìn)給量。1 用圖解法求fa的各影響因子德國(guó)Fette工具廠將文獻(xiàn)1中表1的Fh1，F(xiàn)m，F(xiàn)z2，F(xiàn)d，F(xiàn)(N/zn)，F(xiàn)a等6個(gè)fa影響因子的方程式繪成曲線(xiàn)圖。根據(jù)齒輪和滾刀的基本參數(shù)，可從曲線(xiàn)圖上直接查到影響因子的數(shù)值，不必用指數(shù)方程式計(jì)算，以利車(chē)間滾齒工人直接應(yīng)用。此外，曲線(xiàn)圖還有可應(yīng)用于被加工齒輪齒數(shù)z2120的場(chǎng)合，及使Fh1等6個(gè)因子對(duì)fa的影響一目了然的作用。 1) 頂刃切屑厚度h1因子Fh1曲線(xiàn)見(jiàn)圖1。一般h1實(shí)際值在0.1=0.4mm間。 2) 齒輪法向模數(shù)m因子Fm 曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。 3) 齒輪齒數(shù)z2因子Fz2曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。 當(dāng)z2120時(shí)，用=0的曲線(xiàn)1。當(dāng)z2120時(shí)，按齒輪分度圓螺旋角b的值用插進(jìn)法在對(duì)應(yīng)于=0、=30和=60的曲線(xiàn)間求得。4) 滾刀外徑d(mm)因子Fd曲線(xiàn)見(jiàn)圖4。 Fd值用插進(jìn)法從對(duì)應(yīng)齒輪分度圓螺旋角=0和=60的曲線(xiàn)間求得。5) 滾刀刃齒數(shù)N和滾刀頭數(shù)z0因子F(N/z0)見(jiàn)圖5。 6) 滾刀切進(jìn)深度a(mm)和齒輪齒形位移修正系數(shù)xp 因子Fa見(jiàn)圖6。 圖5 滾刀刃齒數(shù)N和滾刀頭數(shù)z0因子F(N/z0)曲線(xiàn)圖6 滾刀切進(jìn)深度a和齒輪選形位移修正系數(shù)xp因子Fa曲線(xiàn)(取滾刀切進(jìn)深度=2.25m及xp=0)7) 在從圖16上獲得Fh1等6個(gè)影響因子的數(shù)值后，代進(jìn)式(1)即可得應(yīng)采用的滾刀軸向進(jìn)給量fa(mm/r)值。 fa= Fh1FmFz2FdF(N/z0)Fa (1) 2 SU齒輪刀具廠確定滾齒進(jìn)給量的資料SU廠是意大利齒輪刀具制造商。多年來(lái)向我國(guó)出口齒輪滾刀。1995年在工具行業(yè)總工程師會(huì)議上，SU廠舉辦技術(shù)講座，談及齒輪滾刀滾齒產(chǎn)生的切屑外形比較復(fù)雜，而且不斷變化，用“均勻切屑厚度hz”代表齒輪滾刀刃齒上的“均勻機(jī)械負(fù)載”。其計(jì)算式為hz= fa * z0 /N (2)式中fa齒輪每轉(zhuǎn)滾刀軸向進(jìn)給量，mm/r z0齒輪滾刀頭數(shù) N齒輪滾刀刃齒數(shù) 在國(guó)內(nèi)外資料中使用式(2)者頗多。 SU廠在安排不同結(jié)構(gòu)的滾刀進(jìn)行切齒效率及切齒用度的比較時(shí)，采用相同的hz值為條件。對(duì)切小轎車(chē)齒輪的高速鋼高效滾刀，其hz值選用0.6mm(附表)。3把齒輪滾刀采用相同的“均勻切屑厚度hz”：但用式(1)算得的“最大切屑厚度h1max”是不同的。 齒輪、齒輪滾刀及切削參數(shù)數(shù)據(jù)表滾刀編號(hào)齒輪齒輪滾刀切削參數(shù)m(mm)z2bd(mm)z0N材料涂層結(jié)構(gòu)Vc(m/min)a(mm)fa(mm/r)hz(mm)h1max(mm)1247151003155%鈷高速鋼TiN圓磨法齒輪滾刀204.53.00.60.23228整體多刃齒齒輪滾刀5.60.1835022整體極多刃齒不重磨齒輪滾刀4.40.23注： 1.hz是試驗(yàn)前安排的數(shù)值，由此值計(jì)算出各滾齒試驗(yàn)用的fa值。h1max值是用式(1)根據(jù)fa值計(jì)算出來(lái)的值。 2.1#及3#滾刀的h1max值實(shí)際是0.225mm和0.229mm兩個(gè)不同的數(shù)值，取2位小數(shù)化整均成為0.23mm。1# 和3# 滾刀在取hz=0.6mm安排進(jìn)給量時(shí)，所得的h