剃齿刀设计和剃削工艺对剃齿质量的影响

1、剃齿刀设计和剃削工艺对剃齿质量的影响        剃削是当前齿轮加工的主要精加工方法之一，特别是径向剃齿，这种加工方法已在汽车行业特别是轿车生产行业中得到广泛采用，也得到了业内人士的密切关注。剃齿刀是剃削加工中决定剃齿质量和效率的主要因素，有了好的剃齿刀，剃削加工的优势就可以得到充分发挥。1 径向剃齿刀的容屑槽分布，实现对称剃齿条件是保证剃齿刀质量的关键在径向剃削的实践中时常会遇到表面粗糙度不好、齿形成S 型中凹等问题。这当然与冷却液的润滑能力、清洁状况、采用的工艺参数、剃刀齿形的修形状况及剃齿机精度等都有关。但

2、主要的因素是剃齿刀的设计质量和剃齿刀的维护状况所决定的：剃削是由剃刀齿面容屑槽与剃刀齿面的交线剃刀刃口来完成的，径向剃齿刀的刀刃在剃刀齿面上的分布情况与剃削表面质量密切相关，能实现对称剃齿，就不会产生剃齿齿形的S 形奇变。而剃齿刀容屑槽排列的螺旋方向与剃齿轴交角的方位、剃刀齿数与齿轮齿数的比例关系等也决定着剃削质量。1.1 径向剃齿刀刀齿容屑槽的分布及要求在平行剃齿和对角剃齿中，由于在加工中有机床完成的沿齿轮轴线方向的运动，故对齿面小槽的位置无特殊要求。但对于切向剃齿和径向剃齿，由于加工中机床没有轴向运动，加工中沿齿轮轴向的切削运动是剃齿时剃刀和齿轮轴线相交及剃刀和齿轮的回转运动中产生了刀刃在

3、齿轮齿向上的相对滑移运动，这一滑移运动的行程远小于齿面小槽的槽距。因而，具有标准剃刀那种平行于剃刀端面的环形分布容屑槽的剃刀是不能完成切向和径向剃齿的。这样的剃刀不能剃除全齿面上的剃齿余量。为实现径向剃齿，径向剃刀的容屑槽必须呈现螺旋排列，剃刀还要满足下列要求:1. 剃刀的齿数与齿轮的齿数不能有公约数，以实现追踪剃齿。否则，同样会造成被剃齿轮齿面的某些部分上残留剃削余量。2. 希望剃刀刀齿的轴向切削方向是从已剃齿面向未剃齿面滑动，即逆铣方式。3. 剃刀和齿轮齿数与剃刀容屑槽分布的螺旋方向应与剃齿轴交角方向保持适当的关系。4. 剃刀容屑槽的分组数与被剃齿轮的齿数间不能有公约数，若满足这一要求可以

4、放松剃刀齿数与齿轮齿数间的限制。在设计中常采用的方法:P1=YPv-Z1SfNfSf=Pc式中：P1齿轮每转剃齿区的位移量Pc剃齿刀容屑槽的槽距N剃刀齿数分组的组数Z1被剃齿轮的齿数Sf同一条容屑槽螺旋线上的相临齿槽错位量，Sf=0.010.05mmF为容屑槽螺旋的头数Y和N相关的系数常用剃齿刀容屑槽槽距的推荐值见右表。表中给出的对剃刀刀齿容屑槽设计的要求也是在不断改进之中，近年来桑浦坦斯利公司的剃齿刀设计已将剃齿轴交角方位与容屑槽螺旋方向的要求排除，这种设计方法同样满足了径向剃齿的各种质量和性能的要求。1.2 对称剃齿是消除剃齿齿形S形奇变的有效途径剃削时齿轮轮齿和剃刀刀齿是处于无侧隙的啮合

5、状态，轮齿的两侧位于啮合线的点常与剃刀刀齿上的对应点同时接触。在啮合线的啮合区中同时存在的齿轮齿廓与剃刀齿廓接触点数是变化的，这是由剃齿时刀齿和轮齿在啮合线上向前移动，不断有新的剃刀刀齿和齿轮轮齿进入啮合，同时推动前面的啮合齿廓离开啮合区间，脱离啮合的动态过程所造成。在整个啮合区内的啮合齿廓数随齿位的不同而异，可能是2、3，也可能是4。e2区间是两个齿廓接触，e3是在啮合区间有三个齿廓接触，e4是有四个齿廓接触。由于无侧隙啮合，无论是主动齿廓或被动齿廓均被加载，在轮齿的两侧均承受剃齿的接触压力。又由于啮合过程中存在着齿面上的径向滑动，在接触点上又有摩擦力的作用，故剃齿在轮齿左右齿廓上的接触压力

6、并非作用在啮合线方向上，而是偏离一个角度，这就是由摩擦力大小所决定的摩擦角。左右两齿廓上的接触压力合成了剃齿时轮齿承受的总压力A。由于剃齿刀设计的缺陷，剃齿端面重叠系数选择不当，在啮合区间的不同齿位上同时啮合的齿廓数经常是有一段两个齿廓接触，三段三个齿廓接触及两段四个齿廓接触。两个齿廓接触区间的中点过剃齿的中心线，并距两侧二分之一基节的位置就是两段四个齿廓接触区的中心位置。实践证明，在上述三点上齿轮的齿形不会产生误差。将剃齿齿形误差沿着啮合线描画出来，三段偶数接触区的中点上的齿形点均位于零位(就是这些点上无齿形误差)。而齿形误差的最大正负值出现在三段三齿廓接触区间的中心位置上。在中间的三点接触

7、区上，在这一侧只有一个齿廓接触。由于这一点几乎承担了剃齿接触压力的50%，故在此点上剃除的余量最多，而在另两个三齿廓接触区上，此侧均有两齿廓接触，接触压力最小，剃除的金属最少，故该点齿面最高。要消除上述齿形误差，避免在啮合区上的奇数齿廓接触将是剃刀设计应解决的主要课题。我们期待的理想条件是在左右两侧有相同数量的齿廓接触，既在啮合中接触齿廓的总数应为偶数，我们就称之为实现了“对称剃齿”(也称平衡剃齿)。消除奇数齿廓接触区或将其降至最小，将剃齿接触压力的变化控制在尽可能小的范围内是剃刀设计要解决的问题。剃齿时齿轮与剃刀啮合区的长度是决定有否奇数齿廓接触的关键因素。由于啮合区长度由啮合角及齿轮、剃齿

8、刀的外圆尺寸所决定，因而选择适当的剃刀外径和刀齿厚度(或公法线长度)就成了实现对称剃齿的有效途径。如一种模数1.75、齿数131、外径237mm、加工18齿齿轮的剃齿刀，当剃刀是新刀时，采用各种齿形修形及工艺参数，都难以达到理想的齿形。有时经过剃齿参数的多方调整，可勉强达到要求，但加工有限的齿轮后，齿形就要超差，不明原因的用户称之为“新刀不好用”。而经过一段时间的加工以后，当剃刀的外径处于236.3234.4mm、跨测14齿的公法线长度在71.8671.29mm的范围时，不但剃齿的齿形容易控制，而且，刀具又有很好的寿命，经常可达到剃齿数量在万件以上。这就是剃齿刀在这一直径范围实现了对称(平衡)

9、剃齿的一个实例。实践说明，剃齿的端面重叠系数一般应大于1.5，而且，同时接触的齿廓数量愈多，剃齿齿形愈容易控制。相反，工件的齿数愈少(如1114 齿的直齿齿轮)，其剃齿齿形就很难控制。原因是剃齿的重叠系数很小，而且同时啮合齿数由2 变成1 时接触压力的变化在50%左右。剃齿的齿形S 形中凹就很难消除。因而设计这种少齿数齿轮的剃刀时更要格外注意满足剃刀的对称剃齿条件。一个剃齿实验数据，给我们展示了实现对称剃齿的现象:当啮合区长度在15.07569mm时，剃齿的重叠系数为1.242，此时在啮合区上有奇数啮合区，剃齿齿形成S形，不能满足齿轮无中凹的要求。但将啮合区长度降到13.7272mm时，重叠系

10、数由1.242降到1.1309，此时消除了奇数齿廓啮合区，得到了较好的剃齿齿形。为实现对称剃齿，应严格遵守下列原则:1. 根据剃刀修磨后的实际齿厚(或公法线长度)在修磨曲线上查出剃刀实现对称剃齿应具有的外圆直径，并将剃刀的外圆修磨到这一直径。2. 剃刀修磨曲线可遵循时，应保证剃刀的外圆在剃齿时不与齿轮的齿根及齿根圆弧的起始点接触。3. 提高剃前齿轮的加工精度，最好是比剃后所要求的齿轮精度低一级。剃前齿坯在齿根渐开线起始点附近应留有剃齿空刀，空刀的起点位置应由留剃余量及允许的根切深度确定，以保证剃后的齿形长度合格。4. 减少剃齿余量，以便在整个剃齿过程中均能保持对称剃齿的条件，剃齿齿形不偏离齿轮

11、设计的要求。2 剃齿工艺对剃齿齿形的影响人们经常将齿轮齿形的好坏完全归结于剃齿刀的齿形形状。剃齿刀的齿形固然在很大程度上决定着被剃齿轮的齿形形状，但这并不是唯一的因素，剃齿的工艺参数对齿轮齿形也有着一定的控制作用。这是因为剃齿齿形是剃刀齿形和剃齿过程中工艺系统弹性变形的综合产物。工艺系统的变形是与所采用的工艺参数分不开的。下面的剃齿实例可说明这一现象。采用的剃齿刀数据为:模数1.75，齿数131，螺旋角15°(右旋)，齿形实际中凹量0.00175mm，压力角偏差-0.0067mm，齿形偏差0.0026mm，齿形总偏差0.0074mm。剃齿时首先采用的剃齿用量为:剃刀的转数140r/m

12、in，径向进刀总行程0.08mm，径向进给速度分别为2mm/min、1.2mm/min、0.7mm/min和0.5mm/min，停歇时间0.1"1"，剃削一件齿轮的时间为19"(秒)。剃齿结果:齿形中凹0.00274mm，不能满足齿轮的齿形精度要求。为改善剃齿的精度，在没有重新修磨剃刀的条件下，保持先前采用的剃齿用量，但将每一工步的停留时间加长到1.2"3"，总的剃齿时间为27"28"。所剃齿轮的齿形为中凸0.005mm，完全满足了齿轮齿形的设计要求。从实例可知，剃齿刀齿形与被剃齿轮的齿形并非是一一对应的关系。同一次刃磨的剃刀采用不同的剃齿工艺，可能得到的齿轮齿形并非相同。由此有以下结论:满足某一种