滚齿加工精度和效率的研究分析_为何剃齿的加工精度高于滚齿和插齿

　　摘要:滚齿是一种常用的齿轮加工工艺，在高精度滚齿机上，采用精密滚刀，可以加工出5到6级精度的齿轮。本文结合多年对齿轮制造理论的研究，对保证滚齿精度的前提下，对提高齿轮滚齿加工效率的方法及途径进行了研究分析。
　　关键词：齿轮加工；精度；滚齿效率
　　中图分类号：TG61 文献标识码：A
　　随着齿轮加工工艺技术的发展，滚齿机的刚性、精度及功率有了很大的提高，数控滚齿机的应用，齿轮滚刀材料性能的提高及刀具制造、刃磨工艺的改进，使齿轮加工精度和效率有了很大的提高。
　　1滚齿加工精度分析
　　齿轮精度主要有运动精度、平稳性精度、接触精度。滚齿加工中用控制公法线长度和齿圈径跳来保证运动精度，用控制齿形误差和基节偏差来保证工作平稳性精度，用控制齿向误差来保证接触精度。
　　1.1齿圈径向跳动误差
　　齿圈径向跳动是指在齿轮一转范围内，测头在齿槽内或轮齿上，与齿高中部双面接触，测头相对于轮齿轴线的最大变动量。也是轮齿齿圈相对于轴中心线的偏心，这种偏心是由于在安装零件时，零件的两中心孔与工作台的回转中心安装不重合或偏差太大而引起。
　　1.2公法线长度误差
　　滚齿是用展成法原理加工齿轮的，从刀具到齿坯间的分齿传动链要按一定的传动比关系保持运动的精确性。但是这些传动链是由一系列传动元件组成的。它们的制造和装配误差在传递运动过程中必然要集中反映到传动链的末端零件上，产生相对运动的不均匀性，影响轮齿的加工精度。公法线长度变动是反映齿轮牙齿分布不均匀的最大误差，这个误差主要是滚齿机工作台蜗轮副回转精度不均匀造成的，还有滚齿机工作台圆形导轨磨损、分度蜗轮与工作台圆形导轨不同轴造成，再者分齿挂轮齿面有严重磕碰或挂轮时咬合太松或太紧也会影响公法线变动超差。
　　1.3齿形误差
　　齿形误差是指在齿形工作部分内，包容实际齿形廓线的两理想齿形(渐开线)廓线间的法向距离。在实际加工过程中不可能获得完全正确的渐开线齿形，总是存在各种误差，从而影响传动的平稳性。齿轮的基圆是决定渐开线齿形的唯一参数，如果在滚齿加工时基圆产生误差，齿形势必也会产生误差。基圆半径R=滚刀移动速度／工作台回转角速度xcosao(ao为滚刀原始齿形角)，在滚齿加工过程中渐开线齿形主要靠滚刀与齿坯之间保持一定速比的分齿来保证，由此可见，齿形误差主要是滚刀齿形误差决定的，滚刀刃磨质量不好很容易出现齿形误差。同时滚刀在安装中产生的径向跳动、轴向窜动(即安装误差)也对齿形误差有影响。常见的齿形误差有不对称、齿形角误差(齿顶变肥或变厚)、产生周期误差等。
　　1.4齿向误差分析
　　齿向误差是在分度圆柱面上，全齿宽范围内，包容实际齿向线的两条设计齿向线的端面距离。引起齿向误差的主要原因有机床、刀架的垂直进给方向与零件轴线有偏移，或上尾座顶尖中心与工作台回转中心不一致，还有滚切斜齿轮时，差动挂轮计算误差大，差动传动链齿轮制造和调整误差太大。另外夹具和齿坯制造、安装、调整精度低也会引起齿向误差。
　　1.5齿面粗糙度分析
　　齿面粗糙度不好有几种现象：发纹、啃齿、鱼磷、撕裂。引起齿面粗糙度差的主要原因有以下几方面：机床、刀具、工件系统整体刚性不足、间隙大；滚刀和工件相对位置发生变化；滚刀刃磨不当、零件材质不均匀；切削参数选择不合适等。
　　通过以上分析可知，影响齿轮加工精度的主要因素有机床和刀具，特别是数控滚齿机的应用，采用CNC控制系统，机床传动链的减少，大大减少了机床传动链中各组成环节的制造和装配误差及使用过程的磨损引起的加工精度下降。
　　2加工工艺
　　我公司齿轮现采用滚齿一剃齿工艺,详细加工工艺流程如下：
　　下料→锻造→等温正火→粗车→精车 滚齿→倒棱→剃齿→渗碳淬火→磨内孔 清洗→检验→包装
　　由此工艺可以看出，我公司产品对滚齿精度要求并不是特别高，齿轮的精度保证在剃齿加工工序，通过齿形、齿向的剃齿修形来保证齿轮的精度。滚齿工序重点考虑的是在满足加工精度要求的前提下，尽可能地提高加工效率，降低生产成本。
　　3对比试验
　　为保证剃齿精度及剃削余量，滚齿加工一般选用剃前滚刀。本次用于滚齿加工精度和效率研究分析的试验分别使用单头滚刀、双头滚刀、三头滚刀进行齿轮加工，选用进口粉末冶金滚刀，φ90mm， 切削速度V≥100m/min，精度DIN A级。通过对不同头数滚刀的加工对比试验，研究分析齿轮的精度和加工效率，找出有效提高滚齿效率的方法。
　　我公司齿轮生产使用的滚齿机有Y3150E、YKB3120及YKX3132M，本次试验选用YKX3132M高效数控滚齿机，机床为3轴数控滚齿机。试验加工齿轮参数为：Z33、M3.5、α20°、β16.5°、齿宽27mm、 左旋。齿轮材料为20MnCr5，加工硬度：HB160--210。
　　根据滚刀建议切削速度及公式n刀＝�1000×V切�/�π×D切�，结合机床主轴转速及工作台转速的合理范围，选用滚刀转速240转/分至300转/分。分粗滚和精滚二次切削完成滚齿加工。
　　3.1滚齿加工节拍
　　滚齿加工的有关参数及加工节拍如下表：
　　使用单头滚刀加工一件齿轮的时间为8.13分钟，使用双头滚刀加工一件齿轮的时间为5.09分钟，节约加工时间3.04分钟，提高加工效率37.4%。
　　使用三头滚刀加工一件齿轮的时间为4.47分钟，与单头滚刀加工相比，节约加工时间3.66分钟，效率提高45%。但与双头滚刀加工相比，节约加工时间0.58分钟，效率只提高12.1%。
　　3.2 加工齿轮精度检测
　　将3种滚刀加工的齿轮，每种各随机抽取3件，检测各项精度，具体数据见下表：
　　从检测结果来看，单头滚刀加工精度最好，双头滚刀其次，三头滚刀的加工精度最差，基本上难以满足加工要求。主要有二方面的原因。1）滚刀的头数越多，加工精度越差是基本的规律。2）这次试验加工齿轮的齿数是33，是三头滚刀的整数倍。当加工齿轮的齿数可以被滚刀头数整除时，加工过程会使滚刀各齿的误差在被加工齿轮的同一位置重复出现，不能相互抵消，使滚刀齿形误差全部反映到加工齿轮的精度上。一般是不建议采用，不仅如此，滚刀的槽数也不要能被滚刀头数整除，原因也一样。
　　结束语
　　一般来说，滚刀头数越多，加工速度越快，效率越高，但加工精度也随之下降。滚齿加工后没有剃齿或磨齿等其它精加工工序或少齿数齿轮加工时，宜采用单头滚刀。对于滚齿加工后还有其它齿形精加工工序，为提高滚齿加工效率，建议使用多头滚刀，但尽量不要让工件齿数被滚刀头数整除。选择多头滚刀时应注意滚刀的升角，γ=sin-1(TH×m/(d-3×m))，（γ：升角TH：滚刀头数，m：模数d：外径），升角的大小与滚刀头数、模数成正比，与滚刀直径成反比。当滚刀升角在5°以内，采用直槽型滚刀，滚刀的重磨一般不会有问题。当滚刀升角大于5°时，须采用斜槽型滚刀，斜槽滚刀的重磨必须选用具有砂轮头架水平回转轴功能的数控滚刀刃磨床。因此，通过效率与精度的试验数据对比分析，对于本次试验的齿轮来说，采用双头滚刀加工是比较合适的，既能保证加工精度，又能提高加工效率。
　　参考文献
　　[1]范玉泉，李勃.影响轴齿轮滚齿加工精度原因分析[J].山西科技，2010，05
　　[2]刘美仙.浅谈如何提高机械加工精度[J].福建轻纺，2009，12