浅析插齿刀前角对刀具加工质量的影响

赵晓滨

（哈尔滨第一工具制造有限公司，黑龙江 哈尔滨 150078）

加工齿轮的刀具无论从设计计算还是从加工制造上来看都是所有刀具中最复杂的一种。虽然齿轮刀具的种类繁多，各有特点。但由于渐开线齿轮的优点，所以现在机器制造业中应用的齿轮大多数是渐开线齿轮，这样的齿轮刀具的外形复杂，设计也较为复杂，为了提高切削加工效率，提高齿轮加工质量以及延长刀具的寿命，研究齿轮刀具的设计理论和设计方法，改进刀具的几何角度有着很重要的意义。

插齿刀目前是齿轮刀具中应用比较普遍的一种。它是利用一对齿轮啮合或齿轮与齿条啮合的原理加工的。加工时，刀具与被切齿轮的瞬心线彼此作无滑动的纯滚动，被加工齿轮的齿形是刀具切削刃连续位置的包络，也就是展成法。利用展成法加工有很多优点，如被加工件的精度较高，加工生产率高，而且模数相同、齿形角相同而齿数不同的齿轮可以同一把刀具加工。插齿刀是通过展成法在插齿机上加工圆柱形工件的刀具。插齿刀可用来加工各种形式的圆柱齿轮如：直齿、斜齿、人字齿轮及内齿轮。加工齿轮的精度较高，但加工生产率不及滚齿加工。它是加工塔齿轮及内齿轮的主要刀具。

其它利用展成原理生产加工齿轮的刀具有齿轮滚刀、呈蜗杆状。生产率很高，是现在生产中使用得最多的齿轮刀具。可用来加工直齿斜齿圆柱齿轮。梳齿刀：刀具呈齿条状。可用来加工直齿、斜齿、人字齿轮。刀具外形简单，加工的齿轮业度高，但机床结构复杂，因此用得不多。剃齿刀：刀具呈齿条、齿轮、蜗杆状。齿面上开有小槽以形成切削刃。这种刀具用于精加工未淬火的齿轮。加工的齿轮精度较高，而加工生产率比磨齿高许多倍，因此在生产中应用较广。

插齿刀虽整体形状像齿轮，但插齿刀和齿轮不同的是有前角和后角，前角和后角形成了切削刃，减少了插齿时的齿面摩擦。由于前角和后角的存在，使得插齿刀外形就像锥形一样，其顶圆直径尺寸自前端面向后逐渐减小。插齿刀的每个刀齿有3个切削刃，一个顶刃和两个侧刃。当插齿刀设计成0°前角时，它的前刀面是垂直于轴线的平面，此时，顶刃是插齿刀的顶圆柱与前刀面的交线，是一段圆弧，两侧刃是齿轮的两侧面与前刀面的交线，是两条渐开线。由于渐开线在生产加工中有很多优点，所以广泛应用在齿轮刀具的齿形设计中。在插齿刀的切削加工中，刀具主切削刃磨损后，磨损值的大小将直接影响切削力、切削热以及切削温度的增加，并使工件的加工精度和光洁度降低，这时可通过修磨前刃面，将磨损的部分磨掉，这样刀具的齿厚，外圆等相应更改，这样可以不改变切削出的齿形，但是刀具整体变薄了，它的顶刃向中心方向移入。当刀具到一定厚度时，就不可以再修磨了，刀具报废，所以刀具主切削刃磨损程度决定着刀具的寿命。影响刀具磨损的因素较多，主要有工件材料、刀具材料、刀具结构与几何形状、切削条件和用量等。对于插齿加工，插齿刀的前角对刀具的加工质量以及磨损有着直接的影响。

在实际生产中所使用的插齿刀都有一定的前角。为了方便制造，插齿刀的前刀面通常做成圆锥面，此圆锥面的轴线与插齿刀的轴线重合。我们已将顶刃前角为5°的插齿刀定为标准插齿刀前角，插齿刀前刀面为向内凹进的圆锥面，因此在刀齿的侧刃形成了侧刃前角。插齿刀的侧刃前角是在与在基面上的投影相垂直的截面上测量得到的。侧刃上任意点处的前角值不相等，在接近顶圆处侧刃前角较大，接近根圆处侧刃前角较小。由于插齿前刀面为圆锥面，故侧刃形成了一定的刃倾角。切削刃上各点的刃倾角不同。对于两侧切削刃，在顶圆处侧刃前角最大而刃倾角可起到增大工作前角的作用。对于标准插齿刀，由于侧刃前角很不均匀，对刀具切削性能有一定影响。

插齿刀在加工齿轮时，适当增大插齿刀前角不仅有利于提高被加工齿轮的齿面光洁度，同时还可提高插齿刀耐用度。如果将插齿前角由5°增大到15°。标准刀具参数情况下，刀具耐用度可由130分钟提高到240分钟，耐用度显著提高。将前角增大到15°后可使侧刃前角增大，从实践中可以看到被加工齿轮的齿面光洁度显著提高了。

增大插齿前角后，虽然提高了刀具的耐用度，被加工件光洁度也显著提高了，但也对插齿刀的切削质量有着负面的影响。因为增大插齿刀的前角后，插齿刀的齿形误差也同时增大。当插齿刀前角增大到15°时，齿形误差已相当大，齿形误差是反映刀具设计及加工质量的关键项目，因此插齿刀前角的增大值的确定需要考虑可行性。在实际生产中我们应如何确定前角？首先我们应该考虑被加工齿轮的精度要求，通过被加工齿轮的精度要求决定增大插齿刀前角的可行性。实践中得出的经验，对于大模数、少齿数的插齿刀，产生的齿形误差将更大。因此，大前角插齿刀主要适用于加工低精度齿轮或进行粗加工。

在齿轮加工中，有时会遇到工件材料塑性较大，采用标准前、后角的插齿刀加工不容易达到要求的齿面光洁度的情况，此时可采用增大插齿刀前角的方法。采用增大插齿刀前角加工时齿面产生较深划痕，这时如果采用同时增大前、后角的插齿刀进行加工，齿面光洁度可稳定达到标准要求。标准插齿刀的顶刃后角通常为6°，增大插齿刀后角可到9°，加工一般精度的齿轮的误差还是可以的，只是不适于加工齿数过少的齿轮，这时不但可以获得较好的表面光洁度，而且还可以增加刀具的耐用度。但顶刃后角也不能增加的太多，否则会使插齿刀的重磨厚度减少，减少了重磨次数，而且还会使插齿刀的齿形误差增大。

当被加工的齿轮精度较高时，如何解决因加大插齿刀前、后角引起齿形误差超差，经过实践总结可采用以下解决措施：（1）对插齿刀的齿形角重新修正。减小总的齿形误差，此方法可以通过将插齿刀根圆处的齿形误差减小的方法，以减小总的齿形误差。采用该方法需要进行反复计算，以使齿形误差达到最小。（2）如使用修正齿形角的方法仍达不到要求的齿形时，可将插齿刀的实际齿形误差计算出来。然后通过对磨削插齿刀齿形的砂轮进行专门修整，以使得磨削出的插齿刀齿形误差最小。但这种磨削砂轮的方法有一定局限性，这种方法一般应用在对齿形精度有特殊要求时采用。

综上所述，适当增加插齿刀前角在一定程度上会提高刀具的加工质量，尤其是在粗加工工序或对加工精度要求不高而且被加工齿轮的齿数过少时适用。

目前对于齿轮刀具的设计与制造，许多问题有待深入研究解决。而要想真正掌握各种齿轮刀具的设计与制造，必须要深入的研究各种齿轮刀具的啮合原理，对刀具的各项参数以及其中的关系了解透彻，这就需要我们不断学习和探索，在实践中总结经验，在刀具的设计及加工生产中做到精益求精。

[1]李良才.插齿刀前角对刀具耐用度及齿形误差的影响[J].工具技术，2002.