磨前滚刀设计

续 进

（中国重汽集团大同齿轮有限公司， 山西 大同 037000）

引言

对于硬齿面重型齿轮加工，精度等级要求6级以上时就必须进行磨齿才能达到，但是磨削加工的生产率低，成本本高，而且大规格的齿轮由于受磨齿设备的限制无法加工。在齿轮制造业中，一些重型齿轮的加工状况存在“硬的齿轮精不了、精的齿轮硬不了”的矛盾局面，为了提高磨齿效率，而采用大负前角硬质合金滚刀先对齿轮进行半精滚齿，使磨齿余量减少。然而硬质合金虽具有硬度高、切削性能好、耐磨性高、红热硬度高等多种优点，但不足之处是抗变强度低，冲击韧性差，在滚齿时易出现断齿打刀现象。为了能使大负前角的硬质合金滚刀能顺利滚出而不出现打刀现象，我们采用了磨前滚刀进行粗滚齿，为精滚齿创造条件，而磨前滚刀不是标准滚刀，都应自行设计。

1 磨前滚刀设计的指导思想

1.1 精滚时不能破坏齿根圆角和出现凸棱，并保证齿轮转动必须啮合线长

在淬火后精加工时，只加工齿侧，齿根空刀部分不能加工，因为淬火后齿根表层是压应力，可以提高齿轮的弯曲，疲劳强度，若粗加工时齿根没有加工出空刀槽来，精加工时不但要破坏了原来的齿根表层，而且在齿根会出现凸棱。这样，齿根表层由压应力变成拉应力，凸棱又造成应力集中。这些都会使齿轮的弯曲疲劳强度降低，从而降低了齿轮的承载能力。

渗碳淬火前滚齿，为了切出齿根空刀，就必须用带凸缘齿形的滚刀，通常称磨前滚刀。

设计磨前滚刀要考滤在一定的热处理留量时，精滚既不能破坏齿根空刀，又不能出现凸棱，并要保证一定的啮合所需的齿高，即一对共轭齿轮啮合时最低的啮合点。齿轮要能连续不断地啮合传动，必须在一对牙齿啮合终止之前，后一对牙齿就已开始啮合起来。顶圆与啮合线的交点以上的渐形线齿形必须保证。

极限啮合线长L与基圆齿距t0的比值称为重合系数，以ξ表示：

ξ愈大表示同时参加啮合的齿数愈多。齿轮要连续不断地正常啮合传动，须ξ≥1。

1.2 负前角硬质合金滚刀齿顶不能参加切削

硬质合金滚刀，为了增加切削刀强度和耐用度等，负前角一般取-25°～-30°，有的资料介绍达-45°，这样大的负前角顶刃不能参加切削，否则会造成机床切削力猛增，切削振动增加，使刀片挤裂和崩裂。

2 磨前滚刀与普通滚刀设计部分的不同点

1）齿顶高系数的确定。在一定的热处理留量条件下，为了保持齿轮啮合所需的渐线高度和精滚齿时齿根空刀槽不被破坏，以及精滚时刀齿顶部参加切削，洛阳矿山机器厂目前加工齿数少于46 h，齿顶高系数选用1.4，加工齿数多于切齿的齿轮时齿顶高系数选用1.45，西德伦克齿轮公司分别选用1.4和 1.5。

2）根据热处理留量a值、凸缘切线与齿形角的夹角α1，计算凸缘高度h1'。热处理留量a是根据齿轮大小和热处理水平决定的；α1是根据保证一定的侧刃后角决定的，一般取6°～10°；r为滚刀齿顶圆角半径，一般取0.3～0.25 cm；

当齿形的压力角 α=20°、α1=6°时，有 h1'=0.707 227 1r+9.282 598a。

从保证齿轮的啮合高度看，h1'愈小愈好，在a值确定之后影响h1'的因素有两个，一个是齿轮圆角r，另一个是α1。r愈小则h1'愈小，但r小时齿轮根圆角出现凸棱齿数愈少凸棱越明显，在渗碳淬火时造成应力集中，所以r小于0.3mm是不合适的。图中α1值愈大，h1'值越小，但对径向铲齿制造的滚刀来说，α1值愈大，这一部分侧刃后角愈小，不利于切削。在顶刃后角12°时，20°部分的侧刃后角约为4°，而6°部分约2°40，许多国家α1取为6°。西德伦克齿轮公司α1取为10°。为了克服10°部分侧刃后角小的缺点，他们研制了复合刃磨前滚刀，减轻了侧刃后角小的那部分切削刃的负荷，提高刀具寿命。

除上面所说的两点不同外，其余部分设计与普通滚刀相同。

3 磨前滚刀的设计

3.1 滚齿的工作原理对滚刀几何形状的要求

齿轮滚刀加工齿轮的基本原理是展成方法，齿轮滚刀本身成为蜗杆状，为了产生切削刃，在蜗杆上开出了容屑槽。为形成后角，刀齿齿背还要经过铲齿。但滚刀的每个切削刃仍严格地保持在一个蜗杆表面上。

齿轮滚刀切齿轮是利用螺旋齿轮的啮合原理工作的。按照渐开线螺旋齿轮啮合原理，啮合的齿轮的齿形在端截面中应该是渐开线。因此滚刀的基本蜗杆在端截面中应该是渐开线齿形。也就是对滚刀基本蜗杆几何形状的要求。

第一，滚刀的容屑沟。为了产生滚刀的切削刃，滚刀上需铣出容屑沟。容屑沟的一侧即形成滚刀的前刀面，这里取前角r为6°。容屑沟的方向主要有两种，一种是直沟，另一种是螺旋沟。因为直沟滚刀制造刃磨和检验都方便，特别受工具厂和用户的青睐。

第二，滚刀的铲齿。滚刀的后角是铲磨形成的，当滚刀转过一个齿时，铲刀径向前进K值，因而形成滚刀的后角af。af与铲背量K的关系可用下式计算：

式中：Z为滚刀的圆周齿数；D为滚刀外径；af为滚刀后角，一般取10°～12°。

铲齿后，侧铲面和容屑沟的前刀面的交线就是侧切削刃，要切出正确的渐开线齿轮两侧切削刃应准确地在渐开线基本蜗杆的螺纹表面。

3.2 滚刀重磨后切出正确渐开线齿轮的条件

当滚刀用钝重磨后，由于齿顶有后角的原因，滚刀外径减小。同时因侧刃有后角，刀齿在同一圆柱面上的齿厚也减小。这是为了使被切齿轮仍保持原来的齿高和齿厚，可以减小滚刀和齿轮的中心距，因此滚刀的每次重磨应相当于斜齿圆柱齿轮的移距减小，而改变中心距则相当于不等移距的斜齿轮的啮合。滚刀实际上是一个不等移距修正的斜齿圆柱齿轮。

滚刀重磨后必须仍可切出正确的渐开线齿轮，为此应保证两个条件：

第一，滚刀重磨后，个刀齿的侧切削刃的形状不变，而且仍要准确地在滚刀基本蜗杆的螺纹表面上。

第二，滚刀的齿顶铲削量应和齿侧铲削量配合好，使滚刀重磨后，切出的齿轮仍可保持正确的齿高和齿厚。

4 磨前滚刀材料的选择

刀具在工作承受很大的压力。同时，由于切削时产生的金属塑性变形以及在刀具、切削、工具相互接触表面间产生的强烈摩擦，使刀具切削刃上产生很高的温度和受到很大的应力，在这样的条件下，刀具将迅速磨损或破损，因此刀具材料应能满足下列一些要求：

1）高的硬度和耐磨性。硬度是刀具材料应具备的基本特性。刀具要从工件上切下切屑，其中硬度必须比工件材料的硬度大。切削金属所用刀具的切削刃的硬度（HRC）一般都在60以上。

耐磨性事材料抵抗磨损的能力。一般来说，刀具材料的硬度越高，耐磨性就越好，组织中硬质点的硬度越高，数量越多，颗粒越小，越均匀，则耐磨性越高。但刀具材料的耐磨性实际上不仅取决于它的硬度，而且也和它的化学成分，强度和显微组织等有关。

2）足够的强度和韧性。要使刀具在承受很大压力，以及在切削过程中通常出现的冲击和振动的条件下工作而不产生崩刃和折断，刀具材料就必须具有足够的强度和韧性。

3）高耐热性（热稳定性）。刀具材料的高温硬度愈高，则到机场的切削性能愈好，允许的切削速度也愈高。

4）刀具材料除高温硬度外，还应有在高温下抗氧化的能力以及良好的抗黏结和抗扩散的能力，即刀具应具有良好的化学稳定性。

5）良好的工艺性能。

6）经济性。