刮削滚齿精加工工艺特性与试运用研究

成 钢，舒 兵，刘子聪，袁剑平，野妙玲，田 凯，蒋琪琳

(江麓机电集团有限公司，湖南 湘潭 411100)

硬齿面齿轮主要应用于车辆、船舶、工程机械、航空等领域的动力输出变速装置中。对于淬火后的硬齿面齿轮的精加工，一般都采用磨齿、珩齿和剃齿进行修形工艺方法，以消除淬火(热处理)造成的变形，这是高精度硬齿面齿轮制造必不可少的关键工序，这不仅能提升齿轮的综合精度和啮合状态，还能提高齿轮的实际使用寿命，但是这种方法效率较低。

1 硬齿面齿轮精加工主要方法

现渗氮或渗碳淬火后的硬齿面齿轮一般工艺流程为：锻造→正火→粗车→开齿→渗碳淬火→修磨基准→磨齿和剃齿修形。这种方式效率较低，虽磨齿精度较高(可达到3级)，但设备的价格较高，一般企业很少使用。同时磨齿存在散热较差的问题，易造成齿面局部“烧伤”而形成缺陷；而剃齿效率较低，提高切削速度虽会提升剃齿精度和加工效率，但刀具易磨损降低寿命(刀具制造成本较高)，甚至还会引起机床顶尖的烧损等。

滚齿加工是连续展成运动切削的制齿方法，所以其生产效率(是各种机械加工制齿效率最高和最广的制齿设备)、渐开线齿形精度较高且稳定。由于滚齿机床的设计刚度较高，一般用于去除齿形大余量加工(开齿)，未精加工减少加工余量，适合提高进刀量达到提高效率的目的(钢件粗滚2～3.5 mm/r、精滚0.8～1.2 mm/r)。一般滚齿机床的滚齿加工精度为标准GB/T 10095.1—2008和GB/T 10095.2—2008的7～8级，高速钢滚刀滚齿切削速度为100～200 m/min，被加工齿面硬度为300～400 HBW。随着国内精密、高精密滚齿机床的运用，高效率、高精度滚齿的运用工艺研究逐步替代部分磨齿和剃齿工序，如重庆机床厂的YMA3150、YMA3150、YGA31125等精密、高精密滚齿机床的推广应用。

2 刮削滚齿加工特性

刮削滚齿加工是一种针对小中模数的硬齿面精加工的滚切方法，其前角采用零度或较小的负前角，其切削原理是通过微量的挤压切削对变形后的齿形进行修整达到提高精度的目的，同时通过微量切削后的刀具刃部挤压，可达到细化齿表面晶粒、提高齿面强度、使齿表产生压应力降低裂纹产生和提高齿面耐磨性等作用。其加工效率比锥面砂轮磨齿机高5～6倍，具备磨齿和剃齿不可替代的明显优势。

刮削滚齿技术主要适用于半精加工或精加工的齿轮，其加工速度较低，被加工齿轮齿面的硬度可达45～64 HRC。而采用高速钢滚齿，切削速度较低且特易磨损，磨损后换刀困难(重新对刀困难)，极易造成齿坯报废，所以刮削滚齿的刀具高硬度、高耐磨性是重要特性指标。

从设备而言，一般普通滚齿机床的加工精度为7～8级，而精密、高精密滚齿机床的滚齿精度可达5～6级，所以通过刮削滚齿所选设备一般为精密、高精密滚齿机床。对应刮削滚刀的精度选取一般为A级、AA级和AAA级。A级为一般精加工(7级)或高精度齿轮的半精加工，AA级为高精度齿轮的精加工(5～6级)，齿面粗糙度为Ra(0.63～1.25)μm。刀具的精度越高产品齿形精度高，而设备精度高则产品的周节误差、齿向误差、基节偏差会很低。

3 刮削滚齿的工艺优化研究

3.1 刮削滚齿的适用范围和加工刀具的特性

齿轮材料分为渗氮齿轮合金钢(如18CrNiWA)、渗碳齿轮合金钢(如20Cr2Ni4)、常用调质和淬火齿轮钢(如40Cr)、铸铁等。由于铸铁和其他材料较难形成齿面硬化，一般只对前3种材质齿轮淬硬后采用刮削滚齿。

刮削滚齿的刀具除了具备硬度和耐磨性要求较高外，刀齿形状也有特殊要求。刮削滚齿的顶刃具有很大的负前角，对切削过程很不利，为防止顶刃产生显著的磨损和刃崩而尽量取“小”[1]。

淬火后应只刮削齿面有效段的渐开线而不加工齿根底[2]，所以对热处理前的刮前滚齿，应按不同齿轮参数设计带预挖根的专用刮前滚刀。同时为减轻淬火后齿轮齿根应力集中问题，刮前滚刀的齿顶可设计成圆头形，使得切出的齿槽略深于齿轮标准齿高，且槽底两侧有适量的圆滑过渡的沉割。

刮前滚齿的留余量原则上应根据齿轮的模数、齿数、材料和热处理变形的大小来确定，但不能一概而论，因为每个企业的设备能力、控制变形手段等不同，制定余量时应以经验和标准余量作参考，经过验证后再确定固化工艺参数。

3.2 刮削滚齿加工刀具材料优化

现刮削滚齿刀具一般采用整体高速钢对其前角进行修磨成零度或较小的负前角，但其材质耐磨性较低，较难长时间使用，主要适用于调质或较低硬度(32～40 HRC)齿轮的滚刮。通过对同一材质相同齿面硬度(45 HRC)小批量的钢件齿轮进行试用，分别采用整体硬质合金滚刀、整体硬质合金涂层滚刀、镶片齿轮滚刀、整体高速钢滚刀等4种AA精度滚刀进行刮削滚齿加工比较，其对比项和数据见表1。

表1 4种滚刀刮削滚齿加工对比表

通过对比，整体硬质合金滚刀的性价比最高(齿面硬度为45～64 HRC)，使用硬质合金半精滚或刮削精滚淬火后的硬齿面齿轮，可减少磨齿余量甚至部分代替磨齿，如大批量生产，采用整体硬质合金滚刀的总费用远低于磨齿。如中批量或小批量生产，可采用镶嵌式刮削滚刀更经济。

3.3 刮削滚齿加工刀具的结构特点

刮削滚齿刀具与普通滚齿刀具的区别(见图1)如下：普通滚齿刀具为正前角，而刮削滚齿刀具前角采用零度或较小的负前角，并有磨钝“宽带刃”Δ。经过对比验证，半精滚加工的磨钝标准可采用0.2～0.3 mm，精滚加工的磨钝标准可采用0.1～0.2 mm。硬质合金滚刀一般采用刃磨机(铲齿车床)使用金刚砂轮进行刃磨[3]。

滚刀刃磨后，刮削滚刀的顶刃一般具有很大的负前角，切削过程非常不利，同时会产生振动。硬质合金刮削滚刀会产生磨损和崩刃，应对刃口进行强化处理，常用的刃口强化方法有如下2种。

1)用细粒度碳化硅油石沿刀齿侧刃轻微而均匀地研磨1～2次，即可形成0.01～0.03 mm的倒棱，研磨后刃口应具有一定的钝圆形状。

2)用金刚石油石沿刀齿侧刃研磨1～2次，可获得比较平直的刃口。硬质合金滚刀应在高刚度的滚刀刃磨机床上利用金刚石砂轮进行刃磨。

一般刮削滚刀的顶刃宽度取1.15 mm，以便使刮削滚刀只加工齿廓而加工不到齿顶位置，刮削前一般采用带凸角的滚刀滚齿。

3.4 刮削滚齿加工的设备选取

刮削滚齿主要是针对硬齿面(45～64 HRC)的加工，滚刀刀齿所承受的冲击力较大，易产生较大的振动而影响齿形精度和齿面粗糙度，同时刮削滚齿是齿轮精度最后成形的保障，机床的精度会影响齿轮的周节累积误差、节圆跳动、公法线检测变化量等参数。所以刮削滚齿的设备选取应保证如下几项基本要求。

1)机床整体刚度高。在刮削滚切中硬齿面齿轮时，滚刀刀齿所承受的冲击力较大，要求机床具有足够的抗振能力和吸振能力。

2)机床传动链的间隙要小。传动链的间隙过大就会造成各关联运动误差加大，影响齿轮精加工的精度等级，一般工作台的分度蜗轮副间隙应控制在0.015～0.025 mm。

3)机床采用滚珠丝杠。轴向进给系统最好采用滚珠丝杠，其间隙应调整到最小。

4)机床应在恒温间使用。刮削滚齿所使用设备为精密、高精密滚齿机，各传动链间隙应调整到最小，如果温度过高或过低，金属受热胀冷缩的影响会造成精密、高精密设备的损害。同时，对高精度齿轮加工的尺寸控制有益。

3.5 刮削滚齿加工的切削液选取

滚齿时，为提高滚刀耐用度和冷却效果，降低齿面的表面粗糙度，应向切削区直接浇注切削液，其流量为8～10 L/min。而刮削滚齿的刀具进行了前角的修钝，其后刀面刃与产品接触表面是挤压作用，金属间具有亲合作用，易造成粘结拉伤齿面降低表面粗糙度。所以应采用油脂切削液，切削过程中在刀具与产品表面形成油膜，隔离金属间的直接接触，避免造成粘结拉伤齿面降低表面粗糙度。实践证明效果明显。刮削滚齿切削液的选用见表2。

表2 刮削滚齿切削液选用表

4 结语

硬齿面刮削是使用硬质合金滚刀来对硬齿面齿轮进行精加工和齿轮磨前半精加工的工艺技术，齿面硬度为45～64 HRC，加工精度可达5～7级，齿轮表面粗糙度为Ra(0.63～1.25)μm，可部分替代磨齿和剃齿进行修形，以消除淬火(热处理)造成的变形。加工效率比锥面砂轮磨齿机高5～6倍，而其生产费用远低于磨齿，同时刀具挤压可细化齿面晶粒和硬化表层。通过小批次试应用，验证其具备磨齿和剃齿不可替代的优势。研究与应用该技术对企业降低成本、提高生产效率有着积极的意义。