加工大模数、大变位齿轮用双头滚刀的设计与应用

wygfada

1 引言在滚齿加工中，增加滚刀头数可成倍提高工作台转速，大幅度提高加工效率，因此多头滚刀作为一种高效刀具已广泛应用于中、小模数齿轮的加工。但是，应用多头滚刀加工大模数齿轮时，随着滚刀头数的增加，包络工件每个齿面的刀齿数成比例地减少，使滚刀每个刀齿的切削负荷增大。为提高滚刀刚性，减小被切齿面棱度，滚刀的外径和孔径必须相应增大，滚刀齿数(容屑槽数)也需要增多。由于大模数齿轮的切削余量和切削深度较大(大变位齿轮尤其如此)，在加工过程中易出现切削不平稳现象，加剧刀具磨损及烧伤，降低刀具耐用度，因此对加工机床、刀具、工装的刚性要求较高。由于以上原因，多头滚刀在大模数、大变位齿轮加工中的应用难度较大。为提高大模数、大变位齿轮的加工效率(尤其是粗滚齿效率)，我们设计了大直径双头滚刀，经过工艺试验和批量生产，获得了良好的加工效果和经济效益。 2 双头滚刀的设计被加工齿轮参数为：模数m=12mm，压力角a=20°，变位系数X=1. 3，齿数Z1=38；齿坯为锻件；在Y30100 滚齿机上进行加工。通过分析计算滚齿机和双头滚刀的加工能力，确定非标双头滚刀的设计参数为：外径De=200mm，孔径d=50mm，容屑槽数Z刀=10，分圆螺纹升角lf=8°22'，直槽，0°前角，带圆弧头触角，齿厚留量DS=1.6mm，右旋。现将设计要点说明如下。

• Y30100 滚齿机分度蜗杆的允许转速为[n蜗杆]≤500r/min。蜗杆转速n蜗杆与主轴转速(滚刀转速)n刀、滚刀头数k头和工件齿数Z1的关系式为 n蜗杆=99n刀k头/2Z1将设计参数代入上式计算可得：n蜗杆=83. 3r/min<[n蜗杆]。
• Y30100滚齿机加工钢制工件时，滚刀的允许最大外径[De]max=220mm，粗滚加工的允许切削速度[v刀]=20～25m/min。切削速度计算公式为 v刀=pn刀De/1000为避免因切削速度过高而降低刀具耐用度，设计时采用允许切削速度的下限值。将选定的滚刀外径De=200mm 代入公式计算可得：v刀=20.1m/min，略高于[v刀]=20m/min。
• 根据设计要求，滚刀头数与被切齿轮齿数之间应无公约数，以避免发生被切齿轮齿厚不一致现象。但如选用三头以上的滚刀，刀具螺旋升角较大，不利于加工，且该滚刀主要用于粗滚加工，对加工精度要求不是太高，应主要考虑加工效率，因此设计时仍选用双头滚刀。
• 设计多头滚刀时，应加大滚刀外径，增加容屑槽数。当选用滚刀齿数Z刀=11时，刀齿厚度较选用Z刀=10时减小5.7mm，刀具耐用度降低较多；且作图校验发现砂轮铲磨时会发生干涉现象，加上考虑粗加工的因素，因此采用Z刀=10较为合理。
• 采用正前角可提高滚刀齿形设计精度，改善切削条件，对于螺纹升角较大的大模数滚刀尤其如此。根据直槽正前角滚刀的设计方法，轴向齿形角计算公式为 ctgaqz=ctgancoslf(1-Z刀Ke/2prf2cosgf)左、右侧前刃面齿形角计算公式为 tanaq=(tanancosgf± sinlfsingf)/coslf式中：an——滚刀法向齿形角 lf——滚刀分圆螺纹升角 Z刀——滚刀容屑槽数 K——滚刀径向铲背量，K=pDetanae/Z刀 e——滚刀前刃面偏心位置，e=Resinge rf——滚刀分圆半径 gf——滚刀分圆前角，gf=arcsin(e/rf) ae——滚刀顶刃后角 Re——滚刀顶刃半径 ge——滚刀顶刃前角 经计算，直槽正前角滚刀的轴向齿形角比直槽0°前角滚刀增大了48'。由于直槽0°前角滚刀的齿顶圆弧半径已达到要求的工件齿根圆弧半径的下限，而直槽正前角滚刀的齿顶圆弧半径更小，因此不符合加工要求，且会降低齿顶强度，不利于粗滚加工；此外，直槽正前角滚刀左、右侧前刃面的齿形角相差2°7'，给检测带来不便。因此，设计中仍采用了0°前角。
• 当螺纹升角lf > 5°时，容屑槽应为垂直于滚刀螺纹方向的螺旋槽形式(即容屑槽螺旋角bf=lf)。直槽0°前角滚刀轴向齿形角计算公式为 ctgaz=ctgancoslf螺旋槽滚刀左、右侧轴向齿形角计算公式为 ctgalz=ctgaz±KZ刀/T式中：T——滚刀容屑槽导程，T=pdf/tanlf df——滚刀分圆直径 经计算，直槽0°前角滚刀的轴向齿形角与螺旋槽滚刀左、右侧轴向齿形角均相差18'。采用直槽0°前角滚刀进行加工时，按切深计算的滚刀单边齿厚的影响为27×tan18'=0.14mm，由于存在齿厚留量，因此不会影响半精滚加工的齿形精度；加上外购螺旋槽滚刀会增加成本，刃磨、检测不便，因此设计时仍采用直槽形式的容屑槽。
• 为实现半精滚时只加工齿侧有效齿形部分，不加工齿根部分，以提高半精滚刀耐用度和加工效率的目的，设计时采用了齿侧留量，直接加工至齿深，圆弧挖根。3 双头滚刀的应用此前我公司一直采用外径De=180mm 的单头滚刀进行粗滚齿加工，加工参数为：主轴转速n刀=32r/min，走刀量f=0.79mm/r，切深ap=27mm，顺铣加工，工作台及工件的转速为n工=n刀/Z工=0.84r/min。 改用双头滚刀进行粗滚加工后，采用相同的加工参数，工作台及工件的转速为n工=n刀k头/Z工=1.68r/min，加工效率较单头滚刀提高一倍。在整个加工过程中，主轴刀架无振动，爬行现象不明显，工作台及工件运行平稳，滚切加工引起的噪音、烟雾及工件表面温度正常。加工后检查发现，工件齿面无明显沟痕，滚刀磨损正常。通过进行试验加工(4件)、少量加工(20 件)和小批量加工(60 件)，粗滚效果均较好，单件加工效率提高了近一倍；半精滚效果也很好，齿形精度良好，加工效率提高约20%，半精滚刀的耐用度明显提高。总体生产效率提高一倍以上，经济效益可观。 在滚齿加工中应注意以下事项：
  • 应定期调整(或更换)主电机皮带松紧度，避免因皮带松弛与电机轴打滑而引起工作台回转时快时慢现象，影响加工。
  • 应定期调整刀架夹条与导轨的夹紧程度。夹条与导轨间隙过大会使滚刀产生振动；夹条与导轨夹紧过紧则会使刀架产生爬行现象。加工前和加工过程中应及时润滑立式导轨，避免产生爬行现象。
  • 应对工作台飘浮现象进行定期检测与调整。由于工作台底面与床身底座长期磨合产生较大间隙，在润滑油油压作用下工作台飘浮于床身底座之上，使加工过程中工作台及工件产生颤动现象。颤动现象(在滚刀出刀时最为显著)会影响切削平稳性，加剧滚刀的磨损烧伤，降低滚刀耐用度。
  • 应定期检测、调整蜗杆蜗轮副的间隙。蜗杆蜗轮副间隙过大会产生切削不平稳现象。同时应经常检查蜗杆、蜗轮的润滑是否正常，以避免蜗杆蜗轮发生对研，损坏机床。
  • 由于刀架主轴箱内的润滑油是封闭不循环的，因此应定期(3～6个月)更换清洁的主轴专用润滑油，以免影响主轴传动质量。

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