精密蜗轮剃齿刀制造新工艺

精密蜗轮剃齿刀制造新工艺欧阳志喜宁波双林汽车部件股份有限公司摘要：本文介绍一种采用电火花成型加工蜗轮剃齿刀容屑槽的新工艺，为在机械行业中推广采用剃齿工艺加工蜗轮创造了条件。关键词：蜗轮、剃齿刀、电火花、容屑槽高精度的蜗轮的传统精加工工艺是剃齿滚切加工，精度为国标GB/T10089-885～6级的精密分度蜗轮，其轮齿在用蜗轮滚切加工后，要求通过采用高精度剃齿刀对蜗轮进行精剃加工。蜗轮剃齿刀的形状与主要尺寸（如模数、头数、齿形角、螺旋升角、旋向、导程、分圆直径等）都同原配对蜗杆一样，与蜗杆所不同处仅在其螺纹表面上开出许多小的容屑槽，以形成切削刃，如图1所示[1]。当它与蜗轮啮合时，由于啮合副齿面间的很大滑移，这些小容屑槽形成的一个个刀刃便从蜗轮齿面上剃下很薄的一层层切屑。用蜗轮剃齿刀作为精切蜗轮的刀具的主要优点是，剃齿刀齿形与蜗杆齿形的一致性容易保证。因为磨削剃齿刀的牙形时，是与蜗杆在同一台蜗杆（或螺纹）磨床上，在机床（和砂轮）同一次调整（和修整）的情况下磨出的。所以用此剃齿刀剃出的蜗轮与蜗杆配合时，接触精度很高，接触面在齿长和齿高方向都容易达到85%以上。而用蜗轮滚刀则没有这样好的条件，尽管在设计和制造滚刀时，都力求使其切削刃在基本蜗杆的螺旋面上，也就是力求使滚刀齿形与蜗杆齿形一致，但滚刀的齿面是由铲齿形成的，而不像剃齿刀那样是与蜗杆一起磨出来的，故难以作到像剃齿刀那样更加符合蜗杆齿形的要求。但以上所述的做法，在组织生产中也是很难作到的。因为这类蜗轮剃齿刀的两侧螺纹面上开有许多小容屑槽，需要采用一种专用插槽机床将刀坯上容屑槽插削加工成型。因此，在国内只有少数几家刃具厂才能制造出这种精密蜗轮剃齿刀；所以蜗轮剃齿刀的价格十分昂贵。此外，蜗轮的配对蜗杆是由齿轮生产厂家自行组织加工，根本不可能实现蜗轮剃齿刀与蜗杆牙形在同一台磨床上，同一次调整的条件下进行磨削加工。这种外协生产的蜗轮剃齿刀的牙形，与生产厂家加工的蜗杆牙形是不可能作到完全一致。由于剃齿刀的制造工艺复杂、价格昂贵、蜗轮铲磨剃削质量等很难达到预期效果，使得这种剃齿工艺无法获得广泛采用。如果生产厂家能找到一种采用通用加工工艺来完成剃齿刀的容屑槽加工，实现自行制造高精度剃齿刀，则就可能为这种蜗轮精密剃齿工艺的实施大开其方便之门。参考文献[2]介绍了重庆前卫仪表厂利用自行研制的晶体管铲磨机，采用“全电火花”工艺铲磨加工A级JB2497-78全切式整体硬质合金渐开线滚刀。这种滚刀对于塑料齿轮专业厂所需的加工齿轮电极用滚刀制造提供了极大的方便。图1精密蜗轮剃齿刀本文将介绍宁波双林汽车部件股份有限公司传动厂于2007年自主科技创新，采用EDM电火花工艺完成剃齿刀容屑槽的成型加工，并取得了完满成功，特将这一成果与齿轮界的科技同行们共同分享。一、蜗轮剃齿刀制造新工艺EDM电火花机和线切割机已经成为现代模业最重要的加工手段，这类电加工机床已经遍及到我国机械制造业中的大小生产厂家。如何利用这类电加工机床实施剃齿刀容屑槽的成型加工，现简述如下：(1)蜗轮剃齿刀采用W6Mo5Cr4V2煅打坯料，除剃齿刀容屑槽外，其他加工工序均与原普通剃齿刀相同。但要求剃齿刀基本蜗杆螺纹牙形，按剃齿刀的设计要求与蜗杆同批、同机台一次磨削加工完成；(2)根据图1所示的蜗轮剃齿刀小容屑槽的几何形状和尺寸要求，设计电火花成型加工用紫铜齿条电极。如图2所示的电极，是采用普通线切割机成型切割加工完成；(3)在普通国产EDM电火花机上，采用普通分度头夹持剃齿刀芯杆，校正电极与剃齿刀的相对位置。为了提高加工效率与降低容屑槽表面粗糙度，可实施粗-中-精电规准与水平摇动电加工。每加工完成一排容屑槽后，每加工完一排容屑槽后，可通过分度头分齿；(4)由钳工采用夹持金刚石指形砂轮的电动磨头，按剃齿刀容屑槽形状的几何和尺寸要求开出后隙面。如果蜗轮剃齿刀的模数较小，可采用金刚石锉刀进行手工修锉成型刀刃后隙面。也可以设计一种专用齿条电极，采用电火花成型工艺来完成剃齿刀的后隙面加工。图2电火花成型加工蜗轮剃齿刀容屑槽用电极二、蜗轮剃齿刀的设计要点(1)蜗轮剃齿刀外径aTd蜗轮剃齿刀的外径aTd应大于蜗杆ad，以便能切出蜗轮的全部有效工作齿廓；但应小于蜗轮滚刀的外径aod，以避免剃齿刀的顶刃参加切削，aTd值可用下式计算：式中ad——蜗杆外径(2)剃齿刀分度圆齿厚oTs剃齿刀的分度圆齿厚oTs按下式计算式中——蜗轮齿厚下偏差Δ——剃齿刀用钝后的重磨量当对蜗轮副的啮合侧隙要求严格时，也可取蜗杆的齿厚为剃齿刀实际齿厚减去要求的侧(0.1～0.2)aaTddm222sioTEms2siE隙，以保证蜗轮副在最佳状态下工作。(3)剃齿刀刀刃的刃带宽度oTf根据参考文献[2]介绍：要求oTf在齿全高上要求保持基本一致，在加工锡青铜蜗轮时可取为0.15oTfmm，加工球墨铸铁蜗轮时可取为0.35oTfmm。刃带表面粗糙度取0.2～0.4Ramm，剃齿刀刃带的宽度及其表面粗糙度对加工蜗轮的齿面粗糙度有很大影响，不可忽视。三、蜗轮的剃削加工(1)采用滚齿机剃齿加工蜗轮在滚齿机上采用剃齿刀滚切蜗轮时，需特别细心。滚齿机床分度蜗杆和滚刀主轴的轴向窜动都应严格控制，剃齿刀的轴台径向跳动应校正在3m以内。蜗轮精滚刀和剃齿刀都应有专用的刀杆，当剃齿刀内孔和两端面精磨好后，装配在专用刀杆上，然后再进行刀具的轴台、外圆和齿形的精磨加工。精磨以后，以及将来剃齿刀刀刃用钝重磨时，都不再卸下刀杆，这就完全消除了刀具的安装误差。(2)采用车床或卧铣剃削加工蜗轮许多非齿轮专业厂家，在单件和小批量制造精密蜗轮时多采用加工时可采用车床或卧铣剃削加工蜗轮。这种自由剃齿加工法，即不由机床传动链传动，而是通过剃齿刀带动工件转的同时进行剃削。这样，机床传动链的周期误差不会反映到工件上。用自由剃削法加工蜗轮时，剃前蜗轮的精度必须严格控制才能得到良好的剃齿效果。经自由剃削加工的蜗轮，其相邻周节误差也可控制在2m以内。图3所示的采用EDM成型加工的剃齿刀，适应于在车床按自由剃削法加工蜗轮。(3)蜗轮剃削加工切削用量在滚齿机上剃齿时，剃削余量可根据蜗轮模数大小，滚齿加工质量确定。对于小模数蜗轮为0.08～0.12mm，可采用径向走刀切削，走刀量为工件每转进刀0.02/tmmrpm。由此看出，剃齿刀只是在蜗轮齿面上刮下去很薄的一层金属。但在车床或卧铣剃削加工模数较大的蜗轮时，剃削余量可取为0.5mm左右。图3采用EDM成型加工的蜗轮剃齿刀照片(4)采用单头剃齿刀剃削加工多头蜗轮加工多头蜗轮时，为使剃齿刀制造简单，也可以做成单头剃齿刀，其螺旋角等于多头蜗杆的螺旋角，也就是说本来应做成多头剃齿刀，现在只做其中的一个头。当蜗轮齿数与蜗杆头数有公因数时需分度加工。用单头剃齿刀加工多头蜗轮时，蜗轮的齿距精度将稍受影响。不管采用以上那一种方式剃削加工蜗轮，都要求剃齿刀的轴线准确调整到位于被剃削加工蜗轮的中心平面上。四、小结某滚丝机锡青铜大蜗轮（631201231′44″mz、、、），由于配对蜗杆牙面局部脱落将蜗轮齿面严重损伤，采用新工艺制造剃齿刀在车床上进行剃削修复加工实况见图4照片。剃齿刀顶装在车床上，由机床主轴带动低速传动。大蜗轮连同原机床两单列圆锥滚子轴承一道安装在车床刀架上专配心轴上，由剃齿刀进行自由式剃削加工。剃削加工一个蜗轮需一刻钟，蜗轮被损伤齿面被剃削完好，表面粗糙度很小。图4在车床上剃削加工蜗轮实况照参考文献1，袁哲俊、刘华明、唐宣胜.齿轮刀具设计.北京新时代出版社，1983.2，欧阳志喜.整体硬质合金仪表齿轮滚刀及铣刀的设计与制造.北京国防工业出版社，1994.