欧洲齿轮刀具材料与结构.docx
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欧洲齿轮刀具材料与结构
欧洲齿轮刀具材料与结构
2008-11-18来源：
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1.刀具类型
（1）齿轮滚刀
通过对欧洲齿轮刀具制造厂和主要用户企业（如变速箱制造厂）的考察可知，目前齿轮滚刀的使用方式可分为传统的湿式切削工艺和干式切削工艺两大类。
用于湿式切削的齿轮滚刀材料主要采用M35+TiN和M35+TiNC，其中M35+TiN为主流材料，滚切速度通常为90～110m/min。
用于干式切削的齿轮滚刀材料主要为ASP60+TiAlN，其滚切速度为160m/min。
硬质合金滚刀主要用于干式切削，其滚切速度可达260m/min。
根据滚切试验结果，ASP60+TiAlN滚刀用于干式切削的综合加工效能优于硬质合金滚刀。
因此，在实际生产应用中ASP60+TiAlN滚刀的使用量远远大于硬质合金滚刀。
随着数控滚齿技术和刀具涂层技术的快速发展，齿轮滚刀的结构设计也在不断变化，主要体现在以下方面：
①由于滚齿速度的不断提高，正前角滚刀的切削性能优势已不明显，加上正前角滚刀的齿形较复杂，制造精度不易保证，因此正前角滚刀结构正逐渐被淘汰，而代之以零前角滚刀结构。
目前除日本NACHI公司还少量生产正前角滚刀外，国外其它齿轮生产厂几乎已不生产正前角滚刀。
②滚刀头数的确定主要考虑滚齿加工效率的要求，滚刀的外径、长度、槽数等参数则需根据刀具寿命要求来确定。
设计滚刀时，通常首先确定每个刀齿的切削长度，再按重磨一次需加工的工件数确定滚刀的有效切削齿数，最后确定滚刀的外径、长度、槽数等。
③近年来，由于滚齿机快进、快退速度的提高，小径滚刀进退刀耗时少的优势已不明显，因此滚刀直径的确定主要取决于齿轮结构和槽数的要求。
④为提高加工效率，对于同一齿轮轴上需滚齿加工的不同齿轮，要求可在同一台机床上一次安装依次加工完成，这就要求一把滚刀上有多段不同规格的滚刀齿形，即将多把滚刀集成为一体。
由于滚刀圆周齿数的增多，滚齿加工已可视为近似连续切削加工，加上滚刀重磨后重新涂层技术的应用，M35+TiN滚刀与ASP30+TiN滚刀相比其寿命差别已不是很大，但却具有成本较低的优势，因此M35+TiN滚刀的使用数量已在明显回升，这一趋势无论从滚刀制造厂还是齿轮生产厂均可得到证实。
但对于圆周齿数较少的滚刀和重磨后不涂层的滚刀，ASP30+TiN滚刀与M35+TiN滚刀相比仍具有较明显的寿命优势。
在对环境污染限制极其严格的欧洲，干式切削具有广阔的应用前景。
目前大量应用于实际生产的干式切削滚刀主要为ASP60+TiAlN滚刀。
同时也有少量ASP60+TiAlN+WC/C滚刀应用，其切削速度为180m/min。
用于干式切削的硬质合金滚刀和金属陶瓷滚刀由于制造难度较大、材料及制造成本较高等原因，在加工生产线上的应用还不多。
由于涂层材料和涂层技术的快速发展，涂层粉末冶金高速钢滚刀在干式切削中的应用却在不断扩大。
（2）插齿、剃齿刀具
欧洲生产的插齿刀产品主要采用M35+TiN和ASP30+TiN材质，其结构设计与国内区别不大。
由于插齿加工属于断续切削，因此在高速插齿机上使用的插齿刀大多为ASP30+TiN插齿刀。
欧洲生产的剃齿刀产品主要采用M2或ASP23材料（M2材料占主导地位）。
剃齿刀的结构设计与国内差别较大。
对于模数小于4mm的剃齿刀，容屑槽底梳采用直线形；模数大于4mm的剃齿刀的容屑槽底梳则采用渐开线形。
剃齿刀的退刀槽均采用铣制（或磨制）加工，刀具内孔配合面较短（一般约为齿面宽的1/3），径向剃齿刀的边牙全部铣去。
目前德国开发出一种不同于传统剃齿工艺的强力剃齿工艺。
该机床在剃齿过程中，剃齿刀与被剃齿轮均可驱动，剃第一面齿时剃齿刀为主动轮，被剃齿轮为从动轮；剃第二面齿时则相反。
无论剃哪一面齿，剃齿刀与被剃齿轮的转动方向始终不变，且装卸齿轮时剃齿刀不停止转动。
该机床采用自动对刀，齿轮转速可达4000r/min，切削速度高，加工效率高。
由于可对齿形实行强力修整，因此剃齿加工精度高。
强力剃齿工艺对剃齿刀的性能、寿命和可靠性提出了更高要求。
（3）拉削刀具
欧洲刀具制造厂生产的拉刀材料大多采用M2或M35，部分拉刀采用TiN涂层，具体根据加工要求和使用条件选用。
拉刀的切削齿均无刃带。
圆拉刀、花键拉刀等的容屑槽不少采用双头螺旋槽结构.
2齿轮刀具制造工艺
欧洲目前使用的刀具制造设备基本上已实现数控化。
刀具的设计、制造已普遍采用CAD/CAM/CAPP技术，操作者只需输入刀具图号，数控加工机床即可自动从中央计算机中提取机床调整和加工工艺数据，并实现自动加工。
刀具磨削均采用带数控砂轮修整器的数控工具磨床，并配备了完善的加工软件，可根据刀具廓形自动计算及修整砂轮形状。
齿轮滚刀的车齿、铲齿工序均在数控车床和数控铲齿机上进行；铲磨齿形用数控滚刀铲磨机床采用数控砂轮修整器修整砂轮，对于模数小于6mm的滚刀，其齿形的两侧面、齿顶面、齿底面以及齿顶圆弧、齿底圆弧均可通过一次修整砂轮一次加工完成。
插齿刀齿形磨削采用锥面砂轮磨削原理（不同于我国Y7125磨床的磨削方式），可保证插齿刀修缘、沉割参数的加工精度，准确加工出齿顶圆角，同时可保证插齿刀重磨后的加工精度。
剃齿刀的容屑槽采用数控梳槽机加工，该机床刚性好、冲程快，可保证剃齿刀容屑槽两侧面的加工质量，从而延长剃齿刀的使用寿命；剃齿刀齿形采用数控剃齿刀磨床加工，可磨削各种类型的修形剃齿刀。
成形拉刀和花键拉刀的廓形面分别在数控平面磨床和数控花键磨床上加工，采用数控砂轮修整器修形，铲背磨削。
刀具热处理方面，齿轮滚刀和插齿刀均采用真空炉淬火、回火；剃齿刀、拉刀等采用盐浴淬火。
刀具标志大多采用数控激光打标机刻字，精致美观。
刀具包装质量很高。
3刀具涂层材料
欧洲，刀具涂层材料和涂层技术发展很快，水平较高，应用也较为普及。
目前在刀具制造中应用较广的涂层材料主要有TiN、TiCN、WC/C、TiAlN、TiAlN+WC/C等，其主要特性见表1。
表中，TiAlN
（1）为单层涂层，TiAlN
（2）为复合涂层。
在欧洲，刀具复合涂层（如TiAlN复合涂层）的应用范围很广
涂覆时，涂层炉中有多个Ti靶和TiAl靶，两种靶交替工作，在刀具表面交替涂覆TiN涂层和TiAlN涂层，以获得所需的多层复合涂层。
表1涂层材料特性
涂层材料：
TiN－TiCN－WC/C－TiAlN
（1）－TiAlN
（2）－TiAlN+WC/C
与钢的摩擦系数（干式）：
0.4－0.4－0.2－0.4－0.4－0.2
涂层厚度（μm）：
1～4－1～4－1～4－1～3－2～5－2～6
最高工作温度（℃）：
600－400－300－800－800－800
涂层颜色：
金黄－青灰－深灰－紫灰－紫灰－深灰
通过调研考察，感到目前国内刀具技术的整体发展水平与欧洲国家仍有较大差距。
但近年来国内工具厂通过不断进行技术改造，刀具设计制造水平已有长足进步，某些技术领域和产品品种已接近或达到国外先进水平，如汽车变速箱齿轮滚刀、发动机连杆拉刀、压缩机专用拉刀、复合齿形渐开线花键拉刀、剃齿刀等刀具品种已达到较高质量水平，具有了一定的市场竞争能力。
中国加入WTO后，国内工具行业机遇与挑战并存，为了抓住机遇，迎接挑战，国内工具制造厂必须进一步加大技术改造力度，尽快提高自身发展水平，缩小与发达国家的差距
精密齿轮滚刀安装角的变化与调整
2008-8-27来源：
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滚切斜齿轮（包括螺旋齿轮）时，合理选择滚刀的螺线方向，对滚切齿轮精度有一定的影响。
切齿时希望滚刀的安装角小些（滚刀螺线与被切齿轮螺线同向，其安装角就小），因为这样，滚刀沿被切齿轮切线方向分力与机床工作台转向相反，也就是滚齿机分度蜗杆对蜗轮的轴向力方向相反，这样可消除蜗轮副的间隙，不易引起振动，从而提高切齿精度，降低表面粗糙度，同时可使滚刀参加切削的刀齿较多，切削条件较好，被切齿轮质量较高：
如滚刀的安装角大，参加切削的齿数减少，切削负荷集中，刀齿容易磨损，容易产生振动，被切齿轮质量就差。
因此加工右旋齿轮时，应采用右旋滚刀：
加工左旋齿轮时应采用左旋滚刀，这样可减小滚刀的安装角。
至于加工直齿轮，采用左或右旋滚刀都可以，它们的安装角总是等于它的螺线升角，只是滚切齿轮时轮坯的转向不同而已。
用标准滚刀滚切标准齿轮时，相当于齿条与齿轮啮合，这时滚刀刀齿中线与齿轮的分圆相切，由于齿轮齿厚有偏差，所以必定会使滚刀产生少量的径向位移，使滚刀刀齿中线与齿轮分圆分离，使滚刀的安装角产生变化：
用标准滚刀滚切变位齿轮时，滚刀必须按图纸规定的位移系数与齿轮模数的乘积来调整（实际上是用测量齿轮齿厚来控制位移量），也会引起滚刀安装角的变化：
滚刀用钝后重磨前刀面，不仅外径会减小，而且节圆直径也会随之减小，滚刀的升角和安装角也都会发生变化。
本文详述了滚刀分圆的选择、滚刀与被切齿轮中心距不同时滚刀安装角的变化、采用不同升角滚刀时滚刀安装角的补偿调整以及精确调整安装角的方法。
1滚刀分圆直径的选择在生产实践中，只按新滚刀刻印的螺线升角来调整滚刀的安装角，不按滚刀重磨后的各次螺线升角来调整滚刀的安装角。
事实上这样做很烦，会给生产带来极大的不便。
故滚刀设计时选择分圆直径应考虑新滚刀刃磨后，引起的螺线升角的变化。
从新滚刀刃磨到最后不能使用时为止，滚刀节圆引起升角与分圆升角之差为小值，这样可减小齿形误差及齿厚变化。
利用计算斜齿轮分圆的公式，可计算滚刀分圆直径:
da=ms·z=mn·z/cosba=mn·z/cos（p/2-la）=mn·z/sina
（1）
式中：
da——齿轮或滚刀分圆直径ms——齿轮端面模数mn——齿轮或滚刀的法向模数z——齿轮齿数或滚刀头数ba——齿轮分圆螺旋角或滚刀分圆螺旋角la——齿轮螺线升角或滚刀螺线升角
图1
式
（1）中如z=1即为单头滚刀，图1所示为新滚刀端面投影图，它刃磨到OC面后，即告报废。
如分圆直径取在OB剖面时，单头滚刀分圆直径与齿高及铲背量有关，其升角为
sinla=mn/da
（2）
而新滚刀节圆上的升角为
sinl1=mn/d1
（3）
刃磨至不能用的旧滚刀节圆上的升角为
sinl2=mn/d2
（4）
∵d1>da>d2∴sinl2>sinla>sinl1即l2>la>l1，如分圆取在OA剖面内时，分圆直径仅与齿高有关，其新滚刀分圆的螺线升角为
sinl1a=mn/d1a
（5）
刃磨至不能用时旧滚刀节圆螺线升角为
sinl2a=mn/d2a
（6）
∵l1a=l1：
l2a>la∴l2a-l1a>la-l1∵l2a=l2：
l1a>la∴l2a-l1a>l2-la所以只要考虑顶高所确定分圆直径的滚刀与既考虑顶高又考虑铲背量所确定分圆直径的滚刀比较，由于前者节圆螺线升角与分圆直径升角之差大于后者，故设计滚刀选择分圆直径时应按后者，以保证新旧滚刀安装角度变化减小，提高齿轮齿形精度，从而减小齿厚变化。
2滚刀与被切齿轮中心距不同时滚刀安装角的变化用标准滚刀滚切标准齿轮时，相当于齿条与齿轮啮合，这时刀齿的中线与齿轮分圆相切，刀齿中线就是节线，齿轮分圆就是在滚刀节线上作纯滚动的节圆，滚切完成后，从理论上来说:
齿轮节圆（分圆）上的齿厚等于滚刀齿形的齿槽宽：
齿轮法面周节（斜齿轮或螺旋齿轮）等于滚刀的法面周节。
实际上滚刀的齿厚及轮齿的齿厚都有误差，故而滚刀齿形中线与齿轮分圆不相切而分离。
分离量的大小，由齿轮齿厚偏差所引起的径向位移量而定，用标准滚刀切制齿轮时，当被切齿轮与滚刀中心距加大时，滚刀节圆加大，当被切齿轮与滚刀中心距减小时，滚刀
高精度齿轮滚刀渐开线中凹齿形型线设计与应用
收藏此信息推荐给好友2009-8-22来源：
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1问题的提出
某主汽轮齿轮机组主传动透平齿轮改型设计要求齿轮制造加工单项精度提高到GB10095-88中5精度，同时必须保证齿高方向45%位于齿高中部接触、齿长方向80%偏重于啮出端接触的接触精度要求。
齿轮接触精度尤其是齿高方向接触精度主要取决于齿轮齿形精度，而滚齿加工齿轮齿形精度又主要靠滚刀齿形精度保证。
基于诸多因素，为实现上述精度要求，针对老机组齿轮滚齿的峰谷状齿形，齿轮啮合时齿顶、齿根线性接触的接触区域不正确和接触面积比例严重不足问题及改型机组设计主传动齿轮仍采用齿顶修形并期望滚齿齿形是微量中凸光滑的修缘渐开线的齿形型线设计要求，依据产品齿轮设计齿形精度、齿顶修形量、JB3227-83中AAA级滚刀齿形精度3项允差，改进设计滚刀齿形型线，由原半立方抛物线修缘渐开线直线型齿形改为齿顶、齿根修缘，齿高中部略凹的修缘渐开线中凹齿形型线（如图1所示）。
图1M4.5齿轮中凹型线示意图
2问题的解决设计思想是：
中凹齿形齿高中间部位1个模数范围内齿形精度等同于JB3227-83中AAA精度要求，齿顶、齿根修缘量中值等同于齿轮齿形修缘量。
为了保证齿高中间部份齿形符合渐开线齿形要求，控制全齿高中间二分之一的齿形中凹量尽可能小些，使所滚切齿轮齿高方向上中间接触尽可能宽一些。
设计齿轮修缘要求：
M7大齿轮为0.042，M4.5大齿轮为0.036，齿根修形均为零。
5级齿轮齿形精度：
M7大齿轮为Dff=0.024，M4.5大齿轮为Dff=0.013，M4.5小齿轮为Dff=0.008。
JB3227-83中AAA级滚刀齿形精度：
M7：
dff=0.006；M4.5：
dff=0.005。
为了保证滚切齿轮齿形光滑无突变且齿形呈微量中凸。
刀具型线设计提出了3条技术要求：
滚刀齿形中凹量在A、B曲线范围内均属合格，但“0”点应是最凹处，齿根凹量应大于齿顶凹量，完整齿形应是几段曲线连接光滑无尖点的中凹曲线。
“0”点为加工检测滚刀齿形基准点，允差为±0.10。
为消除中凹曲线与滚刀齿顶、齿根圆弧交点捌点尖点，允许修形曲线作切线延伸，与圆弧曲线相切。
3中凹型线的应用选用了老机组M4.5、材料为M35高钴高速钢滚刀，按中凹齿形型线的设计原则进行了改制，改制后滚刀精度和齿形型线都达到了设计要求。
用左、右旋两把刀分别在RFW10S精密滚齿机上滚切了一对材料为34CrNiMo的模拟大、小齿轮。
齿形明显呈中凸形状，中凸量为0.005～0.006，齿顶修缘量为0.03，达到了产品齿轮齿形设计精度要求，一对齿轮对滚跑合达到了齿高中部约30%～35%接触。
解决了老机组齿顶、齿顶线性接触问题。
虽然未达到45%设计接触要求，但在保证齿轮单项精度不变的前提下采用微量对研工艺手段完全可以辅助增加到齿高接触要求。
4结论新设计的修缘渐开线中凹齿形型线在试验用滚刀和产品专用滚刀制造中的成功应用，证明了其完全能满足滚刀制造工艺性要求。
滚刀制造精度完全可以满足产品制造精度要求。
这种新型滚刀滚切的齿形与直线型滚刀加工的齿形有明显不同，实现了齿高中部微量中凸的理想设想，完全消除了峰谷状齿形。
滚切试验和正式产品齿轮啮合接触区较老机组齿轮有明显的改善。
消除了齿顶、齿根线性接触接触区不正确和接触面积比例严重不足问题，实现了设计期望的齿高中部接触的设计接触精度要求。
彻底解决了老机组近齿顶、齿根处齿面拉毛损伤这一久攻不克的技术关键问题。
剃前齿轮滚刀修缘尺寸计算的优化
收藏此信息推荐给好友2009-3-23来源：
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如图1所示，滚刀剃后齿顶修缘量为δ，修缘高度为ft。
在一般情况下，只要能满足加工条件，应使剃后齿轮的修缘角αd和修缘高度ft尽可能大（但当模数mn≤3时，ft最好不大于0.5）。
可见，修缘尺寸的确定是一个双参数优化问题。
笔者在编制计算修缘尺寸的计算机程序时，采取了以下优化步骤：
图1 齿轮齿顶修缘
（1）初始赋值时，对于剃后齿顶修缘量δ和修缘高度ft，如图纸上有明确要求，则按要求值输入；如图纸上未作要求，则可根据模数mn和齿数z合理赋以较大的初始值，如mn＝2，z＝30时，可令δ＝0．3，ft＝0．45。
对于修缘角αd，可先令αd＝30°。
（2）如图2所示，由ft和αd求出滚刀上修缘起始点至齿顶的高度hd，并判断hd≥1.95mn是否成立，如不成立，则按步长0.01递减ft后重新运算。
如此循环运行，直至ft不小于0.3时为止。
图2 滚刀修缘起始点
（3）ft确定后，按步长1″递增αd，直至计算出的齿轮递后齿顶修缘量δ满足要求为止，此时的αd即为最大修缘角，如图3所示。
（4）根据hd和αd求出滚刀齿根槽间宽Wi（见图3）。
图3 求最大修缘角
（5）判断求得的齿根槽间宽Wi能否满足Wi≥W（W为能修出齿根圆弧R2的最小槽宽），如Wi过小，可按以下方法解决：
①若ft＞0.35，则可继续按步长0.01递减ft，而αd保持不变，即同时减小ft和δ以增大Wi，如图4所示。
②若ft≤0.35，则只减小αd以增大Wi，如图5所示。
但应注意，此时W因αd的改变也在同时改变。
显然，αd减小时，δ也相应减小，因此，当αd递减至30°而Wi仍不能满足Wi≥W的要求时，为避免δ过小，则应将R2适当减小。
图4 修缘角αd不变
图5 减小修缘角αd
（6）最后确定αd，并计算出δ。
在上述优化过程中，均限定了循环下限，实际上，只要齿轮的参数、尺寸设计合理，一般不会出现达到循环下限仍无法满足优化条件的情况，如果出现这种情况，则说明该齿轮无需进行修缘。
齿轮刀具、镶片齿轮滚刀
收藏此信息推荐给好友2009-1-17来源：
未知
模数
带轴向键槽型
带端面键槽型
第1系列
第2系列
de
L
D
L1
Z
de
L
D
L1
Z
-
9
185
195
50
160
10
185
215
50
160
10
10
-
190
200
50
165
10
190
220
50
165
10
-
11
195
215
50
175
10
195
235
50
175
10
12
-
200
220
50
180
10
200
240
50
180
10
-
14
215
240
50
195
10
215
260
50
195
10
16
-
235
250
60
205
10
235
275
60
205
10
-
18
255
275
60
230
10
255
300
60
230
10
20
-
265
285
60
240
10
265
310
60
240
10
-
22
300
320
80
270
10
300
350
80
270
10
25
-
320
340
80
290
10
320
370
80
290
10
轴向键槽尺寸
D
a
C1
r
基本尺寸
基本尺寸
极限偏差
基本尺寸
极限偏差
基本尺寸
极限偏差
50
12
（+0.205+0.095）
53.5
（+0.2 0）
1.6
（0 -0.5）
60
14
64.2
80
18
85.5
2.0
100
25
（+0.240+0.110）
107.0
2.5
端面键槽尺寸
D
a1
b1
r1max
e
z
基本尺寸
基本尺寸
极限偏差
基本尺寸
极限偏差
基本尺寸
极限偏差
50
18.4
（+0.1300）
10.0
（+0.220 0）
2.0
1.0
（+0.3 0）
0.20
60
11.2
80
20.5
14.0
（0.270 0）
2.5
1.2
（+0.5 0）
0.25
100
25.5
16.0
3.0
1.6
模数
带轴向键槽型
带端面键槽型
第1系列
第2系列
de
L
D
L1
Z
de
L
D
L1
Z
-
28
340
360
80
310
10
340
390
80
310
10
-
30
350
380
80
330
10
350
410
80
330
10
32
-
380
405
80
355
9
380
435
80
355
9
-
36
-
-
-
-
9
400
455
100
370
9
40
-
-
-
-
-
9
420
475
100
390
9
轴向键槽尺寸
D
a
C1
r
基本尺寸
基本尺寸
极限偏差
基本尺寸
极限偏差
基本尺寸
极限偏差
50
12
（+0.205+0.095）
53.5
（+0.2 0）
1.6
（0 -0.5）
60
14
64.2
80
18
85.5
2.0
100
25
（+0.240+0.110）
107.0
2.5
端面键槽尺寸
D
a1
b1
r1max
e
z
基本尺寸
基本尺寸
极限偏差
基本尺寸
极限偏差
基本尺寸
极限偏差
50
18.4
（+0.1300）
10.0
（+0.220 0）
2.0
1.0
（+0.3 0）
0.20
60
11.2
80
20.5
14.0
（0.270 0）
2.5
1.2
（+0.5 0）
0.25
100
25.5
16.0
3.0
1.6
渐开线非标齿轮滚刀的正确选用
2008-12-15来源：
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一非标滚刀的选用步骤确定滚刀类型与精度确定滚刀全齿高h确定滚刀法向齿厚Sn、轴向齿厚Sx和齿顶高ha确定滚刀修形与齿顶圆弧查《图册》选用滚刀。
验算滚刀轴向齿厚Sx滚刀类型与精度的选择应根据加工设备及工艺而定。
滚刀模数（或径节、周节）和压力角应与被切齿轮相等，螺旋方向最好与被切齿轮相同，加工
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