剃齒工藝的現狀及其與磨齒工藝的比較

眾所周知，剃齒加工和磨削加工是兩種不同的齒輪精加工方法。剃齒是在熱處理前進(jìn)行的（這也是剃齒加工受限的原因），而磨齒是在熱處理之后進(jìn)行的。近幾年來(lái)，隨著(zhù)機械加工精度的不斷提高、數控機床的不斷完善以及加工軟件的迅速發(fā)展，齒輪精加工技術(shù)得以不斷發(fā)展，齒輪磨削精度、效率和各種功能已達到了極高的水平。由于新型陶瓷和CBN砂輪的使用，無(wú)論成形磨削還是展成磨削都獲得了很大的進(jìn)步，因此曾經(jīng)有人認為，幾年以后剃齒加工幾乎會(huì )完全被磨齒加工取代，因為確實(shí)有很多過(guò)去用剃齒加工的齒輪現在改用了磨齒加工。但出乎人們的預料，目前在全球的齒輪生產(chǎn)中，剃齒加工還是最主要的齒輪精加工手段。

    2剃齒工藝與磨齒工藝的對比

    齒輪剃齒工藝與齒輪磨削工藝并存的原因有很多，限于文章篇幅，僅作以下簡(jiǎn)單分析對比：

    （1）傳動(dòng)噪音的降低

    造成傳動(dòng)裝置噪音的原因主要有：①齒輪的精度（包括齒形、齒向、齒距等）；②裝置的精度（箱體孔系精度、中心距及其變動(dòng)量）；③變速箱的結構（傳動(dòng)的剛性及變形）等。

    一直以來(lái)，齒輪生產(chǎn)商完全依賴(lài)齒輪磨削加工以改善整個(gè)齒輪的質(zhì)量。但盡管磨削加工工藝在保證齒輪加工精度方面幾乎完美無(wú)缺，可惜的是其加工費用及投資成本很高，難以用較低的成本獲得高質(zhì)量的齒輪。另一方面，高精度的齒輪并不一定會(huì )保證傳動(dòng)噪音的降低。

    隨著(zhù)數控剃齒技術(shù)的發(fā)展，借助于先進(jìn)的數控剃齒刀磨床，如今我們可以在幾十分鐘內完成各種修形剃齒刀的磨削。與此同時(shí)，現在的剃齒機床通過(guò)程序可以控制所有的動(dòng)作。也就是說(shuō)，目前我們已有能力實(shí)現幾年以前還無(wú)法實(shí)現的剃齒加工。雖然一些齒輪熱處理后的質(zhì)量還無(wú)法全面控制（淬火會(huì )造成某些齒輪、特別是結構不勻稱(chēng)的齒輪的變形，常見(jiàn)于車(chē)輛及拖拉機的變速裝置），但我們通過(guò)將剃齒精度控制在5級并設置剃齒的反變形措施，可以將汽車(chē)齒輪、尤其是那些用于自動(dòng)變速器中的行星齒輪的熱處理變形降到最低，從而穩定齒輪的成品尺寸。

    采用先進(jìn)的剃齒加工工藝可將齒向精度提高2～3個(gè)等級（DIN標準），把齒形精度提高2～3個(gè)等級（DIN標準），把齒距的精度提高1～2等級（DIN標準），使剃齒表面粗糙度接近磨削加工表面粗糙度（Ra0.4～0.6μm），通過(guò)細致的剃前及剃齒加工得到5級精度（DIN3962）的齒輪（齒輪的內在特點(diǎn)應該符合剃齒加工的使用情況）。

    為了降低齒輪的嚙合噪音，我們通常要考慮到齒形和齒向的理論標準與實(shí)際情況。在剃齒生產(chǎn)時(shí)，必須檢查嚙合齒輪的嚙合狀況，有時(shí)還需進(jìn)行齒形的特殊修形，以降低傳動(dòng)噪音?，F在有了全數控剃齒刀磨床，這樣的修形是很容易實(shí)現的。
    （2）熱處理變形的消除或減小

    在中、大規模的生產(chǎn)中，通過(guò)分析研究因熱處理造成的齒輪齒形及齒向的變形，可以在剃齒加工期間加以補償量（反變形），以達到消除或減小熱處理變形的目的。

    由于理論齒向會(huì )與實(shí)際測量的齒向有差別，因此通過(guò)對剃齒加工工藝剃齒參數及特殊剃齒刀的各方面控制，達到理想的齒輪齒向精度，同時(shí)降低傳動(dòng)噪音，實(shí)現用低成本的剃齒工藝加工出與高成本磨齒工藝加工的相同質(zhì)量的齒輪，滿(mǎn)足各種變速齒輪的質(zhì)量要求。

    （3）數控機床剃齒加工工藝的優(yōu)勢

    ①可完成各種齒形、齒向修形，獲得具有高精加工表面、良好齒形的齒輪；

    ②剃齒作為一種被廣泛采用的齒輪加工工藝，具有加工過(guò)程靈活而迅速、生產(chǎn)效率高、自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)?？梢詫⑻挲X機床插入自動(dòng)生產(chǎn)線(xiàn)；對刀具可實(shí)現物盡其用；

    ③加工費用低（包含機器折舊與工具費用），維修費用低，可降低成本。

    （4）齒輪剃齒工藝的適用范圍

    根據齒輪標準DIN3962，剃齒工藝的主要適用范圍為：

    ①DIN7～8等級：使用范圍：質(zhì)量要求不高的工業(yè)車(chē)輛、農業(yè)機械、拖拉機和機床齒輪；汽車(chē)變速箱、低速的減速器等；

    ②DIN6等級：首先通過(guò)剃齒加工達到5級精度，則熱處理后達到6級是很容易實(shí)現的。使用范圍：各種汽車(chē)（包括質(zhì)量要求較高的汽車(chē)）的變速箱，工業(yè)車(chē)輛、機床、減速器用齒輪。這是應用最廣泛的精度等級；

    ③DIN5等級：在剃齒加工后，通過(guò)對熱處理變形的控制，保證經(jīng)過(guò)熱處理后的齒輪成品精度不會(huì )改變。使用范圍：飛機的齒輪系，高品質(zhì)汽車(chē)，公共汽車(chē)，卡車(chē)，量?jì)x等。

    除此以外，有一些齒輪因不能磨削，也需要采用剃齒工藝來(lái)加工，如與大齒輪相連的小齒數齒輪或帶臺肩的齒輪、同步器等零部件。例如變速箱二軸的剃齒加工，被剃齒輪主要是用于車(chē)輛的傳動(dòng)裝置。由于二速齒輪不能磨削，因此必需剃齒（一般來(lái)說(shuō)用插齒刀加工的齒輪都不能采用磨削加工）。

    當然，對一些傳動(dòng)極大力矩的齒輪系（如重型卡車(chē)等）而言，盡管采用剃齒工藝同樣可以得到最終要求的精度，但目前多是經(jīng)過(guò)成形磨削加工的。這是因為成形磨削使齒輪的根部圓滑過(guò)渡，使齒輪變得更堅固，傳動(dòng)中打齒的風(fēng)險也大大減少，因此較大模數（4～8mm）的齒輪通常采用磨削加工。此外，DIN4等級以上的齒輪必須要采用磨削工藝。

    近年來(lái)一項快速發(fā)展的新工藝———內珩磨工藝推動(dòng)了齒輪剃齒工藝的大量采用。由于CBN砂輪珩磨加工去除的金屬材料不多，珩磨齒輪的珩前誤差也不能很大，同時(shí)CBN砂輪的價(jià)格非常昂貴，如果熱處理造成的齒輪變形很大，為了便于切除材料，應在熱處理前用具有變形補償的剃齒工藝切除較多的余量，并有效減少熱處理變形，這將有助于熱處理后的珩磨加工。

    （5）對比實(shí)例

    同樣加工自動(dòng)變速用的行星齒輪，采用磨削工藝可以在大約一分鐘內獲得5級（DIN標準）齒輪；而采用剃齒加工獲得同樣等級的齒輪所需加工時(shí)間比一般磨削的減少13～15s。此外，剃齒加工僅僅需要一臺機床，而磨削加工卻至少需要三臺機床，所以選擇磨削加工的成本也是剃齒加工的兩倍。

    鑒于上述情況，在選擇齒輪加工工藝之前，首先應估算所有費用和利潤。

    3剃齒工藝的進(jìn)步

    （1）剃齒刀的改進(jìn)

    目前剃齒刀不像齒輪加工業(yè)使用的其它刀具那樣有很大的進(jìn)展（比如滾刀首先通過(guò)引進(jìn)TiN、TiAlN、TiCN涂層，并允許采用切削速度近200m/min的新型高速鋼材料，達到了很好的效果）。剃齒加工時(shí)，切除的材料不多，切削速度也不高，因此加工中刀具刃口的壓力不大。盡管如此，有關(guān)專(zhuān)家仍覺(jué)得有必要使剃齒刀刃口更加鋒利以便能降低損耗。剃齒刀的制造工藝沒(méi)有變化，涂層工藝對剃齒刀也沒(méi)有很大的作用（因為剃齒刀容屑槽的側表面熱處理后不再加工，表面較粗糙，TiN涂層難以貼附在該槽側面上），因此專(zhuān)家們把注意力轉到了改善剃齒槽的側面粗糙度上?，F在開(kāi)發(fā)的數控梳槽機已使剃齒刀容屑槽側面的加工表面粗糙度有了很大改變。此外，日本已有研究人員在有關(guān)刀具材料熱處理后的液化氮深冷處理方面進(jìn)行了試驗。通過(guò)這種方法使剃齒刀材料的特性予以改變，平均使用壽命延長(cháng)，剃齒刀的性能也有所改善。

    另一方面值得強調的是現代數控剃齒刀磨床實(shí)現了靈活性、高精度及快速。這三個(gè)主要特點(diǎn)使采用剃齒工藝加工的齒輪精度得到了顯著(zhù)的改進(jìn)。這也是剃齒工藝沒(méi)有被磨削工藝代替的另一個(gè)原因。

    （2）剃齒機床及工藝的發(fā)展

    近50年來(lái)，剃齒機床不斷地發(fā)展，剃齒技術(shù)日益完善。最新的數控剃齒機床可以執行各種各樣的剃齒加工程序（包括軸向剃齒、對角剃齒、切向剃齒和徑向剃齒等），而且在對同一齒輪的剃齒過(guò)程中，可以從一種剃齒方法轉到另一種剃齒方法。這些特殊的工藝過(guò)程都是在數控（NC）的直接監督和控制下實(shí)現的。數控剃齒的好處在于在剃齒過(guò)程中可實(shí)現切削速度、徑向進(jìn)給、行程等各種參數的控制，在剃齒過(guò)程中，進(jìn)給量、切削速度和行程長(cháng)度等參數都能進(jìn)行改變，更便于我們選擇不同的加工條件。在具體的剃齒加工過(guò)程中，除了上述標準剃齒方法以外，也可以選擇“漸進(jìn)對角剃齒（ProgressiveDiagonalCycle）”、“不連續對角剃齒（DisjointedDiagonalCycle）”、“混合剃齒（MixedCycle）”和“雙聯(lián)剃齒（TwinLinkedCycle）”等特定工藝。
    ①漸進(jìn)對角剃齒

    對角剃齒時(shí)，在齒向上可能發(fā)生的鼓形由工作臺圍著(zhù)中心的擺動(dòng)來(lái)實(shí)現。這種動(dòng)作是繞x軸線(xiàn)擺動(dòng)而實(shí)現的，是在計算機控制下完成的。x、y、w三軸線(xiàn)的協(xié)同運動(dòng)可造成鼓形或者在齒輪的雙側面形成錐角。如果鼓形相當大、擬切除的材料過(guò)量、要對齒輪進(jìn)行多次擺動(dòng)剃齒，可以設定x軸線(xiàn)的擺動(dòng)次數以便兩端的材料漸進(jìn)地切除。

    ②混合剃齒

    眾所周知，徑向剃齒比切向剃齒所用的時(shí)間短，但加工表面比較粗糙。解決辦法是通過(guò)徑向切削切除大量余量，然后進(jìn)行軸向或對角剃齒實(shí)現精加工。采用這種混合剃齒方法，可實(shí)現縮短剃齒時(shí)間和獲得良好剃齒表面質(zhì)量的統一。

    ③不連續對角剃齒循環(huán)、雙聯(lián)剃齒

    采用不連續對角剃齒循環(huán)和雙聯(lián)剃齒兩種特殊工藝可得到不同的齒向修正。例如：用不連續對角剃齒把加工程序分成三段，并根據每段的具體加工標準擬訂不同的鼓形和錐度要求。由此我們比較容易獲得特殊及不對稱(chēng)凸形的齒向修正，從而能加工出與淬火后可能發(fā)生的變形相對應的反變形齒形，改變齒輪的嚙合狀況，降低齒輪嚙合的噪音。