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滚齿进给量的选择

时间:2011-06-13 10:07:28 来源:未知
国外汽车齿轮材料一般多为硬度176~209HB的低合金结构钢。齿轮滚刀的材料多为高速钢及硬质合金两种,近年各厂重点使用整体硬质合金滚刀。
  在轿车齿轮加工的滚剃工序中,滚齿时,齿部质量要达到剃齿要求来选定滚削速度和最大进给量。

1 滚刀进给量

  1. 欧洲工具厂的推荐值
      德国saacke,Fette和sazzor齿轮滚刀厂均推荐以齿轮滚刀顶刃的最大许可切屑厚度(h1max)来确定滚刀进给量。
    1. 硬质合金滚刀的h1max规定 按国际标准(ISO)对硬质合金的分类:P类硬质合金滚刀h1max为0.18mm;K类硬质合金滚刀h1max为0.12~0.15mm。
      P类硬质合金常用牌号为P25~P40。这类整体硬质合金滚刀在新刀时要进行TiN表面涂层处理,但刃磨后一般不再进行涂层。K类硬质合金滚刀常用于对淬硬钢齿轮的齿形精加工,牌号多为K10,对较小模数的滚刀要用细颗粒硬质合金。在精滚齿时,新刀及每次刃磨后均进行TiN涂层处理。轿车方向盘转向器上的小齿轮淬硬后采用硬质合金滚刀精滚工艺。
    2. 高速钢滚刀的h1max规定 对中小模数的轿车齿轮(m=1.4~2.8mm),一般选用h1max为0.2~0.25mm。对模数大的齿轮,可选用较大值为0.25~0.3mm。

      上述欧洲工具厂的高速钢滚刀材料常用含钴5%的钴高速钢S6-5-2-5(S后的数字依次为钨-钼-钒-钴的百分数),淬火硬度为65~66HRC。
  2. 美国star工具厂的推荐值
      美国star工具厂是美国主要的齿轮滚刀生产厂之一。该厂也是推荐滚刀顶刃的最大许可切屑厚度h1max来确定滚刀进给量。
    1. 对于P类硬质合金滚刀的h1max规定为0.15mm。
    2. 对高速钢滚刀的h1max规定为0.2~0.25mm。该厂与德国Liebherr滚齿机厂交换过意见,两厂分别导出的滚齿切屑最大厚度公式,得到的h1max值很相近。

2 滚刀顶刃的h1max与滚刀轴向进给量fa的关系

  根据滚刀顶刃最大切屑厚度h1max值换算成滚刀轴向进给量fa值才能在滚削加工中应用。德国人Dr.B.Hoffmeister博士于1979年在阿亨大学发表的论文中研究了滚齿中的顶刃最大切屑厚度,并建立了计算用数学公式,用它可以从顶刃切屑厚度计算工件每转的轴向进给量。此公式在顶刃切屑厚度h1max=0.35mm对m=1的滚刀和h1max=0.1mm对m=32的滚刀皆得到验证。德国的滚刀厂皆用Hoffmeister博士的公式从h1max值计算fa值。计算式为

fa=Fh1·Fm·Fz2·Fd·F(N/z0)·Fa(1)
式中,Fh1、Fm、Fz2、Fd、F(N/z0)、Fa为6个影响因子,各有其计算式。由于各因子的计算方程式较为复杂,考虑工业应用,近年有人将其简化列于表1。 影响因子名称计算方程式顶刃切屑厚度h1因子Fh1Fh1=h1max#p#分页标题#e#1.9569齿轮法向模数m因子FmFm=0.0446m-0.7730齿轮齿数z2因子Fz2对z2≤120Fz2=z21.0607滚刀外径d(mm)因子FdFd=(d/2)1.6145×10-2×b0.4403
Fd=(d/2)0.4403 (b=0°)
滚刀刃齿数N和滚刀头数z0因子FN/z0F(N/z0)=(N/z0)1.7162滚刀切入深度a(mm)和齿轮齿形位移修正系数cp因子FaFa=a-0.6243
cp影响极微,皆以cp=0计算
表1 fa的各影响因子计算方程式(简化式)
表1中 h1max——滚刀顶刃的最大切屑厚度,mm

fa——滚刀轴向进给量/工件每转,mm/r
b——齿轮分圆螺旋角,公式中为弧度值(以度数为单位的b角,要乘p/180)

3 h1max或fa的选取

  滚削实例的原始数据及按公式(1)计算所得的fa或h1max均列于表2,说明如下。
  1. 表2中1号滚刀
      这是德国saacke厂在1997年国际展览会上作为新产品宣传的TiALN涂层硬质合金整体滚刀加长结构。Ø60(D)mm×150(刃长)mm×Ø27(孔)mm,体现了小直径,加长,多刃齿,多头的现代滚刀,它代表了现代硬质合金滚刀滚齿的最高水平。用来加工20MnCrS5含硫易切渗碳钢齿轮(含硫0.03%),滚齿速度Vc=395m/min(2095r/min),采用fa=1.8mm/r(188mm/min),用公式(1)计算,可得h1max=0.14mm,此值与该厂推荐的不超过0.18mm最大许可切屑厚度相符。刀具寿命为32m/刃齿,全刀可加工12600个齿轮。
  2. 表2中的2号滚刀
      这是成都工具研究所研制的镶齿硬质合金滚刀,1982年开始应用至今。齿轮材料为40Cr与20CrMnTi,硬度为176~209HB,滚齿速度Vc=175m/min(497r/min)。进给量fa=1.8mm/r(31~23mm/min)。用公式(1)计算,可得加工29齿齿轮时h1max=0.14mm,在国外推荐的最大切屑厚度范围内。此刀在80年代初与世界先进水平相当。 滚刀编号齿轮齿轮滚刀切削参数m(mm)z2bcpd(mm)z0N材料涂层结构Vc(m/min)a(mm)fa(mm/r)h1max(mm)11.74031°46′-60216P25TiALN整体多刃齿硬质合金滚刀3955.61.80.1423.17529-0.3112112S30(601Г)-镶齿硬质合金滚刀1757.11.80.1432.836--1083125%钴高速钢TiN圆磨法齿轮滚刀746.31.20.2542.836--120320整体多刃齿齿轮滚刀746.33.00.25524715°-50322整体多刃齿不重磨滚刀1204.54.40.23注:计算示例,用表1公式对4号滚刀的各因子进行计算,得Fh#p#分页标题#e#1=0.0663,Fm=0.0201,Fz2=44.747,Fd=6.066,F(N/z0)=25.94,Fa=0.317,fa=2.97取fa=3.0mm/r
    表2 齿轮、齿轮滚刀及切削参数数据
  3. 表2中的3、4号滚刀
      这组数据为德国Fette工具厂1993年在德国Nord齿轮厂作的圆磨滚刀与整体多头、多刃齿轮滚刀加工轿车齿轮的经济分析的一部分。齿轮材料的抗拉强度为650N/mm2。Fette厂在数据中既给了fa值,也给了h1max值。经将h1max值代入公式(1),求得的fa值和已知fa值相同。这个试验是在给定相同的h1max值前提下进行的,说明该厂是用公式(1)来决定相应的fa值(表1中的6个因子计算式即为该厂提供)。
      3号与4号两把滚刀,主要是刃齿数相差大。前者圆磨滚刀为12齿,后者整体滚刀为20齿,由于F(N/z0)因子与滚刀刃齿数N的关系为1.7162次方,所以两把刀在相同的h1max=0.25mm条件下,其相应的fa值各为1.2和3.0mm/r,相差2.5倍。
  4. 表2中5号滚刀
      这是意大利SU齿轮刀具厂1995年报道的一把整体多槽不重磨滚刀加工轿车齿轮的试验数据,注意滚刀直径小(Ø50mm),刃齿数多(22齿),头数多(3头),每个刃齿的全高为5mm,但可承受h1max=0.23mm的切屑负荷,滚刀材料为含钴5%的钴高速钢S6-5-2-5。不重磨滚刀只在美国有市场。
  从上述5把不同类型的滚刀可以看到,它覆盖了现代滚刀的不同品种和结构,1、4和5号滚刀为整体结构,分别代表现代流行的先进滚刀类型,2和3号滚刀为镶齿结构,刃齿数较少,分别代表80年代在世界上流行,但目前在欧美已让位给在每次刃磨后能重新进行PVD-TiN涂层的、更先进的整体滚刀。表2中的各滚刀所采用的h1max值说明,符合工具厂的推荐许可值。计算fa值的公式(1)在实际生产中已获得应用。