可转位刀具在齿轮加工中的应用

传统上，齿轮制造商对采用新工艺往往比较谨慎。目前，大多数齿轮制造商仍然沿用单点高速钢插齿刀、滚齿刀或齿条刀具来切削加工齿轮的轮齿。他们认为，可转位刀片式刀具成本太高，无法满足美国齿轮制造商协会的标准，或其有效性尚未经过充分论证。

一些与时俱进的齿轮制造商则不愿墨守成规。很多加工车间通过应用可转位刀片式刀具，获得了显著的竞争力和成本优势。他们通常可在不牺牲尺寸精度或表面光洁度的情况下，将材料切除率和刀具寿命提高两倍。他们还摆脱了重磨刀具的沉重负担，而这往往是造成延迟交货的生产瓶颈。为了维持加工流程的正常运转，重磨刀具通常要占用5把价格昂贵的刀具和5个星期的重磨周期。

在许多情况下，这些采用新工艺的加工车间还可以省去专用滚齿机，而且再也不需要在各机床之间运送工件。有的车间甚至能在通用型数控加工中心上利用“一站式”加工工艺完成整个齿轮的全部加工，包括轮齿、键槽和轮毂。

优化齿轮加工的潜力主要来自可转位刀片式硬质合金刀具的技术进步，这些刀具能以比传统齿轮刀具更高的重复性和尺寸精度进行加工。与高速钢铣刀相比，硬质合金可转位铣刀（包括仿形铣刀）具有更好的切削性能和更长的刀具寿命。它们通常还能达到0.0127mm的轴向和径向重复精度，对于绝大多数齿轮加工而言，这种重复性水平已足够精确。此外，许多可转位刀具或刀片都可以在主轴上直接更换，因此可在几分钟内完成换刀操作，恢复加工，而且无需重新对刀。

以下加工案例表明了可转位齿轮刀具的性能优势：一家采矿设备制造商用可转位刀片式滚刀替代高速钢插齿刀加工AGMA 8级精度、1690mm轴齿轮的轮齿，将加工周期从34小时缩短到8.5小时。新工艺所用加工机床为Liebherr的LC 2500型滚齿机，所用刀具为Ingersoll 的1.25DP单头可转位滚刀。新工艺还省略了单独的锯切粗加工，且在切削过程中无需暂停换刀。刀具寿命的延长使其能完成2个工件的加工，且轴齿轮齿根的表面光洁度可达80rms。该工艺基本上采用顺铣方式。粗加工参数为：表面切削速度110mm/min，每转轴向进给量0.9mm，切深42.45mm；对应的精加工参数分别为140mm/min、0.3mm和5mm。该加工案例反映了采用先进的可转位滚刀来加工更高精度等级齿轮的发展趋势。

加工时间大幅缩短主要源于滚齿与插齿的两个重要区别。首先，与相互运动的插齿加工相比，具有多个切削刃、旋转运动的滚齿刀在切削中的吃刀时间要长得多。其次，可转位单头滚刀能够采用更高的切削速度和进给率，从而可以提高材料切除率和缩短加工时间。

另一家企业联合特种精密公司（ASP）采用铣齿（而不是滚齿）方式来加工轮齿。结果表明，轮齿加工时间比以前缩短了一半，而且可在一次装夹中完成所有其它加工步骤，使其成为真正的“一次搞定”工艺。

切削轮齿始终是齿轮加工中耗时最长的部分。因此，随着订单量的增加，该公司决定简化和优化工艺流程。Ingersoll刀具公司的加工现场工程师建议采用铣槽工艺来加工轮齿廓形。于是，现在该公司用Ingersoll具有匹配齿形的Chip-Surfer可换刀头式T形槽铣刀替代了原来的高速钢齿轮滚刀，使切削速度提高了10倍，刀具寿命延长了3倍。通过变革工艺，还使每个零件的刀具成本从20美元降低到2.56美元。每个Chip-Surfer可换式刀头的成本约为125美元，大致相当于齿轮滚刀（价格为500美元）重磨一次的费用。此外，铣齿加工需要的备用刀具更少，因为制备新刀头的周转时间仅为几天，而滚刀的重磨周期长达5周。

在加工用于蜗轮蜗杆传动装置的蜗杆时，采用仿形铣削可以提高工艺经济性。与传统的滚齿工艺相比，在四轴数控机床上用齿形匹配的槽铣刀进行铣齿加工不仅可以提高金属去除率，而且无须使用用途受限的专用滚齿机和价格昂贵的滚刀。

据使用这种铣齿工艺的加工车间报告，与使用齿形匹配的蜗杆滚刀相比，用槽铣刀铣削各种蜗杆的加工时间平均可以缩短3倍，而刀具寿命平均可以延长3倍。开发出该蜗杆槽铣工艺的Ingersoll公司刀具工程师Jeremy Bradley指出，“在蜗杆加工工艺中，本来就需要使用铣刀，至少要用它来铣削键槽。因此，铣削蜗杆只是增加了一个工序，而无需像滚削蜗杆那样要将工件从一台机床搬运到另一台机床，也不需要储备6—8把备用滚刀，以维持加工的正常运行。”

用经过修形的标准Chip-Surfer槽铣刀进行仿形铣削时，通过一次走刀即可完成蜗杆加工，加工时间从原来的14分钟缩短到4分钟。一把价格为400美元的高速钢滚刀在需要重磨前可以加工200个工件，与之相比，安装在合金钢刀柄上的可换刀头式铣刀加工60—80个工件后就需要重磨，但其重磨的平均成本仅为50美元，只有高速钢滚刀重磨费用的1/3左右。

传统的蜗杆加工包括三个独立的工序，需要先后两次把工件从一台机床转移到另一台机床上。首先在一台机床上车削棒料，加工出轮毂和蜗杆外径。然后将工件转移到铣床上，加工除轮齿以外的其他特征（如平面和键槽）。最后再在专用滚齿机上滚削加工轮齿。

而在新的铣齿工艺中，通过4轴编程控制，用齿形匹配的槽铣刀铣制出齿形，因此可在同一台机床上完成全部加工。可换刀头式可转位铣刀的其它用途还包括铣槽和铣削型腔，以及替代用途相同的整体硬质合金刀具或高速钢刀具。与高速钢刀具相比，可换刀头式铣刀切削速度更快，刀具寿命更长。而与整体硬质合金立铣刀相比，可换刀头式铣刀使用的硬质合金材料可以减少90％。如果安装在合金钢刀柄上使用，还能消除因振动或横向切削力过大而导致刀具失效的风险。