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插齿刀的应用历久常新 |
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作者：上优（SU）机床工具（上海）有限公司 |
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插齿迄今仍是加工带台肩齿轮、多联齿轮、内齿等的常用方法。先进的插齿刀制造工艺很受齿轮刀具制造商的欢迎，本文主要研讨齿形具有齿顶倒角之插齿刀的成形磨削工艺。
几年前，有些齿轮专家曾预言，今后插齿刀在齿轮加工方面的应用将大为减少，到那时，将没有汽车齿轮生产企业再使用插齿刀，在设计制造齿轮传动装置时，也不再采用插齿工艺加工齿轮。
一般认为：插齿工艺是在齿轮不能用滚刀加工的情况下采用的齿轮加工方法，这种加工方法费用高、齿轮质量差。事实上，插齿是为带台肩的齿轮进行齿形加工而采用的。如图1所示，带台肩的齿轮由于刀具干涉的问题一般不能采用滚齿加工。
图1 用插齿刀对带台肩的齿轮进行插齿加工
除此之外，插齿刀也广泛用于是直齿、斜齿的内齿轮加工。大致上，如果齿轮采用内齿拉削工艺比较困难，就需要采用插齿刀加工。
插齿加工的缺点在于，与滚齿相比，其加工的循环时间较长。另外，插齿刀在加工齿轮时，由于两者啮合运动，插齿刀的整体误差、插齿刀刀齿上可能出现的误差或变形（如裂纹、刀齿磨损及刀齿的损坏），会传递到加工齿轮上。一旦齿轮的轮齿被破坏是不能使用的。
尽管如此，当时对插刀的悲观预言后来却没得到证实。相反，插齿刀还是齿轮加工行业最广泛使用的刀具之一。为什么会这样呢？其主要原因为：首先，用滚齿工艺加工生产齿轮比用插刀需要费用多，其次，随着技术的发展，高精度、高效率的现代插齿机与插齿刀目前可以达到几年前难以想像的切削速度和效率。
总的来说，大部分齿轮刀具效率的提高，要归功于采用更好的刀具材料以及TiN涂层技术与设备的改进。至于机床，具有优化所有加工动作、操作功能的现代数控系统可大大缩短加工的循环时间。
除了上述所说的之外，还有许多还没完全执行的方案可使滚刀和插齿刀在技术上的差距进一步缩短。这关系到通过生产齿轮刀具的新型机器。即使不能充分利用齿轮刀具而且重磨次数有限制，这些机器也有利于降低生产费用。说明如下：如图2所说明，磨削插齿刀时难以让根圆直径Di和齿顶倒角高度Sm保持一致。这是因为重磨后插齿刀与齿轮的轴距及插齿刀齿厚这两参数的减少，不可能同插刀本身的齿顶倒角高度及在有齿顶倒角部位上的斜度取得一致。
图2 根圆直径与齿顶倒角在插齿刀插齿过程中因寿命变化而有所变化
再如图1所示，轴距I的减小严格遵照数学定理。数学模型包含着让轴距变化与插齿刀高度H不相称的三角方程。相反，齿顶修形St和齿顶倒角的斜度以直线关系对应。二者根据插齿刀高度的减少遵照线性关系公式而变。
达到上述目标的必要条件在于通过平移砂轮而得到想要的插齿刀。这类砂轮，除了在刀具双齿面上开展渐开线运动，还开展使齿顶倒角斜度线性的轴向运动。
如今，先进插齿刀的制造工艺很受刀具生产商欢迎。一直以来，许多制造商还采用带有固定砂轮的机器。这些机器使用的砂轮对齿顶倒角的斜度产生很大影响。也就是说，斜线的齿顶倒角出现在齿轮的齿根上。因而，在刀具寿命过程中，齿轮上的倒角变化很大。
除了刚才介绍的原因，倒角变化也取决于插齿刀高度H及磨削齿面、齿根的砂轮直径数值。用于磨剃齿刀的现代刃磨机可以毫不费力地磨削插齿刀。这样有助于直接地编制软件程式以及加快磨削循环时的速度。然而，由于使用的是平移砂轮，故齿顶倒角的斜度不均匀的问题还存在。与插齿刀磨削机使用的砂轮相比，平移砂轮的直径比较大（750毫米左右），而固定砂轮的直径只有大约250毫米。图3可看到两种磨削方法。 
图3 成形磨削加工的两种不同方法：固定砂轮磨削，和平移砂轮磨削
如果我们要使插齿刀在15-20毫米的高度上充分利用刀具，那么这时齿轮倒角变化是很大的。但如果有效齿高可缩小百分之五十，即对于汽车行业的齿轮而言可缩小至到7.5-10毫米。进一步讲，刀具的应用取决于齿形的类型。
不算齿顶倒角在内，齿形具有瘤头、齿顶全弧直径和大螺旋角的插齿刀，经过传统磨齿机磨削这一类刀具，有效齿高数值有限，如12-14毫米。若同样插齿刀具经过剃齿刀磨齿机进行磨削，刀具的真实应用更有限，大概减小一倍。这个办法的好处仅限于在制作原型、小批齿轮范围内使用的插齿刀。
从图4可看出插齿刀的位置与砂轮的轴线有偏置。这样的偏置使刀具齿根上的斜度由我们确定。我们假设将刀具的有效齿高减少一倍，倒角和根圆直径的变差也有所降低，或许同标准刀具上比起来更小。因此，用相同插齿刀可获得的齿轮，数量是在标准条件下能生产的一半。但由于消耗钢材量少，价格也减小一半左右。价格大幅度下降又跟磨削施工最短的循环时间、刀具最小的齿厚都有关。另外，用相同刀具可获得的加工件数少，这就需要多制造带有同样特点的刀具。
图4 进行成形磨削时插齿刀的轴线与砂轮的轴线位置偏置
为了进一步缩短磨削循环时间，可以通过剃齿刀刃磨机同时磨削双齿面，对砂轮做出相应的轮廓。在这种情况下，插齿刀的有效齿高更加有限。应该注意，至此所讲的只涉及到齿形具有齿顶倒角的插齿刀。没有齿顶倒角的可以用磨剃齿刀的现代刃磨机随便磨削。许多刀具用户宁愿使用剃齿刀，主要是因为该刀具有一系列不可忽视的优越性，例如:供应时间快、仓库内货价低、原型与小批的产生、有能力将裂纹或意外损耗缩到最小。
原载雅式工业专网(end)
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(投稿)
(11/4/2006) |
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