隨著機(jī)床、刀具等綜合技術(shù)的發(fā)展，從20世紀(jì)80年代起，國(guó)內(nèi)外企業(yè)已逐漸采用硬齒面刮削作為淬硬齒輪(40～65HRC)的半精、精加工方法。這種方法可加工任意螺旋角、模數(shù)1～40mm的齒輪。普通精度(6～7級(jí))硬齒面齒輪，一般采用“滾—熱處理—刮削”工藝，粗、精加工在同一臺(tái)滾齒機(jī)上即可完成；齒面粗糙度要求較高的齒輪，可在刮削后安排珩齒加工；對(duì)于高精度齒輪，則采用“滾—熱處理—刮削—磨”工藝，用刮削作半精加工工序替代粗磨，切除齒輪的熱處理變形，留下小而均勻的余量進(jìn)行精磨，可以節(jié)約1/2～5/6的磨削工時(shí)，經(jīng)濟(jì)效益十分顯著。對(duì)于大模數(shù)、大直徑、大寬度的淬硬齒輪，因無相應(yīng)的大型磨齒機(jī)，一般只能采用刮削加工。
1 硬齒面刮削的加工特點(diǎn)
淬硬齒輪熱處理前已由前序滾刀切出全齒形，因而刮削滾刀只對(duì)齒輪的齒形部分作微量切削。容易磨損的刀齒頂刃部分不參與切削，只有側(cè)刃參與切削。由于是從硬度很高的齒表切去薄薄的一層金屬，滾刀左、右側(cè)的切削刃同時(shí)嚙合的齒數(shù)是變化的，很難保證刀齒左、右切削面的切削量一致。切削力(尤其是沿滾刀軸向的分力)的周期性波動(dòng)極易引起滾齒機(jī)的振動(dòng)、讓刀打滑等，導(dǎo)致滾刀急劇磨損甚至崩刃。
目前國(guó)內(nèi)外一般采用大負(fù)前角的硬質(zhì)合金滾刀加工淬硬齒輪。硬質(zhì)合金滾刀的硬度和耐磨性較好，但韌性和抗熱裂性能較差。以下從機(jī)床、刀具、夾具、齒坯、切削液、切削參數(shù)等方面逐一討論如何充分發(fā)揮這種切削方式的優(yōu)勢(shì)。
2 影響硬齒面刮削的主要因素及應(yīng)對(duì)措施
機(jī)床 硬齒面刮削時(shí)切削力具有起伏、間歇及強(qiáng)烈的沖擊性，為此，必須提高傳動(dòng)鏈的扭轉(zhuǎn)剛度，減小傳動(dòng)間隙，因而滾齒機(jī)需要有足夠的幾何剛度、運(yùn)動(dòng)精度及良好的熱力學(xué)性能。并有兩點(diǎn)比較嚴(yán)格的要求：①驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)回轉(zhuǎn)的分度蝸輪副的間隙應(yīng)盡量小。該間隙對(duì)振動(dòng)和齒形誤差影響較大，一般采取在滾齒機(jī)上安裝分度蝸輪副預(yù)緊或消除間隙的裝置來減小振動(dòng)和齒形誤差。新一代的滾齒機(jī)常設(shè)計(jì)為無側(cè)隙的雙蝸輪副機(jī)構(gòu)；②滾刀刀桿的剛性要好，振擺要小，應(yīng)耐磨。刀桿的軸向跳動(dòng)和徑向跳動(dòng)應(yīng)嚴(yán)格控制在0.01mm以內(nèi)，其中軸向跳動(dòng)應(yīng)盡量小。主軸止推軸承應(yīng)耐磨，間隙要小。
1) 齒坯粗加工 硬齒面刮削只對(duì)齒輪的齒形部分進(jìn)行加工，而不對(duì)齒頂和齒根進(jìn)行切削。為避免刮削時(shí)硬質(zhì)合金滾刀的頂刃參與切削(易崩刃)，淬火前粗切齒輪時(shí)應(yīng)切至全齒深或作適量的根切。因此，粗加工所用滾刀應(yīng)采用特殊的修正齒形，如帶凸角滾刀，滾刀的齒頂高為(1.3～1.4)m。最好采用由刀具供應(yīng)商提供的與硬質(zhì)合金滾刀配套的刮前滾刀。
2) 粗加工時(shí)合理選擇齒側(cè)預(yù)留刮削余量十分重要。確定預(yù)留刮削余量應(yīng)遵循如下原則：即后序加工能夠消除一批因工件熱處理后所產(chǎn)生的不同誤差，一般單側(cè)齒面刮削余量為0.3～0.6mm，模數(shù)小于3mm的小齒輪，其齒側(cè)面在公法線長(zhǎng)度上的刮削余量以0.11～0.15mm為宜，熱處理變形較大的區(qū)域余量可留1mm，此時(shí)應(yīng)多次走刀。
3) 工件裝夾與對(duì)刀 夾具的精度、穩(wěn)定性對(duì)齒輪的導(dǎo)程、齒形、跳動(dòng)等精度都有很大的影響。工件的裝夾剛性要好，以減小切削振動(dòng)。夾具與工作臺(tái)、夾具與齒坯的同軸度也是兩項(xiàng)重要指標(biāo)。裝夾時(shí)應(yīng)測(cè)量齒坯的徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)，并調(diào)整至最佳狀態(tài)。為了把工件左、右齒面的熱處理變形量都切掉，又由于加工淬硬齒輪時(shí)切下的切屑硬而薄，兩側(cè)切屑厚度的不均易使切削力波動(dòng)大，引起崩刃，因此必須認(rèn)真對(duì)刀，盡量使兩側(cè)切屑等厚。批量生產(chǎn)時(shí)，當(dāng)首件與滾刀的位置調(diào)整好以后，可依靠夾具對(duì)中。對(duì)刀裝置對(duì)大模數(shù)齒輪尤其重要，數(shù)控機(jī)床可用程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)刀。
4) 滾刀 滾刀是影響硬齒面刮削的關(guān)鍵因素。
a. 大負(fù)前角 刮削淬硬齒輪時(shí)滾刀切入、切出時(shí)間短，齒面的強(qiáng)度、硬度高，刮削力具有間歇性，加工過程中會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊力，這是硬質(zhì)合金滾刀崩刃的主要原因。因此，把刮削滾刀設(shè)計(jì)成大負(fù)前角，加工時(shí)，滾刀先由側(cè)刃的根部切入，逐漸移向齒頂，形成一種斜角切削過程，增大了切削刃的有效工作長(zhǎng)度，形成一種“推切”，可使?jié)L刀更好地承受加工淬硬齒輪時(shí)產(chǎn)生的較大應(yīng)力，減輕切削振動(dòng)，因而切削刃受到的沖擊和崩刃的可能性都減小了，刀齒的磨損也相應(yīng)減小。國(guó)內(nèi)有學(xué)者研制出了一種前刀面為凸曲面的刮削滾刀，其側(cè)刃的抗崩刃性和重磨次數(shù)等均比平前刀面滾刀有進(jìn)一步的提高。
滾刀負(fù)前角的大小將直接影響刀具刃磨后齒形精度的保持性以及抗崩刃的能力。負(fù)前角越大，精度保持性越差；但負(fù)前角過小，刀具抗崩刃能力也小，因此，在確定前角大小時(shí)要綜合考慮這兩點(diǎn)。根據(jù)被加工齒輪的齒面硬度。
b. 刀具材料與涂層 硬齒面刮削過程中，刀具承受著較大的沖擊載荷、較高的切削溫度和強(qiáng)烈的摩擦，因此，要求刀具材料具有很高的沖擊韌性、耐磨性和耐熱性。
近年來，WC/Co基細(xì)晶粒硬質(zhì)合金已成為齒輪加工技術(shù)中的一種重要材料。它是由硬質(zhì)相碳化鎢(WC)和硬度較低的金屬粘結(jié)相鈷(Co)燒結(jié)而成。成份相同的硬質(zhì)合金，WC晶粒小于1μm時(shí)，其硬度和抗壓能力比晶粒為1～3μm的普通硬質(zhì)合金大大提高。超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金(≤0.5μm)具有很高的抗彎及抗拉強(qiáng)度，現(xiàn)代制造技術(shù)可以生產(chǎn)出均質(zhì)的超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金。含WC和Co分別為94%和6%的超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金，其硬度和抗彎強(qiáng)度可分別達(dá)2000HV30和4000MPa。
刀具涂層可采用化學(xué)氣相沉積法(CVD法)和物理氣相沉積法(PCD法)。目前已經(jīng)研制出PVD法涂層硬質(zhì)合金，這還是一項(xiàng)新技術(shù)，主要采用TiN作涂層材料。人們還研制出其它基于TiN的涂層材料，其中，TiCN和TiAlN已用于商業(yè)化生產(chǎn)。
5) 切削參數(shù) 與其它切削加工方法一樣，硬齒面刮削在確定進(jìn)給速度和進(jìn)給量時(shí)也要綜合考慮多種因素，盡可能優(yōu)化加工。需要考慮的主要因素包括：機(jī)床的剛性、工件所要求的精度、齒坯預(yù)處理情況、工件夾具及機(jī)床的狀況等。
a. 切削速度： 一般為40～140m/min。它取決于機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)條件、工件硬度和模數(shù)。高速滾齒時(shí)的表面粗糙度值較小，但是，切削速度提高后，滾齒機(jī)振動(dòng)加劇，容易損傷滾刀刀刃，因此，一般齒輪硬度很高時(shí)用低速，不太高時(shí)用高速，這樣滾刀的磨損比較小。
b. 軸向進(jìn)給量：一般為1～5mm/r。工件硬度越均勻，滾齒機(jī)的剛性越好，進(jìn)給量可以越大。進(jìn)給量越大，滾刀磨損越小。為延長(zhǎng)滾刀壽命，應(yīng)選用較大的進(jìn)給量而不是較小的進(jìn)給量。但進(jìn)給量大時(shí)進(jìn)給波紋也較大，所以一般只有在后續(xù)磨削加工工序時(shí)才使用盡可能大的進(jìn)給量，以延長(zhǎng)滾刀壽命。它可通過下面公式來確定：
滾刀每轉(zhuǎn)軸向進(jìn)給量=cos??(4??D/sin?)1/2，mm
式中?——齒輪螺旋角 ，?——齒輪節(jié)圓處允許的進(jìn)給波紋深度，mm ，?——齒輪壓力角
D——滾刀外徑，mm
b. 切削厚度：根據(jù)刮削余量確定。淬硬齒輪的單側(cè)齒面刮削余量一般為0.3～0.6mm。可一次切除，但過大的切削用量將降低刀具的耐用度。
c. 刮削方式：機(jī)床蝸輪副存在間隙時(shí)，采用順刮比逆刮要好，可消除間隙帶來的振動(dòng)和誤差，減小崩刃。
6) 切削液 硬齒面刮削可采用干式切削。如果采用濕式切削，則所用切削油必須為低粘度切削油，因?yàn)橛昌X面刮削使用切削油的主要目的是冷卻而不是潤(rùn)滑。若使用高粘度油，工件與滾刀就會(huì)發(fā)生讓刀打滑，引起滾刀崩刃。用作冷卻劑的油在40℃時(shí)粘度應(yīng)在10～20cst。含鉬添加劑的低粘度油比較適于硬齒面刮削。
3 結(jié)束語
當(dāng)今齒輪制造業(yè)對(duì)齒輪質(zhì)量及運(yùn)動(dòng)精度的要求越來越高，精加工淬硬齒輪已顯得日益重要。硬齒面刮削在發(fā)達(dá)國(guó)家已得到廣泛應(yīng)用，我國(guó)也有不少單位對(duì)這一工藝進(jìn)行了比較深入的研究。近年來，隨著機(jī)床結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，機(jī)床及工件夾具剛性的提高，新的刀具材料的成功研制，特別是涂層技術(shù)的發(fā)展，硬齒面刮削的加工質(zhì)量及穩(wěn)定性都日益提高，這一工藝已越來越受到眾多齒輪制造商的青睞。雖然目前消除齒輪熱處理變形仍以磨齒加工為主要手段，但是，隨著硬齒面刮削技術(shù)的日漸成熟，這一工藝必將得到更加廣泛的應(yīng)用。
