高速切削加工(H igh Speed Cutting,HSC)思想从20世纪30年代提出至今,在理论、实验、刀具和机床等各方面 的都已取得了长足的发展,并已进入实用阶段。高速切削加工具有提高生产效率,减小切削力,提 高加工精度和表面质量,降低生产成本并且可加工高硬材料等许多优点,已在航空、汽车、模具等 制造业中得到了广泛的应用,取得了极其巨大的技术与经济效益。与传统的机械加工方式相比,高 速切削加工技术具有相当明显的优势,可以将其引入到螺旋锥齿轮成形法大轮的精加工之中,来提 高生产效率,降低生产成本。对于大批量生产的成形法大轮,在热处理后进行磨齿时,由于其齿数 多且具有直齿廓齿形,使得效率很低。当前我国螺旋锥齿轮的材料通常为20CrMo、20Cr MnTi、20CrMnMo等,渗碳淬火之后的硬度为HRC60~62,渗碳层厚度为(0· 2~0·3)倍模数。在传统的磨齿工艺中,磨削深度为0·1~0·15mm,考虑到热处理后 齿形的变化并不大,齿面的铣削深度可进一步减小,可以根据具体情况而定。在高速加工中心上, 能否利用成形铣刀实现成形法大轮的硬齿面精加工,本文就该问题作一系列的探讨。1机床与刀具 的选择传统的磨齿工艺中,需要专用的砂轮和磨齿机,当前我国主要依赖于进口,价格相当昂贵。 相比而言,由于成形法大轮齿形简单,利用通用的加工中心与专用的辅具,很容易实现齿面铣削所 需要的刀具与工件间的相对运动。这样就可以拓展加工中心的加工能力。高速切削加工的关键技术 有<1>:高速主轴系统、快速进给系统、高速CNC控制系统、高速切削刀具技术、高速切削刀 柄系统、安全防护与实时监控系统。除了刀具技术以外,当前先进的数控加工中心已可以满足高速 切削的要求。因此,针对本文要探讨的问题,选择合适的刀具显得尤为重要。在高速切削状态下, 刀具要承受高压、高温、摩擦、冲击和振动等作用,因此刀具要具备以下良好的基本性能:硬度和 耐磨性、强度和韧性、耐热性、工艺性能和经济性。在本例中,被加工材料为淬硬合金钢,硬度很 高,且大批量生产,这要求切削刀具有很高的硬度、韧性和耐磨性,能够承受很高的冲击载荷和切 削温度。硬度最高的人造聚晶金刚石(PCD)刀具,具有极高的硬度(HV10000)和优异 的性能,主要用于高速加工有色金属和非金属材料。目前可用于淬硬钢高速加工的刀具材料有金属 陶瓷、涂层硬质合金、陶瓷刀具、聚晶立方碳化硼(PCBN)<2>。金属陶瓷刀具和涂层硬质合金刀具可用于加工硬度为HRC50左右的淬硬钢及铸铁件。Al2O3基陶瓷刀具是加工淬硬钢比较理想的刀具<3>,目前国内最好的是SG-4,它可在切削速度100~150m/m in的范围内加工硬度为HRC58~65的淬硬合金钢。PCBN刀具有着优良的性能<4>,硬 度仅次于PCD,最适宜用于淬硬钢的加工,且被加工材料硬度越高越能体现其优越性。PCBN 刀具材料的脆性较大,在高速切削过程中,其切削深度和进给量一般较小,切削深度在0·1~0·15mm,这个量对本例非常适合。Al2O3基陶瓷刀具价格较PCBN刀具便宜很多。由于本例中切削量较小,也可使用涂层刀具。2 硬齿面高速铣削的表面质量分析加工后齿面的表面质量决定了能否进行高速铣削。有关实验表明, 随着工件材料、刀具材料和切削条件的不同,形成的已加工表面层具有不同的表面粗糙度、表面残 余应力和表面加工硬化程度。本例采用陶瓷刀具或PCBN刀具,针对热后硬齿面的高速铣削,做 以下分析<5>。①表面粗糙度。在文献<1,3>中的实验中指出,利用陶瓷刀具或PCBN刀 具高速铣削淬硬钢时,逆式干切,轴向切削深度为0·5mm,每齿进给量0·1mm。其铣削速度为120~150m/min时,表面粗糙度为Ra0·12~0·16μm;铣削速度为400~600m/m in时,表面粗糙度更是达到0·06~0·12μm,这都达到了磨削的水平。本例中,切削深度 为0·1~0·15mm,根据具体情况可以进一步提高铣削速度,将表面粗糙度控制在更加理想 的水平。②表面残余应力。热后齿面经高速铣削后其残余应力对齿面质量非常重要。实验表明,陶 瓷刀具切削淬硬钢时,在已加工表面上呈现压应力,切削速度的增加使工件表面的压应力呈现略有 减小的趋势,这种残余应力能提高零件的疲劳寿命。PCBN刀具材料脆性较大,在使用前一般都 要进行负倒棱处理,由于负倒棱会加剧对已加工表面的挤压,往往会在工件里层出现残余拉应力, 在表层出现残余压应力;而在切削深度与进给量较小时,工件的表层与里层均呈现出压应力。在本例中切削深度小,采用120~150m/min的切削速度,相对切削力小,温升较小,不会产生很大的残余应力。③表面硬化。表面硬化是工 件的塑性变形和切削热综合作用的效果。实验表明,陶瓷刀具或PCBN刀具铣削淬硬钢时,由于 工件的基底较硬,进一步硬化较困难,加工硬化程度较小。本例中,热后的齿面硬度高,切削时产 生的温升较小,加工硬化程度不会对齿面质量产生大的影响。综合考虑以上3种因素,对于齿轮热 后硬齿面精加工来说,以提高齿面精度和光洁度为目的,利用PCBN刀具或陶瓷刀具进行高速铣 削可以实现“以铣代磨”。3具体的实现方案探讨成形法大轮具有直齿廓齿形,沿齿槽方向为一段 圆弧,其半径就是铣刀的刀盘半径。利用锥形成形铣刀,高速加工中心可以沿着齿槽方向进行铣削 ,其走刀轨迹为一段圆弧,这样就可以完成加工。在实际应用中,对于夹具的设计、机床与刀具的 选择,需要根图1成形法大轮的铣削示意图据具体的生产情况而定。在立式加工中心上的安装示意 图如图1所示,可在夹具体内安装蜗轮蜗杆机构,利用加工中心的第四轴分度,实现连续加工。目 前先进的高速加工中心主要由国外厂商提供,其主要性能指标远高于普通机床,其工作加速度可达到1g~2g(重力加速度),主轴转速一般都超过10000r/m in,甚至达到100000 r/m in以上。我国的高速加工机床也有了很大的发展,但与国外相比还是有很大差距。在本例中,主轴速度要求不是太高,大约在6000 r/m in,可以根据具体情况调整,国内的高速机床均可以满足,如北京机床研究所的KT-1400V B立式加工中心等<5>。本例中,需要专用的成形铣刀,可根据被加工齿槽的形状定做。考虑到 成本的因素,首推使用陶瓷刀具,国内的牌号主要有:JX-1、SG-4、LT55等。对于小 批量生产,可以用涂层硬质合金刀具;如果应用于大批量、高效率、高质量生产,可以用PCBN 刀具。4结论在高速加工中心上,选择合适的刀具,可以实现成形法大轮热后硬齿面的高速铣削, 实现“以铣代磨”。这样可以拓展机床的加工范围,并提高热后硬齿面成形法螺旋锥齿轮的精加工 效率。成形法螺旋锥齿轮硬齿面高速铣削的可行性研究@张华$河南科技大学机电工程学院!洛阳471003,江苏大学机械工程学院,江苏镇江212013
@张明柱$河南科技大学机电工程学院!洛阳471003
@杨宏斌$河南科技大学机电工程学院!洛阳471003
@曹雪梅$河南科技大学机电工程学院!洛阳471003由于成形法螺旋锥齿轮的大轮具有直齿廓 且齿数多,磨齿加工的效率低,因此,考虑对其采用高速切削加工的方法。经论证表明,选择合适 的夹具、机床与刀具可以实现成形法螺旋锥齿轮硬齿面的高速铣削,实现“以铣代磨”,可提高加 工效率。成形法螺旋锥齿轮;;高速切削加工;;硬齿面铣削;;效率<1>张伯霖,等.高速切削技术及应用
.北京:机械工业出版社,2002.
<2>曾宝平,王成勇,邓敏和,等.淬硬钢的高速切削加工.机电工程技术,2002,31(2).
<3>廖先富译.切削高硬度钢的A l2O3TiC陶瓷刀具.工具技术,1999(2).
<4>刘献礼,等.PCBN刀具应用与先进切削工艺研究.制造技术与机床,1998(9).
<5>艾兴,等.高速切削加工技术.北京:国防工业出版社,2003.迹为一段圆弧,这 样就可以完成加工。在实际应用中,对于夹具的设计、机床与刀具的选择,需要根图1成形法大轮 的铣削示意图据具体的生产情况而定。在立式加工中心上的安装示意图如图1所示,可在夹具体内 安装蜗轮蜗杆机构,利用加工中心的第四轴分度,实现连续加工。目前先进的高速加工中心主要由 国外厂商提供,其主要性能指标远高于普通机床,其工作加速度可达到1g~2g(重力加速度),主轴转速一般都超过10000r/m in,甚至达到100000 r/m in以上。我国的高速加工机床也有了很大的发展,但与国外相比还是有很大差距。在本例中,主轴速度要求不是太高,大约在6000 r/m in,可以根据具体情况调整,国内的高速机床均可以满足,如北京机床研究所的KT-1400V B立式加工中心等<5>。本例中,需要专用的成形铣刀,可根据被加工齿槽的形状定做。考虑到 成本的因素,首推使用陶瓷刀具,国内的牌号主要有:JX-1、SG-4、LT55等。对于小 批量生产,可以用涂层硬质合金刀具;如果应用于大批量、高效率、高质量生产,可以用PCBN 刀具。4结论在高速加工中心上,选择合适的刀具,可以实现成形法大轮热后硬齿面的高速铣削, 实现“以铣代磨”。这样可以拓展机床的加工范围,并提高热后硬齿面成形法螺旋锥齿轮的精加工 效率。成形法螺旋锥齿轮硬齿面高速铣削的可行性研究@张华$河南科技大学机电工程学院!洛阳471003,江苏大学机械工程学院,江苏镇江212013
@张明柱$河南科技大学机电工程学院!洛阳471003
@杨宏斌$河南科技大学机电工程学院!洛阳471003
@曹雪梅$河南科技大学机电工程学院!洛阳471003由于成形法螺旋锥齿轮的大轮具有直齿廓且齿数多,磨齿加工的效率低,因此,考虑对其采用高
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