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滚齿加工的新模式
来源:山特维克可乐满(中国) 发布日期:2011/12/19 10:58:40

 山特维克可乐满的全新刀具产品缩短了加工时间、减少了滚齿齿轮的成本、最大限度地提高了产品质量以及提高了加工效率。

图1:CoroMill 170 是一款大模数齿轮齿加工的高性能圆盘铣刀,在外齿轮和内齿轮粗加工时均可获得高精度和高可靠性。

  没有齿轮的旋转运动的传动是不可想象的。无论是在工程机械、汽车动力、运输技术,还是在铁路、造船,甚至在能源生产方面,没有齿轮什么都无法运转。就像齿轮的制造一样,传动必须是高效的。

  在各个领域,人们都希望能提高速度、延长运行时间和降低噪音水平,因此对齿轮的精度要求也越来越高。国际竞争和由此带来的成本压力也促使不断寻求新的节能潜力以及优化生产。当然,这也是新工艺开发的背景和动力,为了找出最新的技术标准,甚至也评估了旧的试验-测试方法。

  性价比极高的和精密的齿轮制造工艺之一就是滚铣。对于这种工艺,例如在加工蜗轮的情况下,在滚齿机上工件和刀具是连续啮合的。这样做,齿轮滚刀切削的是工件上的齿间和齿,使它们达到变速箱齿轮对所需的形状。使用这种工艺就不会产生传统的包络线切削时容易出现的误差源,即齿形偏差和齿距误差。这是因为滚齿切削工艺中的齿形是通过两个物体啮合时生成的包络切削产生的。

  滚铣过程的一个更大的优势是,除了可以加工齿轮外,还可以生成其它形状的工件,例如花键轴或棘轮,只要它们相同的形状和齿距中有空间。

  所用刀具

  滚齿刀具有单片刀具和多片刀具,切削刃分布在圆周上,圆周上还有排屑槽。到现在为止,切削材料主要是高合金高速钢(HSS)。除了粉末冶金制造的HSS整体硬质合金刀具,镶篏硬质合金刀杆的刀具也用于切削。事实上,传统的HSS刀具仍然占有超过百分之五十的市场份额。其原因是这两种整体硬质合金铣刀以及安装了固定的硬质合金切削刃的刀具不能满足要求。首先是,在重磨后,服务寿命方面会有严重的损失,或单个切削刃崩损会导致必须更换整个刀具。为了重磨刀具,常常必须去除涂层,这就带走了切削刃口的粘结剂为钴。

图2:可转位滚刀上的精磨刀片可确保滚削齿轮时获得出色的零件质量。

  由于切削刃的脆性,就导致了降低刀具寿命,缩短了可预测寿命。

  在大模数的情况下,最近几年切向安装的硬质合金可转位刀片刀具用得越来越普遍。这种解决方案具有明显的优点。烧结硬质合金也可以用作大直径齿轮滚刀的切削刀具材料,除了刀体具有长的刀具寿命,还可以与已经适用于相关工件材料和齿形的不同刀具材料材质一起使用。因此,一个相同刀体可以用于不同的任务,这就减少了刀具数量,因此,也就降低了库存要求。这种概念不仅仅能够达到要求的形状精度,而且可以显着地缩短制造时间,还可观地减少了重磨和加涂层方面的成本。

  高效齿轮切削

  对于山特维克可乐满来说,齿轮切削刀具是其相对新进的领域。作为全球领先的全面的刀具提供商,它的目标自然不仅仅是推出已令人信服的齿轮切削刀具概念,它还要与合格的机床制造商和客户方面的合作伙伴紧密合作。到现在为止,山特维克可乐满的两个产品已经成功地进入了齿轮切削刀具制造领域:模数范围为12-22的CoroMill 170圆盘铣刀,和有切向安装的可转位刀片的大齿轮滚刀。这两种刀具都极大程度的提高了齿轮加工技术。

  uP-Gear齿轮工艺用于完整的包括螺旋齿轮在内的锥齿轮生产,它在五轴加工中心上的仅有的两次夹紧上即可完成。这种工艺是朝着成为齿轮箱生产方面的全服务提供商发展的成功的一步。山特维克可乐满是与Voith Turbo与Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH一起合作开发出这种技术的。山特维克可乐满目前正在进行下一步工作:采用可互换的全齿形可转位刀片的齿轮滚刀的制造。

  通常,切向安装的可转位刀片有不超过两个切削刃形成接触。与切向安装的可转位刀片相反,使用全齿形可转位刀片的刀具还形成了三个后刀面切屑。这意味圆周上的切削刃必须可以通向三个侧面,从而可以排屑。这就导致了对可转位刀片与刀体之间有专门的要求,如果是使用刀垫或刀座与可转位刀片的话。此外,为了能符合DIN3968的严格公差,可转位刀片的夹紧装置的定位必须有极高的精度。

  目前已经开发出一种新型刀片定位接口,这种刀片定位接口可以保证精密的定位,并保证在粗加工过程中可转位刀片的夹紧。由于根据模数大小和用途确定的刀片可以是单切削刃或双切削刃,一般来说,对于多切削刃刀片不是问题:尽管切削刃可以位于圆周的3个边,但是,根据仔细的观察,我们看到单切削刃或双切削刃可转位刀片也会被自然地称为“可转位刀片”。

  为了生产可转位刀片的齿轮滚刀,山特维克可乐满与知名的合作伙伴一起建立了专门技术。除了H?fler Maschinenbau GmbH,Garl Zeiss GmbH作为成品刀具和传动机构的精密测量的工业测量专家也加入了这支队伍。合作关系还包括与一些知名的齿轮箱制造商和几个大学的密切合作,例如Lunds技术学院(瑞典)和WZL(机床实验室,RWTH Aachen)齿轮加工集团。

  初步结果

图3:与高速钢刀具相比,可转位滚刀具有很高的金属去除率,并保持了很高的可靠性,从而实现极短的加工周期。

  新的滚刀刀具的初始实际生产测试已经完成了,并对它进行了分析。测试表明,安装了硬质合金可转位刀片的齿轮滚刀并没有达到用高速钢或整体硬质合金滚刀所加工出的精度要求。但是,这种滚刀可以保证符合DIN 3968的B等级,这就意味着可以用于制造符合DIN 3962的等级9-11的齿轮。如果必须达到更高的工件等级,则要求接着采用传统滚刀加工或磨削工序。滚铣质量不仅仅是由齿轮滚刀等级决定的,它还受到工件夹紧装置的牢靠程度、齿轮滚床的精度和滚刀与工件的同心度和跳动量的影响。

  总地来说,实际生产测试的结果已经表明,在三个重要的判断标准方面,新的滚刀的实际优点为:缩短了切削时间和滚铣每零件成本,提高了刀具寿命。对测试结果的详细的研究表明了改进的实际程度。

  缩短了切削时间

  齿轮滚铣时,在各种因素中,基本加工时间是由切削速度和工件轴向进给确定的。钢的类型与切削材料的匹配,以及使用的机床的稳定性与性能是确定最影响性价比的切削速度的决定性因素。在实际生产条件下的测试表明了,在保持刀具的每转进给率不变的情况下,切削速度通常可以翻番,用这种方法,在一个案例中,切削时间由200分钟缩短到90分钟。

  硬质合金切削刃可以比高速钢(HSS)切削刃承担更高的切屑负荷。这就是说可以达到更高的每齿进给率。此外,应用这种方法可以补偿因有效切削刃的数目的减少而增加的加工时间。

  在将切屑离开滚刀时产生的理论最大切屑厚度就是切屑负荷。当确定进给率时,总是应该记录切屑负荷,并将它用于计算进给率。如果机床性能和工件材料等所有决定性因素都允许,新刀具就可以承受高达0.35 mm的切屑负荷,和最高达350 m/min的切削速度,具体数字与所加工的模数有关。

图 4:锥齿轮上的齿槽粗加工证明是极具挑战性的工序。 运用uP-Gear技术,配以灵活的五轴加工中心,可使制造商针对齿的不同齿型参数和不同零件类型进行加工操作。

  延长了刀具寿命

  在齿轮滚铣的赢利能力研究中,不是使用通常以规定的分钟作为刀具寿命的单位,滚刀是用刀具切削长度作为评价标准。这个长度相应于两次重磨之间的,或两次更换刀具上的可转位刀片之间,所有切削的工件齿的长度的总和。

  在优化的条件下,比如在合适的涂层和硬质合金切削刃口的条件下,在实际生产测试中,已经达到了每次更换刀具时刀具长度,这个长度至少高于涂层HSS刀具的3倍。更高的每齿进给也对这点有贡献。如果每齿进给太低,也会加速磨损、缩短刀具寿命并引起在工件上生成过多的热量。因此在干切削中,应毫不犹豫地采用硬质合金可转位刀片,从而不降低刀具寿命,进给率的选择应该是使得大部分热量随着切屑排出。更长的刀具寿命也意味着获得更多的生产时间,例如,如果刀具寿命达到原来的三倍,百分之六十六的安装刀具时间就不再需要了,这些时间就可以用于切削了。

  在连续生产中,很少考虑偶尔发生的由于安装引起的时间浪费:钝了的刀具的重磨导致刀具直径的不同,总是要求重新调整机床的设置,因此使用新刀具就可以减少66%的时间浪费。使用新刀具还会缩短翻新磨钝了HSS滚刀所需的时间,因为翻新刀具还必须送出去重磨和重新涂层。这一切都关乎漫长的时间周期,这个周期从刀具更换开始到交付完成了翻新的刀具为止。很自然,仍然建议转换到使用新的山特维克可乐满刀具,从而优化刀具寿命和提高性价比。此外,可转位刀片在使用后仅仅是单刃磨损,可以从左面更换到右面。

图5:全齿形滚刀秉承了常规高速钢刀具的设计理念,使用的可转位硬质合金刀片可使斜齿轮加工时运用更高的切削速度并通过更高的进给率实现高效率加工。

  更低的滚铣成本

  刀具的进一步开发的主要目标是降低直接和间接生产成本。与此同时,加工的工件的质量也应维持,或甚至更进一步获得提高。此外,生产可靠性必须得到保证。

  山特维克可乐满提供的新的全齿形滚刀完全满足了与刀具有关的要求,甚至在它第一次使用时就做到了这点。通过降低投资、库存、搬运和装夹以及翻新成本,也可以相当程度地降低比例成本。除此之外,通过减少周转中的滚刀的数目,可以降低资本投入。还有一个优点是:可以通过提高切削速度,实际切削时间随之缩短(已经有几次超过50%),这样就显着了增加每日的产出量。通过缩短切削时间和安装调试时间获得的机床使用时间可以进一步提高产出。在一些情况下,甚至不再需要使用切削油或润滑油,这提高了刀具寿命,也减少了油雾或油蒸汽的排放。这里不要低估使用润滑油或切削油的成本,节约的成本与相应的应用有关,它们常常占总生产成本的15%。

图6:带有可乐满Capto接口的CoroMill 176 齿轮滚刀,可减少 50%的切削时间,并将刀具寿命提高了一倍。

  底线

  有了新的滚刀刀具,用户就有了高性价比和可靠的生产所需的刀具。这种刀具降低了投资成本,易于装夹,这些刀具使工序与任何外部的操作无关。

山特维克可乐满(中国)
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