干切滚刀

现行切齿刀具的材料可以归结为四类：硬质合金、陶瓷、粉末冶金高速钢和高性能高速钢（由于工艺方法的不同而区分为两大类）。陶瓷材料作为车刀刀片使用早已普及，但作成复杂刀具的滚刀只见过试验报导，尚未见到市场供应。但陶瓷材料的某些优异性能应是进行高速干切工艺所最需要的。因此，陶瓷材料在高速干切滚刀上的应用也将是一个必然的发展趋势，特别是在硬齿面刮削刀具上的应用前景看好。

目前用于高速干切硬齿面加工的滚刀材料主要是硬质合金一类，而用于软齿面高速干切加工的滚刀材料主要是后二类的高速钢，也有采用硬质合金的。我国目前粉末冶金高速钢及高性能高速钢的生产还不多见，但硬质合金由于我国有资源上的优势，理应成为制造高速干切齿轮滚刀的主导材料。

根据对一些先进发达工业国家及国产硬质合金材料的分析比较，我们认为就材料本身来讲，并没有太大的差别，其生产装备与加工工艺也基本相同。但在使用过程中，有时表现出较大的差别，究其原因，可能存在以下问题。据长期从事硬质合金检测的专业人员称，由于硬质合金材料制造过程的复杂性和特殊性，采用相同设备和工艺制造的不同批次材料检测数据几乎没有完全相同的，材料的细微差别也许就造成切削性能的巨大差异。

而在目前阶段，我国的材料生产商，刀具制造商及刀具使用厂家脱节，缺少紧密的交流合作必然造成材料与工艺的不匹配问题，如果解决好这些问题，如果充分发挥我国硬质合金材料资源优势，是一个值得有关部门（如工具研究所、大专院校、硬质合金专业厂等）很好研究解决的课题。

涂层是高速干切滚刀不可或缺的后序工艺，涂层在高速干切中表现出来的优异性能可以说是最突出的，现在已没有不经涂层的滚刀能胜任极端条件下的高速干切加工。在切削试验中，涂层性能有时也表现出很大的差异，其主要原因也存在涂层厂商与使用厂家的“工艺匹配”问题。涂层技术是一项发展很快的新技术，各厂家工艺不尽相同，如果缺乏密切的合作，就很难找出最佳方案。但可以预料的是，未来的涂层技术必将会有更大的发展和普及。

这是一个牵涉面很广的问题。进口刀具价格昂贵，而且完全依赖进口也非长久之计，因此，国产刀具的突破也就成为高速干切滚齿工艺推广的关键问题。根据我国的实际情况，如果目前刀具材料以硬质合金为主考虑，就必须在刀具结构上实现突破。制造硬质合金材料的钨金属是一种不可再生的稀缺资源。现整体小模数硬质合金滚刀已是价格昂贵，如果要进一步适应中、大模数的加工，只有在滚刀结构上下功夫。

为此，我们设计了“连续支承的镶片式齿轮滚刀”并取得了国家发明专利（详见附图及说明书）。此创新设计面向未来的高速干切滚齿工艺，立足于现代制造技术，具有以下特点：

1、将刀片、刀体、端盖三者组合成一个密不可分的可靠整体，首先满足高速高强度切削的安全性和可靠性要求；

2、立足于现代数控加工技术，易于实现高精度、大批量、低成本的生产；

3、实现了最简化设计，设计不受刀具尺寸及安装方式限制，完全满足中、大模数滚刀制作要求；

4、适合采用圆磨法加工，提高生产效率；

5、最有可能适合安装陶瓷刀片的结构；

6、改变经营模式，为客户提供保质保量一次性的不重磨刀具，由制造商实现刀体刀片的多次利用。

能囊括如此多优点的刀具，必须要对传统的结构形式有大的突破，这就是连续支承的刀体结构。与传统滚刀相比，连续支承镶片式滚刀的轴向容屑槽没有了，只依靠刀片高出支承的部分形成容屑仓。切削试验证明，只要刀片有合理的凸出尺寸加上合理的液、气冲刷排屑，切削进行得很顺畅，特别是二次刮削加工，切屑很细，高速气流正，反两个方向吹，排屑完全不成问题。对于高速大走刀的粗切，也可采用加厚刀片，升高刀片与刀体之间的距离及采取相应在的液气冲刷措施得以较好的解决。

对于滚刀外形尺寸的选择，总的趋势是长度都在往长的方向发展（如格里森130H刀具的使用长度就达250mm），但外径却因为机床、生产方式及刀具制作水平等在选择上有所差异。众所周知，刀具外径较大，切削线速度可提高，也可制造出较多的槽数，有利于延长刀具的寿命和提高加工精度。但相对于相同的刀速加工同样的工件时，外径较小的滚刀刀轴转速提高了，这样工作台转速相应提高进给加快生产效率就提高了。

另外，外径较大的刀具的空切行程较大也会导致生产效率下降。因此，美国格里森的工艺方案是加长刀具的长度以延长使用寿命，选用较小的适宜外径并将滚刀尽可能做成多头的，这样以提高生产效率并做到保证加工精度。显然，这种方案依赖于其卓越的机床及精良的刀具制作水平。

根据我国目前的设备及刀具制作水平，加大刀具外径对提升产品的水平也是比较现实的方案，但如何克服滚刀外径加大空切行程加长降低生产效率的问题，我们提出了一种“滚刀完全利用的综合滚齿方法”并申报了相关专利。这种方法只要具备切向进给的滚齿机均可实施，相对于传统滚齿机现代数控滚齿机的切向进给功能更容易实现。这种方法完全消除了滚刀外径因素的影响，滚刀得以完全充分的利用，产品水平也可有较大提高。

综合以上影响滚刀性能的三个方面，对于高速干切滚齿工艺来说，我们认为材料和涂层是决定性的因素 ，没有稳定的材料和涂层，在高速干切这样严酷的切削条件下，滚刀精度很快就会丧失。从进口的小模数硬质合金滚刀使用情况来看，其制造精度应是很稳定的，但不同批次的刀具在相关条件相同的情况下有时表现差异很大，究其原因，还是材料和涂层原因引起。

在国内，除了要解决材料和涂层问题外，滚刀的制作水平也是制约高速干切工艺发展的一个问题。相关制造厂家小而散，加工精度普遍比国外厂家低一、二个级别，制造装备落后，而进口设备价格昂贵，不是一般厂家所能承受。在国内还没有形成集材料、涂层、滚刀制造及切削试验为一体的刀具制造商之前，解决的办法只有加强各行业间的沟通和交流，谋求以供求关系向联合方向发展，促进高速干切刀具制造业的发展。

这是一种高速、干切、绿色环保的高速数控滚齿技术。

采用此类滚刀及此技术，可对淬硬钢及渗碳钢材料的齿坯进行高速、高效的一次或二次切削加工，刀具重磨一次的稳定加工精度寿命达100m以上，实现了一次性的高效、高精度的展成滚齿加工替代传统的滚、剃、磨、珩加工。

进行高速干切滚齿加工的滚刀性能主要取决于以下三个方面：刀具材料、表面涂层、滚刀参数与结构的设计与制造。

齿轮滚刀是依照螺旋齿轮副啮合原理，用展成法切削齿轮的刀具，齿轮滚刀相当于小齿轮，被切齿轮相当于一个大齿轮。齿轮滚刀是一个螺旋角β0很大而螺纹头数很少（1～3个齿），齿很长，并能绕滚刀分度圆柱很多圈的螺旋齿轮，这样就象螺旋升角γz很小的蜗杆了。为了形成刀刃，在蜗杆端面沿着轴线铣出几条容屑槽，以形成前面及前角；经铲齿和铲磨，形成后刀面及后角。

常用的加工外啮合直齿和斜齿圆柱齿轮的刀具。加工时﹐滚刀相当于一个螺旋角很大的螺旋齿轮﹐其齿数即为滚刀的头数﹐工件相当于另一个螺旋齿轮﹐彼此按照一对螺旋齿轮作空间啮合﹐以固定的速比旋转﹐由依次切削的各相邻位置的刀齿齿形包络成齿轮的齿形。常用的滚刀大多是单头(见螺纹)的﹐在大量生产中﹐为了提高效率也常采用多头滚刀。

刀转一转﹐齿轮绕本身轴线转过一个齿﹔多头滚刀转一转﹐齿轮转过的齿数与滚刀头数相等。蜗轮滚刀的滚刀在螺旋升角小于5°时﹐常制成直容屑槽﹐便于制造和刃磨﹔螺旋升角大的滚刀常制成螺旋容屑槽﹐以免刀齿的一侧刃以大负前角(见刀具)切削的不利情况。 用高速钢制造的中小模数齿轮滚刀一般采用整体结构。模数在10毫米以上的滚刀﹐为了节约高速钢﹑避免锻造困难和改善金相组织﹐常采用镶片结构(图1 齿轮滚刀 )。镶片滚刀的结构形式很多﹐常用的为镶齿条结构﹐即刀齿部分用高速钢制成齿条状﹐热处理后紧固在刀体上。用硬质合金制造滚刀﹐可以显著提高切削速度和切齿效率。整体硬质合金滚刀已在钟表和仪器制造工业中广泛地用于加工各种小模数齿轮。中等模数的整体和镶片硬质合金滚刀已用于加工铸铁和胶木齿轮。模数小于 3毫米的硬质合金滚刀也用于 加工钢齿轮。硬质合金滚刀还可加工淬硬齿轮(硬度为 HRC50～62)。这种滚刀常采用单齿焊接结构﹐制有30°的负前角﹐切削时刮去齿面的一层留量。 生产滚刀的厂家跟交易市场全国各地都有，如专业制作齿轮刀具的国营企业：重庆工具厂、汉江工具厂、哈尔滨第一工具厂。浙江温岭等地则多为民营企业，如《温岭市开元工具厂》《浙江工量刃具交易市场》《重庆兴旺工具制造厂》等。。国家把滚刀的精度等级分为 AA级﹑A级和 B级。一般国标滚刀采用AA级。部标跟企标采用A级。链轮滚刀要求精度不高，一般采用B级。为了加工特别精密的齿轮﹐有的国家还有AAA级滚刀。在切齿过程中﹐滚刀的制造误差主要影响齿轮的齿形误差和基节偏差。 剃齿前加工齿轮齿形用的滚刀称为剃前滚刀。剃前滚刀的齿形﹐要按剃齿馀量形式的要求制成特殊的形状(图2 剃前滚刀的齿形 )。齿顶带凸角﹑齿根带倒角的滚刀齿形是一种较常用的留剃形式﹐它使被加工齿轮的齿根处有些挖根﹐齿顶处有些倒角﹐中间部分剃齿馀量均匀。(见彩图 硬齿面齿轮的精加工刀具──硬质合金刮削滚刀 ﹑ 齿轮加工刀具──滚刀﹑插齿刀﹑剃齿刀)

常用的蜗轮加工刀具。蜗轮滚刀基本蜗杆(见蜗杆传动)的类型和主要参数(模数﹑齿形角﹑分度圆直径﹑螺旋升角和螺纹头数等)应当与工作蜗杆相同﹐因此蜗轮滚刀常是专用的。当外径较大时﹐滚刀制成套装式﹔外径较小时将滚刀制成与心轴一体的带柄式结构(图3 蜗轮滚刀 )。

非渐开线展成滚刀 工作原理与齿轮滚刀相同。花键滚刀可用于加工矩形齿﹑渐开线齿或三角形齿的花键轴﹐其加工精度和生产率较成形铣刀高。非渐开线展成滚刀还可加工圆弧齿轮﹑摆线齿轮和链轮等。

定装滚刀 各齿齿形不同﹐只有最后一个齿是精切齿。齿形和工件的齿槽相同﹐以成形铣削法切削工件的齿槽﹐因此定装滚刀必须相对工件的轴线安装在固定的位置上。滚刀上其馀的刀齿都是粗切齿。加工时的运动关系与齿轮滚刀相同。成形滚刀可避免用展成刀具加工时齿根部产生的过渡曲线。棘轮滚刀是常用的定装滚刀(图4 定装滚刀 )。