硬齒面精加工在加工精度和加工效率上取得了一些進(jìn)步，出現(xiàn)了一些新的工藝方法。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外硬齒面的滾齒、插齒、剃齒、珩齒以及磨齒的最新工藝方法及裝備進(jìn)行了介紹，尤其是對(duì)磨齒加工的成形法和展成法工藝現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)介紹，指出了硬齒面精加工方法的發(fā)展方向。
近年來，各種硬齒面精加工在加工精度和加工效率上都取得了一些進(jìn)展，同時(shí)還出現(xiàn)了一些新的硬齒面精加工方法。
硬齒面滾齒工藝
由于磨齒效率低、成本高，近年來，國(guó)外開始研究硬齒面滾齒工藝，采用硬質(zhì)合金滾刀可以提高加工效率，目前在日本、德國(guó)等生產(chǎn)中已有應(yīng)用。國(guó)內(nèi)近年來也在積極研究硬齒面滾齒工藝，并取得了一些進(jìn)展，一些工廠生產(chǎn)中已有應(yīng)用。
北京第二機(jī)床廠和濟(jì)南第一機(jī)床廠等一些廠家已采用硬齒面滾齒工藝代替粗磨齒，加工效率比錐面砂輪磨齒機(jī)約高５～６倍。硬齒面滾齒工藝要求滾齒機(jī)床剛度好、精度高，只有在切齒技術(shù)、刀具及機(jī)床等幾個(gè)方面的正確配合下，使切齒過程達(dá)到最佳狀態(tài)，硬齒面滾齒的精度才能達(dá)到７級(jí)。硬齒面滾齒存在的最大問題是齒形精度較低，加工精度不穩(wěn)定。其主要原因是：
１）用硬質(zhì)合金滾刀來加工６０ＨＲＣ左右的硬齒面，刀具與工件的硬度相差很小，滾刀易磨損，直接影響齒形精度；
２）由于滾齒是一種斷續(xù)切削過程，滾齒過程伴隨著強(qiáng)迫及自激振動(dòng)、力和熱的沖擊，常常容易造成硬質(zhì)合金滾刀崩刃；
３）由于硬質(zhì)合金滾刀采用負(fù)前角，而切削厚度小，工件硬度又高，使得徑向切削力很大。從工藝系統(tǒng)分析，滾齒機(jī)的剛度雖較強(qiáng)，但刀桿和心軸卻是２個(gè)剛性薄弱環(huán)節(jié)，徑向的變形對(duì)精度影響很大。
硬齒面插齒工藝
國(guó)外有的公司將硬質(zhì)合金插齒刀頂刃磨出較大的負(fù)前角，使側(cè)刃有較大的刃傾角，形成刮削加工，也取得了初步成果。不過，要想用硬齒合金插齒刀插制６級(jí)精度齒輪是非常困難的。除了存在和硬質(zhì)合金滾刀、滾齒相類似的問題外，還存在著插齒速度無法增加到與硬質(zhì)合金刀具相適應(yīng)的最佳切削速度，往復(fù)插齒運(yùn)動(dòng)造成振動(dòng)、插齒機(jī)傳動(dòng)鏈精度不達(dá)標(biāo)等許多問題，使之未能在生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用。
國(guó)內(nèi)一些工廠在普通插齒工藝基礎(chǔ)上，對(duì)硬齒面插齒工藝也作了一些研究。目前，可插制４８ＨＲＣ左右的中硬齒面７級(jí)精度齒輪，主要采取了以下措施：１）提高機(jī)床的剛度和精度，提高傳動(dòng)鏈精度；２）采用高精度插齒刀（ＡＡ級(jí)插齒刀），嚴(yán)格控制刀具的安裝偏心；３）提高齒坯和夾具的精度；４）選取合理的進(jìn)給次數(shù)和加工進(jìn)給量等。
硬齒面剃齒工藝
近年來，日本試驗(yàn)成功用硬質(zhì)臺(tái)金剃齒刀加工８級(jí)精度、硬度為６０ＨＲＣ的齒輪。為使剃齒刀能切入工件的硬齒面，除將剃齒刀上的漸開線螺旋面刃帶減至最窄處外，還要把剃齒刀每齒上的刀刃減至ｌ～２個(gè)。本來軟齒面剃齒的最大優(yōu)點(diǎn)是刀刃多，有漸開線螺旋面保持穩(wěn)定嚙合，使剃齒效率高，并保證精度。而硬齒合金剃齒刀在結(jié)構(gòu)上的改動(dòng)，削弱了剃齒的上述２個(gè)優(yōu)點(diǎn)。此外，剃齒的特點(diǎn)是切削厚度很小，而硬質(zhì)合金的刀刃一般是較鈍的，故很難進(jìn)行剃削加工；因而難于在生產(chǎn)中實(shí)際應(yīng)用。
國(guó)內(nèi)近年來也在研究硬齒面剃齒工藝，目前已能剃削４８ＨＲＣ左右的中硬齒面７級(jí)精度齒輪，加工效率很高，其主要采取了以下措施：
１）選擇剃削性能好的刀具材料做剃齒刀；
２）提高剃齒刀的制造精度，并采用修形剃齒刀或負(fù)變位剃齒刀，不僅減小或消除了剃齒齒形的中凹現(xiàn)象，還能剃削鼓形齒輪；
３）提高熱處理前、后齒坯的加工精度，嚴(yán)格控制熱處理淬火變形；
４）精細(xì)調(diào)整機(jī)床，提高機(jī)床剛度，選擇合理的剃削用量等。
珩齒工藝
珩齒是目前高精度硬齒面齒輪加工的主要方法；但是，要把珩齒精度提高到６級(jí)，是比較困難的。目前，國(guó)內(nèi)有的工廠已珩出６級(jí)精度齒輪。德國(guó)的工廠也是利用珩齒生產(chǎn)６級(jí)精度齒輪，采用粗、精２次滾齒，并采用修形剃齒刀剃齒，嚴(yán)格控制熱處理變形等一系列措施，以保證珩前精度，并使用修形珩輪進(jìn)行珩齒。
普通珩齒工藝采用的盤形珩輪加工效率很高，１～２ｍｉｎ就能加工１個(gè)齒輪。近年來，日本提出新的珩齒方法———蝸桿珩齒工藝，推出新型蝸桿珩齒機(jī)。蝸桿珩齒的工作原理是采用蝸桿形狀的珩輪對(duì)齒輪齒面進(jìn)行珩齒，與珩前精度比較，可提高１～２級(jí)精度。目前，蝸桿珩齒技術(shù)在日本、美國(guó)、英國(guó)和瑞士等國(guó)已有十幾項(xiàng)專利發(fā)表，多用于汽車變速箱齒輪的制造。國(guó)內(nèi)近年來對(duì)蝸桿珩齒工藝組織攻關(guān)，進(jìn)行了很多研究，已由南京第二機(jī)床廠和長(zhǎng)江機(jī)床廠生產(chǎn)蝸桿珩齒機(jī)，并開始在生產(chǎn)中應(yīng)用，精度可達(dá)到６～７級(jí)，平均生產(chǎn)速度為３～６ｍｉｎ／件。一般蝸桿珩輪采用普通磨料，又分為軟珩和硬珩２種蝸桿珩輪。近年來試驗(yàn)研究采用電鍍金剛石蝸桿珩輪和電鍍ＣＢＮ（立方氮化硼）蝸桿珩輪的珩齒工藝。
國(guó)外近年來還發(fā)展了內(nèi)嚙合自由珩齒工藝，瑞士已生產(chǎn)出內(nèi)嚙合珩齒機(jī)。這種工藝采用內(nèi)齒圈珩輪加工外齒輪工件，平均單件工時(shí)為１～２ｍｉｎ，珩后精度可提高２級(jí)，一般可達(dá)６～７級(jí)。如果提高珩前精度，將能珩出更高精度的齒輪。
磨齒工藝
磨齒分為展成磨齒和成形磨齒２大類。一般說來，展成磨齒的效率較低（蝸桿砂輪磨齒除外），磨齒費(fèi)用較高，機(jī)床復(fù)雜，價(jià)格昂貴，限制了其在生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，僅在少數(shù)精密機(jī)械及工具行業(yè)使用。而成形磨齒具有機(jī)床簡(jiǎn)單、效率較高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，但由于過去成形磨齒砂輪修整問題未得到很好解決，也妨礙了成形磨齒工藝在生產(chǎn)中的應(yīng)用。現(xiàn)在世界各國(guó)都在積極研究高精度、高效率、多功能、性能穩(wěn)定的新型磨齒加工方法和磨齒機(jī)。
5.1 展成磨齒
展成磨齒法又可分為單齒分度展成磨齒法和連續(xù)展成磨齒法，如圖１所示。
圖１ 展成法齒輪磨削方法分類
瑞士Ｍａａｇ磨齒機(jī)采用碟形砂輪磨齒，除繼續(xù)保持高精度的優(yōu)勢(shì)外，在結(jié)構(gòu)和磨削方法上有所改進(jìn)，效率有所提高。為提高加工效率，Ｍａａｇ公司在磨削方法上由ＨＳＳ系列磨齒機(jī)的１５°／２０°的普通磨削法發(fā)展到０°磨削法，采用ＢＣ機(jī)構(gòu)磨修形齒輪，形成了新的ＳＤ 系列。后來 Ｍａａｇ 公司在０°磨削法的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了Ｋ磨削法，效率又有所提高。盡管這樣，Ｍａａｇ磨齒機(jī)的效率仍然很低，磨１ 個(gè)齒輪常常要耗費(fèi)幾個(gè)小時(shí)，成本很高，尤其是大規(guī)格磨齒機(jī)效率更低。
錐面砂輪磨齒機(jī)傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，而且漸開線齒面是逐點(diǎn)包絡(luò)出來的，影響加工精度及穩(wěn)定性，單件工時(shí)一般為０．６～３ｈ；但錐面砂輪磨齒機(jī)通用性好，在生產(chǎn)中應(yīng)用得較廣。世界上生產(chǎn)錐面砂輪磨齒機(jī)聲譽(yù)較高的是德國(guó)的Ｈｏｆｌｅｒ公司和Ｎｉｌｅｓ公司。這２家公司已發(fā)展了直徑為３５００ｍｍ的磨齒機(jī)系列產(chǎn)品。
大平面砂輪磨齒機(jī)傳動(dòng)鏈短，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，加工精度也較高；但加工效率很低，多用來加工剃齒刀和插齒刀等齒輪刀具以及精度較高的齒輪。各國(guó)相關(guān)廠家都在生產(chǎn)這種磨齒機(jī)，但多年來在結(jié)構(gòu)和性能上沒有太大的發(fā)展。
在各種磨齒方法中，蝸桿砂輪磨齒機(jī)的效率最高，一般１０多分鐘就能磨１個(gè)齒輪，適于５～６級(jí)齒數(shù)＞８ｍｍ或直徑＞６００ｍｍ）的加工，還有待于解決。
近年來，日本還出現(xiàn)了采用電鍍ＣＢＮ（立方氮化硼）蝸桿砂輪的數(shù)控蝸桿砂輪磨齒機(jī)，砂輪不用修整可連續(xù)加工幾萬個(gè)齒輪，用廢后換新砂輪，加工效率很高，１ｍｉｎ左右就能磨１個(gè)齒輪，并能磨修形齒輪。目前，我國(guó)各種形式的展成磨齒機(jī)都已有生產(chǎn)，但產(chǎn)品尺寸系列還不夠齊全。
5.2 成形磨齒
為了解決大批量齒輪的高效經(jīng)濟(jì)磨齒問題，近年來世界上許多國(guó)家（如前面提到的瑞士Ｍａａｇ公司以及德國(guó)、日本、英國(guó)、美國(guó)等）又在積極研究成形磨齒工藝。成形磨齒所達(dá)到的精度與展成磨齒相媲美，且生產(chǎn)率還要高好多倍（但仍低于蝸桿砂輪磨齒），強(qiáng)力高效磨削應(yīng)用于成形磨齒，效率還將進(jìn)一步提高。成形磨齒一般適于５～６級(jí)精度齒輪的批量生產(chǎn)，還特別適合于模數(shù)大、齒致少、寬度大的齒輪和各種修形齒輪的加工。
成形磨齒要解決的第１個(gè)問題是創(chuàng)造通用的成形砂輪修整器，為此近年來發(fā)表了不少這方面的專利和成果，如圖２所示。國(guó)外成形磨齒機(jī)多采用靠模四桿機(jī)構(gòu)修整器；但這種修整器的精度穩(wěn)定性較差，靠模數(shù)量多，調(diào)整麻煩。由于準(zhǔn)確漸開線修整器結(jié)構(gòu)一般較復(fù)雜，影響精度，又發(fā)展了許多種近似漸開線修整方法。單金剛石筆修整砂輪時(shí)很難解決金剛筆磨損對(duì)修整齒形精度的影響；因此又發(fā)展了金剛滾輪修整法。由于成形金剛滾輪制造復(fù)雜、價(jià)格很貴，國(guó)外又發(fā)展了金剛砂帶壓輪法。近年來，國(guó)內(nèi)外又研制出了數(shù)控成形砂輪修整器，采用三坐標(biāo)閉環(huán)系統(tǒng)，以保證精度并能自動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)償金剛石筆磨損；但這種裝置復(fù)雜、昂貴，尚未正式應(yīng)用于生產(chǎn)。
圖２成形磨齒砂輪修整方法分類
硬齒面齒輪精加工技術(shù)的未來發(fā)展
隨著數(shù)控技術(shù)的出現(xiàn)，硬齒面齒輪的精加工設(shè)備在機(jī)床的成形運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方面，原有的形成齒輪漸開線輪廓的內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈?zhǔn)峭ㄟ^機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的。數(shù)控技術(shù)使得機(jī)床的每個(gè)運(yùn)動(dòng)都加入一個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)，通過數(shù)控機(jī)床的ＣＮＣ系統(tǒng)，向每個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)發(fā)送脈沖指令，每個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)得到指令后，通過電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)機(jī)床運(yùn)動(dòng)，這樣就消除了原有的、形成齒輪漸開線輪廓的、內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈的機(jī)械機(jī)構(gòu)誤差，使機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度得到提高。新的數(shù)控滾齒機(jī)、插齒機(jī)、剃齒機(jī)以及磨齒機(jī)將得到廣泛應(yīng)用。
