剃齒工藝的現(xiàn)狀及其與磨齒工藝的比較

    1 引言
    眾所周知，剃齒加工和磨削加工是兩種不同的齒輪精加工方法。剃齒是在熱處理前進行的（這也是剃齒加工受限的原因），而磨齒是在熱處理之后進行的。近幾年來，隨著機械加工精度的不斷提高、數(shù)控機床的不斷完善以及加工軟件的迅速發(fā)展，齒輪精加工技術得以不斷發(fā)展，齒輪磨削精度、效率和各種功能已達到了極高的水平。由于新型陶瓷和CBN砂輪的使用，無論成形磨削還是展成磨削都獲得了很大的進步，因此曾經(jīng)有人認為，幾年以后剃齒加工幾乎會完全被磨齒加工取代，因為確實有很多過去用剃齒加工的齒輪現(xiàn)在改用了磨齒加工。但出乎人們的預料，目前在全球的齒輪生產(chǎn)中，剃齒加工還是最主要的齒輪精加工手段。
    2 剃齒工藝與磨齒工藝的對比
    齒輪剃齒工藝與齒輪磨削工藝并存的原因有很多，限于文章篇幅，僅作以下簡單分析對比：
    （1）傳動噪音的降低
    造成傳動裝置噪音的原因主要有：①齒輪的精度（包括齒形、齒向、齒距等）；②裝置的精度（箱體孔系精度、中心距及其變動量）；③變速箱的結構（傳動的剛性及變形）等。
    一直以來，齒輪生產(chǎn)商完全依賴齒輪磨削加工以改善整個齒輪的質量。但盡管磨削加工工藝在保證齒輪加工精度方面幾乎完美無缺，可惜的是其加工費用及投資成本很高，難以用較低的成本獲得高質量的齒輪。另一方面，高精度的齒輪并不一定會保證傳動噪音的降低。
    隨著數(shù)控剃齒技術的發(fā)展，借助于先進的數(shù)控剃齒刀磨床，如今我們可以在幾十分鐘內完成各種修形剃齒刀的磨削。與此同時，現(xiàn)在的剃齒機床通過程序可以控制所有的動作。也就是說，目前我們已有能力實現(xiàn)幾年以前還無法實現(xiàn)的剃齒加工。雖然一些齒輪熱處理后的質量還無法全面控制（淬火會造成某些齒輪、特別是結構不勻稱的齒輪的變形，常見于車輛及拖拉機的變速裝置），但我們通過將剃齒精度控制在5級并設置剃齒的反變形措施，可以將汽車齒輪、尤其是那些用于自動變速器中的行星齒輪的熱處理變形降到最低，從而穩(wěn)定齒輪的成品尺寸。
    采用先進的剃齒加工工藝可將齒向精度提高2～3個等級（DIN標準），把齒形精度提高2～3個等級（DIN標準），把齒距的精度提高1～2等級（DIN標準），使剃齒表面粗糙度接近磨削加工表面粗糙度（Ra0.4～0.6μm），通過細致的剃前及剃齒加工得到5級精度（DIN3962）的齒輪（齒輪的內在特點應該符合剃齒加工的使用情況）。
    為了降低齒輪的嚙合噪音，我們通常要考慮到齒形和齒向的理論標準與實際情況。在剃齒生產(chǎn)時，必須檢查嚙合齒輪的嚙合狀況，有時還需進行齒形的特殊修形，以降低傳動噪音�，F(xiàn)在有了全數(shù)控剃齒刀磨床，這樣的修形是很容易實現(xiàn)的。
    （2）熱處理變形的消除或減小
    在中、大規(guī)模的生產(chǎn)中，通過分析研究因熱處理造成的齒輪齒形及齒向的變形，可以在剃齒加工期間加以補償量（反變形），以達到消除或減小熱處理變形的目的。
    由于理論齒向會與實際測量的齒向有差別，因此通過對剃齒加工工藝剃齒參數(shù)及特殊剃齒刀的各方面控制，達到理想的齒輪齒向精度，同時降低傳動噪音，實現(xiàn)用低成本的剃齒工藝加工出與高成本磨齒工藝加工的相同質量的齒輪，滿足各種變速齒輪的質量要求。    （3）數(shù)控機床剃齒加工工藝的優(yōu)勢
    ①可完成各種齒形、齒向修形，獲得具有高精加工表面、良好齒形的齒輪；
    ②剃齒作為一種被廣泛采用的齒輪加工工藝，具有加工過程靈活而迅速、生產(chǎn)效率高、自動化程度高等特點。可以將剃齒機床插入自動生產(chǎn)線；對刀具可實現(xiàn)物盡其用；
    ③加工費用低（包含機器折舊與工具費用），維修費用低，可降低成本。
    （4）齒輪剃齒工藝的適用范圍
    根據(jù)齒輪標準DIN3962，剃齒工藝的主要適用范圍為：
    ①DIN7～8等級：使用范圍：質量要求不高的工業(yè)車輛、農(nóng)業(yè)機械、拖拉機和機床齒輪；汽車變速箱、低速的減速器等；
    ②DIN6等級：首先通過剃齒加工達到5級精度，則熱處理后達到6級是很容易實現(xiàn)的。使用范圍：各種汽車（包括質量要求較高的汽車）的變速箱，工業(yè)車輛、機床、減速器用齒輪。這是應用最廣泛的精度等級；
    ③DIN5等級：在剃齒加工后，通過對熱處理變形的控制，保證經(jīng)過熱處理后的齒輪成品精度不會改變。使用范圍：飛機的齒輪系，高品質汽車，公共汽車，卡車，量儀等。
    除此以外，有一些齒輪因不能磨削，也需要采用剃齒工藝來加工，如與大齒輪相連的小齒數(shù)齒輪或帶臺肩的齒輪、同步器等零部件。例如變速箱二軸的剃齒加工，被剃齒輪主要是用于車輛的傳動裝置。由于二速齒輪不能磨削，因此必需剃齒（一般來說用插齒刀加工的齒輪都不能采用磨削加工）。
    當然，對一些傳動極大力矩的齒輪系（如重型卡車等）而言，盡管采用剃齒工藝同樣可以得到最終要求的精度，但目前多是經(jīng)過成形磨削加工的。這是因為成形磨削使齒輪的根部圓滑過渡，使齒輪變得更堅固，傳動中打齒的風險也大大減少，因此較大模數(shù)（4～8mm）的齒輪通常采用磨削加工。此外，DIN4等級以上的齒輪必須要采用磨削工藝。
    近年來一項快速發(fā)展的新工藝———內珩磨工藝推動了齒輪剃齒工藝的大量采用。由于CBN砂輪珩磨加工去除的金屬材料不多，珩磨齒輪的珩前誤差也不能很大，同時CBN砂輪的價格非常昂貴，如果熱處理造成的齒輪變形很大，為了便于切除材料，應在熱處理前用具有變形補償?shù)奶挲X工藝切除較多的余量，并有效減少熱處理變形，這將有助于熱處理后的珩磨加工。
    （5）對比實例
    同樣加工自動變速用的行星齒輪，采用磨削工藝可以在大約一分鐘內獲得5級（DIN標準）齒輪；而采用剃齒加工獲得同樣等級的齒輪所需加工時間比一般磨削的減少13～15s。此外，剃齒加工僅僅需要一臺機床，而磨削加工卻至少需要三臺機床，所以選擇磨削加工的成本也是剃齒加工的兩倍。
    鑒于上述情況，在選擇齒輪加工工藝之前，首先應估算所有費用和利潤。
    3 剃齒工藝的進步
    （1）剃齒刀的改進
    目前剃齒刀不像齒輪加工業(yè)使用的其它刀具那樣有很大的進展（比如滾刀首先通過引進TiN、TiAlN、TiCN涂層，并允許采用切削速度近200m/min的新型高速鋼材料，達到了很好的效果）。剃齒加工時，切除的材料不多，切削速度也不高，因此加工中刀具刃口的壓力不大。盡管如此，有關專家仍覺得有必要使剃齒刀刃口更加鋒利以便能降低損耗。剃齒刀的制造工藝沒有變化，涂層工藝對剃齒刀也沒有很大的作用（因為剃齒刀容屑槽的側表面熱處理后不再加工，表面較粗糙，TiN涂層難以貼附在該槽側面上），因此專家們把注意力轉到了改善剃齒槽的側面粗糙度上�，F(xiàn)在開發(fā)的數(shù)控梳槽機已使剃齒刀容屑槽側面的加工表面粗糙度有了很大改變。此外，日本已有研究人員在有關刀具材料熱處理后的液化氮深冷處理方面進行了試驗。通過這種方法使剃齒刀材料的特性予以改變，平均使用壽命延長，剃齒刀的性能也有所改善。
    另一方面值得強調的是現(xiàn)代數(shù)控剃齒刀磨床實現(xiàn)了靈活性、高精度及快速。這三個主要特點使采用剃齒工藝加工的齒輪精度得到了顯著的改進。這也是剃齒工藝沒有被磨削工藝代替的另一個原因。
    （2）剃齒機床及工藝的發(fā)展
    近50年來，剃齒機床不斷地發(fā)展，剃齒技術日益完善。最新的數(shù)控剃齒機床可以執(zhí)行各種各樣的剃齒加工程序（包括軸向剃齒、對角剃齒、切向剃齒和徑向剃齒等），而且在對同一齒輪的剃齒過程中，可以從一種剃齒方法轉到另一種剃齒方法。這些特殊的工藝過程都是在數(shù)控（NC）的直接監(jiān)督和控制下實現(xiàn)的。數(shù)控剃齒的好處在于在剃齒過程中可實現(xiàn)切削速度、徑向進給、行程等各種參數(shù)的控制，在剃齒過程中，進給量、切削速度和行程長度等參數(shù)都能進行改變，更便于我們選擇不同的加工條件。在具體的剃齒加工過程中，除了上述標準剃齒方法以外，也可以選擇“漸進對角剃齒（Progressive Diagonal Cycle）”、“不連續(xù)對角剃齒（Disjointed Diagonal Cycle）”、“混合剃齒（Mixed Cycle）”和“雙聯(lián)剃齒（Twin Linked Cycle）”等特定工藝。
    ①漸進對角剃齒
    對角剃齒時，在齒向上可能發(fā)生的鼓形由工作臺圍著中心的擺動來實現(xiàn)。這種動作是繞x軸線擺動而實現(xiàn)的，是在計算機控制下完成的。x、y、w三軸線的協(xié)同運動可造成鼓形或者在齒輪的雙側面形成錐角。如果鼓形相當大、擬切除的材料過量、要對齒輪進行多次擺動剃齒，可以設定x軸線的擺動次數(shù)以便兩端的材料漸進地切除。
    ②混合剃齒
    眾所周知，徑向剃齒比切向剃齒所用的時間短，但加工表面比較粗糙。解決辦法是通過徑向切削切除大量余量，然后進行軸向或對角剃齒實現(xiàn)精加工。采用這種混合剃齒方法，可實現(xiàn)縮短剃齒時間和獲得良好剃齒表面質量的統(tǒng)一。
    ③不連續(xù)對角剃齒循環(huán)、雙聯(lián)剃齒
    采用不連續(xù)對角剃齒循環(huán)和雙聯(lián)剃齒兩種特殊工藝可得到不同的齒向修正。例如：用不連續(xù)對角剃齒把加工程序分成三段，并根據(jù)每段的具體加工標準擬訂不同的鼓形和錐度要求。由此我們比較容易獲得特殊及不對稱凸形的齒向修正，從而能加工出與淬火后可能發(fā)生的變形相對應的反變形齒形，改變齒輪的嚙合狀況，降低齒輪嚙合的噪音。