剃齿加工中凹问题及解决办法

前言

随着科学技术的不断进步，高精度齿轮市场需求量越来越大。剃齿加工是美国耐森纳尔波洛奇公司在1926年率先发展起来，五十年代后期开始逐渐推广到各个部门，在目前全球的齿轮生产中，是最主要的齿轮精加工手段。由于当代工业的发展对齿轮噪音提出了严格的要求，大量生产的齿轮也要进一步提高精度。剃齿可作为齿形加工的最后工序能修正齿圈径向跳动误差、齿距误差、齿形误差和齿向误差等，故经过剃齿齿轮的工作平稳性精度和接触精度会有较大提高，同时可获得较精细表面。据报道，美国高速传动齿轮有90%经剃齿加工。通过剃齿，一般可提高齿轮精度1-3级，因此对剃齿寄予了很大厚望。

一、剃齿加工原理及方式

1、剃齿加工原理

剃齿刀是经过淬火磨削的齿轮形刀具，沿齿高方向有锯齿刀槽。剃齿加工就是利用剃齿刀与齿轮工件的啮合传动，从齿轮工件的齿面切削去微小的加工余量，进行剃削。齿轮工件与剃齿刀啮合旋转时，齿轮轴与刀具轴并不平行，而是互相交错；齿轮工件和剃齿刀之间只有齿面啮合，两者的轴之间没有机械的联系，互相之间自由旋转。这也是剃齿与其它齿轮精加工方法、切齿法的显著区别所在。

剃齿过程中，两轴互相交错地啮合着的齿轮和剃齿刀，由于一面在齿面上加压力而一面旋转，刀具和齿轮齿面在齿高方向和轴向产生相对滑移，刀具齿面上的很多齿刃槽的边缘就成了切削刃。剃齿刀的锯齿刀槽的顶部构成刀具齿面，用齿轮磨床进行齿形磨削，没有齿面后角，不像其它刀具（例如插齿刀）有齿面后角。因此，即使是用锯齿刃槽的刃背顶住齿轮工件的齿面，也不会过度切入，可以用0.02～0.05毫米的加工余量进行齿面精加工。剃齿刀齿侧面的切削刃槽通常是平行于刀具端面或垂直于刀具齿向，使两侧切削刃分别具有正、负前脚或零前角，剃齿刀切削工件时，它的齿侧面和工件的加工表面相切，所以剃齿时的后角等于0°，这将产生挤压现象，因此剃齿是一个在滑移运动中产生切削与挤压的加工过程。

2、剃齿加工方式

按剃削齿轮的移动方向或按啮合点移动方式可以将剃齿法分为几种，具有代表性的有轴向剃齿、切向剃齿、对角线剃齿及径向剃齿法。轴向剃齿是通过刀具或齿轮沿齿轮轴向移动来达到剃齿刀与齿轮啮合点的移动，可以遍及齿轮的齿宽；切向剃齿是刀具或齿轮垂直于齿轮轴移动，所能加工到的齿宽限于刀具的齿宽覆盖范围内，但移动量仅为普通剃齿的几分之一，所以加工时间显著缩短；对角线剃齿介于上述两者之间，刀具或齿轮在倾斜于轴的方向移动，剃削得齿宽可以宽于刀具的齿宽，刀具或齿轮的移动量介于两者之间；径向剃齿法在剃削过程中，剃齿刀与齿轮为线接触，因此具有效率高、刀具耐用度高、齿形精度高和加工表面粗糙度值低，有强制性的齿向修正能力，且特别适合于加工多联齿轮等优点。

另外，按切削所必需的压力加在齿轮工件和刀具齿面上的方式，剃齿法可以分为过盈啮合剃齿和制动剃齿两种。过盈啮合剃齿是：使刀具和齿轮无侧隙啮合，再通过缩短中心距对齿面加以必需的切削压力；制动剃齿是：制动被动的刀具或齿轮的轴，将必需的压力加于啮合齿面，这种加工方法通常用于只需加工一侧齿面或剃齿刀和齿轮以任意啮合角啮合的情况，通常用于大型齿轮的齿向误差矫正。

二、剃齿中凹问题及原因

剃齿时，剃齿刀与工件是一对无侧隙的螺旋齿轮啮合。盘形剃齿刀可以看成是一个圆柱齿轮，切削时经过加工的工件（剃前齿轮）装夹在心轴上，顶在机床工作台上的两顶尖之间，可以自由转动。在螺旋齿轮啮合中，两齿轮的齿面接触在理论上是点接触，随着齿轮旋转接触点倾斜于齿面移动，在齿高方向不断移动的同时，在齿宽方向也不断地移动。因此，在重合度大于1的情况下，两对齿轮同时啮合时，两个接触点在相邻两齿的齿高方向和齿宽方向都处于不同位置（这种现象是鼓形齿剃齿固有误差产生的唯一原因）。同时，在剃齿刀和齿轮工件啮合时，刀具的切削刃形成齿面锯齿刃槽，其边缘棱角咬入齿轮齿面，齿面接触并不是点接触，啮合实际状态已经发生变化。

剃齿时齿形接触点的位置数量变化规律

齿轮制造精度对噪声的影响主要有基节误差、齿形误差、齿圈跳动、接触精度和齿面粗糙度等五大因素构成。齿形误差与剃齿加工中产生的误差密不可分，而剃齿加工中的重要不容忽视的问题是齿形中凹。

1、中凹现象机理

剃齿刀和被剃齿轮的重叠系数一般不是整数,造成同时接触的齿面数是变化的。当齿面由偶数齿接触过渡到单齿接触时其两侧齿廓上接触点的数量也在变化（见上图）。当齿顶或齿根进入啮合时, 有两对齿同时接触。当齿的齿腹进入啮合时，只有一对齿接触。由于径向进刀的总压力大致一定，反映在单齿接触区中的每个接触点上的齿面压力显然要比两齿接触区所承受的压力大得多，根部处于双齿啮合区，金属的切除少。节圆附近处于单齿啮合区，金属的切除较大。这就造成了剃齿齿廓中凹现象的发生。

2、引起齿形中凹的原因

标准齿形剃刀剃齿后齿形中凹有多方面的因素,新剃刀剃齿齿形中凹大,经过多次重磨后的剃刀剃齿齿形中凹小,有时甚至不凹;被剃齿轮齿数越少,模数越大,齿形中凹越严重;剃齿刀与齿轮轴交角越大,剃后齿形曲线越差。滚齿齿形超差、滚齿径跳、超差、剃齿刀的有关设计参数的选取、剃齿刀与被剃齿轮的滑动比、剃齿切削要素的选取及剃齿时切削行程和光整行程次数的比等都对剃齿中凹有不同程度的影响。其中,滚齿齿形超差和剃齿刀变位系数即端面啮合角的选取是剃齿中凹的主要影响因素。除此之外，因预加工滚齿中凹引起的剃齿时剃齿刀切削刃受力不一致而导致剃齿刀磨损程度不同,也会使齿部中间部位多切去一些,从而产生不同程度的中凹。

中凹现象的存在意味着齿轮齿形不能加工成正确的渐开线，而且在剃齿中被动的齿轮或刀具旋转速度不稳定，意味着产生旋转波动从而形成噪音。从剃齿本身看，从其开始发展到至今，中凹现象一直是产生剃齿故障的原因。

三、解决中凹的方法

1、剃齿的修形

（1）齿形的修形

一对齿轮啮合时，从开始啮合到脱离啮合状态，载荷是变化的，特别是轮齿工作的中是1~2对轮齿交替工作，工作不平稳，因此有必要对轮齿进行齿形修形，通过对齿顶、齿根的修缘，使轮齿的啮合从修缘区平滑地过渡到理论的渐开线的齿形区，从而提高啮合质量。齿轮的修形可以是一对齿轮轮齿的齿顶、齿根修缘，也可以是单个齿轮轮齿的齿顶和齿根修缘。

（2）齿向修形

一对齿轮理想的齿向啮合长度在全长方向上接触，但实际的啮合齿向是难以实现的。为了实现齿宽方向基本均匀受载，提高齿轮承载能力，通常制成鼓形。

2、剃齿刀设计

啮合系数1.8～2的情况下剃齿加工比较容易; 啮合系数在1.3～1.8的剃齿刀则要根据啮合区的变化而进行修形;小于1.3时修形困难。因此在设计剃齿刀时应尽量使剃齿刀与被剃齿轮啮合系数在1.8～2之间。

3、剃齿刀的修形

剃刀修形就是有意识地将剃刀节圆部份修凹,以弥补因剃齿工艺带来的齿形中凹缺陷。可选取减小剃刀外圆磨量的方法或采用负变位剃齿刀的办法来减少工件的齿形中凹。剃齿刀按其结构可以分为一齿条形剃齿刀，用于加工圆柱形外齿轮；二是盘形剃齿刀，在生产中主要使用这种剃齿刀；三是蜗轮剃齿刀，用于蜗轮的精加工。目前使用最多的是外形像齿轮的盘形剃齿刀。

剃齿刀修形常用的方法有三种：

一是靠模板修形法，其基本原理是先检测出被剃后的齿轮齿形中凹曲线，按检测曲线设计制作修形模板，依照修形模板曲线将磨刀砂轮修形，然后用修形后的砂轮修磨剃齿刀。但是修形模板数据的确定目前还不能用理论分析和计算的方法来解决，都是采用试剃的方法，通过测量出齿轮的齿形偏差，再根据齿形偏差的形状和大小与制定的齿形修正曲线进行对照，经过多次反复修磨，最终才确定比较合适的剃齿刀的齿形修正曲线。

二是微机控制修形法。该法是在专用磨齿机上，采用专门的设计程序来控制修磨刀砂轮，达到修磨剃齿刀的目的。

三是随机修形法，它是利用反切削原理，将具有坚硬表面的修磨轮装在剃齿机工件的齿轮位置上取代工件齿轮进行剃削加工，由于修磨轮的硬度大于剃齿刀的硬度，所以中凹现象会反映在剃齿刀上，再用该剃齿刀去加工齿轮便会减小或消除中凹现象。目前已出现了齿轮式金刚石修整轮取代工序加工中的工件齿轮与剃齿刀啮合实现剃齿刀修形的方法。该工艺修形过程简单,不需将剃齿刀取下单独修形,修形时间短,操作容易。当基体轮的精度较高时,齿形精度经修形可达5级(GB10095 – 88)以上,修磨轮镀层用尽后,还可以重新镀覆金刚石并且可以对系统加工中的随机误差及时修正。

四、结束语

虽然目前剃齿加工取得了长足发展，剃齿加工生产效率也很高。目前从理论和优化计算上解决轮齿的修仍需不断的探索和实践。