齿轮加工技术探讨

    可转位硬质合金刀片（ICI）刀具在齿轮制造过程中起着关键的作用。硬质合金刀片刀具具有切削速度快、加工周期短、增强型涂层、采用定制配置、规格和加工能力多样化的特点，被广泛用于精加工和预磨削应用场合，所有这些技术将在9月10～15 日芝加哥第29届IMTS展会上展出。

    在IMTS展会上，刀具制造商们将对齿轮技术发展进行深层次的探讨，来自英格索尔、格里森、山特维克可乐满、山高刀具和Banyan全球科技的与会代表将畅谈可转位硬质合金刀片的未来。

    拓展经营业务

    在销售模数5－25的常规系列可转位刀具的同时，很多刀具制造商正在向更大和更小规格的刀具业务进行拓展。当今制造业必须增加刀具生产系列，在某种程度上来说，是由变化多端的市场细分引起的，如能源、采矿和重工业领域总是不断地发生着变化。为了向这些市场提供工具/工件夹持系统，制造厂已经意识到提高灵活性才是硬道理。

    “我们通常生产模数6以上的硬质合金刀片滚刀和铣齿机，”英格索尔公司负责齿轮加工的产品经理Frank Berardi说道。“根据齿轮和刀具的直径，我们可以制造更小的产品。在高端市场几乎没有任何限制，例如，我们已经生产出海上石油钻机用的模数达100的铣齿刀盘。”

    “山高公司能提供模数1－30的粗加工铣刀、模数6－24的精加工铣刀以及模数6－24的齿轮滚刀，”瑞典山高刀具公司输电部国际应用专家Alessandro Manta介绍说。

    “尽管我们并未设定任何极限，但是仍然受到硬质合金刀刀片和机床技术具体限制的约束。关于实际极限，我们可以制造模数1－50的刀具，”Banyan 全球科技公司主管销售的副总裁Darryl Witte说道。

    山特维克可乐满的齿轮切削刀具系列的品种比较齐全，涵盖的模数范围为4－40。山特维克可乐满的行业和应用专家Kenneth Accavallo说，“在该系列中，共有三大不同的类别， CoroMill 176全齿形滚刀的模数范围4－8；CoroMill 177滚刀的模数范围8－18；圆盘铣刀的模数范围8－40。”

    “如果模数不在5－25范围内，那么在可转位刀具的报价和设计时，需要大量的调查研究，”格里森高级项目经理Michael Tennutti补充说。

    小模数齿轮。英格索尔目前正在开发模数范围4－6的硬质合金刀片系列滚刀，计划将模数降3。Berardi 说：“这是一个很重要的细分市场，因为在这个规格范围内有大量的齿轮应用，由于齿廓小，需要采用坚固的设计，方便用户使用。我们最初的原型测试已经取得了好的成果，预期不久将有产品上市。”

    在可转位刀片工具系统局限于模数3左右的同时，英格索尔正在提供较小规格的其他解决方案。“我们已经有ChipSurfer铣刀生产线，铣刀配有可更换的硬质合金刀头，被磨削成了成品花键渐开线尺寸，”Berardi说，“我们在加工16/32 NDP及以下的小花键时已经非常成功了。”

    “山特维克可乐满正计划在明年推出模数3、模数9和模数10，”Accavallo 说道。“整个产品系列将涵盖模数3－10。另外，通过Invo Milling方法的创新，采用五轴机床和标准刀具生产齿轮，将能提供更加齐全的产品系列。采用小的可转位工具系统，确实难以加工模数小于2.5或径节约为10的齿轮。山特维克可乐满正在研发能够铣出较小花键和齿条的产品，但是目前的滚刀产品还有所限制。”

    Banyan公司一直在进行小齿距切削的研究。“我们已经有铣单齿和多齿花键的成熟解决方案，并且正在开发一种密齿可转位滚铣的革命性方法，”Witte 说。“迄今，我们只有铣花键的刀具，没有滚铣可转位花键的滚刀。在今后几年里，几乎每家刀具提供商都会推出一些模数1以下的齿轮解决方案。重点讨论公差和精度问题，因为更精细的齿轮公差范围更小，并且可转位刀具同样有重复性和极小公差极限问题，与齿形无关。”

    格里森公司没有过多的较小模数系列的开发计划。“目前，用于较小模数的刀片尺寸范围受刀片规格、锁紧及定位刀片孔等因素限制。很多开发计划都由可转位刀具开发转向整体刀具方案，”格里森的Tennutti 说道。“目前，市场上有小尺寸的刀具出售，这些刀具能将硬质合金刀片旋入刀体接杆内，用于螺纹铣削和加工渐开线花键。”

    “小于6的模数通常需要高质量的直接表面处理，使用可转位刀具很难达到要求，”山高的Manta 说道，“我们将始终面对质量问题，但是，要想比整体刀具做得更好，并且由于小尺寸刀具的性价比问题，确实并非易事。”

    大模数齿轮。“大齿轮始终是我们开发可转位齿轮工具生产线的重中之重，”Berardi说。 由于大齿轮刀具更适合可转位工具系统的应用，对于大齿轮来说，整体硬质合金通常成本过高，因此如果可行往往选择可转位硬质合金。大齿轮用可转位硬质合金代替高速钢（HSS）可以大大提高生产效率。

    Berardi介绍说：“在一次案例研究中，带181个齿、模数为20的超大直径齿轮，客户用高速钢滚刀通过两次走刀完成齿轮加工，加工时间70个小时。使用英格索尔可转位硬质合金刀片精加工滚刀仅花了6个小时就完成了两次走刀的精加工工序，节约了64个小时，简直是不可思议，并且AGMA 10的质量与高速钢一样或者更优。”英格索尔一直关注采矿、重工、造船、铁路和油气行业的急剧增长。“我们具有为风电行业提供刀具的悠久历史，虽然近几年增长放缓，但这仍是一个重要的客户领域。”Berardi补充说。

    “国家和地方施行的减免生产税计划推动了风能市场内外增长模式。采矿业、农业和其他能源业在我们的业务增长过程中起了很重要的作用，这些行业仍是我们今明两年的重点。”Banyan公司的Witte补充说。nextpage

    涂层和材料技术

    除不断开发新刀具型号外，切削刀具技术还在新涂层和材料领域取得了进步。“山特维克正在为齿轮铣削不断开发优化的材质。我们的目标就是找到可运用更高切削速度和较长刀具寿命的基体和涂层，从而最终帮助用户降低制造成本。”Accavallo说。

    格里森公司的Tennutti 同意这种说法，他指出：“这些刀片使用了涂层后，每次转位都可生产出更多的产品。这些涂层在以较高速度运行时能耐受高温，刀片的使用寿命也越长。目前，正在使用更先进的涂层，即AlCroNite涂层。未来涂层的发展必将不断增强刀片的性能。”

    “对于山高刀具公司而言，涂层是主要的投资之一，Duratomic涂层是我们最具有成就感的产品之一。 Duratomic涂层已经改变了市场的格局，开发这种产品具有深远的意义。”Manta补充说。

    “涂层技术在不断地进步，看来在几十年内不会停滞不前。最令人关注的技术是通过采用新的PVD技术改善涂层的粘结性。”Witte说。

    英格索尔的Berardi 介绍说：“由于我们正在采用的涂层具有经PVD（物理气相沉积）处理的氧化保护层，其耐磨损性、耐热性和耐化学腐蚀性与通过高温CVD（化学气相沉积）处理的涂层相似，在使用低温PVD处理后，使刀片的韧性更高、耐磨性更好。另外，涂层前后的表面处理明显改善了刀具的性能。不管是改善涂层的粘结性、减少裂源位置、降低摩擦力，还是使工件的表面更光滑，不同的表面处理的方式都为提高生产效率贡献颇多。”

    订制刀片

    虽然标准的切削刀具已经能够生产出符合要求的产品，但是很多公司仍在不断创新订制工具系统解决方案。英格索尔的Berardi 说：“订制刀片已经成为英格索尔的一大亮点，通过我们悠久的发展历史，已经积累了很多创新的刀片设计，包括用于切向安装的刀片，使可转位硬质合金刀片的齿轮工具系统成为首选可能。我们将一如既往地将重点放在槽形开发上，如同我们注重材质开发一样。我们认为它们在关乎刀片的性能、与零件质量和刀具寿命相关的整个刀具方面都同等重要。”

    Tennutti说：“刀片的轮廓可做成在现有整体滚刀或铣削中心上使用的任何形状。使用这些刀片能够加工出带齿底沉割的齿廓、全齿顶圆角、半修顶或曲线形轮廓等。很明显，与目前高速钢切削刀具相比，没有任何限制。因此，使用硬质合金刀片的最大好处是能够运用更高的切削速度，从而大大减少切削循环时间。”

    山特维克可乐满的Accavallo介绍说：“采用现代的刀片制造技术和刀具制造工艺，完全能够制造和测量具有小公差的齿轮工具。这样，在保持齿轮质量的同时，还可以运用更高的切削速度和进给率。较小的公差可以允许更少的磨削余量，从而提高了生产效率，同时降低了整体生产成本。”

    Banyan公司的Witte说：“在工艺改善的计算中，订制机床和工具系统永远占主导因素，在制造业的平衡处于不断变化时，很多工具制造商正加紧进入稳定的齿轮市场，其中有几家经过专门挑选的具有齿轮背景的厂家，他们掌握齿轮轮齿的专门技术，以便设计出最佳的齿轮加工解决方案。这些解决方案主要围绕着订制零件，有些客户十年前就开始使用订制解决方案，有些客户正在使用较新的方法和经过改进的解决方案，目的都是想借此降低成本、提高效率和加工精度。”

    方兴未艾的新技术

    在IMTS展会上，很可能会展出未来可转位硬质合金刀具的一些亮点。工具系统、工件夹持系统将再次亮相芝加哥展会成为主打产品，并且所有的参展方都计划展出其最新的产品和设备。

    “未来可转位刀具的趋势可能会从使用单一型式的可转位刀片向多种型式的刀片发展。这些刀片可有多种刀片型式，并且具有转位的功能，在进行较小模数齿条类铣削和使用较小齿距模数滚刀时占有优势。”格里森公司的Tennutti 说。

    “由于大多数情况是滚铣多齿大模数齿轮，所以多头螺纹滚刀很占优势。目前多头螺纹可转位滚刀在该行业占有一席之地，我们将在IMTS上展出双头滚刀供大家点评。”他补充说。

    山特维克可乐满 Accavallo介绍说，“Invo Millling和uP-Gear技术将齿轮生产提升到一个全新的水平。凭借uP-Gear技术，机床成本已不再高于传统五轴机床的成本，且刀具成本也比使用专用弧齿锥齿轮加工刀具低。最重要的是，与立铣刀铣削工艺相比，极大地缩短了加工时间。同样，使用标准或类标准工具系统情况下，Invo Milling技术在确保高生产效率和低成本的同时实现了很高的加工灵活性。这些方法可替代现有的解决方案，最令人关注的是，这将对今后的可转位切削刀具产生深远的影响。”

    Accavallo 补充说道：“在IMTS展会上，我们将展出一款新产品——CoroMill 172，可在多任务机床、
加工中心和车削中心上加工齿轮和花键。在山特维克可乐满的“Smart Hub”睿智一角，可以看到滚铣机床的整个产品生产线，例如滚刀、粗加工圆盘铣刀、半精加工圆盘铣刀和精加工圆盘铣刀。”

    Witte说：“我们正在开发可转位滚刀生产线。计划在IMTS上发布前期方案，Banyan公司的可转位滚刀与众不同，并且由生产齿轮应用的齿轮工程师开发。我们也看到了成组刀具（双联刀具和三联刀具）的巨大推动作用，并将展出用于中等齿距零件的最新技术。”

    “我们将展出滚刀、铣齿机和成型机的扩展产品系列，并且还会推出一些令人惊喜的新产品和解决方案。”英格索尔的Berardi 说。

    Manta表示，山高刀具公司也要在IMTS展会上展出首个双头滚刀。IMTS展会还将给参展公司提供一次重点介绍其新的以及成熟的切削刀具解决方案的机会。“可转位硬质合金解决方案继续在该市场占据一席之地。今后，我们将针对高度专业化的切削刀具行业努力开发更多产品，帮助我们的客户提高竞争实力。”