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精密蜗轮剃齿刀制造新工艺
欧阳志喜
宁波双林汽车部件股份
摘 要：本文介绍一个采取电火花成型加工蜗轮剃齿刀容屑槽新工艺，为在机械行业中推广采取剃齿工艺加工蜗轮发明了条件。
关键词：蜗轮、剃齿刀、电火花、容屑槽
高精度蜗轮传统精加工工艺是剃齿滚切加工，精度为国家标准GB/T10089-88 5～6级精密分度蜗轮，其轮齿在用蜗轮滚切加工后，要求经过采取高精度剃齿刀对蜗轮进行精剃加工。
蜗轮剃齿刀形状和关键尺寸（如模数、头数、齿形角、螺旋升角、旋向、导程、分圆直径等）全部同原配对蜗杆一样，和蜗杆所不一样处仅在其螺纹表面上开出很多小容屑槽，以形成切削刃，图1所表示[1]。当它和蜗轮啮合时，因为啮合副齿面间很大滑移，这些小容屑槽形成一个个刀刃便从蜗轮齿面上剃下很薄一层层切屑。
用蜗轮剃齿刀作为精切蜗轮刀具关键优点是，剃齿刀齿形和蜗杆齿形一致性轻易确保。因为磨削剃齿刀牙形时，是和蜗杆在同一台蜗杆（或螺纹）磨床上，在机床（和砂轮）同一次调整（和修整）情况下磨出。所以用此剃齿刀剃出蜗轮和蜗杆配合时，接触精度很高，接触面在齿长和齿高方向全部轻易达成85%以上。而用蜗轮滚刀则没有这么好条件，尽管在设计和制造滚刀时，全部努力争取使其切削刃在基础蜗杆螺旋面上，也就是努力争取使滚刀齿形和蜗杆齿形一致，但滚刀齿面是由铲齿形成，而不像剃齿刀那样是和蜗杆一起磨出来，故难以作到像剃齿刀那样愈加符合蜗杆齿形要求。
但以上所述做法，在组织生产中也是极难作到。因为这类蜗轮剃齿刀两侧螺纹面上开有很多小容屑槽，需要采取一个专用插槽机床将刀坯上容屑槽插削加工成型。所以，在中国只有少数几家刃具厂才能制造出这种精密蜗轮剃齿刀；所以蜗轮剃齿刀价格十分昂贵。另外，蜗轮配对蜗杆是由齿轮生产厂家自行组织加工，根本不可能实现蜗轮剃齿刀和蜗杆牙形在同一台磨床上，同一次调整条件下进行磨削加工。这种外协生产蜗轮剃齿刀牙形，和生产厂家加工蜗杆牙形是不可能作到完全一致。因为剃齿刀制造工艺复杂、价格昂贵、蜗轮铲磨剃削质量等极难达成预期效果，使得这种剃齿工艺无法取得广泛采取。
假如生产厂家能找到一个采取通用加工工艺来完成剃齿刀容屑槽加工，实现自行制造高精度剃齿刀，则就可能为这种蜗轮精密剃齿工艺实施大开其方便之门。参考文件[2]介绍了重庆前卫仪表厂利用自行研制晶体管铲磨机，采取“全电火花”工艺铲磨加工A级JB2497-78全切式整体硬质合金渐开线滚刀。这种滚刀对于塑料齿轮专业厂所需加工齿轮电极用滚刀制造提供了极大方便。

图1 精密蜗轮剃齿刀
本文将介绍宁波双林汽车部件股份传动厂于自主科技创新，采取EDM电火花工艺完成剃齿刀容屑槽成型加工，并取得了完满成功，特将这一结果和齿轮界科技同行们共同分享。
一、蜗轮剃齿刀制造新工艺
EDM电火花机和线切割机已经成为现代模业最关键加工手段，这类电加工机床已经遍布到中国机械制造业中大小生产厂家。怎样利用这类电加工机床实施剃齿刀容屑槽成型加工，现简述以下：
(1) 蜗轮剃齿刀采取W6Mo5Cr4V2煅打坯料，除剃齿刀容屑槽外，其它加工工序均和原一般剃齿刀相同。但要求剃齿刀基础蜗杆螺纹牙形，按剃齿刀设计要求和蜗杆同批、同机台一次磨削加工完成；
(2) 依据图1所表示蜗轮剃齿刀小容屑槽几何形状和尺寸要求，设计电火花成型加工用紫铜齿条电极。图2所表示电极，是采取一般线切割机成型切割加工完成；
(3) 在一般国产EDM电火花机上，采取一般分度头夹持剃齿刀芯杆，校正电极和剃齿刀相对位置。为了提升加工效率和降低容屑槽表面粗糙度，可实施粗-中-精电规准和水平摇动电加工。每加工完成一排容屑槽后，每加工完一排容屑槽后，可经过分度头分齿；
(4) 由钳工采取夹持金刚石指形砂轮电动磨头，按剃齿刀容屑槽形状几何和尺寸要求开出后隙面。假如蜗轮剃齿刀模数较小，可采取金刚石锉刀进行手工修锉成型刀刃后隙面。也能够设计一个专用齿条电极，采取电火花成型工艺来完成剃齿刀后隙面加工。

图2 电火花成型加工蜗轮剃齿刀容屑槽用电极
二、蜗轮剃齿刀设计关键点
(1) 蜗轮剃齿刀外径
蜗轮剃齿刀外径应大于蜗杆，方便能切出蜗轮全部有效工作齿廓；但应小于蜗轮滚刀外径，以避免剃齿刀顶刃参与切削，值可用下式计算：

式中 ——蜗杆外径
(2) 剃齿刀分度圆齿厚
剃齿刀分度圆齿厚按下式计算

式中 ——蜗轮齿厚下偏差
Δ——剃齿刀用钝后重磨量
当对蜗轮副啮合侧隙要求严格时，也可取蜗杆齿厚为剃齿刀实际齿厚减去要求侧隙，以确保蜗轮副在最好状态下工作。
(3) 剃齿刀刀刃刃带宽度
依据参考文件[2]介绍：要求在齿全高上要求保持基础一致，在加工锡青铜蜗轮时可取为，加工球墨铸铁蜗轮时可取为。刃带表面粗糙度取，剃齿刀刃带宽度及其表面粗糙度对加工蜗轮齿面粗糙度有很大影响，不可忽略。
三、蜗轮剃削加工
(1) 采取滚齿机剃齿加工蜗轮
在滚齿机上采取剃齿刀滚切蜗轮时，需尤其细心。滚齿机床分度蜗杆和滚刀主轴轴向窜动全部应严格控制，剃齿刀轴台径向跳动应校正在以内。蜗轮精滚刀和剃齿刀全部应有专用刀杆，当剃齿刀内孔和两端面精磨好后，装配在专用刀杆上，然后再进行刀具轴台、外圆和齿形精磨加工。精磨以后，和未来剃齿刀刀刃用钝重磨时，全部不再卸下刀杆，这就完全消除了刀具安装误差。
(2) 采取车床或卧铣剃削加工蜗轮
很多非齿轮专业厂家，在单件和小批量制造精密蜗轮时多采取加工时可采取车床或卧铣剃削加工蜗轮。这种自由剃齿加工法，即不由机床传动链传动，而是经过剃齿刀带动工件转同时进行剃削。这么，机床传动链周期误差不会反应到工件上。用自由剃削法加工蜗轮时，剃前蜗轮精度必需严格控制才能得到良好剃齿效果。经自由剃削加工蜗轮，其相邻周节误差也可控制在以内。图3所表示采取EDM成型加工剃齿刀，适应于在车床按自由剃削法加工蜗轮。
(3) 蜗轮剃削加工切削用量
在滚齿机上剃齿时，剃削余量可依据蜗轮模数大小，滚齿加工质量确定。对于小模数蜗轮为，可采取径向走刀切削，走刀量为工件每转进刀。由此看出，剃齿刀只是在蜗轮齿面上刮下去很薄一层金属。但在车床或卧铣剃削加工模数较大蜗轮时，剃削余量可取为左右。

图3 采取EDM成型加工蜗轮剃齿刀照片
(4) 采取单头剃齿刀剃削加工多头蜗轮
加工多头蜗轮时，为使剃齿刀制造简单，也能够做成单头剃齿刀，其螺旋角等于多头蜗杆螺旋角，也就是说原来应做成多头剃齿刀，现在只做其中一个头。当蜗轮齿数和蜗杆头数有公因数时需分度加工。用单头剃齿刀加工多头蜗轮时，蜗轮齿距精度将稍受影响。
不管采取以上那一个方法剃削加工蜗轮，全部要求剃齿刀轴线正确调整到在被剃削加工蜗轮中心平面上。
四、小 结
某滚丝机锡青铜大蜗轮（），因为配对蜗杆牙面局部脱落将蜗轮齿面严重损伤，采取新工艺制造剃齿刀在车床上进行剃削修复加工实况见图4照片。剃齿刀顶装在车床上，由机床主轴带动低速传动。大蜗轮连同原机床两单列圆锥滚子轴承一道安装在车床刀架上专配心轴上，由剃齿刀进行自由式剃削加工。剃削加工一个蜗轮需一刻钟，蜗轮被损伤齿面被剃削完好，表面粗糙度很小。

图4 在车床上剃削加工蜗轮实况照

参考文件
1， 袁哲俊、刘华明、唐宣胜.齿轮刀具设计.北京新时代出版社，1983.
2， 欧阳志喜.整体硬质合金仪表齿轮滚刀及铣刀设计和制造.北京国防工业出版社，1994.