原創(chuàng) woodykissme
高速干切滾齒在世界上出現(xiàn)已經(jīng)有很多年了，國(guó)內(nèi)應(yīng)用的卻不是特別普遍。最近整理了一下關(guān)于高速干切干切滾齒的相關(guān)內(nèi)容，做成一個(gè)學(xué)習(xí)筆記，記錄下來。有興趣的小伙伴可以花點(diǎn)時(shí)間瞅瞅。
干切滾齒的出現(xiàn)主要有幾方面的因素：
近年來，世界各地環(huán)境安全要求不斷提高，許多企業(yè)都在尋求獲得ISO14000認(rèn)證，以滿足國(guó)際環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。作為這項(xiàng)努力的一部分，工廠正在設(shè)計(jì)和實(shí)施無冷卻液的金屬切削方法，這不僅是為了改善工作環(huán)境，也是為了保護(hù)環(huán)境。然而，在車削和銑削應(yīng)用中，幾乎沒有完全不使用冷卻液的干式切削機(jī)床，盡管有些機(jī)床正在從濕式切削轉(zhuǎn)向 MQL（微量潤(rùn)滑）。其中，齒輪切削領(lǐng)域，尤其是滾齒領(lǐng)域正在向完整的干切削機(jī)床轉(zhuǎn)變。
濕切滾齒
在滾齒應(yīng)用中，過去提倡使用硬質(zhì)合金滾刀的干切削方法，但由于刀具崩刃問題尚未得到解決而沒有被廣泛接受。此后，由于表面處理技術(shù)的進(jìn)步，高速鋼涂層滾刀和干切滾齒機(jī)的出現(xiàn)，使得齒輪干式滾齒技術(shù)迅速發(fā)展。
干切削的優(yōu)點(diǎn)
事實(shí)上，冷卻液在工廠中會(huì)產(chǎn)生油污，并對(duì)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。干式切削不僅解決了此類環(huán)境問題，而且由于其運(yùn)行成本低，還可以有效提高切削效率并降低生命周期成本。
從環(huán)境角度來看，使用干式滾刀的好處促使類似三菱、格里森、利勃海爾等公司研究使用高速鋼滾刀進(jìn)行干式切削，這種滾刀比硬質(zhì)合金滾刀更穩(wěn)定。廠家測(cè)試以與高速鋼滾刀的普通濕式滾刀相同的速度開始增加。
結(jié)果令人驚訝，高速切削似乎是一種理想的切削方法，因?yàn)閷⑶邢魉俣忍岣叩狡胀ㄇ邢魉俣鹊膬杀?，零件上沒有出現(xiàn)異常磨損或溫升。但是，缺乏冷卻液也帶來了阻礙干切削實(shí)際應(yīng)用的重大問題。這些問題包括：飛屑和切屑產(chǎn)生的熱量，這促使機(jī)床廠家開發(fā)一種新型干式滾齒機(jī)。下面以三棱的高速滾為例，討論干切所需的機(jī)床功能和刀具要求。
機(jī)床主電機(jī)容量是一個(gè)重要問題。在濕式滾刀中，通常使用高速鋼滾刀以 80 至 160 m/min 的切削速度滾齒零件（滲碳鋼）。然而，干式滾齒的切削速度為 160 至 400 m/min，是濕式切削的 2 至 2 .5倍，甚至更高。由于切削功率與切削力和主軸轉(zhuǎn)速成正比，因此干切滾齒機(jī)需要的主電機(jī)容量是傳統(tǒng)濕式滾齒機(jī)的2至2.5倍以上。換句話說，將傳統(tǒng)滾齒機(jī)改造為干式滾齒機(jī)是可能的，但在許多情況下，由于切削條件受到主電機(jī)容量的限制。
再有，就是采取防止切屑飛散和積聚的措施。在濕式滾齒加工中，冷卻液用于清潔切削點(diǎn)，冷卻零件、刀具和夾具，并將切屑排出到機(jī)器外部。相比之下，在干滾加工中，這些功能由空氣和防護(hù)罩來執(zhí)行。
一種采用的策略采用全密封的切割區(qū)域。帶有動(dòng)能的切削切屑在切削區(qū)域中彈跳，并飛過小至幾毫米的間隙，從滾齒區(qū)域彈出并積聚在機(jī)器零件上。因此，為防止機(jī)器性能惡化和故障，切割區(qū)域必須完全密封。
在立柱側(cè)，由于滾刀頭架會(huì)進(jìn)行垂直和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因此采用雙蓋設(shè)計(jì)（一個(gè)安裝在滾刀鞍座上，另一個(gè)安裝在立柱上）來防止切屑飛出。此外，進(jìn)入機(jī)器的所有軟管均通過分隔切割區(qū)域內(nèi)部和外部的中繼模塊連接。當(dāng)然，放置在切割區(qū)域內(nèi)的電纜和軟管部分需要受到保護(hù)，免受高溫切割碎片的影響。
在尾架側(cè)，為了防止?jié)L齒時(shí)切屑飛出，將用于主軸旋轉(zhuǎn)的分隔罩的開口部用擋板密封。床身頂部覆蓋有低摩擦系數(shù)的陡坡不銹鋼蓋，可以將落下的切屑收集到安裝在床身底部的排屑器中，防止切屑飛出切削外，累積起來。
然后是刀頭蓋。不銹鋼刀頭蓋可防止飛屑堆積在刀頭上或進(jìn)入主電機(jī)或機(jī)器部件之間的間隙。
干式滾齒由于不具備冷卻液的沖洗能力，容易造成切屑粘附在切削刀具，從而導(dǎo)致齒輪齒面產(chǎn)生缺陷和切屑沉積。
機(jī)床廠家針對(duì)這些問題給出相應(yīng)的對(duì)策，多數(shù)采用扁平吹氣噴嘴產(chǎn)生氣流來去除廢切屑。防護(hù)罩安裝角度必須考慮切屑的反彈和傾斜的夾具表面，以防止切屑進(jìn)入切削區(qū)域。另外，利用吹氣清除積聚在零件頂部的切屑，并在滾刀外周附近安裝擋板，以防止飛出的切屑被捕獲并隨滾刀一起轉(zhuǎn)動(dòng)。
在干切削中，排屑措施至關(guān)重要，因?yàn)楦汕邢鳟a(chǎn)生的大部分熱量都轉(zhuǎn)移到了切削切屑上。此外，由于該過程不涉及冷卻劑，因此必須以其他方式控制機(jī)器產(chǎn)生的熱量。這些措施包括：
內(nèi)蓋：為了防止熱量傳遞到機(jī)身，通過一層空氣安裝低導(dǎo)熱系數(shù)的不銹鋼蓋進(jìn)行隔熱。
用于釋放切削熱的集塵器：為了防止切屑熱量通過對(duì)流傳遞到機(jī)身，機(jī)器使用集塵器來捕獲干式滾齒過程中產(chǎn)生的微小切屑，以提供氣流將切削熱帶出機(jī)器。
軟管和電纜的保護(hù)：液壓和其他連接采用鋼絲編織軟管，因?yàn)楦邷仫w屑可能導(dǎo)致漏油或漏氣。為了防止切屑造成斷線，接線電纜被耐熱塑料導(dǎo)管保護(hù)?？刂茩C(jī)身產(chǎn)生的熱量需要使用非接觸式油封。將產(chǎn)生大量熱量的主軸上使用的油封更換為非接觸式密封件，從而大大減少了產(chǎn)生的熱量。
軸承采用油霧潤(rùn)滑。高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，在軸承上涂抹大量潤(rùn)滑劑以散發(fā)熱量，也會(huì)因攪拌損失而產(chǎn)生一些熱量。然而，施加太少的潤(rùn)滑劑對(duì)于散熱來說是無效的。因此，我們采用油霧潤(rùn)滑方法，確保軸承產(chǎn)生的熱量最少。由于氣壓差的作用，這種方法還可以防止異物進(jìn)入密封件。
使用高速滾刀進(jìn)行干滾的特點(diǎn)
首先，干滾是如何實(shí)現(xiàn)的？使用傳統(tǒng)TiN涂層滾刀干式滾齒齒輪會(huì)出現(xiàn)異常磨損，但TiAIN涂層滾刀在同等情況下磨損量小得多。這是由于以下原因：
首先，使用了耐磨性優(yōu)異的涂膜。在干切削中，由于缺乏冷卻液，滾刀的刀齒暴露在極高的溫度下。高溫下涂膜成分的轉(zhuǎn)變。在TiN涂層中，涂膜的Ti成分被氧化并轉(zhuǎn)變成脆性的TiO2成分，從而無法保持其原有的耐磨特性。另一方面，在TiAlN膜的情況下，Al在距離表面約0.5μm的深度處被選擇性氧化，并且被產(chǎn)生一層剛性膜。有研究發(fā)現(xiàn)，由于該薄膜的作用，TiAIN涂層具有高耐磨特性。
其次，通過沉積滾刀切屑來產(chǎn)生保護(hù)膜。在濕式滾齒加工中，冷卻液中含有的極壓添加劑可防止?jié)L齒切屑沉積。然而，在干式滾齒加工中，滾齒切屑很容易沉積，以保護(hù)刀具表面，減少磨損量。圖7顯示了滾齒后切削刃的組成圖像。出現(xiàn)白色的部分是滾刀切屑 (Fe)，可以看到它沉積在滾刀的切削面上。
為了對(duì)不同類型的滾刀進(jìn)行比較，表 2顯示了各種滾齒方法中使用的滾刀。硬質(zhì)合金滾刀雖然可用于極高的速度滾齒，但由于韌性低，很容易崩刃。使用高速滾刀的干式切削可提供高生產(chǎn)率和刀具穩(wěn)定性，因此暫且是最有利的滾齒方法。
使用干滾刀的重要注意事項(xiàng)
正如前面所討論的，需要增加主電機(jī)容量。如果通過引入干切削將切削速度從100m/min提高到200m/min，則所需的切削功率將增加一倍，再加上增加的機(jī)器空載功率，因此必須增加主電機(jī)容量。
還可以采取措施盡量減少切屑粘連。一種方法是重新涂層，以減少刀具和工件之間的親和力，防止?jié)L齒切屑粘附到刀具的切削刃上。還應(yīng)結(jié)合適當(dāng)?shù)膰姎鈦砬宄掣皆谇邢魅猩系那行己拖邢鼽c(diǎn)處的飛屑。
熱量隨著循環(huán)時(shí)間越長(zhǎng)積累越高，工件中積聚的熱量就越多。換句話說，刀具與工件接觸的時(shí)間越長(zhǎng)，工件的溫度就越高。提高切削速度或進(jìn)給量可以降低工件溫度。因此，需要根據(jù)與工件精度、刀具壽命等的關(guān)系設(shè)定最佳滾齒切削參數(shù)。
最近的發(fā)展
高速鋼干式滾齒的最高速度過去為200m/min。然而，由于開發(fā)了具有比TiAlN更好的高溫抗氧化特性的新涂膜，其已提高至250m/min，在某些場(chǎng)合最大線速度甚至達(dá)到了450m/min。為在特定滾齒條件下（切削速度250m/min、軸向進(jìn)給）使用滾刀（3螺紋、14刃）滾削工件（m2.25、52T、23°LH、B35 mm）后切削刃的磨損情況2.4 毫米，無竄刀）。新型涂層滾刀的磨損是TiAIN滾刀的一半。
最后
在干式滾齒加工中，未來將追求更高的切削速度。對(duì)于切削工具來說，為了承受高溫滾齒，需要開發(fā)具有優(yōu)異耐熱性的基材和具有優(yōu)異抗氧化性的涂層材料。
盡管干式滾齒機(jī)的開發(fā)仍在繼續(xù)，但插齒機(jī)正在向干式切削方面穩(wěn)步取得進(jìn)展。此外，對(duì)僅由干式切削機(jī)組成的齒輪切削生產(chǎn)線的需求也很大，因此干式剃齒機(jī)的發(fā)展是值得期待的，雖然剃齒逐漸被磨齒替代。
