大型齒圈銑削表面質量研究

李鵬程，許仁偉，黃群超，姜維杰，左敦穩(wěn)，盧文壯

(1.南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016)

(2.常州天山重工機械有限公司，江蘇常州 213125)

大型齒圈銑削表面質量研究

李鵬程1，許仁偉2，黃群超1，姜維杰2，左敦穩(wěn)1，盧文壯1

(1.南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016)

(2.常州天山重工機械有限公司，江蘇常州 213125)

為提高大型齒圈銑削加工的齒面質量，對盤形銑刀銑齒加工進行實驗研究。通過3因素3水平的正交試驗分析銑齒參數(shù)(銑削轉速、軸向進給速度、徑向切深)對銑削力矩的影響規(guī)律;并以齒面粗糙度、硬度及殘余應力為齒面質量指標，研究銑齒參數(shù)對各指標的影響規(guī)律。最終在選擇的銑齒參數(shù)范圍內，以齒面質量為指標，利用極差分析和方差分析確定了銑齒參數(shù)的最優(yōu)組合。

盤銑刀銑齒;銑齒參數(shù);銑削力矩;齒面質量

隨著近年來我國齒輪業(yè)的發(fā)展不斷加快，高速、重載、精密、高效、低噪聲、長壽命、低成本已成為齒輪制造技術研究的重要方向。目前，我國齒輪的生產水平同國際先進水平相比還有一定的差距，主要表現(xiàn)在齒輪的加工精度和齒面加工質量方面。齒輪的表面質量狀況與加工方法和工藝參數(shù)有密切的關系。盤形可轉位齒輪銑刀［1］加工是現(xiàn)在實際生產中一種常用的齒形加工方式，該加工方式常用于滾齒加工工藝前的粗開齒槽的加工。雖然盤銑刀銑齒加工效率不如滾齒加工高，但因其刀片可更換，其相對成本較低，所以該加工方式也常常用于代替滾齒加工。另外，國內內齒圈的齒形加工一般采用盤銑刀銑齒工藝加工。

用盤銑刀進行齒形加工后因齒面質量往往達不到要求，從而需要進行磨齒加工，其加工成本比較高。因此對盤銑刀銑齒工藝進行研究以提高其加工齒面質量相對于企業(yè)而言具有一定的指導意義。就目前而言，國內進行盤銑刀銑齒加工表面質量方面的研究非常少。本文依據(jù)表面完整性特征評價體系［2］選擇齒面粗糙度、加工硬化和表面殘余應力為試驗指標，進行盤銑刀銑齒的正交試驗研究和切削轉矩的分析，以期為優(yōu)化盤銑刀銑齒銑削參數(shù)及進行表面完整性控制研究提供相關的試驗數(shù)據(jù)。

1 盤形銑刀銑齒試驗

1.1 試件材料

研究采用的齒圈試件材料為34CrNiMo6合金高強鋼，試件經(jīng)過調質處理，硬度達到320HB，齒圈模數(shù)m=14，齒數(shù)z=109，變位系數(shù)x=0，壓力角α=20°，齒頂高系數(shù)=1，頂隙系數(shù)c*=0．25。

1.2 試驗刀具

試驗采用Sandvik公司的可轉位硬質合金刀片，頂刃刀片可轉位4次，側刃刀片可轉位8次，刀片硬度70HRC。采用與該刀片相適應的刀盤，規(guī)格為φ 400×80。

1.3 試驗系統(tǒng)

本試驗采用德國Gleason－PFAUTER 4m高速滾齒機進行試件的銑削加工，該機床屬于高功率、高精度、高回轉高剛度、動態(tài)性能好的大型精密數(shù)控機床。它能承受盤銑刀銑削各種工件時產生的大切削力。試件由專用胎具固定在旋轉工作臺上，可轉位盤銑刀代替滾刀安裝在刀架上，銑削在有32#切削液的條件下進行，試驗室溫為25°。整個試驗系統(tǒng)如圖1所示。

1.4 試驗方法與檢測

盤銑刀銑齒加工對表面完整性的影響涉及機床性能、裝夾系統(tǒng)的強度、工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性、材料的性能以及狀態(tài)、加工參數(shù)的選取、冷卻方式等多種因素，是一個非常復雜的非線性過程。本試驗主要研究銑齒加工參數(shù)對銑削力矩和表面質量的影響，因而采用正交試驗設計方案［3］，該方法能夠以較少的試驗次數(shù)獲取目標信息。確定試驗因素為:盤銑刀銑削轉速(r/min)、軸向進給速度(mm/min)、徑向切深(mm)。切削用量的選擇范圍參考該機床實際加工生產所采用的切削用量。本試驗選擇L9(34)正交試驗方案。具體試驗因子水平和正交試驗方案見表1、表2。

圖1 銑齒試驗系統(tǒng)

表1 銑齒參數(shù)的因子水平表

表2 正交試驗方案(L9(34))

a．切削力矩測量。直接對盤銑刀銑齒的銑削力進行在線測量比較困難，而機床采用的 SIMUMERIK 840D數(shù)控系統(tǒng)自帶電流顯示功能，可以讀出機床主軸銑削時的實時電流百分比。根據(jù)異步電機轉矩 T 與電流 I的公式 T=KTφIcosψ［4］，可知T與I在試驗參數(shù)范圍內近似正比，由于本試驗對機床主軸變頻器輸出的電流強度變化情況進行研究，從而能夠間接地反映主軸銑削力矩的變化情況。

b．表面質量的測量。齒面粗糙度的測量采用德國馬爾M1便攜式粗糙度儀，齒面硬度的測量采用TH140里氏硬度計。測量粗糙度和硬度時均在左齒面和右齒面均勻取6個樣，再取平均值。齒面殘余應力的測量采用愛斯特公司的X－350A型X射線應力測定儀，測量時采用固定側傾法進行測試。

2 試驗結果及分析

經(jīng)過正交試驗的試件如圖2所示。正交試驗的結果見表3，其顯示了主軸電流強度百分比、齒面粗糙度、硬度以及殘余應力的測試數(shù)據(jù)。通過對表3中測試結果和銑齒參數(shù)的極差分析，能夠得到銑齒參數(shù)對切削力矩T、齒面粗糙度Ra、表面顯微硬度H和表面殘余應力σ的影響規(guī)律。

圖2 銑齒正交試驗試樣

表3 正交試驗測量結果

2.1 主軸電流的試驗分析

通過試驗觀察得出銑齒力矩變化規(guī)律。在進行銑齒試驗時，每組試驗中盤銑刀銑齒在開始切入工件時主軸電機電流強度先是波動式的增加，然后隨著盤銑刀進入穩(wěn)定切削階段其電流強度穩(wěn)定在某一值基本不變，最后銑刀快切出工件時電流波動式降低。試驗中記錄每組實驗進入穩(wěn)定銑削狀態(tài)時的電流百分比。

對銑齒力矩正交試驗結果進行極差分析(表4)。從表中可以看出，對盤銑刀銑齒銑削力矩影響顯著程度的因素由大到小依次為銑削徑向切深ap、軸向進給速度f、銑削速度n。

表4 銑齒力矩極差分析

直觀分析銑削參數(shù)對銑削力矩的影響，如圖3所示。從圖中可以看出，當轉速從80r/min增加到90r/min時，銑削力矩隨之變大，而當轉速進一步增大到100r/min時銑削力矩又呈下降趨勢。開始銑削力矩的增大變化是由于銑削過程中積削瘤的影響所導致的。之后銑削力矩又有所降低的原因則是隨著銑削速度進一步增大，摩擦系數(shù)減小，剪切角增大，導致變形系數(shù)減小，使得銑削力矩減小。另一方面，銑削轉速n增大，切削溫度也增高，使被加工金屬的強度和硬度降低，也會導致銑削力矩的降低［5］。從圖3可以看出，銑削力矩隨著切削深度ap和軸向進給速度f的增大均呈現(xiàn)增大的變化趨勢。

圖3 力矩T與各因素的關系

2.2 銑齒表面質量分析

直觀分析銑齒參數(shù)與齒面質量關系，如圖4中(a)、(b)、(c)所示。為了驗證不同因素對指標的影響顯著程度，對正交試驗結果進行方差分析。通過F檢驗得出，銑削轉速n對表面粗糙度Ra的影響最為顯著，軸向進給速度f的影響次之，而徑向切深ap對Ra影響則是不顯著的;銑削速度n、軸向進給速度f、徑向切深ap對齒面顯微硬度H的影響均不顯著;軸向進給速度f對齒面殘余應力σ的影響最為顯著，銑削速度n的影響次之，而徑向切深ap對齒面殘余應力σ的影響不顯著。

圖4 銑齒參數(shù)與齒面質量關系

通過極差分析和方差分析可以確定銑齒參數(shù)的最優(yōu)組合，主軸轉速n對齒面粗糙度Ra影響最大，可選擇主軸轉速n為100r/min保證粗糙度要求;軸向進給速度f對齒面殘余應力σ影響最大，可選擇軸向進給速度f為200mm/min，保證相對較小的殘余拉應力;而徑向切深ap對齒面粗糙度Ra、顯微硬度H和殘余應力σ的影響均不顯著，可選擇徑向切深ap為25mm保證加工效率。因此得到銑齒參數(shù)的最優(yōu)組合:主軸轉速n為100r/min，軸向進給速度f為200mm/min，徑向切深ap為25mm。

結合圖4，對齒面質量指標的分析如下:

a．銑齒參數(shù)對表面粗糙度的影響。在試驗選擇的參數(shù)范圍內，齒面粗糙度值Ra隨著銑削轉速n的提高而變小，隨著軸向進給速度f的提高而變大，而隨著徑向切深ap的增加則略微變大。盤銑刀銑齒的過程中伴隨著積削瘤和鱗刺的產生，銑削速度的提高可以使積削瘤和鱗刺變少甚至消失，并可減小工件的塑性變形，因而可以減小表面粗糙度。軸向進給速度的提高增加了銑齒表面的殘留面積，而且增加了積削瘤和鱗刺的高度，故使得表面粗糙度增大。而徑向切深的增加導致了銑削力矩的增加，從而使得銑齒加工過程中切削振動有所增強，因而使齒面粗糙度略微增加［6］。

b．銑齒參數(shù)對表面硬度的影響，在試驗選擇的參數(shù)范圍內，齒面硬度H隨著銑削轉速n、軸向進給f、徑向切深ap的變化并未有明顯的變化。正交試驗齒面硬度值對比材料的初始硬度320HB還是有所增加的，說明銑齒過程中發(fā)生了加工硬化。理論上加工硬化先是隨著銑削速度的增加而減小，到較高銑削速度后，又隨著切削速度的增加而增加，而進給量的增加應使得加工硬化有所增加。本試驗中受限與正交試驗參數(shù)范圍選擇的限制，雖然發(fā)生了一定的加工硬化，但并未呈現(xiàn)明顯的變化規(guī)律。

c．銑齒參數(shù)對表面殘余應力的影響，從正交試驗的結果(表3)可看出，9組經(jīng)過銑齒加工后的齒面均產生了很大的殘余拉應力［7］，在試驗選擇的參數(shù)范圍內，齒面殘余拉應力σ隨著銑削轉速n的增加而略有增加，隨著軸向進給速度f的增加明顯增加，而隨著徑向切深ap的增加變化則很小。加工后齒面產生殘余拉應力是因為銑齒過程中熱塑性變形產生的殘余拉應力效果大于擠光效應產生的殘余壓應力。銑削速度增加時，銑削溫度隨之增加，因此熱應力引起的殘余拉應力起主導作用，表面殘余拉應力隨之增加。進給量增加時，銑削力及塑性變形區(qū)域隨之增大，并且熱應力引起的殘余拉應力占優(yōu)勢，表面殘余拉應力增加。

3 結論

通過對盤銑刀銑齒正交試驗的研究可以得出以下結論:

a．通過盤銑刀銑齒正交試驗，得到了銑齒參數(shù)與銑削力矩之間的變化關系及銑齒參數(shù)對銑削力矩影響的顯著程度，對制定合理的切削用量有非常重要的參考意義。

b．通過對銑齒正交試驗進行極差分析和方差分析，得到了齒面質量各指標與銑齒參數(shù)之間的關系及影響顯著程度，為銑齒加工過程中齒面質量的提高提供了理論基礎。

c．在銑齒實驗中選擇的參數(shù)范圍內，以齒面質量為優(yōu)化目標，優(yōu)選出了最佳的銑齒參數(shù)組合:n=100r/min，f=200mm/min，ap=25mm。在實際生產中，可以參照上述結論，并結合加工的實際條件選擇銑齒參數(shù)。

［1］ 陳小杰.高效盤形可轉位齒輪銑刀的特點及應用［J］.制造技術與機床，2008(7):159－160.

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［3］ 劉振學，黃仁和，田愛民.實驗設計與數(shù)據(jù)處理［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2005.

［4］ 高鐘毓.機電控制工程［M］.北京:清華大學出版社，2011.

［5］ 陳日曜.金屬切削原理［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2009.

［6］ Choudhury I A，EI－ baradia M A.Surface roughness prediction in turning of high－strength steel by factorial design of experiment［J］.Journal of Material Processing Technology，1997，67(3):55－61.

［7］ 陳杰，田光學，遲永剛，等.W－Fe－Ni合金車削殘余應力正交試驗研究［J］.機械設計與制造，2006(9):20－22.

Research on the Surface Quality of Large Gear Milling

LI Pengcheng1，XU Renwei2，HUANG Qunchao1，JIANG Weijie2，ZUO Dunwen1，LU Wenzhuang1
(1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Jiangsu Nanjing，210016，China)
(2.Changzhou Tianshan Heavy Machinery Co.，Ltd.，Jiangsu Changzhou，213125，China)

It applies the orthogonal experiment method to investigate milling gear with disc cutter，and studies the effect of milling parameters on milling torque.Based on the range analysis and variance analysis，it presents the effect of milling parameters on the tooth surface quality.It designs a three－factor and three－level experiment with tooth surface roughness，hardness and residual stress as indicators.The experiment provides the effect of milling parameters to indicators，and obtains the optimized milling parameters.

Disc Cutter Milling;Milling Parameters;Milling Torque;Tooth Surface Quality

TH16;TG506

A

2095－509X(2013)12－0053－04

10.3969/j.issn.2095－509X.2013.12.013

2013－09－09

江蘇省科技支撐計劃資助項目(SBE201200706)

李鵬程(1987—)，男，江蘇東臺人，南京航空航天大學碩士研究生，主要研究領域為精密加工。