刀具輪廓對(duì)滾齒磨損特征的影響分析

王哲

（1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司，山西 太原 030006；2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006；3.煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006）

1 引言

現(xiàn)代高性能齒輪箱一般需要專門設(shè)計(jì)齒輪的幾何形狀，以滿足特殊工程機(jī)械應(yīng)用需求[1]。專門設(shè)計(jì)的齒輪，主要是為了提高齒根強(qiáng)度、降低嚙合噪音。通過(guò)改變壓力角或者增加齒輪輪廓來(lái)增強(qiáng)齒的強(qiáng)度，通過(guò)增加齒輪之間的接觸比降低齒輪的嚙合噪音。通常，增加齒高或齒輪的螺旋角可以實(shí)現(xiàn)更大的接觸比；改變嚙合角或調(diào)整齒輪輪廓幾何形狀來(lái)提高齒根強(qiáng)度；或者增加齒輪與齒輪之間的接觸面積和嚙合度來(lái)減小嚙合噪音[2，3]。

通常，滾齒工藝的設(shè)計(jì)符合齒輪的外形幾何要求（用于硬加工或直接應(yīng)用），并優(yōu)化制造成本[4-6]。為了獲得量身定制的齒輪，需要定制標(biāo)準(zhǔn)化的刀具輪廓，這些刀具往往隨著使用過(guò)程發(fā)生一定的磨損，這必然影響齒輪的加工精度。

2 過(guò)程模擬

通過(guò)傳動(dòng)裝置模擬切削負(fù)載對(duì)刀具輪廓磨損的影響，證明產(chǎn)生的磨損現(xiàn)象和刀具壽命相互關(guān)聯(lián)。齒輪加工仿真軟件能夠提供數(shù)字化的切削長(zhǎng)度、切屑厚度、間隙等信息，還有每個(gè)單獨(dú)點(diǎn)的角度和接合切削刃所生成的位置。此外，最大相對(duì)刀具尖端切屑去除量描述了前刀面尖端區(qū)域的變形載荷。一維載荷參數(shù)的有關(guān)理論不能完全解釋所測(cè)試齒輪箱的磨損行為。滾齒過(guò)程的一個(gè)特征是背離沿切削刃的切屑厚度，單個(gè)切片的厚度可達(dá)到5～300 mm，有限元模擬中的切削單元尺寸的增加不會(huì)減少計(jì)算時(shí)間。滾齒過(guò)程的FEM 模擬見圖1。

圖1 滾齒過(guò)程的FEM 模擬

3 檢測(cè)結(jié)果

3.1 尖端半徑對(duì)磨損的影響

從具有尖端的標(biāo)準(zhǔn)參考刀具配置文件中派生出尖端半徑為ρa(bǔ)P0=0.2mn，mn為刀具法向模量。在尖端半徑使用值為ρa(bǔ)P0，1=0.2mn的情況下，對(duì)不同尖端半徑ρa(bǔ)P0，2=0.3mn和ρa(bǔ)P0，3=0.4mn的磨損影響進(jìn)行分析。

在切割測(cè)試中，增加尖端半徑的情況下將影響刀具壽命。根據(jù)刀具壽命，水平進(jìn)刀的切割速度也隨著半徑的增大而提高。將尖端半徑從0.2mn更改為0.4mn，Vc的值根據(jù)框架條件增加了7%到30%。嚙合時(shí)，尖口磨損更集中在前刀面尖端區(qū)域的小尖端半徑的輪廓處。尖端半徑的增加與齒尖磨損關(guān)系對(duì)比見圖2。

圖2 尖端半徑對(duì)齒牙形狀磨損的影響

尖端半徑對(duì)齒輪磨損的影響與切片變形有關(guān)。在滾齒過(guò)程中，切屑材料中從尖端和側(cè)面方向流過(guò)前刀面，當(dāng)尖端半徑很小時(shí)，切屑物料流在兩齒面間流過(guò)，切片材料在那里得到壓縮和變形；尖端半徑較大時(shí)，前刀面上的變形量降低，此尖端區(qū)域產(chǎn)生的切片體積的比率減少，意味著具有較大尖端半徑的刀具將減少整體變形載荷。

3.2 刀具輪廓角對(duì)磨損的影響

在滾齒快速切削模擬中，根據(jù)邊界條件輪廓角取ρa(bǔ)P0，1=158和ρa(bǔ)P0，2=208時(shí)，這種齒輪輪廓的改變會(huì)導(dǎo)致不同的磨損效果。在有限元仿真加工過(guò)程中，一定切削弧度下排屑時(shí)刀具前端溫度的變化情況見圖3（通過(guò)前刀面方向觀看），溫度增加，具有較大輪廓角度刀具的臨界月牙磨損更快，切削速度下降5%。

圖3 尖端半徑對(duì)模擬前刀面溫度的影響

通常，較大的輪廓角導(dǎo)致齒輪側(cè)翼的間隙角增大。經(jīng)仿真模擬顯示，有效間隙角在整個(gè)側(cè)翼范圍內(nèi)從起始尖端半徑增加到尖端半徑最大值。實(shí)際模擬側(cè)翼的間隙角從2.25°增加到3.0°，當(dāng)側(cè)翼角度增加時(shí)，較大的切削后角減少了刀具后刀面和工件材料之間的摩擦負(fù)荷，使刀具側(cè)面磨損速度變慢，見圖4。

圖4 輪廓角對(duì)后刀面磨損發(fā)展的影響

除了間隙角的變化規(guī)律，當(dāng)增加輪廓角度時(shí)，切割長(zhǎng)度減少，導(dǎo)致刀具壽命增加。預(yù)估輪廓角度從158 增加到258，相應(yīng)地，刀具增加6%～18%的進(jìn)刀切割速度。

3.3 齒輪螺旋角對(duì)磨損的影響

螺旋角作為工件的幾何尺寸決定參數(shù)，對(duì)刀具的磨損有較大影響。實(shí)驗(yàn)對(duì)象除了螺旋角為25.8°的標(biāo)準(zhǔn)齒輪外，還參考了螺旋角為0°的正齒輪。

在這兩個(gè)研究案例中，正齒輪導(dǎo)致刀具壽命減少，相應(yīng)地，月牙磨損導(dǎo)致后刀面焊盤寬度磨損，如圖5 所示。

圖5 突起的磨損影響

月牙磨損較早地出現(xiàn)在輪齒的前側(cè)翼區(qū)域內(nèi)。此外，后刀面磨損發(fā)展得更快，第一次切割齒輪會(huì)導(dǎo)致更多的磨損。

特別注意極端的后刀面磨損現(xiàn)象，這種現(xiàn)象主要是切削長(zhǎng)度（+32%）和切屑厚度（+5%）減少了螺旋角。在此之后，切片體積也增加，切屑體積增加后刀尖端區(qū)域的總負(fù)載也相應(yīng)增加，反映在前刀面上負(fù)載的差異，如圖6、圖7 所示。

圖6 螺旋角對(duì)磨損發(fā)展的影響

圖7 螺旋角對(duì)前刀面溫度（FEM）的影響

水平切削切割正軸時(shí)，速度設(shè)置為較低水平（Dvc10=8%～32%），齒輪與斜齒輪的切割量比較穩(wěn)定。

4 結(jié)論

在滾削中改變刀具輪廓或齒輪螺旋線的角度均會(huì)引起刀具壽命改變。

對(duì)齒輪加工過(guò)程中的不同磨損機(jī)制和磨損行為變化進(jìn)行建模，通過(guò)有限元模擬分析，在加工新的齒輪時(shí)，無(wú)需再次進(jìn)行過(guò)程模擬即可評(píng)估刀具輪廓。

根據(jù)評(píng)估后的齒輪加工刀具設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用優(yōu)化后的滾齒工具，選擇相應(yīng)的切削參數(shù)，能夠降低加工成本。