本文主要研究弧齒錐齒輪硬齒面高速切削工藝。以淬硬鋼制成的小型弧齒錐齒輪為對(duì)象，選擇粉末冶金高速鋼刀具作為試驗(yàn)設(shè)備，開展硬齒面高速切削試驗(yàn)，探究切削力、切削速度、進(jìn)給量三個(gè)參數(shù)對(duì)硬齒面表面質(zhì)量的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，弧齒錐齒輪硬齒面的表面粗糙度，隨切削力的增加呈先降低后升高的趨勢(shì)，隨切削速度的增加呈先降低后 升高的趨勢(shì)，隨進(jìn)給量的增加呈升高趨勢(shì)。當(dāng)切削力為250N、切削速度為700m/min、進(jìn)給量為1.5mm/r時(shí)，弧齒錐齒輪硬齒面高速切削精度最高。

      0 引言

      弧齒錐齒輪是一種廣泛應(yīng)用于機(jī)械傳動(dòng)領(lǐng)域的齒輪，具有傳動(dòng)質(zhì)量高、承載能力強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，正在逐步取代常規(guī)的直齒錐齒輪。隨著我國(guó)機(jī)械制造業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)弧齒錐齒輪的制造精度和效率提出了更嚴(yán)格的要求。為滿足這一要求，作為先進(jìn)制造技術(shù)的高速切削工藝受到關(guān)注。高速切削工藝不僅具有切削效率高的優(yōu)點(diǎn)，而且該工藝加工出的機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量較好，為弧齒錐齒輪硬齒面切削提供了新的解決方案。因此，研究弧齒錐齒輪硬齒面高速切削工藝，對(duì)于提高我國(guó)齒輪生產(chǎn)水平與推動(dòng)機(jī)械制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。岳修杰等通過正交試驗(yàn)研究7075鋁合金高速切削性能，發(fā)現(xiàn)相同切削參數(shù)下熱處理工藝可以提升鋁合金的硬度。易健松等在粉末冶金制備金屬陶瓷的過程中，以碳氮含量比為變量，探討不同碳氮含量比下金屬陶瓷刀的高速切削性能，結(jié)果表明TiC:TiN=7:3時(shí)，金屬陶瓷刀的切削性能最佳。雖然我國(guó)很多學(xué)者已經(jīng)取得一定研究成果，但關(guān)于高速切削工藝參數(shù)對(duì)切削性能影響的研究較少，所以本文研究不同工藝參數(shù)下弧齒錐齒輪硬齒面的高速切削性能仍具有一定的意義和價(jià)值。

      1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

      試驗(yàn)設(shè)備與材料：弧齒錐齒輪硬齒面高速切削工藝的實(shí)質(zhì)就是運(yùn)用刀具對(duì)齒輪進(jìn)行加工，從而形成齒面，所以在本次弧齒錐齒輪硬齒面高速切削工藝的試驗(yàn)研究中，首先需要分別確定齒輪與刀具的參數(shù)。關(guān)于齒輪，本次試驗(yàn)采用淬硬鋼制成的小型弧齒錐齒輪，其基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

      在弧齒錐齒輪硬齒面高速切削過程中，主要采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工，機(jī)床加工中刀具是關(guān)鍵的加工設(shè)備。關(guān)于刀具，無(wú)論是刀具材料還是幾何參數(shù)都很重要，考慮到本次試驗(yàn)采用的是淬硬鋼弧齒錐齒輪，本文選擇了粉末冶金高速鋼刀具。粉末冶金高速鋼具有高純凈度、高強(qiáng)度和高硬度的特性，其在實(shí)際應(yīng)用中具有耐磨性好、能夠制造復(fù)雜刀具、節(jié)約材料和成本、可加工性好、高效率、長(zhǎng)壽命及環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。因此，在制造業(yè)中，特別是對(duì)于需要高精度、高強(qiáng)度和高耐磨性的刀具制造領(lǐng)域，粉末冶金高速鋼是一種非常理想的材料。本次弧齒錐齒輪硬齒面高速切削試驗(yàn)選擇粉末冶金高速鋼刀具作為主要切削設(shè)備，其具體的設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

      將刀具安裝在機(jī)床的刀盤上，本次試驗(yàn)采用的數(shù)控機(jī)床刀盤主體上開有9個(gè)刀槽，且每個(gè)刀槽上均設(shè)有2個(gè)螺栓孔，將刀具的刀柄與刀盤主體連接在一起后，通過螺栓將二者固定。這樣不僅可以保證弧齒錐齒輪硬齒面高速切削的安全性，而且刀具拆裝便捷，便于試驗(yàn)。

      試驗(yàn)方案與過程：根據(jù)上述內(nèi)容可知，在本次試驗(yàn)中，以淬硬鋼制成的小型弧齒錐齒輪為切削對(duì)象，并采用安裝了粉末冶金高速鋼刀具的數(shù)控機(jī)床為切削設(shè)備，本試驗(yàn)將采用高速切削工藝進(jìn)行弧齒錐齒輪硬齒面的切削加工。高速切削工藝是由德國(guó)學(xué)者薩洛蒙提出的，雖然尚未有確切的概念，但時(shí)至今日通常將主軸轉(zhuǎn)速超過8000r/min的切削加工稱為高速切削。同時(shí)，針對(duì)不同的加工材料，切削速度各不相同，針對(duì)本次試驗(yàn)選擇的淬硬鋼小型弧齒錐齒輪，當(dāng)切削速度達(dá)到380m/min時(shí)就可以稱為高速切削。一般來說，弧齒錐齒輪硬齒面高速切削工藝是一個(gè)復(fù)雜且系統(tǒng)性的工程，其切削機(jī)理仍未完善，所以本文主要探究不同切削工藝參數(shù)下弧齒錐齒輪硬齒面的高速切削精度。基于弧齒錐齒輪硬齒面切削加工的實(shí)際情況，本次試驗(yàn)主要以硬齒面的表面質(zhì)量為試驗(yàn)指標(biāo)，其表面質(zhì)量越高，說明高速切削工藝的精度越高。與此同時(shí)，本次試驗(yàn)選擇了切削力、切削速度及進(jìn)給量作為切削工藝參數(shù)，這些參數(shù)是實(shí)現(xiàn)弧齒錐齒輪硬齒面高速切削加工的關(guān)鍵參數(shù)。那么基于上述工藝參數(shù)，本文設(shè)計(jì)的弧齒錐齒輪硬齒面高速切削加工試驗(yàn)方案如表3所示。

      從表3可以看出，為探究切削力、切削速度和進(jìn)給量這三個(gè)高速切削工藝參數(shù)與弧齒錐齒輪硬齒面表面質(zhì)量之間的關(guān)系，本次試驗(yàn)采用了三因素六水平正交試驗(yàn)方法。具體試驗(yàn)步驟如下：首先開啟機(jī)床，控制弧齒錐齒輪工件移動(dòng)至與刀具相對(duì)的正確位置上，按試驗(yàn)方案中設(shè)計(jì)的切削工藝參數(shù)進(jìn)行齒輪的粗加工。這里主要采用雙向行切法，也就是控制刀具從弧齒錐齒輪的毛坯工件上端的凹面處進(jìn)刀，繞著工件圓周方向進(jìn)行切削，直至走到下一齒的凸面，完成一個(gè)齒長(zhǎng)的切削，不斷循環(huán)，直至完成全部齒槽的粗加工后停止。然后在弧齒錐齒輪工件熱處理后，再對(duì)齒輪進(jìn)行精加工。這里主要采用了豎向雙向行切法，也就是按照與粗加工不同的走刀路徑，同樣對(duì)弧齒錐齒輪工件進(jìn)行由凹面到凸面的切削加工，最終得到弧齒錐齒輪硬齒面的實(shí)際切削效果。在本次試驗(yàn)過程中，弧齒錐齒輪硬齒面的粗加工與精加工軌跡如圖1所示。表面質(zhì)量之間的關(guān)系，本次試驗(yàn)采用了三因素六水平正交試驗(yàn)方法。具體試驗(yàn)步驟如下：首先開啟機(jī)床，控制弧齒錐齒輪工件移動(dòng)至與刀具相對(duì)的正確位置上，按試驗(yàn)方案中設(shè)計(jì)的切削工藝參數(shù)進(jìn)行齒輪的粗加工。這里主要采用雙向行切法，也就是控制刀具從弧齒錐齒輪的毛坯工件上端的凹面處進(jìn)刀，繞著工件圓周方向進(jìn)行切削，直至走到下一齒的凸面，完成一個(gè)齒長(zhǎng)的切削，不斷循環(huán)，直至完成全部齒槽的粗加工后停止。然后在弧齒錐齒輪工件熱處理后，再對(duì)齒輪進(jìn)行精加工。這里主要采用了豎向雙向行切法，也就是按照與粗加工不同的走刀路徑，同樣對(duì)弧齒錐齒輪工件進(jìn)行由凹面到凸面的切削加工，最終得到弧齒錐齒輪硬齒面的實(shí)際切削效果。在本次試驗(yàn)過程中，弧齒錐齒輪硬齒面的粗加工與精加工軌跡如圖1所示。

      在按照上述步驟完成弧齒錐齒輪硬齒面的高速切削加工后，用表面粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)硬齒面的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，以表面粗糙度作為衡量硬齒面表面質(zhì)量的定量指標(biāo)。在測(cè)量弧齒錐齒輪硬齒面表面粗糙度時(shí)，為降低測(cè)量誤差，在硬齒面的表面隨機(jī)選擇多個(gè)不同位置，分別測(cè)量其粗糙度后求取平均值，作為最終的試驗(yàn)結(jié)果。并對(duì)比不同切削工藝參數(shù)下的試驗(yàn)結(jié)果，從而判斷切削工藝參數(shù)對(duì)弧齒錐齒輪硬齒面高速切削精度的影響。

      2 試驗(yàn)結(jié)果

      不同切削力下硬齒面表面質(zhì)量：當(dāng)切削速度與進(jìn)給量保持不變時(shí)，以高速切削工藝的切削力為變量，采集不同切削力下弧齒錐齒輪硬齒面表面粗糙度數(shù)據(jù)，將表面粗糙度測(cè)量結(jié)果繪制成圖2所示的曲線圖。

      從圖2可以看出，隨著切削力的不斷增加，弧齒錐齒輪硬齒面表面粗糙度呈先降低后升高的趨勢(shì)，且當(dāng)切削力為250N時(shí)，硬齒面表面粗糙度Ra最小，為0.63μm。這主要是因?yàn)榛↓X錐齒輪在進(jìn)行高速切削時(shí)，刀具需要克服一定的阻力，如果切削力過小，就無(wú)法滿足齒輪材料表面的切削需求，導(dǎo)致切削后的硬齒面質(zhì)量較差;但如果切削力過大，會(huì)增加刀具與齒輪材料表面之間的接觸壓力，導(dǎo)致硬齒面在高速切削過程中出現(xiàn)表面變形的情況，從而增加表面粗糙度。因此，在實(shí)際的弧齒錐齒輪硬齒面高速切削加工中，為得到更好的硬齒面表面質(zhì)量，需要選擇合適的切削力。

      不同切削速度下硬齒面表面質(zhì)量：當(dāng)切削力與進(jìn)給量保持不變時(shí)，以高速切削工藝的切削速度為變量，采集不同切削速度下弧齒錐齒輪硬齒面表面粗糙度數(shù)據(jù)，將表面粗糙度測(cè)量結(jié)果繪制成圖3所示的曲線圖。

      從圖3可以看出，在弧齒錐齒輪硬齒面高速切削加工過程中，切削速度對(duì)硬齒面的表面質(zhì)量有著顯著影響。隨著切削速度的加快，弧齒錐齒輪硬齒面的表面粗糙度呈先下降后升高的趨勢(shì)，當(dāng)切削速度為700m/min時(shí)，硬齒面的表面粗糙度Ra最小，為0.71μm。這主要是因?yàn)槿绻邢魉俣冗^低，刀具和弧齒錐齒輪之間的摩擦?xí)r間就會(huì)增加，促使二者之間的摩擦力增大，從而導(dǎo)致硬齒面的表面質(zhì)量較差。如果切削速度過快，雖然可以減少刀具與弧齒錐齒輪之間的摩擦?xí)r間，但可能會(huì)引發(fā)刀具振動(dòng)與弧齒錐齒輪變形等問題，進(jìn)而促使硬齒面的表面粗糙度值增大。因此，在弧齒錐齒輪硬齒面高速切削加工過程中，切削速度與硬齒面表面質(zhì)量之間的關(guān)系較為復(fù)雜，需要通過調(diào)整切削速度來獲得更好的硬齒面表面質(zhì)量。

      不同進(jìn)給量下硬齒面表面質(zhì)量：當(dāng)切削力與切削速度保持不變時(shí)，以高速切削工藝的進(jìn)給量為變量，采集不同進(jìn)給量下弧齒錐齒輪硬齒面表面粗糙度數(shù)據(jù)，將表面粗糙度測(cè)量結(jié)果繪制成圖4所示的曲線圖。

      從圖4可以看出，隨著弧齒錐齒輪進(jìn)給量的不斷增加，硬齒面的表面粗糙度值也不斷增大，結(jié)合弧齒錐齒輪硬齒面的實(shí)際高速切削加工需求，將進(jìn)給量控制為1.5mm/r時(shí)，硬齒面的表面質(zhì)量最好，其表面粗糙度值最小，達(dá)到了Ra0.78μm。這主要是因?yàn)槿绻↓X錐齒輪進(jìn)給量增加，刀具在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)硬齒面的摩擦作用也會(huì)增大，再加上由此生成的熱量，促使硬齒面表面發(fā)生氧化與燒傷現(xiàn)象，均會(huì)造成硬齒面表面粗糙度值的增大。所以合適的進(jìn)給量對(duì)優(yōu)化弧齒錐齒輪硬齒面高速切削質(zhì)量有著重要影響。綜上所述，不同的切削工藝參數(shù)對(duì)弧齒錐齒輪硬齒面的表面質(zhì)量均有著不同的影響規(guī)律，在實(shí)際的弧齒錐齒輪硬齒面高速切削加工中，需要選擇恰當(dāng)?shù)墓に噮?shù)來提升硬齒面的表面切削質(zhì)量，進(jìn)而保障高速切削的切削精度。

      3 結(jié)語(yǔ)

      本文在弧齒錐齒輪硬齒面高速切削試驗(yàn)中，探討了切削力、切削速度和進(jìn)給量對(duì)切削精度的影響，得到以下結(jié)論：不同的工藝參數(shù)對(duì)弧齒錐齒輪硬齒面高速切削效果都有著不容忽視的影響，其中切削力的增加會(huì)導(dǎo)致硬齒面表面粗糙度值先增大后減小，切削速度的增加也會(huì)導(dǎo)致硬齒面表面粗糙度值先減小后增大，進(jìn)給量的增加會(huì)導(dǎo)致硬齒面表面粗糙度值不斷增大。根據(jù)高速切削試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)切削力為250N、切削速度為 700m/min、進(jìn)給量為1.5mm/r時(shí)，弧齒錐齒輪的硬齒面表面質(zhì)量最佳，該組合參數(shù)可以為提升高速切削工藝的加工精度提供有效指導(dǎo)。雖然本次研究已經(jīng)取得一定成果，但由于時(shí)間有限，本文研究?jī)?nèi)容仍具有一定局限性。目前本文僅針對(duì)切削工藝參數(shù)對(duì)切削精度的影響進(jìn)行了研究， 但在實(shí)際的弧齒錐齒輪硬齒面高速切削加工中，刀具的材料與參數(shù)對(duì)切削精度也有一定的影響，所以今后將對(duì)刀具表面性能與高速切削性能之間的關(guān)系作進(jìn)一步研究，對(duì)推動(dòng)我國(guó)航空、汽車及精密機(jī)械等產(chǎn)品的更新?lián)Q代具有重要的研究意義與應(yīng)用價(jià)值。

      參考文獻(xiàn)：略