齿轮滚齿干切技术应用
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摘要：随着齿轮加工机床的高速化，齿轮机床技术的不断完善，以及干切式高速切削刀具的进一步发展，高速干切加工已经得到了快速发展。文章介绍了干切加工的发展趋势和应用效果。
关键词：齿轮加工；干切技术；清洁生产；干切刀具；干式滚齿加工
中图分类号：TG721文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2011）15-0056-03
一、概述
传统的齿轮滚齿加工一直使用切削油，这种加工方法不仅造成工厂作业环境的污染，同时也会危及作业者的健康；另外切削油的使用而发生的相关费用，如：费油处理费、切削油费用、油雾分离器和切削油循环系统耗电费等也会增加制造成本，为此，对环保要求越来越严格的西方发达国家开始研究开发用于干切技术的刀具和机床，随着刀具材料及刀具涂层技术的飞速发展，当今发达国家齿轮干切技术已经得到了快速的发展并收到了较好的社会效益。随着我国对企业清洁生产认证的实施和企业自身发展的需要，我国许多企业通过引进国外机床和刀具也在逐步采用这种先进的制造工艺，干式加工的快速普及对提高生产量、降低工具费用、改善环境有很大效果：（1）缩短加工时间（提高切削速度）；（2）延长工具使用寿命来降低工具费用；（3）降低切削油剂，废弃费用；（4）防止因油烟所造成的环境污染；（5）防止废油处理所造成的环境污染。
（一）干式滚齿加工的效果
实缩短加工节拍并延长工具寿命。切削速度2倍，工具寿命5倍。
（二）干式加工实例（太阳齿轮）
自动档太阳齿轮在V250m・min-1，下加工时间为14.3秒，使用超级干切Ⅱ可进一步缩短加工时间。
（三）提高生产量、延长工具寿命
轿车变速器齿轮的干式
加工实例
（四）干式滚齿加工的效果
运转成本大幅降低45%
二、齿轮干切机床及刀具的发展
日本于20世纪70年代初开发出了用硬质合金滚刀生产圆柱齿轮的干切机床并投入市场，如三菱重工和KASHIFUJI公司。1997年，三菱公司在世界上第一次将干式切削实用化，1998年获日本通商产业大臣奖，现在在栗东工厂的干切机床的生产比率超过70%，在日本的丰田汽车、富士重工、三菱自动车、爱信集团等企业得到广泛应用。中国的齿轮企业近年来也从欧、美、日等国逐步引入干切技术，如陕西法士特、上海汽车齿轮、奇瑞汽车、唐山爱信、浙江中马等。日本三菱公司开发的专用于干切技术的滚齿机首次采用了机内全不锈钢装置，阻断了机内的热传递，在机床切屑落下的位置配置切屑输送器，同时利用压缩空气将高温的切屑几乎和床身没有接触就被迅速排出，这样就可以抑制由于热切屑而引起滚齿机的热变形。有的公司也开发出了干、湿两种切削方式均可应用的滚齿机，如日本KASHIFUJI公司生产的KN系列滚齿机。
我国的干切滚齿机近年有了快速发展，重庆机床集团就数控高速自动干切滚齿机申请的国家发明专利，日前经国家知识产权局反复审查，终于拿到了授权通知书。这是公司继1997年首次获得一项发明专利授权以来，自主创新工作时隔10年的又一次突破。
数控高速自动干切滚齿机是重庆机床自行研制的新一代节能环保、数控高速高效、智能化、人性化齿轮加工机床。
该机床的特点可实现七轴数字控制及四轴联动自动干式切削，它彻底抛弃传统的冷却液和切削油，加工过程中无切削液的飞溅和油雾的产生，对环境和操作者无污染和伤害，实现了绿色环保加工。床身的对称结构和护罩的防护结构，使排屑器能从床身中部迅速地将炙热的切屑排除，保证了干式高速切削的需要。通过自动上下料装置实现自动加工，每个操作者可以管理几台机床的工作，降低了劳动强度，提高了效率。该发明与普通滚齿机相比，加工效率是湿式切削的2～3倍，单件成本仅为传统机床加工的60%。
进行高速干切滚齿加工的滚刀性能主要取决于以下三个方面：刀具材料、表面涂层、滚刀参数与结构的设计与制造。现行切齿刀具的材料可以归结为四类：硬质合金、陶瓷、粉末冶金高速钢和高性能高速钢（由于工艺方法的不同而区分为两大类）。陶瓷材料作为车刀刀片使用早已普及，但作成复杂刀具的滚刀只见过试验报导，尚未见到市场供应。但陶瓷材料的某些优异性能应是进行高速干切工艺所最需要的。因此，陶瓷材料在高速干切滚刀上的应用也将是一个必然的发展趋势，特别是在硬齿面刮削刀具上的应用前景看好。目前用于高速干切硬齿面加工的滚刀材料主要是硬质合金一类，而用于软齿面高速干切加工的滚刀材料主要是后二类的高速钢。我国目前粉末冶金高速钢及高性能高速钢的生产还不多见，但硬质合金由于我国有资源上的优势，理应成为制造高速干切齿轮滚刀的主导材料。根据对一些先进发达工业国家及国产硬质合金材料的分析比较，我们认为就材料本身来讲，并没有太大的差别，其生产装备与加工工艺也基本相同。但在使用过程中，有时表现出较大的差别，究其原因可能存在以下问题。据长期从事硬质合金检测的专业人员称，由于硬质合金材料制造过程的复杂性和特殊性，采用相同设备和工艺制造的不同批次材料检测数据几乎没有完全相同的，材料的细微差别也许就造成切削性能的巨大差异。而在目前阶段，我国的材料生产商，刀具制造商及刀具使用厂家脱节，缺少紧密的交流合作必然造成材料与工艺的不匹配问题，如解决好这些问题，如充分发挥我国硬质合金材料资源优势，是一个值得有关部门（如工具研究所、大专院校、硬质合金专业厂等）好好研究解决的课题。涂层是高速干切滚刀不可或缺的后序工艺，涂层在高速干切中表现出来的优异性能可以说是最突出的，现在已没有不经涂层的滚刀能胜任极端条件下的高速干切加工。在切削试验中，涂层性能有时也表现出很大的差异，其主要原因也存在涂层厂商与使用厂家的“工艺匹配”问题。涂层技术是一项发展很快的新技术，各厂家工艺不尽相同，如果缺乏密切的合作，就很难找出最佳方案。刀具的设计与制造是一个牵涉面很广的问题。进口刀具价格昂贵，而且完全依赖进口也非长久之计，因此，国产刀具的突破也就成为高速干切滚齿工艺推广的关键问题。对于滚刀外形尺寸的选择，总的趋势是长度都在往长的方向发展（如格里森130H刀具的使用长度就达250mm），但外径却因为机床、生产方式及刀具制作水平等在选择上有所差异。众所周知，刀具外径较大，切削线速度可提高，也可制造出较多的槽数，有利于延长刀具的寿命和提高加工精度。但相对于相同的刀速加工同样的工件时，外径较小的滚刀刀轴转速提高了，这样工作台转速相应提高进给加快生产效率就提高了。另外，外径较大的刀具的空切行程较大也会导致生产效率下降。因此，美国格里森的工艺方案是加长刀具的长度以延长使用寿命，选用较小的适宜外径并将滚刀尽可能做成多头的，这样以提高生产效率并做到保证加工精度。显然，这种方案依赖于其卓越的机床及精良的刀具制作水平。根据我国目前的设备及刀具制作水平，加大刀具外径对提升产品的水平也是比较现实的方案，综合以上影响滚刀性能的三个方面，对于高速干切滚齿工艺来说，我们认为材料和涂层是决定性的因素，没有稳定的材料和涂层，在高速干切这样严酷的切削条件下，滚刀精度很快就会丧失。从进口的小模数硬质合金滚刀使用情况来看，其制造精度应是很稳定的，但不同批次的刀具在相关条件相同的情况下有时表现差异很大，究其原因，还是材料和涂层原因引起。在国内，除了要解决材料和涂层问题外，滚刀的制作水平也是制约高速干切工艺发展的一个问题。相关制造厂家小而散，加工精度普遍比国外厂家低一、二个级别，制造装备落后，而进口设备价格昂贵，不是一般厂家所能承受。在国内还没有形成集材料、涂层、滚刀制造及切削试验为一体的刀具制造商之前，解决的办法只有加强各行业间的沟通和交流，谋求以供求关系向联合方向发展，促进高速干切刀具制造业的发展。
干切刀具的发展近年来有了大的突破，如日本三菱重工开发的干切滚刀是在提高耐磨性的特殊高速钢材料上进行耐热、耐热的特殊涂层（TiAlN）处理，被称为“超级干切滚刀”，刀具寿命可提高5倍。国内刀具制造商（例如汉江工具厂）现在采用进口刀具材料进行加工，并引进国外涂层技术，干切滚刀也实现了市场化。随着国外刀具涂层中心相继在中国齿轮加工业比较发达的地区设厂，刀具涂层周转的时间及物流费用进一步降低，刀具涂层这一难点得到解决，为干切技术在中国的发展提供了有利条件。
三、结语
干切技术必将是今后的发展趋势，随着国内对环境污染的要求越来越严以及干切技术显示的优越性，该项技术引起国内不少齿轮厂家的兴趣，为此引进了该项技术。国内机床厂家干切机床的研究也取得了很大进展。随着国外刀具涂层中心相继在中国齿轮加工业比较发达的地区设厂，刀具涂层周转的时间及物流费用进一步降低，刀具涂层这一难点得到解决，不久的将来，干切一定会成为齿轮加工主流加工方式。