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(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016)

(2.常州天山重工機(jī)械有限公司，江蘇常州 213125)

大型齒圈銑削表面質(zhì)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(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016)

(2.常州天山重工機(jī)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(zhì)量，對(duì)盤形銑刀銑齒加工進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)3因素3水平的正交試驗(yàn)分析銑齒參數(shù)(銑削轉(zhuǎn)速、軸向進(jìn)給速度、徑向切深)對(duì)銑削力矩的影響規(guī)律;并以齒面粗糙度、硬度及殘余應(yīng)力為齒面質(zhì)量指標(biāo)，研究銑齒參數(shù)對(duì)各指標(biāo)的影響規(guī)律。最終在選擇的銑齒參數(shù)范圍內(nèi)，以齒面質(zhì)量為指標(biāo)，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(zhì)量

隨著近年來(lái)我國(guó)齒輪業(yè)的發(fā)展不斷加快，高速、重載、精密、高效、低噪聲、長(zhǎng)壽命、低成本已成為齒輪制造技術(shù)研究的重要方向。目前，我國(guó)齒輪的生產(chǎn)水平同國(guó)際先進(jìn)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(zhì)量方面。齒輪的表面質(zhì)量狀況與加工方法和工藝參數(shù)有密切的關(guān)系。盤形可轉(zhuǎn)位齒輪銑刀［1］加工是現(xiàn)在實(shí)際生產(chǎn)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(duì)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(guó)內(nèi)內(nèi)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(jìn)行齒形加工后因齒面質(zhì)量往往達(dá)不到要求，從而需要進(jìn)行磨齒加工，其加工成本比較高。因此對(duì)盤銑刀銑齒工藝進(jìn)行研究以提高其加工齒面質(zhì)量相對(duì)于企業(yè)而言具有一定的指導(dǎo)意義。就目前而言，國(guó)內(nèi)進(jìn)行盤銑刀銑齒加工表面質(zhì)量方面的研究非常少。本文依據(jù)表面完整性特征評(píng)價(jià)體系［2］選擇齒面粗糙度、加工硬化和表面殘余應(yīng)力為試驗(yàn)指標(biāo)，進(jìn)行盤銑刀銑齒的正交試驗(yàn)研究和切削轉(zhuǎn)矩的分析，以期為優(yōu)化盤銑刀銑齒銑削參數(shù)及進(jìn)行表面完整性控制研究提供相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 盤形銑刀銑齒試驗(yàn)

1.1 試件材料

研究采用的齒圈試件材料為34CrNiMo6合金高強(qiáng)鋼，試件經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理，硬度達(dá)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(yàn)刀具

試驗(yàn)采用Sandvik公司的可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片，頂刃刀片可轉(zhuǎn)位4次，側(cè)刃刀片可轉(zhuǎn)位8次，刀片硬度70HRC。采用與該刀片相適應(yīng)的刀盤，規(guī)格為φ 400×80。

1.3 試驗(yàn)系統(tǒng)

本試驗(yàn)采用德國(guó)Gleason－PFAUTER 4m高速滾齒機(jī)進(jìn)行試件的銑削加工，該機(jī)床屬于高功率、高精度、高回轉(zhuǎn)高剛度、動(dòng)態(tài)性能好的大型精密數(shù)控機(jī)床。它能承受盤銑刀銑削各種工件時(shí)產(chǎn)生的大切削力。試件由專用胎具固定在旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，可轉(zhuǎn)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(jìn)行，試驗(yàn)室溫為25°。整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

1.4 試驗(yàn)方法與檢測(cè)

盤銑刀銑齒加工對(duì)表面完整性的影響涉及機(jī)床性能、裝夾系統(tǒng)的強(qiáng)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(gè)非常復(fù)雜的非線性過(guò)程。本試驗(yàn)主要研究銑齒加工參數(shù)對(duì)銑削力矩和表面質(zhì)量的影響，因而采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案［3］，該方法能夠以較少的試驗(yàn)次數(shù)獲取目標(biāo)信息。確定試驗(yàn)因素為:盤銑刀銑削轉(zhuǎn)速(r/min)、軸向進(jìn)給速度(mm/min)、徑向切深(mm)。切削用量的選擇范圍參考該機(jī)床實(shí)際加工生產(chǎn)所采用的切削用量。本試驗(yàn)選擇L9(34)正交試驗(yàn)方案。具體試驗(yàn)因子水平和正交試驗(yàn)方案見表1、表2。

圖1 銑齒試驗(yàn)系統(tǒng)

表1 銑齒參數(shù)的因子水平表

表2 正交試驗(yàn)方案(L9(34))

a．切削力矩測(cè)量。直接對(duì)盤銑刀銑齒的銑削力進(jìn)行在線測(cè)量比較困難，而機(jī)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(jī)床主軸銑削時(shí)的實(shí)時(shí)電流百分比。根據(jù)異步電機(jī)轉(zhuǎn)矩 T 與電流 I的公式 T=KTφIcosψ［4］，可知T與I在試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)近似正比，由于本試驗(yàn)對(duì)機(jī)床主軸變頻器輸出的電流強(qiáng)度變化情況進(jìn)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(zhì)量的測(cè)量。齒面粗糙度的測(cè)量采用德國(guó)馬爾M1便攜式粗糙度儀，齒面硬度的測(cè)量采用TH140里氏硬度計(jì)。測(cè)量粗糙度和硬度時(shí)均在左齒面和右齒面均勻取6個(gè)樣，再取平均值。齒面殘余應(yīng)力的測(cè)量采用愛斯特公司的X－350A型X射線應(yīng)力測(cè)定儀，測(cè)量時(shí)采用固定側(cè)傾法進(jìn)行測(cè)試。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

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

圖2 銑齒正交試驗(yàn)試樣

表3 正交試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

2.1 主軸電流的試驗(yàn)分析

通過(guò)試驗(yàn)觀察得出銑齒力矩變化規(guī)律。在進(jìn)行銑齒試驗(yàn)時(shí)，每組試驗(yàn)中盤銑刀銑齒在開始切入工件時(shí)主軸電機(jī)電流強(qiáng)度先是波動(dòng)式的增加，然后隨著盤銑刀進(jìn)入穩(wěn)定切削階段其電流強(qiáng)度穩(wěn)定在某一值基本不變，最后銑刀快切出工件時(shí)電流波動(dòng)式降低。試驗(yàn)中記錄每組實(shí)驗(yàn)進(jìn)入穩(wěn)定銑削狀態(tài)時(shí)的電流百分比。

對(duì)銑齒力矩正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析(表4)。從表中可以看出，對(duì)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(jìn)給速度f(wàn)、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(duì)銑削力矩的影響，如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?0r/min增加到90r/min時(shí)，銑削力矩隨之變大，而當(dāng)轉(zhuǎn)速進(jìn)一步增大到100r/min時(shí)銑削力矩又呈下降趨勢(shì)。開始銑削力矩的增大變化是由于銑削過(guò)程中積削瘤的影響所導(dǎo)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(jìn)一步增大，摩擦系數(shù)減小，剪切角增大，導(dǎo)致變形系數(shù)減小，使得銑削力矩減小。另一方面，銑削轉(zhuǎn)速n增大，切削溫度也增高，使被加工金屬的強(qiáng)度和硬度降低，也會(huì)導(dǎo)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(jìn)給速度f(wàn)的增大均呈現(xiàn)增大的變化趨勢(shì)。

圖3 力矩T與各因素的關(guān)系

2.2 銑齒表面質(zhì)量分析

直觀分析銑齒參數(shù)與齒面質(zhì)量關(guān)系，如圖4中(a)、(b)、(c)所示。為了驗(yàn)證不同因素對(duì)指標(biāo)的影響顯著程度，對(duì)正交試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析。通過(guò)F檢驗(yàn)得出，銑削轉(zhuǎn)速n對(duì)表面粗糙度Ra的影響最為顯著，軸向進(jìn)給速度f(wàn)的影響次之，而徑向切深ap對(duì)Ra影響則是不顯著的;銑削速度n、軸向進(jìn)給速度f(wàn)、徑向切深ap對(duì)齒面顯微硬度H的影響均不顯著;軸向進(jìn)給速度f(wàn)對(duì)齒面殘余應(yīng)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(duì)齒面殘余應(yīng)力σ的影響不顯著。

圖4 銑齒參數(shù)與齒面質(zhì)量關(guān)系

通過(guò)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(zhuǎn)速n對(duì)齒面粗糙度Ra影響最大，可選擇主軸轉(zhuǎn)速n為100r/min保證粗糙度要求;軸向進(jìn)給速度f(wàn)對(duì)齒面殘余應(yīng)力σ影響最大，可選擇軸向進(jìn)給速度f(wàn)為200mm/min，保證相對(duì)較小的殘余拉應(yīng)力;而徑向切深ap對(duì)齒面粗糙度Ra、顯微硬度H和殘余應(yīng)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(zhuǎn)速n為100r/min，軸向進(jìn)給速度f(wàn)為200mm/min，徑向切深ap為25mm。

結(jié)合圖4，對(duì)齒面質(zhì)量指標(biāo)的分析如下:

a．銑齒參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響。在試驗(yàn)選擇的參數(shù)范圍內(nèi)，齒面粗糙度值Ra隨著銑削轉(zhuǎn)速n的提高而變小，隨著軸向進(jìn)給速度f(wàn)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(guò)程中伴隨著積削瘤和鱗刺的產(chǎn)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(jìn)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(dǎo)致了銑削力矩的增加，從而使得銑齒加工過(guò)程中切削振動(dòng)有所增強(qiáng)，因而使齒面粗糙度略微增加［6］。

b．銑齒參數(shù)對(duì)表面硬度的影響，在試驗(yàn)選擇的參數(shù)范圍內(nèi)，齒面硬度H隨著銑削轉(zhuǎn)速n、軸向進(jìn)給f、徑向切深ap的變化并未有明顯的變化。正交試驗(yàn)齒面硬度值對(duì)比材料的初始硬度320HB還是有所增加的，說(shuō)明銑齒過(guò)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(jìn)給量的增加應(yīng)使得加工硬化有所增加。本試驗(yàn)中受限與正交試驗(yàn)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(duì)表面殘余應(yīng)力的影響，從正交試驗(yàn)的結(jié)果(表3)可看出，9組經(jīng)過(guò)銑齒加工后的齒面均產(chǎn)生了很大的殘余拉應(yīng)力［7］，在試驗(yàn)選擇的參數(shù)范圍內(nèi)，齒面殘余拉應(yīng)力σ隨著銑削轉(zhuǎn)速n的增加而略有增加，隨著軸向進(jìn)給速度f(wàn)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(chǎn)生殘余拉應(yīng)力是因?yàn)殂婟X過(guò)程中熱塑性變形產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力效果大于擠光效應(yīng)產(chǎn)生的殘余壓應(yīng)力。銑削速度增加時(shí)，銑削溫度隨之增加，因此熱應(yīng)力引起的殘余拉應(yīng)力起主導(dǎo)作用，表面殘余拉應(yīng)力隨之增加。進(jìn)給量增加時(shí)，銑削力及塑性變形區(qū)域隨之增大，并且熱應(yīng)力引起的殘余拉應(yīng)力占優(yōu)勢(shì)，表面殘余拉應(yīng)力增加。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)盤銑刀銑齒正交試驗(yàn)的研究可以得出以下結(jié)論:

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

b．通過(guò)對(duì)銑齒正交試驗(yàn)進(jìn)行極差分析和方差分析，得到了齒面質(zhì)量各指標(biāo)與銑齒參數(shù)之間的關(guān)系及影響顯著程度，為銑齒加工過(guò)程中齒面質(zhì)量的提高提供了理論基礎(chǔ)。

c．在銑齒實(shí)驗(yàn)中選擇的參數(shù)范圍內(nèi)，以齒面質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，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(shí)際生產(chǎn)中，可以參照上述結(jié)論，并結(jié)合加工的實(shí)際條件選擇銑齒參數(shù)。

［1］ 陳小杰.高效盤形可轉(zhuǎn)位齒輪銑刀的特點(diǎn)及應(yīng)用［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2008(7):159－160.

［2］ Field M，Kahles J F.The surface integrity of machined and ground high strength steels［J］.DMIC Report，1964(210):54－77.

［3］ 劉振學(xué)，黃仁和，田愛民.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［4］ 高鐘毓.機(jī)電控制工程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2011.

［5］ 陳日曜.金屬切削原理［M］.北京:機(jī)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(xué)，遲永剛，等.W－Fe－Ni合金車削殘余應(yīng)力正交試驗(yàn)研究［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)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(jì)劃資助項(xiàng)目(SBE201200706)

李鵬程(1987—)，男，江蘇東臺(tái)人，南京航空航天大學(xué)碩士研究生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榫芗庸ぁ?/p>