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      齒輪滾刀刃口鈍化技術及應用

      發布時間:2024-05-07 | 來源:機械研究與應用 | 作者:靳靜力等
         刀具刃口鈍化可以消除微觀缺陷,提高刃口強度、刀具壽命及切削的穩定性。但目前國內對滾刀刃口鈍化的重視程度較低,制約了刀具品質的提升。該文重點研究了滾刀刃口鈍化方式,鈍化介質及時間,鈍化圓角的理論計算等。通過滾刀鈍化試驗及鈍化滾刀的切削試驗,證明刃口鈍化可以有效提高滾刀耐用度及壽命,為滾刀的鈍化研究提供了依據。

        在滾刀的使用中發現,進口滾刀及國產滾刀在加工質量及壽命上有較大差距。經過多次對比可知,進口滾刀使用壽命可達到國產滾刀的兩倍以上,且進口滾刀返原廠修磨后壽命約為新刀具的 90%,但相同刀具經由國內廠家修磨后,實際修磨精度不低于原刀具,部分精度甚至優于原刀具,但刀具的加工質量和壽命都明顯降低。對刀具進行顯微觀察后發現,進口刀具和國產刀具在刃口處理上存在明顯差別。

        進口滾刀刃口有明顯鈍化痕跡,且鈍化圓角大小均勻,刃口一致性好,少有微觀缺陷及磨削毛刺等,其涂層的附著力較好。在使用時,刀具切削輕快,耐磨損,刀具使用效果明顯優于國產刀具。

        國產滾刀大部分未經過鈍化處理,或僅經過手工油石打磨;修磨后的齒輪滾刀大部分也未進行鈍化處理,甚至未經過手工倒鈍處理。通過電子顯微鏡觀察發現,刃口處有磨削毛刺,微裂紋等缺陷,這些缺陷不但影響涂層的附著力,也是導致刀具在滾切過程中磨損加劇及崩刃的根源。

        由此可以看出,國內對滾刀刃口鈍化重視程度普遍較低,這將嚴重制約刀具品質的提升。為提高刀具耐用度,并從根本上降低滾齒加工成本,筆者通過理論研究開展了大量的滾刀刃口鈍化及切削試驗,加深了對滾刀刃口鈍化的研究及認識,提高了滾刀耐用度,從根本上降低了刀具采購成本,為滾刀鈍化研究提供了依據。

        一、鈍化方式確認

        鈍化方式調研:

        滾刀外形尺寸跨度大,且材質和結構復雜多樣。據統計,齒輪滾刀的外徑范圍大約是 ?50~?400 mm,長度范圍大約是 50 ~ 500 mm,刀具結構有整體、鑲片、焊接等,刀具材質有高速鋼、高性能高速鋼、粉末冶金高速鋼等,因此,齒輪滾刀鈍化必須選擇一種包容性強且性價比較高的鈍化方式。

        查閱相關資料,與鈍化設備生產廠家進行技術溝通,與相關刀具生產廠家、涂層廠家進行調查研究,最終確認使用干式噴沙機(如圖 1 所示)進行鈍化。干式噴砂方式利用壓縮空氣形成的動力使磨料通過出砂閥進入噴砂管,然后磨料通過噴嘴噴射到被加工的表面,實現噴砂。壓縮空氣既是供料動力又是射流的加速動力。干式噴砂機可通過調節壓力值、改變砂粒材質及粒度、改變噴砂時間等方式控制鈍化效果。相比于其他鈍化方式,噴砂法是最徹底、最通用、效率最高的鈍化方法,干式噴砂操作更簡便,砂??裳h使用,成本更低。


        鈍化介質及鈍化時間

        (1) 鈍化介質

        常用的噴砂砂粒有很多種:金剛砂、氧化鋁、白剛玉、棕剛玉等。白剛玉具有較強的切削力,可用于去除金屬毛刺,且對表面有研磨和拋光作用??紤]到刀具鈍化后要進行涂層處理,因此選用白剛玉作為鈍化介質。

        通過對報廢刀具進行噴砂試驗發現:如果采用粒度較大的砂粒很可能出現刀具過鈍化現象,刀具過鈍化就失去了切削性能;如果粒度太小則鈍化時間太長,可能根本達不到鈍化效果。通過一系列的試驗,選定滾刀鈍化介質目數為 400#。

        (2) 噴砂壓力及噴砂時間

        噴砂機的噴砂壓力及噴砂時間可以直接影響鈍化圓角的大小;所選用干式噴砂機的噴砂壓力設定為 2.5~3 MPa。對報廢刀具進行反復試驗,在噴射距離一定的情況下,噴砂時間與圓角大小的關系如表 1 所列。


        二、鈍化圓角理論計算

        鈍化圓角指的是刀具刃口鈍化的曲率半徑。為得到初步的鈍化圓角數值,對齒輪滾刀的刃口進行理論研究。

        齒輪滾刀刃口形式

        常見的刀具刃口形式有以下幾種:鋒刃,倒棱刃、倒圓刃等幾個大類。其中,鋒刃指的是刀具的前后刀面相交自然形成的銳刃。齒輪滾刀刃口形式如圖 2 所示。


        刃口鈍化圓角的理論分析

        刀具刃口一般具有前角及后角,圖 3 為刃口截面示意圖。圖 3 中陰影部分指的是刃口具有微觀缺陷及毛刺的部分,鈍化的目的就是消除刃口處的微觀缺陷,即將陰影部分圓滑過渡,以使刃口達到一致性、無缺陷或減少缺陷的目的。


        根據圖 3 各參數的幾何關系,可以得出如下公式:


        式中:γ 為刀具后角;λ 為刀具前角;R 為鈍化圓角;L 為微觀缺陷尺寸。由式(1)、(2)可知,當已知刀具前角 λ、后角 γ 及缺陷尺寸 L 時,即可得出鈍化圓角 R 的理論值。

        刃口鈍化圓角的理論值計算

        為了解齒輪滾刀刃磨后刃口實際情況,并初步得到鈍化圓角尺寸,需對修磨后的齒輪滾刀刃口進行檢測。

        (1) 滾刀刃口檢測

        用電子顯微鏡檢測得到的刃口情況如表 2 所列。


        從表 2 可以看出,滾刀刃口檢驗結果,其刃口一般成鋸齒狀,鋸齒狀的波峰與波谷的間距稱為微觀缺陷尺寸,該尺寸一般在 0.005~0.015 mm 之間。

        (2) 滾刀鈍化圓角理論計算

       ?、?滾刀頂刃鈍化圓角理論計算

        滾刀的頂刃后角一般取 10° ~12°,前角為 0°。滾刀頂刃鈍化圓角的計算示意圖如圖 4 所示。


        當后角 λ = 10°,微觀缺陷尺寸 L = 0.005 mm 時,頂刃鈍化圓角按下式計算為:


        同理,當后角 λ = 10°,微觀缺陷尺寸 L = 0.015 mm 時,鈍化圓角計算值為 0.027 mm。

        滾刀頂刃鈍化圓角理論計算值如表 3 所列。


        因此,滾刀頂鈍化圓角的理論值為 0.008 5 ~ 0.025 mm 之間。

       ?、?滾刀側刃鈍化圓角計算

        滾刀的側刃后角按以下公式計算:


        式中:Zk 為滾刀容屑槽數;K 為滾刀徑向鏟背量;dao 為滾刀外徑;αn 為滾刀法向壓力角。

        經過計算,試驗刀具側后角值如表 4 所列。


        將表 4 中側刃后角 γ 的值以及側刃前角 0°帶入式(2),即可求出滾刀側刃鈍化圓角理論值。結果如表 5 所列。


        因此,滾刀側刃鈍化圓角的理論值為 0.01 ~ 0.03 mm 之間。

       ?、?滾刀鈍化圓角理論值

        綜上所述,滾刀頂刃鈍化圓角理論值為 0.085 ~ 0.02 mm 之間,側刃鈍化圓角理論值為 0.01~0.03 mm 之間。由于滾刀頂刃及側刃是一起鈍化的,綜合考慮,當滾刀在刃口缺陷微觀檢測值為 0.005 ~ 0.015 mm 時,鈍化圓角理論值范圍是 0.085~0.02 mm。

        通過對刀具刃口的理論分析及計算,并與刀具制造廠家進行技術溝通,同時分別對采購刀具、委外修磨涂層的刀具進行檢測,并參考進口刀具刃口鈍化圓角,最后初步確認鈍化圓角按表 6 所列執行。


        三、刀具試用結果

        為驗證刀具鈍化效果,分別對不同模數滾刀進行切削試驗。以模數 14 滾刀的切削為例,試切零件參數如表 7 所列,在切削參數一致的情況下,試驗刀具試切結果如表 8 所列。從試驗結果可以看出,鈍化后的滾刀切削性能及耐用度有了較大的提升。


        通過刀具試驗的數據統計發現,大部分刀具耐用度都有明顯提升,壽命提升基本在 30%以上;部分小模數刀具實現了50%以上的提升。

        四、結語

        刀具刃口鈍化技術是提高刀具壽命、減少刀具消耗、提高加工效率的有效措施之一。文中重點對滾刀的刃口鈍化進行了理論分析,并通過刀具試驗證明了滾刀刃口鈍化可以有效提高刀具耐用度及壽命。目前,對滾刀鈍化還處于摸索階段,在試驗中發現,不同刀具之間鈍化效果差距較大。因此,加大滾刀鈍化技術研究對提高國產滾刀的加工性能,縮短與國外刀具的差距等方面具有重大意義。

        參考文獻略.

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