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      本文通過對制約齒輪性能因素的分析，筆者提出自己的獨到見解：齒輪的工作性能、承載能力、使用壽命及工作精度，都與齒輪本身的質(zhì)量有著密切關(guān)系，而齒輪加工刀具是制約齒輪質(zhì)量的主要原因。

      1.齒輪加工刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計

      齒輪加工過程是一個仿形過程，刀具齒形設(shè)計是齒輪齒形加工的重要基礎(chǔ)。指形齒輪銑刀的齒形由兩部分組成：工作部分和非工作部分。由于齒輪齒形部分直接由銑刀決定，刀具的齒根部分圓角、具設(shè)計的關(guān)鍵。

      目前我公司模數(shù)m ≤ 20的小齒輪加工多采用滾刀加工齒輪齒形，對于模數(shù)m ＞ 20的大齒輪加工采用的刀具為指形齒輪銑刀，本文重點闡述大型混合設(shè)備中大齒輪加工用指形齒輪銑刀的齒形設(shè)計。

      直齒圓柱齒輪加工刀具的齒形確定銑刀齒形的漸開線部分，可通過計算得出，優(yōu)化設(shè)計前齒輪銑刀齒形曲線由三部分組成：漸開線、圓弧和直線（圓弧和直線組成過渡曲線），如圖1所示。

      A為漸開線齒形上任意點，設(shè)齒輪中心為坐標(biāo)原點O，Oy為齒槽的對稱軸線，直齒圓柱齒輪銑刀齒形上任意點坐標(biāo)計算如下

xg=R xsinω x

y g=R xcosω x

      式中，ω x為A點的齒間中心半角，按下式公式計算

ω x=ω o + invα x

      式中，α x為A點壓力角，按下式公式計算

α x =cos-1 Ro/Rx

      ω o為基圓齒間中心半角，按下式公式計算

ω o=ω f－ invα f

ω f =(π－4ξ tanα f)/2z +ΔS /mz

      式中，ξ 為變形系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)齒輪ξ =0；ΔS 為分圓齒厚減薄量，一般取制造齒輪分圓弦齒厚公差中上偏差的1/3。

于是，ω x=(π－4ξ tanα f)/2z +ΔS /mz+（ω finvαf）給出一系列的R x，便可求出齒形漸開線部分各點的坐標(biāo)。下面是以模數(shù)m =45、齒數(shù)z =140、齒寬B =250mm、材質(zhì)為鍛件42CrMo、齒面熱處理硬度要求為290!320H B W的通過給出不同點數(shù)值求出的漸開線齒形各點坐標(biāo)值。由圖 2可以看出，齒輪銑刀在B 點處由于不能圓滑過渡，形成了拐點，拐點處應(yīng)力集中，產(chǎn)生尖角效應(yīng)；由于有明顯的拐點，使得銑刀在熱處理淬火時，在此處形成裂紋源，易出現(xiàn)裂紋和開裂；由于拐點的存在，使齒輪表面出現(xiàn)不圓滑凸棱曲面，磨損嚴(yán)重，嚙合性能差，傳動不平穩(wěn)。齒輪銑刀齒根圓角R =6m m較小，銑刀頭部切削強(qiáng)度差，極易斷裂，打刀現(xiàn)象嚴(yán)重，造成齒輪加工高成本，低效率。

      優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計后，將齒輪銑刀齒形曲線改由四部分組成：漸開線、斜線（斜線的傾角為β =3°9′6″）和圓弧、直線（斜線、圓弧、直線組成過渡曲線），如圖3所示。根據(jù)漸開線形成原理，通過改變齒輪齒形坐標(biāo)點，利用斜線將漸開線與齒根圓弧形成圓滑過渡聯(lián)接，避免了拐點的形成；同時由于增大了齒輪銑刀齒根圓角R =8.6mm，提高了刀具強(qiáng)度和使用壽命，減少了由于刀具斷裂、打刀造成的經(jīng)濟(jì)損失。斜線的傾角β 的取值范圍由齒數(shù)決定，一般取值為：3°≤β ≤8°。

      （2）刀具齒根圓角的優(yōu)化設(shè)計 齒輪齒根部分齒形直接由銑刀決定，而齒輪的強(qiáng)度很大程度上決定于齒根部分的截型，齒根部分過小，導(dǎo)致齒輪應(yīng)力集中，在進(jìn)行齒輪熱處理時，齒根部分會因為應(yīng)力集中導(dǎo)致裂紋，同時刀具因刀頭直徑過小，切削強(qiáng)度不足，刀具損失嚴(yán)重，采用合理增大刀具齒根圓角 R，是解決上述問題的有效途徑。根據(jù)漸開線形成原理，反復(fù)實踐及修改設(shè)計，在原設(shè)計齒根圓角R =（0.2～0.3）m、R =0.38m的前提下，將其提高到齒根圓角 R=（0.39～0.52）m，使齒輪達(dá)到強(qiáng)度和刀具壽命的最佳平衡，現(xiàn)廣泛應(yīng)用在車間齒輪加工中，使用中得到良好反饋和驗證。

      下面是刀具齒根圓角改進(jìn)前后，三種不同齒根圓角齒形比較，如圖4所示。

      （3）硬齒面齒輪加工刀具材料的確定 金屬的切削過程中，刀具的切削部分直接完成切削工

作，刀具不但承受很大的切削力和很高的溫度，還要經(jīng)受沖擊載荷和機(jī)械摩擦，刀具材料性能的優(yōu)劣直接影響刀具的質(zhì)量、切削加工生產(chǎn)率、刀具耐程度、零件加工精度和表面質(zhì)量等諸多因素，因此刀具材料在選擇時必須考慮：工件的材料、形狀、刀具類型、加工方法和工藝系統(tǒng)剛度等；刀具材料的高硬度、足夠的強(qiáng)度和韌性、耐熱性、高耐磨性、良好的工藝性能及使用性能。一般情況下，根據(jù)刀具材料硬度選擇高于被加工零件材料硬度的選擇要求，通常刀具的硬度為工件硬度的兩倍以上，所以刀具材料硬度為65.9～67.5HRC，必須具備高硬度、高耐磨性、足夠的強(qiáng)度和韌性及良好的高溫耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性和導(dǎo)熱性能。

      2. 齒輪加工刀具工藝參數(shù)的確定

      在粗加工刀具的設(shè)計中，為避免刀具刀頭過小，刀具強(qiáng)度及鋼性不足導(dǎo)致刀具斷裂，對影響熱處理性能的齒形粗加工留量及刀具參數(shù)的選擇進(jìn)行了周密的分析比較，經(jīng)過對刀具前刃部切削強(qiáng)度承載能力的切削試驗：①外徑留量20mm、齒底留量20mm、齒側(cè)均留量10mm時，粗加工刀具的刀頭直徑只有φ 4mm過小，刃長為32mm，此刀具根本無法實現(xiàn)切削功能，同時由于刀具頭部過小，是造成打刀的根本原因，刀具強(qiáng)度壽命極低。②外徑留量20mm、齒底留量15mm、齒側(cè)均留量8mm時，粗加工刀具的小頭部分刀頭直徑為φ 10mm。③外徑留量12mm、齒底留量15mm、齒側(cè)均留量6mm時，粗加工刀具的小頭部分刀頭直徑為φ 16mm，通過對三種粗加工刀具留量的現(xiàn)場試驗及不同留量對刀具切削性能的比較分析, 最終確定了合理的粗加工刀具齒形設(shè)計方案，解決了在切削過程中由于設(shè)計不合理，刀具頭部過小齒輪清根困難及刀具易斷裂等系列問題的發(fā)生，圖5為三種刀具齒形曲線比較。

      3. 結(jié)語

      通過上述對齒輪加工刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計分析及設(shè)計優(yōu)化，采用本技術(shù)加工制造的齒輪銑刀，由于刀具齒根圓角的增大，提高了刀具的強(qiáng)度和使用壽命，僅此一項可降低刀具消耗30%以上；采用漸開線和過渡曲線之間的斜線聯(lián)接，由于消除了拐點，刀具應(yīng)力集中的尖角效應(yīng)消失，解決了刀具在齒輪加工中斷裂和打刀這一難題，從而節(jié)省了刀具設(shè)計制造費用20%左右；采用新工藝留量后的刀具，由于增大了刀具的設(shè)計尺寸，提高了刀具強(qiáng)度同時增加了齒輪根部強(qiáng)度，有效防止了打刀現(xiàn)象及齒輪斷齒現(xiàn)象的發(fā)生，實現(xiàn)了齒輪加工高質(zhì)量、高效率、低消耗，可提高生產(chǎn)效率30%以上，改進(jìn)后的"一種指形齒輪銑刀"成功申報"實用新型"專利，并獲得第二十屆全國發(fā)明博覽會銀獎。