实体滚切中硬齿面齿轮滚削力的测试研究

D0I:10.13374/j.issn1001053x.1984.s1.022 北京钢铁学院学报 1984年增刊1 实体滚切中硬齿面齿轮滚削力 的测试研究 机械制造教研室 周其混、任獎荣、孙荣平、见落英、刘占 摘要 液齿机上实体液切中硬齿面齿轮是当前具有重大经挤意义的一项加工技术。本 文介绍了对硬度为HRC36~46(HB332~436)中硬齿面齿轮滚削力的测试结果， 分析了各项切削条件变化对滚削力的影响，指出：HRC36~46中硬齿面齿轮的滚 削力一般低于同材质软齿面齿轮的液削力，在此范围内，不同硬度齿面齿轮滚劊力 的变化幅度不大，但是，中硬齿面齿轮滚削力的梯度值大大超过同材质软齿面齿轮 滚削力的梯度值，因此，滚切中硬齿面齿轮时更应注意滚齿过程的动载特性。测试 结果表明：在合理的削切条件下，在普通滚齿机上实体滚切中硬齿面齿轮是完全可 能的。 一、前 言 滚齿机上实体滚切中硬齿面齿轮是当前具有重大经济意义的一项加工技术。这对于提高 生产效率、保证齿轮加工质量和机械性能、延长使用寿命会起到较为有益的作用。因此，我 们在Y38一1滚齿机上用超硬高速钢滚刀对硬度为RHC36~46(HB332~436)、材料为 35CMo和40Cr的中硬齿面齿轮进行了各项切削条件下的实体滚切加工，并进行了滚削力 的测试研究。 功态应 光线示 记景 变仪 波唇 图纸 测试一向被制力的电桥 稳压电源 外电源 由四枚电阻片组成 图】滚削力测试原理及装置示意图 滚削力的测试采用电阻片式三向滚削测力仪并配以动态应变仪和光线示波器，测试原理 参加测试研究工作的还有石油勘探开发科学研究院机械所华欢笙、赵守申、 清华大学精密系金之垣等同志。 71

北 京 钢 铁 学 院 学 报 年增刊 实体滚切 中硬齿面齿轮滚 削力 的 测 试 研 究 机械 制造教研 室 周其嗽尾 、 任共荣 、 孙荣平 、 奥菊英 、 刘 占龙 摘 要 滚 齿 机上 实体滚切 中硬 齿 面 齿轮是 当前具 有重大经 济 意义 的一 项 加 工 技 术 。 本 文介 绍 了对 硬 度为 中硬 齿 面 齿轮滚 削力的 测 试 结果 ， 分 析 了各 项 切 削条件变化对 滚 削力的影 响 ， 指 出 中硬 齿 面 齿轮 的滚 削力一 般低于 同材质 软 齿 面 齿 轮 的滚 ， 力 ， 在 此范 围内 ， 不 同硬 度齿 面 齿轮 滚 创 力 的变化 幅度不 大 ， 但 是 ， 中硬 齿 面 齿 轮滚 制 力的梯度值 大大超过 同材质软 齿 面 齿 轮 滚 例 力的梯度值 ， 因此 ， 滚 切 中硬 齿 面 齿 轮 时更 应注 意滚 齿过 程 的动载特性 。 测 试 结果 表明 在合 理 的制切 条件 下 ， 在普通 滚 齿 机上 实体滚 切 中硬 齿 面 齿 轮是 完全 可 能 的 。 一 、 前 一 、一 口 滚齿机 上实体滚切 中硬齿面齿轮是 当前具 有重大经济意义 的 一项加工技 术 。 这 对于提 高 生 产效率 、 保 证齿轮加工质量和机械性能 、 延 长使 用寿 命会起 到较为有益 的作 用 。 因此 ， 我 们在 一 滚齿机 上 用 超 硬高速钢 滚刀 对 硬度为 ‘ 、 材料为 。 和 的 中硬齿面 齿轮 进 行 了 各项切 削条件下的 实体 滚切 加工 ， 并进 行 了滚削力 的 测试研究 。 一 电 动态应 光故示 桥 变仪 波行 一 盒 外电源 图 滚 创力测试原 理及 装里示 意图 滚 削力的 测试 采 用 电阻 片式三 向滚 削测力仪 并配 以 动态应 变 仪 和光线示 波器 ， 测试原 理 朴 参加 测试研 究工 作的还 有石 油勘 探开 发 科学研 究院机械所 华 欢 笙 、 赵 守 申 、 清华大学精密系金之 垣 等同志 。 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1984．s1．022

左旋 齿轮 图2测PzH力时电阻片贴片示意图 图3主切削力PzH的标定 及配置见图1。滚削过程主切制力即滚刀所受切向力以Pz4表示，测试该力时电阻片的贴片 位置见图2。标定滚刀主切削力P2H时的情况见图3。 我们对此具有代表性的滚刀所受切向力即主切削力Pz作为分析研究对象，将测试所得 到的大量滚削力图形和数据进行处理，初步探索了中硬齿面齿轮滚削力变化规律及滚削过程 特点，得出了几点粗浅看法。 二、滚削力测试基本条件及说明 1.机床Y38一1滚齿机，测试过程中使用滚刀轴和工件（齿坯）轴均为专门设计制造 的。 2.刀具滚刀的规格：外径D=110mm,螺旋角入=4°12'，模数m=7,压力角a= 20°，头数K=1,容屑槽数为9。测试过程中控制滚刀刀齿后面最大磨损量VB≤0.3mm。 滚刀材料、牌号等见表1。 表1 滚削力测试所用滚刀种类 牌号 材 料成分 硬度HRc 精度 生产厂 旋向 C9341N W9M o3Cr4VN 65.5 A 北京工具厂 右 M42 W2Mo9Cr4VCo8 68.5 B 哈尔滨第一工具厂 右 Co3N W12M o3Cr4Co3N 68.5 AA 汉江工具厂 北京工具厂 奢 M2Al W6Mo5Cr4V2Al 68 A 北京工具厂 右 M35 W6Mo5Cr4V2Co5 64 A 哈尔滨第一工具厂 右 注：本表所列均为超硬高速钢，测试时磨损量均控制在一定值以内，所以用表内各种滚 刀对于测试的滚削力影响不大，本文以下各项测试结果中将不再说明用何种滚刀。 3.工件齿轮规格：法面模数m。=7,齿数Z=20,螺旋角B=2230',左旋，材料 种类有35CrMo、40Cr,硬度值HRC36~46,且有退火状态下相应材质的软齿面齿轮作比 72

乙口 闷口 图 测 ， 力时 电阻 片贴片示 意图 图 主切 创力 。 的标 定 及配 置见图 。 滚 削过 徨主 切 削力即 滚 刀所受 切 向力 以 。 表 示 ， 测试 该 力时 电阻 片的 贴片 位 置见 图 。 标定滚刀 主 切 削力 时的情况 见 图 。 我 们对此具有代表 性的 滚刀所受 切 向 力即主 切 削力 。 作为 分析 研究 对 象 ， 将 测试所 得 到 的大里滚 削力图形 和数据 进 行处理 ， 初步探 索 了中硬齿面齿轮滚 削力变化规律 及滚 削过程 特点 ， 得 出了几 点祖浅 看 法 。 二 、 滚 削力测 试基 本 条件及 说 明 机床 一 滚齿机 ， 测试 过程 中使用滚刀 轴 和工件 齿坯 轴均为专 门设 计制 造 的 。 刀 具 滚刀 的规格 外径 ， 螺旋 角 入 ， ， 模数 了 ， 压 力角 。 ， 头数 ， 容屑 槽数为 。 测试 过程 中控 制滚刀 刀 齿后 面最大 磨损最 《 。 滚 刀 材料 、 牌号 等见表 。 表 滚 削力测试所用 滚 刀种类 一右 牌 号 旋一 ” “ 材 料 成 分 硬度 。 精 度 生 产 厂 北京工具厂 哈尔滨第一 工具厂 汉江工具厂 左右 北京工具厂 匕京工具厂 右 哈尔 滨 第一 工具厂 右 注 本表所 列均为超硬 高速钢 ， 测 试 时磨损 量 均控 制在一 定值 以 内 ， 所 以用表 内各种 滚 刀 对 于 测试的滚 制 力影 响不 大 ， 本文 以下各项 测 试 结果 中将不 再说 明用何种滚刀 。 工件 齿轮规格 法面模数 。 ， 齿数 ， 螺 旋 角日二 ， ， 左旋 ， 材料 种 类有 。 、 ， 硬 度值 ， 且有退 火状态 下相应 材 质的 软齿面 齿轮作 比

较用。表2列出试件材料及其齿面硬度。 表2 滚削力测试所用试件材料及齿面硬度 试件号 3509A 3508 3509 3507 3501 3505 3510 3504 3511 3502 35063503 齿 HRc ≈10 38 39.5 40 40.5 42 43 46 46 47 47 47.5 度 Hp 185 349 365 369 375 391 401 436 436 449 449455 试件号 4003 4010 4004 4001 4011 4006 4002 4007 注：35CrM0 4008 件号为35×× 40Cr HRe 17 38.5 38.5 39 39 40 40 42.5 件号为40×× 面 以下报告内将不 度 H 211 354 355 360 361 372 372 382 398 再说明件号及H。 只说明HRc一 切削用量 切削速度Vm/min-17.62(n=47.5r/min) 垂直进刀量Smm/r一0.5 切削深度tmm一9 5.其它切削条件 滚削方式为顺铣。切削液为硫化机油。 上述各项为测试滚削力时的基本条件，如果有变化将予以具体说明。 三、滚削力测试结果及分析 1.材质硬度HRC(HB)对滚削力的影响 (1)试验数据见表3和表4。（测试时所用力的单位为Kgf一公斤力，现按国际工程 制以N一牛顿作为力单位时，1Kgf=9.807N) 表3 35CrMo齿坯不同硬度时的滚創力(Kg·f) 齿 面 硬 度HRc 试验次数 ≈10 38 39.5 40 46 46 47 47 1. ti9mm 249.96 247.78 251.35 251.90 254.93 253.28 242 t 32 mm 451.83 357.50 349.53 345.95 323.95 364.65 354.48 表4 40Cr齿坯不同硬度时的滚削力(Kg·f) 齿 面 硬 度HRc 试验次数 17 39 40 42.5 1.t19mm 307.45 235.95 239.25 246.13 2.t:10mm 371.25 272.25 3.t23m m 385 338.25 注：本文以下各图表内t:粗切第一刀，t2粗切第二刀；t,精切第一刀。 73

较用 。 表 列 出试件材料及 其齿面 硬 度 。 表 滚削力测试所 用试件材料及齿面硬 度 试 件号 齿 、 ‘ ” ‘ ” 面 … 硬 。 度 试件号 注 件号为 齿 乙 面 件号为魂 硬度 切 削用 量 切 削速 度 一 垂 直 进 刀 量 一 切 削深度 一 其它切 削条件 滚 削方式 为顺 铁 。 切 削液 为硫 化机油 。 上述 各项为 测试 滚削 力时 的 基本 条件 ， 如 果有变化将予 以具体说明 。 三 、 滚 削力测 试 结果 及 分 析 材 质硬 度 对滚削 力的 影 响 试 验数据 见表 和表 。 测试 时所用 力的单位 为 一 公 斤力 ， 现按 国际 工程 制 以 一 牛顿作 为 力单位 时 ， · 表 齿坯不 同硬 度时的 滚创力 齿 面 硬 度 。 试 验 “ ” ，一而 一 飞宫下添丁丽 丁丽可万刃一丽一阵不 二业二卜耳不互回亘三竺玛三竺… 一 · ‘ ‘ · ” “ · ” · “ · · 二· “ 三· 表 齿坯 不 同硬 度时的 滚削 力 齿 面 硬 度 。 尹 试 验 次 数 一 － 一 一 一 一 。 一而一 一赢刀 一一 一 ’ · 注 木 文一以下 硫 各图表一内 粗切 第一 刀 粗切一第二 刀 精切 第一刀

(2)结果分析 ①试验数据表明在相同切削条件下，实体滚切HRC36~46范围的中硬齿面齿轮比滚 切HRC10~17软齿面齿轮滚削力有所降低，约降低20%。见表5及图4。 表5 中硬齿面与软齿面齿轮滚削力的比较(Kg·) P 材 质 测试次数 软齿面齿轮 PZH 中硬齿面齿轮 zH均值 (不同切深) 齿面硬度H。《Kg·) 齿面硬度HR。 (Kg.f) 差值△PzH 降低率% 35CrMo1.t32m m HRc≈10 451.83 HRc38~47 6件 349.25 102.58 22.7 2.t19m m 307.45 HRc39~42.5 3件 240.35 67.1 21.8 40Cr 3.t.10mm HRe17 371.25 272.25 99 26.6 HRc39 4.ta3m m 385 338.25 46.75 12.1 对材质40Cr的中硬齿面及软齿面的两试件在 V17,62m/min 粗切第一刀(t1=10mm)时还测试了两者的功率， S =0.5mm/r 结果是中硬齿面齿轮的功率比软齿面的下降17% 4001 (由1.17KW减至1KW)。其结果与硬度对力的影 响是一致的。 300 我们认为，在一定条件下加工中硬齿面齿轮， 200 10 2030 HRe 其滚削力既因硬度、强度提高而增加，又因塑性降 低而使之减小，它的宏观数值是两者作用的结果。 图4 中硬齿面与软齿面齿轮滚 当后者起主要作用时，滚削力就如试验数据表明的 削力比较图 那样，会有所降低。 表6 中硬齿面齿轮滚削力PzH变化情况(Kgf) 材 质 测试次数 P2H均值 PZHM 增加 △PzH) 减少 增减总 (+ △P2H) (不同切深) (Kg.f) (Kg.f) % P2H均 (Kg·f) % P2H均 百分率 % t19mm 7件 250.17 254.93 1.9 242 3.26 5.16 35CrMo t32mm 6件 349.33 364.65 4.38 323.95 7.26 11.64 40Cr t19m m 3件 240.43 246.13 2.37 235.95 1.86 4.23 ② 上述中硬度范围内(HRC36~46),当切削条件 相同时，滚削力的变化并不显著，其增加或减小的幅度约 kg-f V=17.62 m/min 400 S=0.5mm/r 为±5%左右（见表6和图5）。这种幅度不大的增减主要 是由于工件材质的不均匀性、刀具在控制范围内的磨损量 350 。一一一第均值线 变化、测试计算过程中各种随机因素的影响等所致。 ·300 ③滚削过程是断续切削过程，因此，滚削时产生冲 击是不可避免的。在滚切中硬齿面齿轮时，特别在粗滚的 250叶二二-32二二二二。均值线 情况下，这一冲击现象达到相当严重的程度。由测得的滚 20 3035404550HRc 刀的一排刀齿从切入到切出的全过程中滚削力PzH变化的 波形图（图6）看出，中硬齿面齿轮滚削力的梯度值△2 图5中硬齿面齿轮滚削 力变化示意图 74

结果分析 ① 试 验数据 表明 在相 同切 削条件下 ， 实体滚切 范围的 中硬齿面齿轮 比滚 切 软齿面齿轮滚削力有所降低 ， 约降低 。 见表 及 图 。 表 中硬齿面与软齿面齿轮滚削力的 比较 材 质 ， 型述咨憋 、 丛卿丝嗽 ， 了 。 ，、 史彗誊勇曹攀 月，约滇… 差 值 △ 。 降低 率 二二二匕型竺竺巴巴燮竺巴竺竺型笠翌竺里兰生巴生兰全红‘ 一 一 。 ， 。 、 ， 、 。 。 二 二 。 。 月 。 。 。 ， 。 。 ， 。 一 毕一。 。 。 与 钾 。 乙 】 仄 当封 勺 。 石 ， 小 任 廿 。 ‘ ‘ 。 “ 一 ‘ 一一一一一一之一－－一 斗一一一止丝互一一一丰一 ， －一已一一一一一一共一一一一一 ‘ 芝几厂 · 二‘ 二一一一 二 二 一 一班 一 －－ 一 － － …一－ －－－ 二 · ” 价爪 ” ” · “ · ‘ · ‘ 对材质 的 中硬齿面 及软齿面的 两试 件在 粗切 第一 刀 二 时还 测试 了两 者的功率 ， 结果是 中硬 齿面齿轮 的功率 比 软齿面 的 下 降 由 减至 。 其结果 与 硬度对力的 影 响是 一致 的 。 我们认为 ， 在一定条件下 加工 中硬齿面齿轮 ， 其 滚削力既 因硬度 、 强度提高而增 加 ， 又 因塑 性降 低而使之减小 ， 它 的宏 观数值是两 者作用 的 结果 。 当后 者起主要作用 时 ， 滚 削力就如 试 验数据 表 明的 那 样 ， 会有所降低 。 一 盆 ‘ ‘ 一 犷 月 。 图 中硬 齿面 与软齿 面齿 轮滚 制 力 比较 图 表 中硬 齿面 齿轮滚 削力 变化情况 材 质 测试 次数 不 同切 深 。 均一 值 卿 口‘ 糯 。 一 减 少 ‘ 翌丛均 ‘ 增 减 总 百分 率 ， ‘ 。 件 。 ， ， 。 ， 。 。 ‘ 。 。 。 。 巴 ， 。 。 廿 。 尸 。 一 ， ‘ 怪 。 廿 。 廿 ‘ 任 ‘ 。 ‘ 。 。 孟 尸 ， 一 、 万 ‘ 。 】 口 勺 丫 一 一 － 一一甲二二万 一一一 －－－ － － －－ 】 。 ‘ 。 午 。 。 ， 。 ， 。 。 。 。 。 ， 。 。 ， ， 。 ‘ 。 ，‘ 。 。 。 。 任 。 任 。 ‘ 口 。 廿 ‘ 。 ‘ 上 。 任 怪 沙 ， 件 ② 上述 中硬度范围内 ， 当切 削条 件 相 同时 ， 滚削力的变化并不显著 ， 其增 加或减小的幅度约 为 土 左右 见表 和 图 。 这种幅度不大的增 减主要 是 由于工 件材质的不 均匀性 、 刀具在控制 范 围内的磨损量 变化 、 测试 计算过程 中各种随 机因 素的 影 响等所 致 。 ③ 滚 削过程 是断 续切 削过程 ， 因此 ， 滚削时产生 冲 击 是 不可避 免的 。 在 滚切 中硬齿面齿轮时 ， 特别 在粗滚的 情 况下 ， 这一 冲击 现象达 到相 当严重的程 度 。 由测得的 滚 刀 的一排刀 齿从切 入 到切 出的全过程 中滚 削力 变化的 一 贾 一 、 名 一 心 一 均通纽 ，“，于 嗡 二尽 二 经 二二 均值线 ‘ 该产节一畜一窃一燕 ， 力中硬变齿化 面示齿意轮图滚 制 波形 图 图 看 出 ， 中硬 齿面 齿轮滚削力的梯 度值 △ △ 图

图6滚切中硬齿面与软齿面齿轮滚削力PH2的波形图 (即单位时间内，滚削力增加或减少值，单位公斤力/毫米)大大超过软齿面齿轮的梯度值， 数据列于表7。这样，本来就不平稳或不均匀的滚削过程将更加剧其冲击和振动。从而对滚 刀的磨损或破坏、加工的质量、机床的动态性能等产生不利的影响。因此，在滚削中硬齿面 齿轮时，必须重视由于冲击和振动的加剧而带来的动载荷问题，要注意保证合理的切削条件 如滚刀的材质和磨损量、滚削用量及切削液的正确选择等。 表7 中硬齿面与软齿面齿轮滚削力梯度值的比较(Kg·f/ms) 材质 测试次数 中硬齿面 软齿面 增加串% (不同切深) HRc39 HRe17 梯度值差 1. t110mm 10.08 5.8 4.28 73.79 40Cr 2. t23m m 22.40 14.0 8.40 60 2.切削深度t对滚削力的影响 模数m较大的齿轮显然很少能一次粗切进行全齿深实体滚切，因此，当分析切削深度t对 滚削力的影响时，需要考虑粗切第一刀t,与第二刀t,间以何种比例分配对滚削力的影响比较 合理的问题。 (1)试验数据见表8，且将数据示于图7。图8为双对数坐标上的t:一P2“1对应关 系。 表8 不同切削深度(t:和t2) 时的滚削力(Kgf) 材质 齿面硬度t, P HRc Im m t:/m H1 ZH2 Kg.f P2H:/P2HI 评价 35CrMo 42 13 1.875 412.78 0 412.78 11 1.571 313.78 2 0.285 245.03 558.81 0.78 101.428 272.25 l0.428 290.40 562.65 1.066 好 47 257.68 311.03 568.71 1.21 较好 9 1.285 247.78 0.571 327.80 575.58 1.323 39.5 248.05 381.43 629.48 1.538 8 1.142 231 5 0.714 48 240.63 353.65 594.28 1.47 40Cr 17 101.428 371.25 3 0.428 385 756.25 1.037 好 39 272.25 338.25 610.5 1.242 较好 75

不 】【 一， 刁， ，叫卜，， 「 「 「 「 呼 「一 一‘ 产 」 、 ， 一风 仁二二「一 一一二 】 一「一 － 一「一 飞 日， 一 日 丫 日 万 ， 「一 吸曰尸 一〔 二 、 曰 少七〔 二二〔 二二 一 百 尸 「 石石石 一硬 石硬 林以 法一 一 厂二 〔 二二 … 月 ‘ 二 一 二二 口尸 甲 甲一二「 二「一 「一 － 二 习「 ， ，，，口，‘ ‘ ‘ 二， 竺竺 一 亡二亡二亡二〔 二二 认 〔二 〔 二 二一 「 甲「 一 〕 曰刃 目 ， ‘ 卜 ‘ 创 内 杏 口口 二 「 」三 〔 了不」 万 共目尸日 【，丁刃 〔 二了〕 「一一〕 【一一〕 一一 「一〕 「 门 「 」 「 门「 门『 二 ， 门【 几 刁 自口尸 、 尸 下 日卜 ‘ 『一一勺「一 二刁『 一勺压二〕 一 『 尸产 … 一 口，口尸 一「 下 下叼二〕 曰 ，二 口 一 口硬一二二一 〔 」「 ， 一洲 甲 一 二 二】「一 门门 「一 石 ， 么 图 滚 切 中硬 齿 面 与软 齿 面 齿 轮滚 制 力 的波形 图 即单位 时 间 内 ， 滚 削力增 加或减少值 ， 单位公斤 力 毫米 大大超过软齿面齿 轮的梯度值 ， 数据列 于表 。 这样 ， 本来就不平稳或不 均匀的 滚 削过程 将更加剧 其 冲击 和振动 。 从而对滚 刀 的磨 损或 破坏 、 加工的 质量 、 机床的动态 性能 等产生不 利的 影响 。 因此 ， 在滚 削 中硬齿面 齿轮时 ， 必须 重视 由于 冲击 和振动 的 加剧 而带 来的动 载荷问题 ， 要 注意保 证合理的 切 削条件 如 滚 刀的 材 质和磨 损 量 、 滚 削用 量 及切 削液的正确选择等 。 表 中硬 齿面 与软齿面 齿轮滚削力梯度值 的 比较 中硬 齿面 软齿面 。 … 。 切 削 深度 对滚 削 力的 影 响 模数 较大 的 齿轮显 然很少能 一次粗切进 行全 齿深实体滚切 ， 因此 ， 当分析切 削深度 对 滚削力的 影 响时 ， 需要考虑 粗切 第一 刀 与 第二 刀 间 以何种 比例分 配对滚 削力的 影响 比较 合理的 问题 。 试 验 数据 见表 ， 且 将数据 示于 图 。 图 为双 对数坐标 上的 一 ， 对应关 系 。 表 齿面硬度 不 同切 削深度 和 时的 滚削力 材 质 淞补 · 称 一 疏 沙 ， 评 价 月” · 吐· · … · … 较奸