圆柱齿轮刀具关键难题系列——设计篇（暂缺前言）

neng_jiang

0，前言

1，整体方案设计。

业界有一句话说得非常狠：做齿轮刀具的，必须要比做齿轮的和做齿轮机床的都更懂齿轮！
这是很有道理的。也正因为如此，对齿轮制造系统进行整体方案设计和整体优化的，往往由齿轮刀具供应商完成。

在整体方案的设计中，以自上而下的设计思想为指导，以整体优化为目标，达到和超过齿轮加工精度，效率，成本的客户要求。

基本的设计思路：
1.1  理清客户要求。被加工工件，加工节拍，整体方案的层次（有的要求高的甚至需要刀具供应商为其设计设备工装投入方案）
1.2  清楚客户现有条件。包括设备能力，技术能力，操作能力，热处理水平，批量大小，预算等
1.3  确定工序。滚+剃，滚+磨，插+剃，粗滚+精滚，怎么剃，怎么磨等
1.4  将加工要求分解至每部工序，并确定前后工序的配合要求。
1.5  确定单个刀具的几个重要指标，包括（单次修磨寿命级别，单件加工时间，切削速度级别，修磨寿命等） 如果发现有指标过高，应返回1.3重新确定工序
1.6  确定刀具定购数量，周期和交货期。
1.7  确定刀具基本参数，包括（结构形式，材料，涂层，孔径，外圆，长度，头数，槽数等）
1.8  报价（附技术方案）。如果不能通过，返回1.5或者1.3
1.9  进行刀具结构设计。
1.10  给出加工工艺，包括（切削速度，走刀量，进给速度，切削深度，窜刀策略，单次修磨量，修磨间隔等）。并验算 1.5 中的的指标。如果怎么都达不到，返回 1.7 重新确定；若仍然达不到，返回  1.5甚至1.3
1.11  客户确认

其中几个要点：
**  客户与供应商相互信任，密切合作。
**  双方合作的具体操作人员，必须在技术上有相当好的可交流性。
**  刀具的成本在整个加工系统中的比例 <6%，但是刀具所影响到成本的比例却 >75%。所以采用高性能刀具以降低整体加工成本，是整体方案的基本方法之一。
**  考虑到前后工序的配合关系和刀具管理及修磨的重要性，最好所有的刀具和服务（管理和修磨）由一个供应商提供。
**  方案至少需要制作2个。
**  保险系数须根据经验初定，也可根据试验结果修正。

难点：
**  整体把握


2，刀具寿命的评估

在整体设计方案里，这个问题是一个中间环节。
目前多根据经验评估，在整体设计中再加上一个保险系数。

进一步的发展，应该牵?2.1  寿命评估的指标体系以增进评估的可计算性
怎样可以，用一个或多个指标，来衡量刀具的基本切削能力，再通过计算得到某个具体刀具设计的切削能力。
如现在多采用的，滚刀单牙切削长度。在一定切削速度和被加工工件材料条件下，单个牙齿切削的长度，由刀具材料+涂层确定。然后滚刀的总牙数*这个数值，就可以得到总切削长度。滚切的长度，则可以由工件参数和滚刀参数计算得来。
再比如，被加工材料的难易程度，可以用可加工性的某个系数来评估。
还需要考虑机床刚性，冷却条件，加工方式，某些关键参数等等。
建立起一整套的指标体系，才能更准确和方便地评估刀具寿命。

2.2  切削数据库
将刀具使用的实践和经验，整理到一个统一的切削数据库中。
让齿轮加工，能够像普通加工，钻车铣那样，有一个整合的统一的切削数据库。
在这个数据库的基础上，可以统计，可以分析，可以进行切削试验的数据分析。
还可以为刀具结构设计提供反馈和验证。
这样一个公司的经验积累，速度将会是相当快。
而不是单纯依赖经验。

2.3  进行关键性的切削试验
有计划有选择的进行关键性切削试验，并将数据记录。其他的刀具寿命评估，就可以与这些关键案例进行对比和修正，从而获得一定的参考价值。
齿轮刀具设计自由度太大，是其基本特点之一。
案例式的切削试验，毫无疑问可以让寿命评估更准确更方便。

2.4  提出更高的要求
2.4.1  对刀具的性能稳定性提出更高的要求
我们常说这么一句话，一个公司的刀具好还是不好，不是看一次两次谁切的齿轮多，而是看百次千次是不是你都切得下这么多齿轮。
这就是性能的稳定性。与热处理，材料，涂层，机加工都关系紧密。是一个典型的木桶模型，即性能由最差的环节决定。
2.4.2  对被加工齿轮的材料稳定性提出更高的要求
被加工齿轮的用材，热处理水平，如果稳定性不好，都会直接影响到刀具寿命
2.4.3  对刀具结构设计提出更高要求
如何进行结构优化设计，才能最大限度发挥出刀具的切削能力，依然是刀具结构设计不懈的追求。
2.4.4  对刀具的使用提出更高的要求
合理的切削参数，高刚性的设备和装夹，合适的冷却，熟练的操作，合理和严格的刀具管理，都是发挥刀具性能的前提。

难点：
**  本身就是高难度
**  变量太多


3，刀具结构参数设计的优化

这里说的优化，指的是在已有基础上的改进。
优化基本的方法是：
**  数学建模进行分析
**  使用软件分析
**  从使用中得到反馈和验证

目前主要是靠经验但又很重要，需要进行优化的设计，有如下几个难题：
3.1  滚刀铣刀槽型优化
如何选取合适的参数组合来设计槽型，以达到强度刚性和容屑排屑性能的最佳平衡？
这个优化，对于高速切削干切削，对于粉末钢硬质合金滚刀，尤为重要的。

3.2  滚刀插刀刃型优化
刃型（已经包括了变压力角），关系到刀具切削角度，流屑，磨损的均匀性等重要因素

3.3  滚刀铣刀插刀切削角度优化
包括前角后角刃倾角（滚刀与螺纹升角相关）等
在多个角度参数之间的平衡，在性能和精度之间的平衡，在单次修磨和修磨次数之间的平衡等

3.4  插刀铣刀最佳变位
这也是一个求解最佳平衡的问题。

3.5  剃刀最佳啮合角
直接关系到啮合过程的质量和剃刀加工的难度。

3.6  滚剃之间，插剃之间，粗滚精滚之间的最佳配合
我们经常碰到的是，多照顾后续工序，则前道工序约束加大；优化了前道工序，后道工序却很难照顾到。

3.7  被加工齿轮齿根部分的优化
由于齿轮齿根部分直接由滚刀铣刀插刀决定，而齿轮的强度很大程度上决定于齿根部分的截型，所以，如何设计滚刀插刀，使其截型优化，达到强度和刀具寿命的最佳平衡，是一个很有价值的课题。
对于某些重载齿轮特别重要。

3.8  磨损均匀
无论滚铣插剃，不均匀磨损都是很突出的问题。
如何通过结构设计提高磨损均匀性，对于提高刀具寿命有着直接的意义。

3.9  工艺参数的优化
如何选取走刀量，进给策略，窜刀策略？如何在经验的基础上优化？
理论基础？

3.10  剃刀槽型优化
对梳槽（环形槽），如何优化槽型？
可以说，剃刀寿命起码 50% 取决于梳槽（环形槽）。

3.11  径向剃刀槽排列优化
径向剃刀槽的排列，也是表面质量，效率之间的一种平衡。
而梳槽在牙齿上的位置，对牙齿的强度和排屑，都有很重要的影响。

3.12  剃刀牙齿截面参数优化
为什么有些公司能够对1模数的剃刀梳槽，而国内<1.6模数，几乎全部采用环形槽！
这里面是有技术含量的。其中一部分就来源于设计。
在剃刀各种参数之间平衡，以求精度强度和性能的平衡。这种高于经验之上的优化设计，相信会让剃刀设计更上层楼。

3.13  剃刀最佳螺旋角
这个问题，牵涉面非常广。主要以经验为主。各家有各家的经验。
为什么不从理论出发，以切削试验为验证，来进行优化？！

3.14  剃刀最佳齿数
现行的设计，一般不会考虑这个问题。就像很多设计者一般不会考虑滚刀插刀的外径也存在最佳值的问题。而且，通过改变齿数，往往能够从某些约束中脱身。

3.15  滚刀铣刀键槽位置的优化
当滚刀槽底距孔壁很近时，滚刀存在着在键槽处开裂破坏的风险。
通过分析确定键槽的周向位置，可以降低开裂破坏的风险。

3.16  整体方案设计中基本参数的优化
如外径，长度，头数，槽数这些基本参数，平时订单里都规定了。
但是在整体方案设计中，这些参数由设计者来定。那么，这个最优解，怎么来求？

3.17  倒棱刀参数优化
由于倒棱刀的寿命一般很高，所以其参数优化的研究并不多。
而实际上，对倒棱刀的参数优化，往往能够有效降低修磨次数，并实现一刀多用。

难点：
**  解决一个不算难，解决所有的就不简单了


4，特殊齿轮刀具的设计

这里说的“特殊齿轮刀具”指的是，区别于普通的常见的滚铣插剃的齿轮刀具。其设计具有特色，颇具创新，自成一体，需要进行特殊设计（包括优化）。

4.1  粗切滚铣刀
追求大切除率的高效率加工。
一般模数较大。有轮切式，后刀面分屑槽等结构
设计粗切滚刀，不仅可以借鉴以上思路，还可以有其他思路。
另外，不论轮切结构，后刀面分屑槽还是其他的思路，各种参数的搭配平衡都会对刀具精度和性能造成很大的影响。
轮切式滚刀如下

后刀面分屑槽滚刀如下：


4.2  非圆柱形滚刀
带锥度，鼓形凹形等。
新一代的CNC铲磨机和刃磨机，大多数支持非圆柱形滚刀的磨削。
这使得设计工程师，具有了在轴向截型上设计的发挥空间。
一般来说，主要着眼点是磨损均匀，防根切。
下图是一个大锥度滚刀，怀疑是用来加工锥蜗轮。
锥蜗轮介绍： http://www.jxcad.com.cn/read.php?tid=44323


4.3  柄式/多联滚铣刀
柄式滚铣刀与孔式滚铣刀相比的优势：
**  大大提高了定位精度
**  在制造上，也为刀具供应商和齿轮制造商降低了不少的工装成本（主要是芯轴）
**  对硬质合金滚铣刀而言，柄式结构加工要容易得多
基于以上原因，柄式滚刀取代孔式成为主导结构将是大势所趋。
其设计，有些是标准柄（成文发布的或者齿轮制造公司专用的），有些需要设计，沟通。
多联（一般双联）滚刀则可以一次装夹滚切多个不同规格的齿轮，故常用于齿轮轴。
这里的设计要点是制造方便和性能之间的平衡。配图：


4.4  多头/多槽/大直径/超长度滚刀
这是目前欧美比较流行的设计思想。与传统滚刀设计相比的优势：
**  降低被加工齿轮单件制造成本
**  大大提高效率
**  多槽数的滚齿精度更高
**  降低修磨次数，减少了修磨后的齿形误差，并提高了全铲磨的比例
对刀具制造和使用提出更高的要求。

4.5  一次性滚刀/插刀
以下就是传说中的 wafer hobs & wafer shaper cutters
这两种设计，已被 Gleason 申请专利（在国内不知道申请没有）。将4.4的减少修磨次数的设计思想发挥到极致，不用修磨，用完就扔。所以英文名为 thrown hobs, thrown shaper cutters
要点：
**  解除了考虑修磨的约束，设计工程师的刀具结构参数优化就可以得到极大的解放，从而大大提高刀具性能
**  降低被加工齿轮单件制造成本
**  对于齿轮制造商而言，不用考虑刀具修磨问题，刀具的使用得到简化
**  制造工艺不同
**  优化设计方向和思路不同


4.6  双压力角滚刀剃刀
主要应用在油泵齿轮。
其有效齿形的设计计算和结构设计，异于普通齿轮刀具。

4.7  强力剃刀（高速剃齿刀，同期式剃齿刀）
相关信息：
http://www.jxcad.com.cn/read.php?tid=264807&page=e&#a
http://www.jxcad.com.cn/read.php?tid=220199#2289907
完全跳出普通剃齿切削速度范围。
选材，槽型，参数设计迥异
需要 5.10 支持

4.8  交错式滚插剃（跳牙）
对付小模数齿轮的一个方法是交错式切削，即节距为被加工齿轮的两倍，其他参数不变。对于插刀剃刀相当于隔一个牙缺一个牙。对于滚刀，相当于螺纹每2头缺1头。这是以效率为代价的极限加工。由于各种原因并未推广。但仍不失为特殊情况下的一种思路。
一个应用案例：
http://www.jxcad.com.cn/read.php?tid=31677

4.9  倒角滚刀
发动机启动齿轮（大）和部分倒档齿轮的端面需要切出一个半牙宽的倒角，方便齿轮轴向切入啮合。要切出端面截型为直线，深度够，同时又不干涉的倒角，刀具的设计是最重要的。设计者还需要给出安装数据。
现行的倒角加工，很少用滚刀。很大一部分原因是刀具设计能力不够。

4.10  蜗杆式剃刀
普通剃刀是齿轮式。蜗杆式曾有研究，后来由于各种原因并未推广。但随着新型材料涂层的应用，该类型剃刀在高速剃齿/硬齿面剃齿中，有可能得到新的应用。

4.11  齿向锥度剃刀
倒档齿轮一般都采用齿向锥度。
现行剃刀设计一般很少考虑锥度的影响。事实上锥度齿轮的剃齿都很多的问题，诸如划伤，齿形差，光洁度差等，都与锥度有关。如何优化设计锥度剃刀，是一个具有实用价值的问题。

4.12  齿条铣刀
为环形。相当于多个单片齿条铣刀并联。其结构参数设计和优化，与滚刀和普通铣刀不同。

4.14  筒式插刀
插刀牙齿在内，造型为内齿轮。应用在与普通插刀发生干涉的锥度齿轮。由于制造工艺迥异于普通插刀，再加上结构不一致，其设计优化与普通插刀不同。

4.15  环形槽剃刀
这是为了对付模数较小的齿轮，采取不同结构形式的剃齿刀。槽贯穿剃刀牙齿。一般槽为环形。但也有的设计，把槽做成螺旋。其设计与普通剃齿刀着眼点不一样。配图（注：该剃刀的涂层仅为了观赏需要）：


4.16  高速/干切滚铣刀
高速干切，是未来金属切削技术（包括齿轮加工）必然的发展趋势。要点：
**  汽车车型迅速开发迅速投产，对零部件的交货期提出的要求将是越来越高
**  高速切削固有的优势，反而能够更好的发挥刀具的性能
**  环保的压力在任何一个国家，都会越来越大，直接推动干切的应用
**  高速/干切机床，需要高刚性，CNC，高速元件等特性
**  配用自动上下料，可以进一步缩短总加工时间
该滚铣刀的选材（甚至参与材料厂家的新产品开发），选涂层，工艺，结构参数设计，都和普通滚刀有区别。需要 5.8 支持
这是一个关键问题，和4.3, 4.4一样，需要我们引起足够的重视。配图：


4.17  零造型误差滚刀
得益于CNC铲磨机和测量仪器的应用和发展，设计者可以进行滚刀的非近似造型，将滚刀设计误差降为零。这在高精度滚刀的应用中，非常有价值。

4.18  特殊刃型滚刀
同样得益于CNC铲磨机的应用和发展，设计者可以借助特殊设计软件，将刃型复杂化，不再是齿顶圆弧，齿根圆弧这样简单的圆弧曲线，从而达到刃型优化和齿轮根部截型优化的效果。与3.2和3.7设计思想一致。

4.19  蜗轮滚刀
蜗轮滚刀的结构参数设计和优化，不同于普通齿轮滚刀。
而且根据不同类型蜗轮，不同材料，都会有很多设计者充分发挥的空间。

4.20  高精度高性能特殊齿形滚刀
特殊齿性种类繁多，链轮，摆线针轮，同步带轮，矩形花键，圆弧，双圆弧，等等。甚至转子这些非齿轮类的零件也可以用滚刀展成加工。技术的发展，对特殊齿形滚刀的精度和性能提出更高的要求。
要点：
**  齿形计算。需要原理层面和软件的支持
**  结构参数优化。齿形计算的结果往往不是唯一解，这样就给了设计者更多的设计余地和发挥空间；根据不同的齿形，结构参数的选择优化也不一样
**  与CNC机床，测量之间需要接口
配图


难点：
**  分析与经验并重，原理层面和应用方面都必须能够把握
**  大部分特殊刀具需要软件支持和切削试验验证
**  大部分特殊刀具需要具备相应的制造能力


5，齿轮刀具原理/理论

**  引用一句话：只有和数学挂上钩了，才能称得算科学
（引用自 http://www.jxcad.com.cn/read.php?tid=160270 ）
齿轮刀具在原理层面与数学关系非常大。也难怪老一辈齿轮刀具专家，大部分有着深厚的数学功底，尤其是空间解析几何。
**  总的来说，齿轮刀具是齿轮和刀具的复合。在原理层面，也主要划分为数学模型计算和金属切削原理两部分。
**  一般来说，设计工程师，并不需要在原理这一部分多花心思，特别是在 CAD 技术日益发展的今天。这部分主要是研发人员的战场。
**  正因为齿轮刀具研发人员在数学上的优势，通用刀具的很多研发项目在他们看来是小菜一碟。这是由数学工具在工程技术上通吃的特点所决定的。
**  由于齿轮刀具的复杂性和专用性，大部分公司的研发与设计是重合的。也正因为如此，很多的研发人员来源于设计工程师，或兼做刀具设计工作。
基于上，将该部分置于设计篇中。
也同时鼓励更多的人才，投身到齿轮刀具研究中来。

5.1  滚刀的空间造型设计
根据共轭原理和啮合关系，从被加工工件齿形反求滚刀的齿形。目前（包括国外）主要使用平面设计方法进行造型，将滚刀近似看作齿条，存在固有设计误差。在一定情况下，设计误差会增大到不可接受的地步。空间造型，可以从根本上消除设计误差。
两种基本方法：解析几何，三维软件 （在 http://www.jxcad.com.cn/read.php?tid=273537 已有一定的实践和讨论）
如果把渐开线，摆线，矩形，圆弧等林林总总的齿形都实现空间造型设计，那将会是一个庞大的工程。
原上海工具厂高工奚威，在这方面有过研究成果。

5.2  剃刀偶接触理论（类似平衡剃齿）
偶接触理论（Even Contact ）在西方很流行，已经运用到剃刀设计中。
基本原理：
**  剃刀与齿轮的接触点数目为偶数时，左右面单点承受压力相等，从而切除量相等。
**  随着剃刀的转动，接触点数目应尽量控制在偶数，如2-4-2, 4-4-4, 4-6-4 等，而不是2-3-2, 3-4-3 等
**  非偶接触，造成最常见的现象，是齿轮齿形呈 S 形
**  接触点数目的控制，主要通过啮合角（实际压力角）和外圆
**  径向剃同样适用
**  剃前滚与剃齿必须有合适的配合
但是，偶接触理论的局限性仍然很大。如何完善该理论，是一个大家（包括国外）都很感兴趣也很有价值的问题。

5.3  修形剃刀齿形齿向修形量的求解
剃齿的复杂性，使得修形剃齿的结果，很难达到预想的齿形。目前大多采用经验数据，进行试剃，然后再调整。
如果能够在理论上建立足够精度的数学模型，解决这个问题，将是极具使用价值的。同时，足够精度的数学模型本身，也能够拿来分析剃齿过程的其他优化问题。
要点：
**  在几何上根据齿轮齿形，求解出共轭的剃齿刀齿形，能够将试剃次数减少，能够将经验数据看作几何理论数据的修正从而建立一定的经验公式。基本的方法，仍然和 5.1 一样，解析几何和三维软件
**  建立的数学模型，考虑齿轮变形，接触点数目，剃削区域等造成误差的重要因素，在理论上彻底解决这个问题。
**  剃刀修形对齿厚外圆公差等，安装误差有更高的要求

5.4  滚插刀铲磨的误差控制
众所周知，滚插刀修磨后，齿形会畸变。这是由铲磨本身特性所决定的。
定量的研究误差大小和控制，又是一个数学问题。基本的方法，仍然和 5.1 一样，解析几何和三维软件。
需要解决铲磨砂轮最佳截型，安装参数，对设计的反馈等子问题。
该问题，在某些特殊齿形滚刀中会很突出。一来很多特殊齿形滚刀的设计，把可修磨长度放得很大；二来很多特殊齿形滚刀的螺旋升角很大，如蜗轮滚刀。

5.5~ 5.9  
这些是金属切削方面的典型基础课题。目前在车削，铣削和孔加工上研究比较多。而齿轮刀具由于太复杂，很难做，所以研究极少。往往需要专门的研究机构介入。公司级别的研究很难有所重大突破。但是作为基础研究，其任何进展都会对设计制造使用产生指导性的作用。

5.5  齿轮加工切削热场分布及影响
切削热场，印象中去年看到德国有一个研究所做了这方面的试验。
深入地研究，是非常困难的。
但是由于切削热对切削刀具的重要性，在切削热上的任何进展，都会对刀具设计加工和使用产生的指导性的作用。
难度比较低一些的课题有：
**  切削温度峰值的大小和大致位置及变化
**  切削热传入工件，切屑，刀具的大致比例及变化
**  切削热/温度的计算
这些子课题，对磨损形式和位置的确定，材料涂层的选择，结构参数的设计，冷却都有指导意义

5.6  齿轮加工切削力和振动
切削力的研究做得比较多。但是切削力和切削热，速度，切屑的关系，却仍然没有准确的把握。
切削振动研究少。而事实上，很多情况下，我们都发现振动是很大的问题。除了机床和装夹的刚性问题外，刀具误差和切削加工产生的振动，是很难控制的。目前尚无一个明确的指导性准则。而振动对加工精度和刀具性能都是相当不利的。
这方面，需要给复杂的齿轮加工建立振动模型，需要进行切削试验验证。
所得到的成果，会对刀具误差控制，刀具设计和生产产生指导性的意义
这就是基础研究的威力

5.7  切屑研究和控制
做齿轮刀具设计的朋友，可能基本上看过袁哲俊那本经典的《齿轮刀具设计》。书里面几次提到切屑的分布和流向。但是这样的考虑对于高性能刀具来说，是远远不够的。
目前有公司在经验上关注了这个问题，发现刀具很多性能和设计与切屑问题有关。
难度比较低一些的课题有：
**  切屑厚度随结构参数和切削参数的变化。这可以从数学上求解，或者仿真
**  切屑大致截型及变化。同上
**  切屑大致形态和变化。从数学和金属切削原理上出发，以切削试验验证
**  流屑方向，容屑空间大致估计。综合分析和经验，如果有试验验证最好
**  断屑分屑的方法和一定程度上的优化

5.8  高速干切滚插理论和试验
如果你和 sandvik 或者 seco 的工程师聊高速切削干切削，他们会跟你滔滔不绝，说上几个小时不成问题。但是，如果你跟他说高速滚齿和高速插齿，他们就沉默了。
一个额外的范成运动，将滚齿插齿的切削过程变得非常复杂。
所以，将普通车铣钻的高速切削干切削理论照搬过来肯定会有问题。
那么，滚插的高速干切，是怎么样的呢？
撇开复杂性我们不论，至少通过一定的分析和试验，在如下几个实用性问题上可以给出答案：
**  刀具怎么选材和涂层
**  切削参数跟一般速度相比，有哪些不一样的要点
**  结构参数设计跟一般速度相比，有哪些不一样的要点
**  切削热，切削力，切削振动，切屑，有哪些明显的不一样？是不是和普通车铣钻具有一样的高速效应？

5.9  滚插刀刀刃钝圆的影响和最优解
这是最容易被忽略的课题之一。
刀刃钝圆对金属切削过程的影响是相当大的。尤其是对于涂层刀具。
要知道这么大这么重的一把刀，实际上参与切削过程的只有刀刃部分。
由于滚插的复杂和钝圆制造的难度，目前在这方面的深入研究试验很少。业内著名公司一般用经验的方法定量。

参考：
http://tools.newmaker.com/disp_art/1190006/1564.html

5.10  高速剃齿（强力剃齿/同期式剃齿）
剃齿本身就是极其复杂的切削过程。高速剃齿则是难上加难。
但由于高速剃齿，跳出普通剃齿速度范围，工件轴联动，又在某种程度上减低了复杂性。
目前听说有过应用的是德国和日本。据说尚未推广。
信息汇总：
**  工件轴与剃刀轴联动
**  刀具无需逆转
**  齿形，齿距矫正能力强
**  缺点是：有可能刀具寿命会缩短
**  设计主要是针对单向旋转和高速加工做的优化。
以下摘自 2001 年版的《齿轮及其刀具制造的研究》152~153页 （注意是 2001年出版）
下载地址：  http://www.jxcad.com.cn/read.php?tid=220199#2289907

以下摘自 《齿轮加工工艺、质量检测和通用标准规范》第1篇 23 页
下载地址：  http://www.jxcad.com.cn/read.php ... 3%B9%A4%B9%A4%D2%D5
为了扩展剃齿范围。日本用超硬高速钢剃齿刀加工硬度为450~475HBW 的中硬齿
面齿轮，并开发了一种直线自动控制剃齿系统。正研究新型蜗杆式剃齿刀，用于剃削
350HBS 的大模数（m=30mm）齿轮。在硬齿面剃齿方面，国外采用单刃型硬质合金剃齿
刀，减轻剃削时的接触压力，使剃削成为可能。日本已用单刃硬质合金剃齿刀加工52~60HRc 的硬齿面齿轮，精度达6~7级以上，表面粗糙度值Ra6.3~1.25。前苏联研制的装配式硬质合金剃齿刀，可加工齿面硬度为45~48HRc的齿轮。
为提高剃齿精度，前苏联研究了将刀具和工件之间的自由传动改为强制联系，设计
同步传动装置，用齿条刀强制剃齿等。国内上海第二工业大学等单位，研究剃齿后齿形
中凹现象及其消除办法，以降低啮合噪声。大连理工大学等单位采用间齿剃齿和负变位
剃齿刀消除齿面中凹，取得了一定效果。

5.11  定量分析刀具精度（设计，制造，安装，磨损）对齿轮精度和切削条件的影响
意义在于：
**  分析解决问题，即 trouble shooting
**  找出关键公差，从而对制造和使用的误差控制质量控制予以指导
**  根据公司情况制定内部技术要求的标准
**  更广泛的意义，对国际标准（如滚刀 DIN3968）予以修正
**  对高速干切等课题予以支持

难点：
**  数学
**  有些需要软件支持
**  齿轮刀具的复杂性造成深入研究的极大困难
**  需要大量的切削试验


6，IT

一般来说，设计工程师是用软件的，不用关心软件的背后是什么。但由于齿轮刀具的复杂性和专用性，再加上保密的需要，很多著名公司的 IT人员和设计是重合的。和研发一样，很多的 IT 来源于设计工程师，或兼做刀具设计工作。所以将 IT 部分置于设计篇中。
也同时鼓励更多的人才，投身到齿轮刀具研究中来。如 logxing 所说，6.3和6.4极具推广价值。这在一定程度上弥补了齿轮刀具行业相对偏窄的带来的问题。

6.1  普通齿轮刀具设计软件
非标专用设计，是齿轮刀具发展的现状和趋势。非标决定了规格数目繁多，设计工程师的工作量大；专用决定了对刀具性能的设计需要高质量的优化。因此，我们不仅需要 CAD，而且还需要高效高质量的CAD。
尤其是主攻汽车齿轮刀具的公司，普通渐开线齿轮刀具的设计工作量占了90%以上。一种好的普通齿轮刀具CAD，会大大提高设计效率和质量，对公司运营有着战略意义。其要求大致概括如下：
**  集滚插剃于一体
**  人机界面友好，操作快捷高效
**  带分析优化功能
**  带模拟功能
**  带工艺
**  可靠性高
**  带档案，搜索，统计等数据库功能

6.2  特殊齿轮刀具设计软件
目前能够在这个领域通吃的公司，在世界上还没有一家！
除了制造能力和对市场的把握能力之外，设计能力也是一个方面。
一般来说，特殊结构，可以先使用普通齿轮刀具设计软件设计，再进行额外的分析和优化设计或修正即可。如果要求高，又看好这方面的市场，可以制作专门的特殊设计软件以提高设计效率和质量。
但是对于特殊齿形，如果没有软件软件辅助，设计的工作量将会剧增。
基本的方法：
**  使用普通三维软件模拟设计，如 Solid Works, UG, ProE等。有着速度慢，某些软件功能不够等缺点，但是通用性好，可以对任何齿形建模。二次开发或购买某些功能模块后能够有效提高设计效率。
**  使用专用软件设计。这个方法相当于将公式或公式推导集成在软件中
**  使用自行开发的三维软件。难度颇高

6.3  虚拟（模拟）加工
包括刀具对齿轮的虚拟加工和砂轮对刀具的虚拟加工。
这是集众知识于一体，运用计算机技术来整合的高层次的软件工具。有了这个软件，设计水平将会有质的飞跃。同时还可以用来进行研究开发。这是齿轮刀具 CAE 的最高境界。
根据虚拟的程度和难度，可粗略分为几层：
**  宏观几何层面。以上已有类似介绍，此处略。最现实和最容易实现的层面。目前绝大部分公司还在这一层面奋斗
**  考虑普通物理层面和微观几何层面。将变形，表面质量，热等因素考虑进虚拟加工系统
**  考虑金属切削原理层面。金切与普通物理不同的地方在于其高温切削的复杂性。这部分需要原理层面全面有力的支持。

6.4  CAD CAE CAM 集成在统一的 CIMS （计算机集成制造系统）中
将众自动化孤岛 CAD CAE CAM 联接起来，并与 CNC设备和 ERP 等管理软件联接集成，形成统一的 CIMS
这种集成效应是巨大的，是一种生产力的倍增器。如同数字化对军队而言是战斗力的倍增器一样。
这也是机械制造自动化永恒的追求。
齿轮刀具的复杂性和多样性，使得 CIMS 的联接集成的难度增高。其中与 ERP 的联接更是高难度的问题。所以一般先在 CAD CAE CAM CNC设备之间实现联接。目前国外大部分的著名公司都已经部分或者全面达到了这一步。
在可以预见的未来，刀具供应商和齿轮制造商之间的联接，将会形成更广阔意义上的 CIMS
在 CIMS 上，管理层的参与和支持是很重要的。

难点：
**  保密和 IT 开发能力的矛盾
**  IT 本身就是高难度，而齿轮刀具的复杂性大大增加了 IT 开发的难度
**  IT 投入的成本控制


7，优化和支持生产

**  有这么一个说法，生产的效率和成本有30~70% 由设计决定。齿轮刀具相对结构比较单一，所以比例较低，但起码也有 30% 吧。
**  目前这个问题并没有引起重视，包括国外著名公司。大家似乎觉得设计，就是用软件把刀具设计出来，进行一定的优化即可，极少甚至不考虑生产。
**  在管理上，设计和生产隶属不同部门。部门之间的防火墙，是所有大公司司空见惯的现象。设计为生产考虑了，也不能给自己带来什么。生产只管来图加工，除非出现大问题才反馈到设计。这就造成了生产约束过低，设计自由度过大的问题。对于单一部门来说，不是什么大问题。但是对于整个公司，却是个大问题。
**  设计与生产隔离，对生产的陌生，造成设计工程师为生产考虑的意识欠缺，也是该问题的原因之一。
**  设计和生产是一对矛盾。设计目的是要优化，创新，规格数量越多设计越复杂效果会越好。生产则是要简化。但是设计和生产又是统一的。让设计在效果变化不大的范围内，尽量考虑简化生产是对生产的优化；而支持工艺的革新则是给与生产直接的技术支持。

7.1  降低规格数
对于生产来说，规格数越少，批量越大，生产越容易。质量容易保证，效率高，成本低。让生产做标准产品，一批1000个，他们会笑得合不拢嘴。
高性能齿轮刀具几乎是百分百的非标设计，这就决定了生产是几乎百分百的非标生产。小批量，多样化。所以齿轮刀具的生产，技术含量是相当高的，难度相当高。设计为其减小规格数繁多的压力，能够有效降低生产难度。
要点：
**  变模数设计。已有阐述：  http://www.jxcad.com.cn/read.php?tid=259941
**  设计前校核。借助档案和软件帮助，横向对比，筛选相近设计，校核。将该工作作为设计不可缺少的必然流程
**  小范围的标准化。统计和预测重订率高的设计，在某些小范围内进行标准化
**  当滚刀年产量 >3000, 剃刀 >1000, 插刀 >500 后，该工作会产生明显的效益。否则不明显。

7.2  简化工艺
在结构上，基本上是没有简化工艺的空间。但是在局部参数上，简化的空间很大。这就相当于局部的减少规格数。
要点：
**  变模数设计，主要针对压力角这一基本参数。已有阐述：  http://www.jxcad.com.cn/read.php?tid=259941
**  设计前对某参数校核。借助档案和软件帮助，横向对比，筛选相近设计，并校核。将该工作作为设计不可缺少的必然流程
**  参数系列化，并根据统计结果和分析，减少系列中的规格数量
**  降低外圆尺寸数量。需要和销售合作与客户沟通，尽量采用标准外圆尺寸。这种情况在公制英制之间，一些奇怪外圆尺寸上碰到得多。外圆是设计的基本约束，是生产的最基本数据之一。该工作对生产有着重要的意义。
**  当滚刀年产量 >1000, 剃刀 >500, 插刀 >200 后，该工作会产生明显的效益。市场范围相对集中则更佳。否则不明显。

7.3  支持工艺革新
与普通刀具相比，齿轮刀具的生产制造是相当复杂的。特别是高性能的齿轮刀具。
没有设计的技术支持，生产工艺永远是在小踏步而无法有革命性的创新。
这也是很多公司的设计工程师兼做工艺工程师的原因。
重点：
**  剃齿刀落刀槽。使用特殊滚刀加工落刀槽，陆联已经申请专利。欧洲多流行铣槽，亚洲多钻孔，美国近来越来越多的应用铣槽。
**  特殊滚插刀的生产工艺。很多特殊的滚刀结构奇特复杂，需要设计工程师自己制作生产工艺。
**  对铲磨工序的支持。见 5.4
**  设备改造或开发

难点：
**  管理层面的参与和支持
**  设计工程师的能力够强


8，持续发展

**  在曾经辉煌的年代里，几乎每个在机械工程上有名的大学都设置了齿轮刀具教研室，几乎每个著名的齿轮刀具厂家都有强大的研究力量。是他们奠定了我们齿轮刀具昨天和今天的整套理论和制造体系。然而我们看到，今天绝大部分齿轮刀具设计者手里拿着的书，有1991 年的，有 1978 年的，甚至还有大量50年代翻译的前苏联资料和印着毛主席语录的书籍。跟国外的差距再一次拉大到至少 10 年以上。很自然问一个问题：怎样才能持续发展？值得我们深思啊。
**  机遇期的来临，意味着我们有可能在短期内取得突破，缩短差距甚至完成超越。但是，这不是终点，而只是一个新的起点。
**  甚至就这个缩短和超越的过程本身而言，也不是轻松容易一蹴而就的。同样需要持续的发展才能完成。这是由齿轮刀具的复杂性和专用性所决定的。
**  持续发展的问题，都将在设计篇，生产制造篇，应用篇出现。

8.1  全球视野
无数实践已经证明，闭门造车是行不长久的。只有成为世界的一部分，我们才能不断的进步，低谷的时候不掉队，高峰的时候领先超越。对设计这一块来说，做到这一点，必须具有全球视野。要点：
**  外语能力。能够在公开资料中汲取营养，能够和国外交流
**  企业提供的培训机会。这在外企中比较突出
**  学术或商业性质的考察交流

8.2  持续改进，不断创新的文化
技术进步的两种基本形式：
**  小步快跑，量变到质变
**  革命性创新，包括设计思想
这两种是相辅相成，缺一不可。
很多企业，特别是某些缺乏活力的企业，根本就没有这种意识，这种文化。
对技术的不尊重，加剧了问题的严重性。

8.3  设计团队
这里说的一切，都是靠人去完成的。
人才，是最重要的资源。
业内著名的公司，都有自己的一个稳定的，高水平的设计团队。个人的才能和团队的合作，推动着技术的持续和快速进步。
当你看到某某公司声明在外的时候，当你看到某某刀具新颖独特或性能优越的时候，要知道这背后就是一个优秀的设计团队，这就是他们的杰作。

8.4  产学研结合
这是一个复杂的问题。牵涉到各种体制。但是原则就是一个：产学研，必须结合。
没有科研的支持，产业的发展就没有长远的持续动力。对某些针对性强的关键问题，也无法取得突破。而反之，科研没有产业的土壤和应用，也将会出现空空导弹的现象。论文满天飞，到处是垃圾。
这个问题，目前在国内，非常严重。

难点：
**  更多的是一个管理层面甚至体制的问题

[ 本帖最后由 neng_jiang 于 2007-5-19 18:35 编辑 ]

xianghongliu

5.3  修形剃刀齿形齿向修形量的求解
剃齿的复杂性，使得修形剃齿的结果，很难达到预想的齿形。目前大多采用经验数据，进行试剃，然后再调整。
如果能够在理论上建立足够精度的数学模型，解决这个问题，将是极具使用价值的。同时，足够精度的数学模型本身，也能够拿来分析剃齿过程的其他优化问题。

这个问题我的朋友已经解决，非常的精准。

logxing

你朋友是做刀具的吗？留个联系方式交流一下吧。
国外的做刀具的厂家通过试剃找到剃齿刀齿形最少也得1-2次的，虽然大家都在研究，其实还没有可以精确算出来的。

jakejuncao

好东西哦:)

ludingji731

很有用的资料，谢谢！

cqsanling

齿轮刀具交流,合作,    我们也来学习学习!
     www.cqsanling.cn

zhangjun

真是十分感谢！

airongqing

真是十分感谢！

lxz881209

学习学习!
:)

纪永君

我想到著名的《测不准定律》，看来圆柱齿轮刀具就不需要这么高的精度。
单就某一种刀具来讲，设计理论与建模理论是有区别的。
其实，现在的理论可以将刀具的设计精度提高的很，但是，制造的机械等误差确实无法精化的
，好多的前辈的刀具设计的书大家都能看到，从这一点来讲，刀具的设计难题不是十分的明显的，倒是现在的制造误差和检查仪器的机械精度是一大难题。
不好意思，一点评论，无怪