重新定义锥齿轮生产
行业合作伙伴紧密协作，打造适合齿轮铣削的高产、高效且高质量的解决方案
弧齿锥齿轮是机械工程中最复杂的零件之一，因此制造此类零件往往需要专用的机床和刀具。对制造商而言，最显著的缺点在于昂贵的机械成本，其中涉及大量的编程时间。特别是对中小批量生产具有很大影响，因为不能像大批量生产那样尽快地收回投资。为了满足客户在持久耐用和价格方面的需求并由此保持竞争力，齿轮制造商也日益迫切地需要确保他们的生产过程高产、高效且具有最高质量。
无论是采用专用切削头和昂贵的特种机床，还是在五轴加工中心上使用立铣刀，最广泛使用的是齿轮铣削应用方面的各种制造工艺。这些工艺既复杂又成本高昂 – 但同时又存在改进的巨大潜力。
发现并挖掘生产潜力
为了挖掘这种潜力，德国VOITH Turbo公司的生产主管Wolfgang Huetter与两家选定的合作伙伴供应商(Gebrueder Heller和山特维克可乐满)展开合作。他们携手应对挑战，Huetter表示：“持久耐用的高效解决方案必须消除两种工艺当前的不足之处，再综合其优点，打造出能够显著改进中小批量锥齿轮生产的新型解决方案。”
机床解决方案在于使用灵活的五轴加工中心，而非专用机床。采用这种解决方案，制造商也能执行其他切削工序和加工不同的零件。为了降低刀具成本，应侧重于可灵活用作专用成形铣刀的切削刀具。在这种情况下，值得考虑的唯一刀具是可配备标准可转位刀片的标准刀具。除可降低成本和确保柔性加工满意度的机床和刀具配置之外，最佳的解决方案必须确保能够满足所需的质量水平，并获得最大限度的可靠性。该解决方案也应确保提高金属去除率并由此缩短加工时间，特别是在软切削期间。在项目实施的过程中，合作伙伴们打破常规，另辟蹊径。尽管齿轮铣削是优化措施的重点，但软切削的整个工艺链令人怀疑，需要重新进行评估。随后相关各方达成该研发项目的重要目标 – 应主要通过提高金属去除率来实现生产效率和成本效益的提高。 此次协作的结果是“uP-Gear技术”，目前已提出专利申请。
营造理想的工况
在研发过程中，首选处理的是粗加工切削，采用标准铣削刀具，进给率2000 mm/min以上，这样金属去除率可高达400 cm³/min。由此而产生的切削压力使机床承受较大的负载，此外工件可重达数百公斤。选择机床时，其规格必须足以承受相关的负载条件 – 规格包括刀具、主轴和工件夹紧的刚性。
首选是Heller公司具有五轴联动加工能力的高性能加工中心，它的高稳定性和高性能可为提高产出潜能提供最佳的工况。机床控制器中集成了用户友好的NC程序，便于输入齿轮参数。这样一来，就无需在CAD/CAM中执行外部编程。操作员使用参数化的输入可以方便地作出任何必需的修正。交替加工箱体、锥齿轮和其他零件时，也能够实现无故障生产，此时对机床具有更高的柔性和性能要求 - 其中可使用托盘或机器人自动化进一步增强。
从第一道切削工序开始，uP-Gear技术就贯穿其中。在先前的切削工艺中，工件的外轮廓首先在车削中心上进行切削，需要两次单独的装夹。但是现在，这些工序已转换为在加工中心上进行车铣。这意味着锥齿轮外轮廓和螺旋齿仅需两次装夹即可完成加工。一个受欢迎的红利效应是锥齿轮轮廓和齿型之间可获得绝对同心度。这样可显著改进成品零件的质量并节省加工时间。
作为合作伙伴，山特维克可乐满提供了各式刀具和丰富的车铣经验，这样就能广泛使用其切削参数不亚于先前车削工序的标准刀具。整个切削过程意味着机床停工时间更少、装夹和传送时间更短以及更简单地规划机床利用率。
图1：车铣齿轮的外轮廓
重新定义切削步骤
下一道切削步骤，即铣削齿轮齿槽也完全经过重新设计。先前采用立铣刀进行铣削，需要多次走刀。与其相比，配备可转位刀片的标准铣削刀具(用于uP-Gear方式)的金属去除率相当高。这样一来，就能获得较先前立铣削而言更高的加工率，并且加工时间也大大缩短。需要加工的材料量很大时，首选刀具为配备可转位圆刀片的标准铣削刀具。对于弧齿锥齿轮的齿槽粗加工而言，采用这种新开发的加工方法，现在也能够兼具技术和经济优势。
图2：在锥齿轮上粗铣齿槽
在使用可转位圆刀片打开齿槽后，再采用新型铣削刀具概念加工齿侧面。刀具类型可分类为中间工序加工用刀空心铣刀和钟形铣削刀具。铣刀轴的安装角可调，并且铣削刀具轮廓呈细长状，这样就能加工出各种牙侧角和模数。凸凹两种齿侧面可以采用同一把两侧安装有刀片的刀具加工而成。如果刀具仅一侧配有刀片，以便增加有效刀片数(并由此提高进给率)，则可节省相当多的时间。 所需的更多换刀只会增加少量的时间。
图3：适合精加工的铣削刀具。
齿槽基底无接刀痕加工及过渡到齿侧面是锥齿轮加工的重要质量特性。此质量要求也适用于根切加工。这种新解决方案 – 即配有标准可转位刀片的适合根切铣削的空心铣刀 – 不仅仅能满足这些要求，而且还具有其他好处，与先前的立铣削相比，显著缩短了加工时间。
图4：根切铣削
可持续的解决方案
为锥齿轮加工开发新型铣削刀具时，需特别重视车间兼容性、稳定性和效率。在各种情形下，铣削刀具的直径和刀片数应彼此相匹配才能获得高水平的性能。新的uP-Gear加工工艺，再加上有利的机床控制，这意味着以前使用的根据具体要求定制的非标刀具现在能够用配有标准可转位刀片的通用铣刀取代。
不仅仅是项目启动时设置的目标 —— 他们甚至大大超越了既定目标。在完成一定批量的锥齿轮(模数15)加工后，新工艺的好处就能清晰地凸显出来：
- 只需两次装夹即可完成软切削，并且所需的加工时间大大缩短。
- 批量生产期间由于没有干扰，因此在测量机床上对软切削的锥齿轮进行后续检查后发现，齿轮质量一直都很高。
- 新工艺为机床操作员提供决定性的好处。这是因为操作员能方便地使用修正值，而不再需要“调刀卡”。
- 更高的柔性使加工成本显著降低，由此拉低了投资成本。高性能的标准刀具不仅具有更长的刀具寿命，而且可提高生产效率。此外，实现了一定程度的自动化，部分时候可以无人值守生产。
在成功的鼓舞以及项目参与各方的共同推动下，下一步优化已在进行之中。 接下来关注的领域是淬硬零件加工，其中采用新的uP-Gear工艺已经使加工结果得到显著提高。其他项目处于规划阶段，例如实现修正后的齿轮齿形、加工具有轴向偏差的锥齿轮以及铣削冠状齿轮。
图片说明：
图1：
在Heller加工中心上使用山特维克可乐满的标准刀具车铣齿轮的外轮廓。
图2：
在锥齿轮上粗铣齿槽。采用配备标准可转位刀片的专用山特维克可乐满标准铣刀仅需几步即可完成高性能的齿槽粗加工。
图3：
适合精加工的铣削刀具。同一把精加工刀具可用于加工凸凹两种齿侧面。配备标准可转位刀片数有所增加的单刃铣刀可显著缩短加工时间。
图4：
根切铣削。采用配备CoroCut可转位刀片的专用铣刀可获得良好的表面光洁度和更短的加工时间。
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【山特维克可乐满】
山特维克可乐满是全球领先的金属切削刀具制造商和供应商，在全球130多个国家设有代表机构。在世界范围内设有25家水平一流的效率中心，持续为客户和山特维克可乐满的销售人员提供获得更高生产效率的刀具解决方案和加工方法的培训。山特维克可乐满是山特维克集团刀具业务的一部分。
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