滚齿是利用展成原理加工齿轮的一种方法，相比较于插齿、剃齿等方法具有生产效率高、成本低的特点，但是滚齿中的滚刀属于生产成本环节中的消耗品，普通高速钢滚刀加工一段时间后由于前刀面磨损，需进行重磨，对于新型的涂层双切滚刀则需要进行退涂、重磨、涂层的复杂流程，每次使用后的修复成本能够达到滚刀成本的20%左右，如何控制滚刀磨损不仅是企业生产成本的控制环节，也是企业生产效率提升的重要环节。Maiuri分析了影响滚刀寿命的因素，包括材料、涂层、切削参数等;张荣闯等对滚齿切 削力进行了预测，并计算了切削力模型;张应等建立了滚刀寿命预估模型并优化，但是该模型计算复杂。
本文针对以上研究的不足，提出了通过六西格玛实验设计研究影响滚刀寿命的显著性因子，并根据实验数据拟合出提高滚刀寿命的最佳工艺参数，并通过实际加工进行验证。
一、高速双切滚刀特点及现状
滚齿加工是按照展成原理来实现切削加工的，滚刀与工件的啮合相当于一对交错轴的螺旋齿轮啮合，滚刀可以看作是一个齿数很少、螺旋角很大的齿轮，在这个齿轮垂直于螺旋线方向开出容屑槽，并磨削出前刀面、后刀面。高速双切滚刀又称为重切滚刀，是一种具有较多切削槽的涂层整体滚刀，与传统滚刀相比，其具有更长加工寿命和更短切削时间的特点。双切滚刀材质为粉末冶金高速钢，并在其表面增加 PVD 氮铬化铝涂层，该滚刀在设计时采用主齿和副齿结构，在相同的外径时，切削刃能够增加一倍。虽然双切滚刀优势明显，但是刀具的磨损还是无法避免，不管是前刀面还是后刀面，当受到加工温度、加工振动、工件材质和机床刚性等的影响时都会造成刀具磨损，特别是加工温度越高，刀具材料就会变得越软，耐磨性就会越差，虽然加工过程中75%～80%的热量会通过切削液或者铁屑带走，但是随着加工温度的升高，刀具使用寿命会急剧降低，因此必须选择合理的加工工艺以提升双切滚刀的实际使用寿命。
二、滚齿加工工艺参数
在滚齿加工过程中，企业为了利润最大化，要求在保证产品质量的前提下提高加工效率，而这一切都与滚齿加工工艺参数有关。滚齿加工工艺是依据零件图纸、机床设备、刀具参数和夹具结构等确定的，工艺制定后，如何选取合适的滚齿工艺参数是各企业研究的 重要内容，参数选择不合理容易造成零件加工不合格、滚刀快速磨损和节拍降低等问题，滚齿工艺参数包括滚刀转速、滚刀轴向进给速度、切削次数和切削深度等，滚齿工艺参数直接影响滚刀使用寿命。
三、滚刀磨损现象
滚刀在使用时随着时间和加工次数的增加，在滚刀后刀面或者前刀面会出现月牙湾状磨损，当磨损的宽度达到0.2mm 时就需要对滚刀进行退涂、重磨、涂层工序，0.2mm 的磨损宽度可以通过电子显微镜来进行测量，如果磨损达到0.2mm 仍然继续使用，在加工过程中会出现加工工件及刀具温度急剧上升，造成滚刀磨损急剧加大，严重时可能造成滚刀报废。
四、六西格玛滚刀寿命实验研究
实验目的：
为了提高企业加工效率，降低高速双切滚刀重磨、涂层次数特提出此实验要求，通过实验，确定影响滚刀寿命的显著因子，并通过数据分析这些因子对滚刀寿命的影响，以刀具磨损达到0.2mm为滚刀寿命界限、刀具寿命最大化为优化目标，拟合最优滚齿加工工艺参数。
实验条件及特征因子确定：
实验零件参数：齿轮类零件，模数 18 mm，齿数 31，压力角20°，全齿高42.3mm，齿宽500mm，材料为18CrNiMo7，调质硬度 HB217～HB255。
实验滚刀参数：高速双切滚刀，模数18mm，每圈齿数18，压力角20°，材料为粉末冶金高速钢，硬度为 HRC65～HRC68。
从双切滚刀加工工艺及现场情况来看，影响双切滚刀寿命的特征因子有滚刀转速、滚刀轴向进给、切削次数和冷却方式。
实验方法：
实验设计是一种安排实验和分析实验数据的数理统计方法，通过前期的策划和研究，能够以较小的实验规模、较少的实验次数和较低的实验成本得到理想的实验结果和科学的结论。
本文采用全因子实验，共选取4个因子 X，试验指标为双切滚刀寿命 Y，共计16次实验，实验中对各因子分别取高、低两种水平，通过实际加工和检测来统计滚刀寿命。
实验因子选择和水平设定：
依据滚刀厂家推荐参数及实际加工过程中使用经验，设置4个因子 X的高、低水平，如表1所示。
实验结果分析：
通过16 次实验，将双切滚刀寿命统计后经过 MINITAB分析所得标准化效应 Pareto图如图 1 所示，图中横坐标为六西格玛检验统计量t值，分界线为依据选定的显著性水平α=0.05给出临界值2.57，超出该值的因子为显著因子。因子 A 为滚刀转速，B为滚刀轴向进给，C为切削次数，D 为冷却方式，BC为滚刀轴向进给和切削次数交互效应，BD 为滚刀轴向进给和冷却方式交互效应，AD 为滚刀转速和冷却方式交互效应，AB为滚刀转速和滚刀轴向进给交互效应， AC为滚刀转速和切削次数交互效应，CD 为切削次数 和冷却方式交互效应。从图1中可以直观地分析出影 响滚刀寿命的最主要因子为滚刀轴向进给，其次为滚 刀转速，而切削次数和冷却方式交互效应对滚刀寿命影响最小。
分析完主要因子和次要因子后，还需对残差状况进行诊断，以此来判断分析模型是否合适，图2为滚刀寿命残差图。图2(a)显示各点近似在一条直线;图2(c)中矩形左右对称，可认为该实验设计的残差近似服从正态分布;图2(b)和图2(d)显示该实验设计的残差基本符合随机波动。从残差图的分析来看，本次实验模型基本满足要求。
方差分析能够直观地根据结果来推断哪些因子对结果有明显的影响以及影响有多大，表2为方差分析结果。通过表2结果中的检验水平P 值大小来判断因子是否显著，P 值小于0.05为显著因子，而滚刀轴向进给和滚刀转速的P 值小于0.05，因此为显著影响因子。
通过 DOE(DesignOfExperiments)实验设计及分析，可得出以下结论：
(1)影响双切滚刀寿命的显著因子为滚刀轴向进给，轴向进给的大小直接影响双切滚刀寿命。
(2)次显著因子为滚刀转速，滚刀转速较高时滚刀寿命会有所下降，但不如轴向进给影响显著。
(3)冷却方式对双切滚刀寿命影响较低，所以在实际加工中采用油冷和风冷对滚刀寿命影响较小。
(4)切削次数对双切滚刀寿命影响较低，在加 工时为保证加工效率可采用较少的切削次数。
优化工艺参数：
通过去除不显著因子，修正回归方程，对响应参数优化设计后，拟合出最佳的工艺参数如表3所示。通过对该参数分析，在主要因子滚刀轴向进给取低水平、滚刀转速取低水平时拟合的滚刀寿命取值最大，并且复合合意性比较接近1，总体看来此设置能够为所有 响应获得一个较好的结果。
根据拟合后的参数进行现场实验验证，通过对油冷机床多批次零件加工时的参数调整，高速双切滚刀寿命符合预期效果，说明该参数具有一定指导作用。
五、结论
高速双切滚刀在实际应用中能够极大地提升企业加工效率，但是滚刀磨损、退涂、修磨、涂层占用了滚刀很多的使用时间，并且滚齿加工是一个复杂的工艺过程，如何延长高速双切滚刀使用寿命是急需解决的企业生产瓶颈。本文通过六西格玛实验设计，通过较少的实验次数、经济的实验方法获得了最佳的结果，并且分析了影响滚刀寿命的因子，优化了加工工艺参数，通过实际使用，达到了预期目的，并且将 DOE 实验设计应用于滚齿工艺参数优化，为其他机械加工工艺参数优化提供了新的思路。
参考文献略.