欧洲齿轮刀具技术发展近况简评

笔者于2000年访问考察了欧洲部分国家的齿轮刀具、拉削刀具制造厂，同时参观了一些刀具用户厂家，对欧洲国家的齿轮刀具及其它刀具的生产与使用情况作了一些调研，现对欧洲地区齿轮刀具设计与制造技术的发展近况作一简评。
1 齿轮刀具材料与结构
（1）齿轮滚刀
通过对欧洲齿轮刀具制造厂和主要用户企业（如变速箱制造厂）的考察可知，目前齿轮滚刀的使用方式可分为传统的湿式切削工艺和干式切削工艺两大类。用于湿式切削的齿轮滚刀材料主要采用M35+TiN和M35+TiNC，其中M35+TiN为主流材料，滚切速度通常为90～110m/min。用于干式切削的齿轮滚刀材料主要为ASP60+TiAlN，其滚切速度为160m/min。硬质合金滚刀主要用于干式切削，其滚切速度可达260m/min。根据滚切试验结果，ASP60+TiAlN滚刀用于干式切削的综合加工效能优于硬质合金滚刀。因此，在实际生产应用中ASP60+TiAlN滚刀的使用量远远大于硬质合金滚刀。
随着数控滚齿技术和刀具涂层技术的快速发展，齿轮滚刀的结构设计也在不断变化，主要体现在以下方面：①由于滚齿速度的不断提高，正前角滚刀的切削性能优势已不明显，加上正前角滚刀的齿形较复杂，制造精度不易保证，因此正前角滚刀结构正逐渐被淘汰，而代之以零前角滚刀结构。目前除日本NACHI公司还少量生产正前角滚刀外，国外其它齿轮生产厂几乎已不生产正前角滚刀。②滚刀头数的确定主要考虑滚齿加工效率的要求，滚刀的外径、长度、槽数等参数则需根据刀具寿命要求来确定。设计滚刀时，通常首先确定每个刀齿的切削长度，再按重磨一次需加工的工件数确定滚刀的有效切削齿数，最后确定滚刀的外径、长度、槽数等。③近年来，由于滚齿机快进、快退速度的提高，小径滚刀进退刀耗时少的优势已不明显，因此滚刀直径的确定主要取决于齿轮结构和槽数的要求。④为提高加工效率，对于同一齿轮轴上需滚齿加工的不同齿轮，要求可在同一台机床上一次安装依次加工完成，这就要求一把滚刀上有多段不同规格的滚刀齿形，即将多把滚刀集成为一体。
由于滚刀圆周齿数的增多，滚齿加工已可视为近似连续切削加工，加上滚刀重磨后重新涂层技术的应用，M35+TiN滚刀与ASP30+TiN滚刀相比其寿命差别已不是很大，但却具有成本较低的优势，因此M35+TiN滚刀的使用数量已在明显回升，这一趋势无论从滚刀制造厂还是齿轮生产厂均可得到证实。但对于圆周齿数较少的滚刀和重磨后不涂层的滚刀，ASP30+TiN滚刀与M35+TiN滚刀相比仍具有较明显的寿命优势。

在对环境污染限制极其严格的欧洲，干式切削具有广阔的应用前景。目前大量应用于实际生产的干式切削滚刀主要为ASP60+TiAlN滚刀。同时也有少量ASP60+TiAlN+WC/C滚刀应用，其切削速度为180m/min。用于干式切削的硬质合金滚刀和金属陶瓷滚刀由于制造难度较大、材料及制造成本较高等原因，在加工生产线上的应用还不多。由于涂层材料和涂层技术的快速发展，涂层粉末冶金高速钢滚刀在干式切削中的应用却在不断扩大。
（2）插齿、剃齿刀具
欧洲生产的插齿刀产品主要采用M35+TiN和ASP30+TiN材质，其结构设计与国内区别不大。由于插齿加工属于断续切削，因此在高速插齿机上使用的插齿刀大多为ASP30+TiN插齿刀。
欧洲生产的剃齿刀产品主要采用M2或ASP23材料（M2材料占主导地位）。剃齿刀的结构设计与国内差别较大。对于模数小于4mm的剃齿刀，容屑槽底梳采用直线形；模数大于4mm的剃齿刀的容屑槽底梳则采用渐开线形。剃齿刀的退刀槽均采用铣制（或磨制）加工，刀具内孔配合面较短（一般约为齿面宽的1/3），径向剃齿刀的边牙全部铣去。
目前德国开发出一种不同于传统剃齿工艺的强力剃齿工艺。该机床在剃齿过程中，剃齿刀与被剃齿轮均可驱动，剃第一面齿时剃齿刀为主动轮，被剃齿轮为从动轮；剃第二面齿时则相反。无论剃哪一面齿，剃齿刀与被剃齿轮的转动方向始终不变，且装卸齿轮时剃齿刀不停止转动。该机床采用自动对刀，齿轮转速可达4000r/min，切削速度高，加工效率高。由于可对齿形实行强力修整，因此剃齿加工精度高。强力剃齿工艺对剃齿刀的性能、寿命和可靠性提出了更高要求。
（3）拉削刀具
欧洲刀具制造厂生产的拉刀材料大多采用M2或M35，部分拉刀采用TiN涂层，具体根据加工要求和使用条件选用。拉刀的切削齿均无刃带。圆拉刀、花键拉刀等的容屑槽不少采用双头螺旋槽结构。
2 齿轮刀具制造工艺
欧洲目前使用的刀具制造设备基本上已实现数控化。刀具的设计、制造已普遍采用CAD/CAM/CAPP技术，操作者只需输入刀具图号，数控加工机床即可自动从中央计算机中提取机床调整和加工工艺数据，并实现自动加工。
刀具磨削均采用带数控砂轮修整器的数控工具磨床，并配备了完善的加工软件，可根据刀具廓形自动计算及修整砂轮形状。齿轮滚刀的车齿、铲齿工序均在数控车床和数控铲齿机上进行；铲磨齿形用数控滚刀铲磨机床采用数控砂轮修整器修整砂轮，对于模数小于6mm的滚刀，其齿形的两侧面、齿顶面、齿底面以及齿顶圆弧、齿底圆弧均可通过一次修整砂轮一次加工完成。插齿刀齿形磨削采用锥面砂轮磨削原理（不同于我国Y7125磨床的磨削方式），可保证插齿刀修缘、沉割参数的加工精度，准确加工出齿顶圆角，同时可保证插齿刀重磨后的加工精度。剃齿刀的容屑槽采用数控梳槽机加工，该机床刚性好、冲程快，可保证剃齿刀容屑槽两侧面的加工质量，从而延长剃齿刀的使用寿命；剃齿刀齿形采用数控剃齿刀磨床加工，可磨削各种类型的修形剃齿刀。成形拉刀和花键拉刀的廓形面分别在数控平面磨床和数控花键磨床上加工，采用数控砂轮修整器修形，铲背磨削。

刀具热处理方面，齿轮滚刀和插齿刀均采用真空炉淬火、回火；剃齿刀、拉刀等采用盐浴淬火。刀具标志大多采用数控激光打标机刻字，精致美观。刀具包装质量很高。
3 刀具涂层材料
在欧洲，刀具涂层材料和涂层技术发展很快，水平较高，应用也较为普及。目前在刀具制造中应用较广的涂层材料主要有TiN、TiCN、WC/C、TiAlN、TiAlN+WC/C等，其主要特性见表1。表中，TiAlN（1）为单层涂层，TiAlN（2）为复合涂层。在欧洲，刀具复合涂层（如TiAlN 复合涂层）的应用范围很广。涂覆时，涂层炉中有多个Ti靶和TiAl靶，两种靶交替工作，在刀具表面交替涂覆TiN涂层和TiAlN涂层，以获得所需的多层复合涂层。
表1 涂层材料特性
涂层材料：TiN－TiCN－WC/C－TiAlN（1）－TiAlN（2）－TiAlN+WC/C
微观硬度（HV0.05）：2300－3000－1000－3500－3000－3000
与钢的摩擦系数（干式）：0.4－0.4－0.2－0.4－0.4－0.2
涂层厚度（μm）：1～4－1～4－1～4－1～3－2～5－2～6
最高工作温度（℃）：600－400－300－800－800－800
涂层颜色：金黄－青灰－深灰－紫灰－紫灰－深灰
通过调研考察，感到目前国内刀具技术的整体发展水平与欧洲国家仍有较大差距。但近年来国内工具厂通过不断进行技术改造，刀具设计制造水平已有长足进步，某些技术领域和产品品种已接近或达到国外先进水平，如汽车变速箱齿轮滚刀、发动机连杆拉刀、压缩机专用拉刀、复合齿形渐开线花键拉刀、剃齿刀等刀具品种已达到较高质量水平，具有了一定的市场竞争能力。中国加入WTO后，国内工具行业机遇与挑战并存，为了抓住机遇，迎接挑战，国内工具制造厂必须进一步加大技术改造力度，尽快提高自身发展水平，缩小与发达国家的差距，通过市场竞争求生存、图发展。