成型铣刀成型磨齿的工序及应用分析

陈连成

摘要：成型铣刀是用来加工成型表面的专用刀具，需根据被加工产品廓型来设计其刀具廓形。采用成型铣刀可在通用铣床上加工复杂形状的表面，并可获得较高精度的表面质量和较高的生产效率。成型铣刀常用来加工成形直槽、螺旋槽、齿轮等。成型磨削不同于一般的平面、外圆、无心、内径研磨，需依赖磨削将被加工产品加工为特定形状。本文对成型铣刀成型磨齿的制造工序及应用进行分析。

关键词：成型铣刀；制造工序；应用

1成型铣刀制造

标准成型铣刀包括凸半圆铣刀与凹半圆铣刀，分别用于加工廓型为半圆的沟槽和凸起面。根据成型齿背的加工方法，成型铣刀又可分为尖齿成型铣刀与铲齿成型铣刀(见图1)。

图 1 两种标准类型成形铣刀

大部分成型铣刀属于专用刀具，需根据产品自身形状自行设计。复杂的产品形状将增加成型铣刀的加工难度。成型铣刀主要制造工艺流程如下:车床→铣床→热处理(适用于高速钢材料刀具)→平面磨→外圆磨→内圆磨→研磨内孔→刀具刃磨→刀具成型磨。成型铣刀常用磨削方式进行加工。作为高精度的加工方法，磨削加工具有加工精度高、适应加工各种不同材料、生产效率高以及适应性较广等特点。

2成型砂轮选用、修型方式

2.1成型砂轮选用

在选用砂轮时通常考虑磨料种类、磨料粒度、磨料硬度、磨料组织、磨料结合剂和磨料外形尺寸等因素。磨料是砂轮的主要成分，肩负着切削作用。磨削时，磨料需经受高速摩擦和剧烈挤压，因此需要很高的硬度、韧性、耐磨性及耐热性。磨料分为天然磨料和人造磨料两大类，天然磨料含杂质多，质地不均匀，目前制造砂轮主要选用人造磨料。制造砂轮的磨料包括刚玉、碳化硅、金刚石和立方氮化硼四大类。本文的成型铣刀采用高速钢制造。对于高速钢刀具，一般选用刚玉系列砂轮磨制刀具和砂轮修形。刚玉类砂轮主要成分为Al₂O₃，其硬度低于碳化硅系列，韧性更好，适用于磨削抗张强度较好的材料。

2.2成型砂轮修形方式

选用的成型砂轮数控修形设备搭载了西门子数控系统、高精度滚珠丝杆和直线光栅尺等，结构紧凑，修型精度高，加工效率高，适用于各类成型砂轮修形。机床主体结构为一个十字滑台。在十字滑台内部互相垂直的两个方向上均装有滚动导轨副和滚珠丝杆。滚珠丝杆和伺服电机相连接，修形电机安装在十字滑台上。工作时，砂轮电机固定不动，十字滑台由伺服电机驱动在两个方向上联动，进而带动金刚石滚轮对砂轮进行修形。在成型砂轮数控修形机床上，一般选用平底金刚石滚轮和尖圆弧金刚石滚轮(又称尖角金刚石滚轮)来修形不同的成型砂轮。

3成型砂轮数控修形应用

以某非标定制成型铣刀为例说明成型砂轮数控修形及最终磨齿成形的实际应用。

3.1修形过程

图2非标成型铣刀产品

刀具产品见图2，该产品和文中介绍的成型刀具廓形类似，因此可选用尖圆弧金刚石滚轮修整出完整的内凹齿形，即可加工该产品。利用CAD制图软件将已设计完成的刀具廓形保存后直接导入成型砂轮数控修形软件，并在“输入信息”窗口中输入相应的刀具前角、刀具导程和刀槽数量。在“导入齿形参数输入”窗口中将绘制好的轴向CAD图形导入机床，并在窗口中输入对应的刀具外径参数。需注意成型齿形的端点必须在中轴线起点处，成型齿形最高点必须在铣刀的外圆处，必须由“圆弧”和“线段”组成，且首尾相连，不可断开。由于软件设计的原因，在导入需要修整刀具廓形的起点位置时应与成型刀具设计的外径相同，若外径差异过大，可能会导致程序报错，以致无法正常使用。

在“砂轮安装参数”窗口中输入相应的参数。多数情况下，砂轮垂直安装角λ和砂轮水平安装角β均为0°，适用于本文所分析的产品。在输入砂轮外圆直径参数时，应填写实际使用的砂轮外径数据，以尽量减少误差。在“CNC参数”窗口中选择“生成曲线”，可在CAD窗口中生成砂轮齿形修整的运动轨迹，以便于观察轨迹线是否存在异常，降低操作失误。通过修改滚轮圆心距离，可控制产品齿厚。

3.2成型砂轮磨削应用与检测手段

将成型砂轮数控修形机修形的砂轮安装在C8955铲磨机床上，并铲磨铣刀成型齿形。在铣刀成型齿形铲磨过程中，需在投影测量仪上使用放大镜板，以对比检测刀具廓形透光度(见图3)。投影对比测量能很好地反映修整的成型砂轮所磨制的产品廓形是否符合设计要求。

图3铣刀成型齿形投影检测过程

在数字式万能工具显微镜上进行刀具参数测量。通过数字式万能工具显微镜自带的圆弧取点测量功能可较好地控制刀具产品质量。数字面板显示数据能直观反映出刀具圆弧数值及其它与刀具相关的数据是否符合成品设计图纸要求。

4结语

本文介绍了成型铣刀在磨制过程中成型砂轮修形的加工问题，采用AutoCAD软件将成型刀具廓形导入专用成型砂轮数控修形机，完成砂轮的修形和刀具产品的加工。结果表明，采用该方法加工的产品完全能达到产品设计要求，经AutoCAD导入刀具廓形而修形出来的成型砂轮截形精度较高，可节省加工制造时间。

参考文献

[1]整形磨齿工艺设计[J].袁方星,方光.机械工程师.2019(11)

[2]数控成形磨齿机造型设计研究[J].刘流.装备制造技术.2020(12)