為什么滾齒迄今尚未成功？
機(jī)加工工藝的生產(chǎn)力主要取決于切削厚度以及單位時(shí)間的切削次數(shù)。很顯然， 挖掘滾齒加工的巨大潛力主要在提升單位時(shí)間內(nèi)的切削次數(shù)。只要選擇好適當(dāng)?shù)牡毒摺⒐ぜD(zhuǎn)速度以及軸線相交角度，就能實(shí)現(xiàn)理想的切削速度。對(duì)于采用硬質(zhì)合金刀具的干式切削工藝，150-250 米/ 分的切削速度比較合適。
只要通過簡(jiǎn)單的近似計(jì)算就能弄清這種差異：假設(shè)轉(zhuǎn)速為每分鐘2000 轉(zhuǎn)，相當(dāng)于每分鐘200 米的切削，若采用25 齒刀具，則每分鐘可到達(dá)50000 次切削。對(duì)于相同的切削速度，只需每分鐘1200 轉(zhuǎn)刀具轉(zhuǎn)速的八座兩齒滾刀，相比之下每分鐘只能達(dá)到19200 次切削。考慮到這一可能性，導(dǎo)致迄今為止切削狀況極不成功的原因也就浮出水面了。
這顯然不是由于缺乏科學(xué)興趣。20 多年來(lái)，在這個(gè)領(lǐng)域曾進(jìn)行過大量調(diào)查， 并且形成了如下共識(shí)：滾齒是一個(gè)高效能的工藝，之所以不能獲得成功，是由于受到刀具使用壽命短、機(jī)械振動(dòng)過度和關(guān)鍵排屑的影響。
前面提到的切屑厚度參數(shù)以及單位時(shí)間切削次數(shù)的確對(duì)生產(chǎn)率有本質(zhì)上的影響，但更體現(xiàn)了過程的成本效益，對(duì)日常實(shí)踐的成敗具有決定性的作用。僅僅加工速度快還不夠，還應(yīng)有令人滿意的刀具使用壽命。
為了理解刀具為何會(huì)迅速失效，就必須詳細(xì)分析切屑的形成。盡管可以用簡(jiǎn)明的術(shù)語(yǔ)來(lái)描述有關(guān)滾齒的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性，但刀刃和工件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系十分復(fù)雜，需要有合適的仿真工具。
在這個(gè)例子中，工件為48 齒而刀具為17 齒。每加工17 齒后，刀具開始加工工件的下一個(gè)齒隙。因?yàn)辇X數(shù)互質(zhì)，工件的所有齒隙都會(huì)被加工到。
如果對(duì)齒隙依次進(jìn)行編號(hào)，按逆時(shí)針方向從9 點(diǎn)鐘位置開始，那么，所描述的刀具將按1-18-35-4-21-38-7 的順序依次對(duì)齒隙進(jìn)行加工。從右邊，能看到刀具在齒隙間運(yùn)動(dòng)。刀具從右上角切入齒隙。徑向運(yùn)動(dòng)到齒隙的底部，然后再?gòu)凝X隙中退出。
在徑向切入與切出的過程中，刀具沿工件的齒寬軸向運(yùn)動(dòng)。軌跡的弧度很明顯（圖1）。從中可以發(fā)現(xiàn)，在齒隙切削過程中，頂尖前角在不斷改變，到達(dá)端部時(shí)甚至可能出現(xiàn)負(fù)值。利用仿真工具通過對(duì)前角和后角的精確分析來(lái)研究切削的形成時(shí)，就能得到初始結(jié)果。前角最大為（0。）， 在加工過程中可以變成負(fù)值，最小達(dá)到五十度（-50。）。
圖1：從上方（左）及內(nèi)徑方向（下）觀察到的刀具相對(duì)于工件的軌跡
即使是最合適的切割材料也會(huì)受到其應(yīng)力極限的制約。負(fù)前角往往會(huì)導(dǎo)致切削力增加，在工件外形精度、動(dòng)力學(xué)和剛度方面對(duì)機(jī)床帶來(lái)相當(dāng)程度的挑戰(zhàn)，從而使這種狀況進(jìn)一步加劇。滾齒刀具盡管有種種優(yōu)勢(shì)，但由于刀具方面存在這一系列問題，包括不利的切屑形成以及對(duì)滾齒刀的要求極高，依然未被接受。
機(jī)床和刀具——成功滾齒的因素
憑借在切屑流、剛度、弱化和幾何精度等方面的優(yōu)化，現(xiàn)代機(jī)器的概念取得了巨大的進(jìn)步。Oerlikon 螺旋傘齒輪切削機(jī)C29 就是一個(gè)很好的例子（圖2）。這是最早開發(fā)出的高性能錐齒輪干式切削技術(shù)。此外，它具有滾齒技術(shù)的理想特性。出色的剛度，以及憑借垂直概念和精密的軸對(duì)齊而實(shí)現(xiàn)的對(duì)高度動(dòng)態(tài)直接驅(qū)動(dòng)和切削流的優(yōu)化，這些都是滾齒技術(shù)取得成功是必要的先決條件。除了機(jī)床，刀具本身也是成功的決定性因素。
圖2：Oerlikon 錐齒輪切削機(jī)C 29 – 正在進(jìn)行滾齒加工，機(jī)軸被標(biāo)示為紅色
正如上面所表明的，滾齒工藝中切屑的形成相當(dāng)復(fù)雜，而且總是伴隨著對(duì)常規(guī)刀具的種種不利的工況，無(wú)論圓柱形刀具還是錐形刀具。可用后角上的限制影響了錐形刀具的成本效益。柱形刀具可以進(jìn)行一定程度的修磨，從成本效益的角度來(lái)衡量是可以接受的，但仍不能提供足夠長(zhǎng)的刀具壽命。在理想的情況下，刀具設(shè)計(jì)只需考慮刀刃。切割輪方面的任何損失都可忽略不計(jì)。
現(xiàn)在市場(chǎng)上已有這類刀具銷售，并在全球各種不同的應(yīng)用上進(jìn)行了測(cè)試。帶 ARCON 和 SPIRON 刀頭的 Oerlikon 刀條系統(tǒng)恰使弧齒錐齒輪具備了這些潛力。矩形硬質(zhì)合金條被磨成切削刃輪廓， 然后涂覆涂層并以極高的精度插入刀頭。因此，簡(jiǎn)而言之，解決方案就是將這一刀條系統(tǒng)應(yīng)用于滾齒。現(xiàn)在只有硬質(zhì)合金刀片被磨削成切削幾何外形，而非完整的柱形或錐形硬質(zhì)合金切削輪。這些形狀加工好的刀片被固定在合適的刀頭內(nèi)，組成鑲齒滾刀。
這種刀具自身的優(yōu)勢(shì)就能直接說明一切
其優(yōu)點(diǎn)包括，前角和后角可以自由選擇，還可優(yōu)化切屑流；錐齒輪刀具的修磨工藝十分可靠，在全球各地被熟練已運(yùn)用十多年；通過打磨刀片可以直接對(duì)其輪廓進(jìn)行修整。因此，成為第一個(gè)能實(shí)現(xiàn)滾齒刀片優(yōu)化的刀具系統(tǒng)。和成熟的 Oerlikon 錐齒輪加工機(jī)床一起，滾刀切削制造系統(tǒng)在誕生100 年后終于在市場(chǎng)上展現(xiàn)出成功的面貌。
閉環(huán)生產(chǎn)體系
可靠的流程所要求的不僅是可靠的機(jī)床和合適的刀具。必須將整個(gè)工藝序列中的所有步驟整合成一個(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)技術(shù)復(fù)合體，才能確保穩(wěn)定可靠的結(jié)果。克林伯格對(duì)這種方法有著深刻的認(rèn)識(shí)。多年以來(lái)， 閉環(huán)生產(chǎn)體系已經(jīng)成為錐齒輪全球成熟的標(biāo)準(zhǔn)。為確保用戶獲得與其所提供的錐齒切削同樣可靠的滾齒工藝優(yōu)勢(shì)，克林伯格開發(fā)了柱齒輪滾齒加工閉環(huán)生產(chǎn)體系。圖3 展示了這一閉環(huán)生產(chǎn)體系。
一切始于傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)。在此對(duì)組件的宏觀幾何形狀進(jìn)行了定義，并依照各項(xiàng)優(yōu)化準(zhǔn)則對(duì)齒廓進(jìn)行修整。與應(yīng)用于錐齒輪的方法相比，這兒只考察一個(gè)內(nèi)齒輪。通常利用漸開線圓柱齒輪觀察優(yōu)化與未優(yōu)化齒面之間的拓?fù)淦疃切拚Ｒ坏┩瓿升X輪幾何參數(shù)計(jì)算，就能生成齒形的理論標(biāo)定數(shù)據(jù)，也就可以開始刀具和運(yùn)動(dòng)學(xué)特性計(jì)算了。
這一迭代過程顯示了運(yùn)動(dòng)學(xué)特性與刀具之間的相互影響。用戶可以看到有關(guān)切屑形成的重要參數(shù)，可作為模擬滾齒制造工藝的基礎(chǔ)，同時(shí)還有機(jī)會(huì)對(duì)齒頂前角、以及頭部和齒面的半角和后角進(jìn)行優(yōu)化。用戶還能順帶獲得加工設(shè)備和切削刃的適當(dāng)?shù)倪\(yùn)動(dòng)學(xué)特性。該軟件包不僅支持鑲齒滾刀，還支持有（無(wú)）前刀面補(bǔ)償?shù)某Ｒ?guī)圓柱或圓錐切削輪。這些步驟之后，齒輪設(shè)計(jì)就完成了，生成了有關(guān)部件、刀具和機(jī)床的全部數(shù)據(jù)。工藝鏈的下一個(gè)環(huán)節(jié)是刀具的生產(chǎn)。
對(duì)于鑲齒滾刀，該刀具閉環(huán)系統(tǒng)發(fā)揮作用了，這在錐齒輪刀具上多年前就為人所知了。對(duì)刀具的描述不僅包含齒數(shù)和刀刃形式，而且還包含刀具的所有幾何參數(shù)。涵蓋前角和后角的各種信息， 以及有關(guān)刀條在切削輪中位置的所有數(shù)據(jù)。一旦刀條磨成，就可形成幾何尺寸。即使刀條輪廓與名義外形出現(xiàn)最小的偏差也應(yīng)記錄在案并采用校正算法加以處理。其結(jié)果將作為對(duì)磨床設(shè)定值的修整， 從而是測(cè)量偏差最小化。
圖3：閉環(huán)滾齒制造系統(tǒng)
現(xiàn)在已經(jīng)具備了與指定外形完全匹配的刀條。利用 Oerlikon CS 200 刀盤調(diào)整裝置對(duì)這些進(jìn)行定位，達(dá)到千分尺精度， 并用螺紋固定就位。接下來(lái)，是保證刀具使用過程的其余步驟與所要求的規(guī)范一致。采用C 系列 Oerlikon 切削機(jī)進(jìn)行齒輪滾齒加工的真正獨(dú)特之處，是以極短的加工時(shí)間獲得極高的生產(chǎn)品質(zhì)。一旦部件完成銑削，應(yīng)記錄下其外形尺寸，以便確定與理論外形的偏離。
克林伯格用新的方法對(duì)這些零件進(jìn)行測(cè)量。它采用的是等高線網(wǎng)格測(cè)量，而非常規(guī)的外形測(cè)量以及導(dǎo)程與漸開線齒形偏差的跟蹤。如果在各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上的偏差為零，則加工出的部件符合齒形設(shè)計(jì)的規(guī)格。再將偏差輸入校正算法計(jì)算出切削機(jī)運(yùn)動(dòng)的修整值。與機(jī)床一樣，這些都是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綑C(jī)器控制單元，然后再對(duì)下一個(gè)部件進(jìn)行磨削加工時(shí)就會(huì)自動(dòng)采用使偏差最小化的方式。
現(xiàn)在，全球所有閉環(huán)制造系統(tǒng)的用戶都會(huì)認(rèn)同，閉環(huán)制造的主要優(yōu)勢(shì)在于工藝的可靠性。除了符合工藝要求的機(jī)器和刀具，它還需要能保持工藝穩(wěn)定的控制回路。只有在加工中精確執(zhí)行設(shè)計(jì)要求，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)滾齒加工的優(yōu)化。
為何采用滾齒？
內(nèi)齒輪此前只能通過成型方法制造， 而現(xiàn)在則可采用高精度滾齒工藝進(jìn)行高效加工。盡管滾齒過程的運(yùn)動(dòng)學(xué)特性看似簡(jiǎn)單，其切屑形成實(shí)際上極其復(fù)雜。無(wú)論采用傳統(tǒng)圓錐形還是圓柱形切削輪，在干涉過程中不斷變化的前角和后角都會(huì)導(dǎo)致不利的切屑形成條件。這正是過去100 年中滾齒工藝并未取得成功的原因。滾齒成功的決定性因素，是采用開放式前角與后角設(shè)計(jì)的鑲齒刀具系統(tǒng)。這種刀具在世界各地應(yīng)用于錐齒輪干式切削并取得成功已有十多年的歷史。
由于加工所需時(shí)間短且質(zhì)量高，可使制造成本大幅降低；另一項(xiàng)附帶優(yōu)勢(shì)是單個(gè)部件的能耗下降，而且鑲齒刀具系統(tǒng)能確保完成整個(gè)加工過程的時(shí)間極短。系統(tǒng)的流程可靠性是建立在閉環(huán)生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上的。在數(shù)據(jù)方面，刀具準(zhǔn)備和滾齒過程均處于內(nèi)齒輪設(shè)計(jì)的連續(xù)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中。
深層蘊(yùn)含的質(zhì)量控制回路確保了嚴(yán)格按設(shè)計(jì)進(jìn)行制造。自從Von Pittler 注冊(cè)專利至今，其基本原則一直沒有改變。然而， 機(jī)械、刀具和生產(chǎn)工藝上的技術(shù)進(jìn)步總能確保其結(jié)果更勝一籌。
