车齿加工你了解多少？关注一下车齿技术历史及趋势分析吧

在全球范围内，车齿技术正在蓬勃发展不管把它称为旧瓶中的新酒或新瓶中的旧酒，但随着时间的推移，齿轮车齿加工都被看成是一个有一段历史的加工工艺。从2004年前后开始，齿轮车齿加工的发展势头可能最为迅猛，最终导致了相当大的技术进步和制造成本的下降。

但在我们走得太远之前，确保每个人都知道我们在说什么是很重要的。在最近几年中，“车齿”一词被用来描述各种各样的工艺过程。二三十年前，如果你提起车齿加工齿轮，大多数人会认为你在说的是滚齿或硬滚齿，但这里说的这是一个完全不同的工艺过程。

现在我们所讨论的车齿加工，主要指的是在1910年由 Julius Wilhem von Pittler所发明的相关加工技术。

该工艺使用圆盘形或齿轮形刀具(通常外观与齿轮成形刀具非常相似)，并采用刀具和工件同步进行运动，切削刀具和工件轴线交叉运动。

其中一个吸引人的地方是，车齿加工齿轮的过程比成形加工要快得多，例如，尽管它拥有更强的铁屑去除能力，而且明显地具有更高的成本效益。最近，在智能软件、机械和刀具刚度、切削速度和进给等领域取得了重大突破，刀具涂层已经将齿轮车齿加工定位为努力的方向。大多数生产工艺用于制造多种类型的内齿轮，甚至一些外部齿轮。当你和行业专家一起阅读下面的问答时，你会注意到车齿加工齿轮有很多不同的名称，包括“强力车齿”、“硬车齿削”、“超级车齿”，“强力硬车齿”，正如Profilator所称-“刮齿”或“硬刮”。

 

参加本次问答的有以下专家：

Vincent Affolter, Affolter技术公司总经理；

Dr. Nicklas Bylund, Sandvik Coromant总监，定制汽车解决方案；

Scott Knoy, GMTA 副总裁;

Dr. Patrick Labenda, 克林贝格锥齿轮应用工程主管; ;

Phillip Ruckwied, EMAG 切削技术主管;

Dwight Smith, 三菱重工美国公司机床部副总裁；

Udo Stolz, Gleason全球销售和营销副总裁；

Tom Ware, STAR SU LLC产品经理，齿轮刀具;

Dr. Oliver Winkel, 利勃海尔技术开发主管；

John Lange, 长期从事齿轮技术的独立专家。本着充分披露的精神，鉴于Lange是 Gear Technology编辑和前Gleason-Pfauter齿轮专家，考虑到添加一个独立的视角是有帮助的，我们邀请他参加了讨论。

 

请描述最新的齿轮/车齿切削相关的工具，以及它们如何加强齿轮车削加工效率。

BYLUND：强力车齿目前所用的刀具，是采用高速钢或者硬质合金制作的固体刀具。对于具有高速同步能力的机床来说，固体硬质合金刀具无疑是首选的，因为其具有更长的工具寿命和生产效率。对于模数大于2.5/DP10的刀具，采用镶嵌式硬质合金材料是较好的选择。

WARE：硬质合金刀具的使用提高了刀具的切削速度，延长了刀具寿命。

WINKEL：占主导地位的实际上是现代PM-HSS（粉末冶金高速钢）刀具与最新的AlCrN涂层，以提高工具的寿命。但重要的是数学上正确的轮廓设计，因此可以获得一个比较精确的首件。这在过去不是这样的，因为有些人认为车齿刀和成形刀是一样的。的确，它看起来很相似，但是其齿廓非常不同，因此需要几个齿廓优化循环过程。利勃海尔做了相关的工作，以发展必要的数学模型，以确保正确的车齿刀具轮廓。

SMITH.：最新的刀具进展是采用MHI的三片式组合刀具，它是为了进一步提高刀具寿命和金属去除率的发展而设计的。具有专利的超级车齿刀有多个切削刃来创造齿槽空间，而不是传统的小齿轮式刀具的单切削刃形式。

KNOY.：车齿加工技术的最新应用是“硬车齿”工艺。在“硬车齿加工”中，我们实现了一个齿轮的硬化状态下加工，作为磨削或珩磨的替代方法。我们利用Star-SU的固体硬质合金刮削刀具，并且配合使用了Oerlikon-Balzers提供的Balinit Altensa涂层类型。此外，可转位粗加工刀具在粗齿距齿轮应用中的使用已被证明是控制刀具成本的一种很好的方法。

STOLZ.：对于较大的模数产品，组合刀具与镶嵌式硬质合金刀具进行粗加工，且利用粉末冶金或硬质合金刀具进行精加工似乎是最好的选择，这当然取决于批量大小。对于硬加工，是必须要使用硬质合金刀具。

与其说是刀具材料的不同，不如说是对加工过程的理解，以及基于实际应用的设计和制造正确刀具的能力。

请描述与车齿机床有关的最新技术信息，以及其对齿轮制造技术的增强能力。

KNOY：自2005年以来，Profilator一直在制造专门的车齿机。我们提供卧式和立式主轴的机床，这使我们能够提供最适合应用工艺的机床。在许多情况下，我们的竞争对手已经使用滚齿机平台开始了他们的机床开发，但在这个专门的市场中，在现有的机床平台上进行功能扩展并不是一个长期的解决方案。几家五轴铣床制造商已经尝试在他们的机床中增加车齿功能，但成效有限。这些机床缺乏同步驱动包，无法生产高质量的齿轮。

LABENDA：我们拥有通用的C30齿轮铣齿机，适用于内、外齿轮的锥齿轮和强力车齿加工装置。

WINKEL：在保证工件与刀具主轴之间的最佳同步的同时，主轴和工作台较高转速的直接驱动技术以及高精度齿轮传动技术是非常重要的。此外，刮削过程的高动态性要求有机床较高的切削稳定性和刚度，以获得可靠和稳健的工艺设置。在利勃海尔机床上自动选择最优的传动控制参数是从一开始就支持稳定切削过程的一个重要特征。

为了获得较高的加工性能，尤其是在内齿轮表面质量方面，避免切屑焊接，冷却剂喷嘴的精确和恒定的定位是非常重要的。利勃海尔除了手动安装解决方案外，还有一个快速更改选项，可以轻松地从一个齿轮切换到另一个齿轮，并保持已验证的机床设置。

SMITH：MSS 300从MHI获得了满足机床要求的大量导轨和一个刚性的刀具主轴和导轨。两个伺服驱动器操作垂直轴的功率和控制。为了最大限度地减少或消除热变形，通过对机座的特殊设计，保证了长期工艺的稳定性。

RUCKWIED：随着电子轮系传动技术的进步，刀具与工件之间的传动比得到了更精确的控制，而展成链可以增加的速度也随之提高。EMAG的另一个优点是粗加工(车削)和精加工都可以在一次夹紧操作中完成。在相同的夹紧操作中完成包括车齿加工过程，可以防止重新夹紧误差，是消除径向偏差的有效方法。

STOLZ：强力车齿加工过程的成功关键是系统的刚度，其中机床的稳定性起着重要的作用，尤其是强力车齿工件车齿加工的工艺。另外，机床本身的柔性化也是很关键的因素。该工艺具有分料、自动换刀、自动装卸、一体化去毛刺等特点。在相同的强力车齿系统下，我们可以同时在软和硬条件下切削齿轮。在许多情况下，我们正在消除额外的制造步骤，将去毛刺能力集成到内齿轮的削力工具中，或在我们的卧式机床上为轴增加旋转倒角单元。

齿轮车齿技术是否有任何预期的或悬而未决的技术收益？

STOLZ：目前，在软材料条件下强力车齿是最先进的。具有巨大潜力的一个有趣的应用工艺是硬材料的强力车齿技术。以前，在硬化的条件下，没有有效的工艺来精细地完成中小型内齿轮。强力车齿技术有可能改变游戏规则。

WINKEL：.利勃海尔最近推出了其最新的车齿机，可选择更换刀具。这使得客户可以在没有任何操作员的情况下运行机器更长的时间，或者在一个设置没有妥协的刀具条件下设计切削多个齿轮。此外，转换到其他零件时，仅需要一个简化的换刀装置。另一项新技术是很难做到的。即可以使客户能够在同一台机器上加工软和硬的零部件。这样就减少了在机床上的附加投资数量。此外，还有一个额外的选择，硬精加工-特别是内部齿轮加工，它的生产率远快于例如内轮廓磨削，但精度没有那么精确。关于利勃海尔，我们认为这也是非常有益的，支持操作者与MC控制，是齿轮技术驱动，特别是致力于齿轮硬车削技术。

RUCKWIED：与齿轮成形加工方法相比，车齿加工的生产率和刀具寿命提高了2~6倍。

为什么花了这么长时间才有技术进展？从某种角度来说，你认为是什么阻止了对齿轮产品的快速开发？

STOLZ:强力车齿为一个高频工艺过程，在过去，由于轴传动系统缺少刚度，因此很难防止振动。由于削力所需的横轴角度，这个过程比成形加工要复杂得多。以前没有任何技术软件，可以帮助了解详细的工艺过程，并将刀具和工艺设计的非常精确。与此同时，刀具的基材和涂层已经发生了变化，并为该工艺的成功做出了重大贡献，在过去，它更多的是一种尝试和错误的方法。

LANGE：强力车齿工艺需要两个运动轴（刀具和机床）具有较高的功率和速度，如果拥有了同时具有两个特点的机床，便不再因为机床的局限性而设计相关刀具。刀具的设计对于这个工艺过程来说是非常重要的！

AFFOLTER：大概有两个方面。首先，现有的加工工艺(滚齿、成形、拉削)是众所周知的、广泛的，而且在某些应用中更适合。第二，强力车齿加工需要高转速，速度快，扭矩大，插补精度高，以前没有人能可靠地制造这样的数控机床。

LABENDA：究其原因，是因为强力车齿是一个非常动态的过程，需要非常稳定的机床和高精度的轴向耦合。

WINKEL：在机床方面，驱动技术是一个关键因素。高转速和完美的同步加上高刚性是必不可少的。在刀具方面，刀具寿命曾经是，也一直是强力车齿的主要话题。但是，新的基材和涂层以及更好的技术理解有助于提高刀具的设计能力和性能。

在技术上，采用多刀次切削策略减少负前角是提高工艺可靠性和刀具寿命的重要一步。最后，开发了基于数学基础和现代计算机上使用的高精度仿真软件，为避免不良的工艺设计和刀具设计奠定了基础。

SMITH：由于机床不够具有刚性，不够强度，且缺乏相当精度的主轴同步技术，限制和阻碍了车齿加工技术的进展。

可承受性

齿轮车齿技术是一项昂贵的加工项目吗？如果是，请详细说明，例如-是因为刀具吗？涂层？软件？我们是否可以假设车齿工装比传统工装贵？如果是的话，为什么呢？

AFFOLTER：对于我们的蜗杆螺纹车齿加工工艺，该机床可以与标准滚齿机一样使用，因为驱动部件的主轴可以达到高速(超过10000转/分)。 然而，强力车齿加工用的刀具要大约比标准滚齿加工刀具贵30-50%。但是这种刀具的使用寿命很长，特别是切削黄铜时(每次刃磨之间能加工三万到四万个零件)。所使用的软件是我们的Affolter Gear(与滚齿机相同)。

KNOY：刀具的成本一般与插齿刀相同，刀具材料和涂层相同，尺寸和几何形状相似。由于它是较新的技术，刀具的名义成本可能更高，因为制造这些工具的制造工艺不如制造成形工具的过程那么发达。

STOLZ：视具体情况而定，在大多数情况下，这是一个巨大的降低成本的机会。一方面，一台强力车齿机可以代替几台成形机。论另一方面，对于中小型批号，强力车齿可以是一个非常有效的替代拉削的工艺，因为它具有更高的效率和更快的产品切换时间。可以避免拉削工具的大量库存和较长的交货时间。刀具轮廓和齿向方向的修改可以很容易地完成。

WINKEL：在强力车削加工中，由于加工动力学要求较高，工件的夹紧夹具比成形夹具复杂得多。 必须考虑的是，切削刀具通常是对应于特定工件的，而在成形加工过程中，不同的齿数的产品用相同的成形刀具可以产生轮廓移位系数(例如，花键)。与拉刀相比，车齿机便宜得多，而且刀具也更便宜，而且还可以进行修复。但同样地，夹紧装置是在投资方面被忽略的主要成本因素，因为拉削中或多或少没有特定的夹紧装置。

SMITH：车齿加工，或强力车齿加工，如MHI所指的，在启动成本，齿槽之间的成形加工和拉削与其他齿轮切削过程不相上下。由于其优越的工具寿命，与普通小齿轮式刀具相比，强力车齿加工刀具为MHI提供了一个较低的单位成本。

WARE：由于循环时间比成形工艺要短得多，降低了总制造成本。如果数控机床能够做整个零件，包括轮齿。与所有加工一样，必须对工件-机床进行分析(按此顺序)。

新的应用？齿轮车齿加工对内外齿轮切削都同样有效吗？还是一个比另一个多？

STOLZ：我们认为内齿轮和带有肩部的外齿轮具有最大的好处，而这些齿轮不能用滚齿工艺制造。如果可以采用滚齿工艺的，它在大多数情况下是更有效的过程。想象一下滚齿和强力车齿刀上的齿数。如果你假设每个轮齿的长度相同，你会发现滚刀的寿命在刃磨之间要高得多。在某些情况下，齿轮和肩部之间没有足够的间隙，即使是强力车齿工艺也没法加工。在这种情况下，需要减小交叉轴角，从而影响加工效率。在这种情况下，铸造可能是更好的选择。

WARE：强力车齿是一种替代成形的方法，因此滚齿仍然是外齿轮最有效的加工方法。就像成形加工，它可以制造内外齿轮齿。刀具与工件之间的交轴角限制了某些应用。

LANGE：轴类零件的某些外部切削需要成形，因此，在强力车齿工艺可以应用的情况下，强力车齿工艺的过程是双赢的。然而，如果它可以采用滚齿加工的，我想我会坚持滚齿工艺-特别是在可以使用多头滚刀的预精加工过程中。滚齿应该更快，刀具成本更低。我想说，制造更大的内齿轮的成本是采用强力车齿工艺最重要的发展的动力，加上更好的质量，我相信，类似或更少的刀具成本。这台机床的成本比一台成形刀要高出四倍，但成本并不比它贵四倍，因为循环时间比它快四倍！什么是工厂的厂房空间和较少的机床操作员的价值？我相信(最大)这一工艺的影响出现在建筑机械行业和更大的内齿轮制造领域。

KNOY：当你使用车齿工艺时，你可以切削内齿，外齿，直齿，螺旋齿，链轮，花键和齿轮，以及附加的不对称特征的零部件，鼓形和锥度齿零部件。如上所述，相关软件为机床提供了方向。工艺过程的灵活性是其最好的特点之一。大多数人认为，对内齿轮来说，车齿加工是一个很好的过程。然而，外部齿轮的车齿加工与滚齿相比，可以提供一个更好质量的零部件，加工时间也耗费较短的时间。

WINKEL：刮削适用于外齿轮和内齿轮，但如果外齿轮没有其他优点或限制(如干涉，或定位于其他被削掉的齿轮)，则滚齿对我们来说总是更有成本效益，更有效率。

SMITH：其最大的优势是内齿轮的批量生产，包括直齿和斜齿轮。对于外齿轮，除非在干扰零件几何形状的情况下，采用滚齿工艺更为经济有效。对于许多具有凹槽齿轮或花键特征的应用，成形是首选的工艺，因为切削有限制，同时因为交叉轴需要。

BYLUND：对于内齿轮来说，它特别有效，因为成形(慢)和铰削(非常不灵活和繁琐)等替代方法并不好。对于外齿轮加工来说，对一个投资于新技术的工厂来说，强力车削是一个很好的选择，因为如果使用多轴数控系统，内齿、外齿和其他零部件都可以制造出来。

RUCKWIED：由于拉削和成形技术的竞争，内齿轮切削更加有效。在刀具上使用两个或两个以上滚刀时，外齿轮的滚切技术往往更有效。如果加工面紧邻，则不可能进行外齿轮滚齿机加工。因此，车齿是一种有效的解决方法。

车齿加工变速箱部件

车齿工艺一直被吹捧为一种生产“节省成本的变速箱零件”的工艺过程，并且使用这种方法可以高效地生产出具有约束轮廓的工件。

LABENDA：用我们的软件，我们可以制造齿轮与修正齿轮，这意味着在更换内齿轮而不是行星齿轮时节省了时间。

STOLZ：在设计变速箱时，主要有两个目标，变速箱应尽可能紧凑，并具有成本竞争力。紧凑度有时意味着齿轮与肩部或另一轮廓之间的间隙很小，这需要在制造过程中成形加工。Gleason可以预先告诉客户什么是最低限度的间隙是必要的，以便能够使用极高的强力车齿工艺过程。如果它能够在没有重大妥协的情况下完成，特别是在高产量的生产中，那么节省下来的钱就会很大。

考虑到加工与“具有约束轮廓的工件”时，例如输入或输出轴。对于直齿圆柱齿轮或花键的成形，成形刀头与尾座在同一平面上时，有一个如果刀具直径不够大，则有很高的碰撞风险。

由于横轴角度的原因，主轴干涉轮廓远离尾座，当采用强力车齿工艺的时候，碰撞就会变得不那么关键了。

KNOY：齿轮的尺寸越来越小，但载荷和扭矩却在增加。车齿工艺可以帮助这一趋势，因为它不需要清除铁屑，就像齿轮成形一样。这意味着，由于清除间隙沟槽的一个功能的车齿工艺过程，在齿轮中的“弱点”也被消除。这使整个齿轮可以减少质量-但仍然提供相同的强度。较小的零部件意味着更小、更有效的传输效率。这一点在速度进入方程的程度上也是显而易见的。完成所有想要的几何图形的可能性已经存在了一段时间-只是经济性上没有准备好。

WINKEL：(设计师)在许多情况下，他们实际上是在检查是否可以将成形设计更改为一种“车齿适用的设计”。这尤其是由于车齿机的横轴角引起的车齿机比成形机床要求更高，有可能超限。

RUCKWIED：现有的解决方案是将两部分进行机械加工和组合，并将其设计成一个零件，然后再用强力车齿技术将其加工成一个零件。在一个零件上的齿轮成形比用齿轮拉刀加工两个零件并将它们焊接在一起要成本高得多。

针对面齿轮设计需要成形加工齿轮，这往往是(非生产性)的系列解决方案。以其强力车齿的高效率为动力的加工技术，为机械加工作业的设计人员和计划人员提供了一种新的灵活性和生产选择。

LABENDA：用我们的软件，我们可以制造齿轮与修正齿轮，这意味着在更换内齿轮而不是行星齿轮时节省了时间。

BYLUND：与所有制造技术要求一样，对工件的要求也发生了变化。如果有肩部靠近齿轮或花键，或者当齿很深的时候，强力车齿就不起作用了。“设计用于强力车齿的部件可以有效地进行强力车齿。”

RUCKWIED：现有的解决方案是将两部分进行机械加工和组合，并将其设计成一个零件，然后再用强力车齿技术将其加工成一个零件。在一个零件上进行齿轮成形比用齿轮拉削后将两个零件焊接在一起要贵得多。面对面的齿轮设计需要用齿轮成形加工来加工，这往往是生产效率太低的系列解决方案。强力车齿技术以其生产率的优势，为机械加工设计人员提供了一种新的灵活性和生产选择。