為什么滾齒迄今尚未成功？

機加工工藝的生產力主要取決于切削厚度以及單位時間的切削次數。很顯然， 挖掘滾齒加工的巨大潛力主要在提升單位時間內的切削次數。只要選擇好適當的刀具、工件旋轉速度以及軸線相交角度，就能實現理想的切削速度。對于采用硬質合金刀具的干式切削工藝，150-250 米/ 分的切削速度比較合適。

只要通過簡單的近似計算就能弄清這種差異：假設轉速為每分鐘2000 轉，相當于每分鐘200 米的切削，若采用25 齒刀具，則每分鐘可到達50000 次切削。對于相同的切削速度，只需每分鐘1200 轉刀具轉速的八座兩齒滾刀，相比之下每分鐘只能達到19200 次切削?？紤]到這一可能性，導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興趣。20 多年來，在這個領域曾進行過大量調查， 并且形成了如下共識：滾齒是一個高效能的工藝，之所以不能獲得成功，是由于受到刀具使用壽命短、機械振動過度和關鍵排屑的影響。

前面提到的切屑厚度參數以及單位時間切削次數的確對生產率有本質上的影響，但更體現了過程的成本效益，對日常實踐的成敗具有決定性的作用。僅僅加工速度快還不夠，還應有令人滿意的刀具使用壽命。

為了理解刀具為何會迅速失效，就必須詳細分析切屑的形成。盡管可以用簡明的術語來描述有關滾齒的運動學特性，但刀刃和工件之間的運動關系十分復雜，需要有合適的仿真工具。

在這個例子中，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齒隙。因為齒數互質，工件的所有齒隙都會被加工到。

如果對齒隙依次進行編號，按逆時針方向從9 點鐘位置開始，那么，所描述的刀具將按1-18-35-4-21-38-7 的順序依次對齒隙進行加工。從右邊，能看到刀具在齒隙間運動。刀具從右上角切入齒隙。徑向運動到齒隙的底部，然后再從齒隙中退出。

在徑向切入與切出的過程中，刀具沿工件的齒寬軸向運動。軌跡的弧度很明顯（圖1）。從中可以發現，在齒隙切削過程中，頂尖前角在不斷改變，到達端部時甚至可能出現負值。利用仿真工具通過對前角和后角的精確分析來研究切削的形成時，就能得到初始結果。前角最大為（0。）， 在加工過程中可以變成負值，最小達到五十度（-50。）。

圖1：從上方（左）及內徑方向（下）觀察到的刀具相對于工件的軌跡

即使是最合適的切割材料也會受到其應力極限的制約。負前角往往會導致切削力增加，在工件外形精度、動力學和剛度方面對機床帶來相當程度的挑戰，從而使這種狀況進一步加劇。滾齒刀具盡管有種種優勢，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滾齒刀的要求極高，依然未被接受。

機床和刀具——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化，現代機器的概念取得了巨大的進步。Oerlikon 螺旋傘齒輪切削機C29 就是一個很好的例子（圖2）。這是最早開發出的高性能錐齒輪干式切削技術。此外，它具有滾齒技術的理想特性。出色的剛度，以及憑借垂直概念和精密的軸對齊而實現的對高度動態直接驅動和切削流的優化，這些都是滾齒技術取得成功是必要的先決條件。除了機床，刀具本身也是成功的決定性因素。

圖2：Oerlikon 錐齒輪切削機C 29 – 正在進行滾齒加工，機軸被標示為紅色

正如上面所表明的，滾齒工藝中切屑的形成相當復雜，而且總是伴隨著對常規刀具的種種不利的工況，無論圓柱形刀具還是錐形刀具?？捎煤蠼巧系南拗朴绊懥隋F形刀具的成本效益。柱形刀具可以進行一定程度的修磨，從成本效益的角度來衡量是可以接受的，但仍不能提供足夠長的刀具壽命。在理想的情況下，刀具設計只需考慮刀刃。切割輪方面的任何損失都可忽略不計。

現在市場上已有這類刀具銷售，并在全球各種不同的應用上進行了測試。帶 ARCON 和 SPIRON 刀頭的 Oerlikon 刀條系統恰使弧齒錐齒輪具備了這些潛力。矩形硬質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，簡而言之，解決方案就是將這一刀條系統應用于滾齒。現在只有硬質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，組成鑲齒滾刀。

這種刀具自身的優勢就能直接說明一切

其優點包括，前角和后角可以自由選擇，還可優化切屑流；錐齒輪刀具的修磨工藝十分可靠，在全球各地被熟練已運用十多年；通過打磨刀片可以直接對其輪廓進行修整。因此，成為第一個能實現滾齒刀片優化的刀具系統。和成熟的 Oerlikon 錐齒輪加工機床一起，滾刀切削制造系統在誕生100 年后終于在市場上展現出成功的面貌。

閉環生產體系

可靠的流程所要求的不僅是可靠的機床和合適的刀具。必須將整個工藝序列中的所有步驟整合成一個連續數據技術復合體，才能確保穩定可靠的結果?？肆植駥@種方法有著深刻的認識。多年以來， 閉環生產體系已經成為錐齒輪全球成熟的標準。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勢，克林伯格開發了柱齒輪滾齒加工閉環生產體系。圖3 展示了這一閉環生產體系。

一切始于傳動裝置的設計。在此對組件的宏觀幾何形狀進行了定義，并依照各項優化準則對齒廓進行修整。與應用于錐齒輪的方法相比，這兒只考察一個內齒輪。通常利用漸開線圓柱齒輪觀察優化與未優化齒面之間的拓撲偏差而非修正。一旦完成齒輪幾何參數計算，就能生成齒形的理論標定數據，也就可以開始刀具和運動學特性計算了。

這一迭代過程顯示了運動學特性與刀具之間的相互影響。用戶可以看到有關切屑形成的重要參數，可作為模擬滾齒制造工藝的基礎，同時還有機會對齒頂前角、以及頭部和齒面的半角和后角進行優化。用戶還能順帶獲得加工設備和切削刃的適當的運動學特性。該軟件包不僅支持鑲齒滾刀，還支持有（無）前刀面補償的常規圓柱或圓錐切削輪。這些步驟之后，齒輪設計就完成了，生成了有關部件、刀具和機床的全部數據。工藝鏈的下一個環節是刀具的生產。

對于鑲齒滾刀，該刀具閉環系統發揮作用了，這在錐齒輪刀具上多年前就為人所知了。對刀具的描述不僅包含齒數和刀刃形式，而且還包含刀具的所有幾何參數。涵蓋前角和后角的各種信息， 以及有關刀條在切削輪中位置的所有數據。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最小的偏差也應記錄在案并采用校正算法加以處理。其結果將作為對磨床設定值的修整， 從而是測量偏差最小化。

圖3：閉環滾齒制造系統

現在已經具備了與指定外形完全匹配的刀條。利用 Oerlikon CS 200 刀盤調整裝置對這些進行定位，達到千分尺精度， 并用螺紋固定就位。接下來，是保證刀具使用過程的其余步驟與所要求的規范一致。采用C 系列 Oerlikon 切削機進行齒輪滾齒加工的真正獨特之處，是以極短的加工時間獲得極高的生產品質。一旦部件完成銑削，應記錄下其外形尺寸，以便確定與理論外形的偏離。

克林伯格用新的方法對這些零件進行測量。它采用的是等高線網格測量，而非常規的外形測量以及導程與漸開線齒形偏差的跟蹤。如果在各個網格點上的偏差為零，則加工出的部件符合齒形設計的規格。再將偏差輸入校正算法計算出切削機運動的修整值。與機床一樣，這些都是通過網絡傳輸到機器控制單元，然后再對下一個部件進行磨削加工時就會自動采用使偏差最小化的方式。

現在，全球所有閉環制造系統的用戶都會認同，閉環制造的主要優勢在于工藝的可靠性。除了符合工藝要求的機器和刀具，它還需要能保持工藝穩定的控制回路。只有在加工中精確執行設計要求，才能實現對滾齒加工的優化。

為何采用滾齒？

內齒輪此前只能通過成型方法制造， 而現在則可采用高精度滾齒工藝進行高效加工。盡管滾齒過程的運動學特性看似簡單，其切屑形成實際上極其復雜。無論采用傳統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導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計的鑲齒刀具系統。這種刀具在世界各地應用于錐齒輪干式切削并取得成功已有十多年的歷史。

由于加工所需時間短且質量高，可使制造成本大幅降低；另一項附帶優勢是單個部件的能耗下降，而且鑲齒刀具系統能確保完成整個加工過程的時間極短。系統的流程可靠性是建立在閉環生產系統的基礎之上的。在數據方面，刀具準備和滾齒過程均處于內齒輪設計的連續數據網絡中。

深層蘊含的質量控制回路確保了嚴格按設計進行制造。自從Von Pittler 注冊專利至今，其基本原則一直沒有改變。然而， 機械、刀具和生產工藝上的技術進步總能確保其結果更勝一籌。