本文主要研究弧齿锥齿轮硬齿面高速切削工艺。以淬硬钢制成的小型弧齿锥齿轮为对象，选择粉末冶金高速钢刀具作为试验设备，开展硬齿面高速切削试验，探究切削力、切削速度、进给量三个参数对硬齿面表面质量的影响。结果发现，弧齿锥齿轮硬齿面的表面粗糙度，随切削力的增加呈先降低后升高的趋势，随切削速度的增加呈先降低后 升高的趋势，随进给量的增加呈升高趋势。当切削力为250N、切削速度为700m/min、进给量为1.5mm/r时，弧齿锥齿轮硬齿面高速切削精度最高。

　　0 引言

　　弧齿锥齿轮是一种广泛应用于机械传动领域的齿轮，具有传动质量高、承载能力强、使用寿命长等优势，正在逐步取代常规的直齿锥齿轮。随着我国机械制造业的不断发展，对弧齿锥齿轮的制造精度和效率提出了更严格的要求。为满足这一要求，作为先进制造技术的高速切削工艺受到关注。高速切削工艺不仅具有切削效率高的优点，而且该工艺加工出的机械产品质量较好，为弧齿锥齿轮硬齿面切削提供了新的解决方案。因此，研究弧齿锥齿轮硬齿面高速切削工艺，对于提高我国齿轮生产水平与推动机械制造业的可持续发展具有重要意义。岳修杰等通过正交试验研究7075铝合金高速切削性能，发现相同切削参数下热处理工艺可以提升铝合金的硬度。易健松等在粉末冶金制备金属陶瓷的过程中，以碳氮含量比为变量，探讨不同碳氮含量比下金属陶瓷刀的高速切削性能，结果表明TiC:TiN=7:3时，金属陶瓷刀的切削性能最佳。虽然我国很多学者已经取得一定研究成果，但关于高速切削工艺参数对切削性能影响的研究较少，所以本文研究不同工艺参数下弧齿锥齿轮硬齿面的高速切削性能仍具有一定的意义和价值。

　　1 试验设计

　　试验设备与材料：弧齿锥齿轮硬齿面高速切削工艺的实质就是运用刀具对齿轮进行加工，从而形成齿面，所以在本次弧齿锥齿轮硬齿面高速切削工艺的试验研究中，首先需要分别确定齿轮与刀具的参数。关于齿轮，本次试验采用淬硬钢制成的小型弧齿锥齿轮，其基本设计参数如表1所示。

　　表 1 弧齿锥齿轮参数

      在弧齿锥齿轮硬齿面高速切削过程中，主要采用数控机床进行加工，机床加工中刀具是关键的加工设备。关于刀具，无论是刀具材料还是几何参数都很重要，考虑到本次试验采用的是淬硬钢弧齿锥齿轮，本文选择了粉末冶金高速钢刀具。粉末冶金高速钢具有高纯净度、高强度和高硬度的特性，其在实际应用中具有耐磨性好、能够制造复杂刀具、节约材料和成本、可加工性好、高效率、长寿命及环保等优势。因此，在制造业中，特别是对于需要高精度、高强度和高耐磨性的刀具制造领域，粉末冶金高速钢是一种非常理想的材料。本次弧齿锥齿轮硬齿面高速切削试验选择粉末冶金高速钢刀具作为主要切削设备，其具体的设计参数如表2所示。

　　表 2 刀具参数

　　将刀具安装在机床的刀盘上，本次试验采用的数控机床刀盘主体上开有9个刀槽，且每个刀槽上均设有2个螺栓孔，将刀具的刀柄与刀盘主体连接在一起后，通过螺栓将二者固定。这样不仅可以保证弧齿锥齿轮硬齿面高速切削的安全性，而且刀具拆装便捷，便于试验。

　　试验方案与过程：根据上述内容可知，在本次试验中，以淬硬钢制成的小型弧齿锥齿轮为切削对象，并采用安装了粉末冶金高速钢刀具的数控机床为切削设备，本试验将采用高速切削工艺进行弧齿锥齿轮硬齿面的切削加工。高速切削工艺是由德国学者萨洛蒙提出的，虽然尚未有确切的概念，但时至今日通常将主轴转速超过8000r/min的切削加工称为高速切削。同时，针对不同的加工材料，切削速度各不相同，针对本次试验选择的淬硬钢小型弧齿锥齿轮，当切削速度达到380m/min时就可以称为高速切削。一般来说，弧齿锥齿轮硬齿面高速切削工艺是一个复杂且系统性的工程，其切削机理仍未完善，所以本文主要探究不同切削工艺参数下弧齿锥齿轮硬齿面的高速切削精度。基于弧齿锥齿轮硬齿面切削加工的实际情况，本次试验主要以硬齿面的表面质量为试验指标，其表面质量越高，说明高速切削工艺的精度越高。与此同时，本次试验选择了切削力、切削速度及进给量作为切削工艺参数，这些参数是实现弧齿锥齿轮硬齿面高速切削加工的关键参数。那么基于上述工艺参数，本文设计的弧齿锥齿轮硬齿面高速切削加工试验方案如表3所示。

　　表 3 切削工艺参数设计

      从表3可以看出，为探究切削力、切削速度和进给量这三个高速切削工艺参数与弧齿锥齿轮硬齿面表面质量之间的关系，本次试验采用了三因素六水平正交试验方法。具体试验步骤如下：首先开启机床，控制弧齿锥齿轮工件移动至与刀具相对的正确位置上，按试验方案中设计的切削工艺参数进行齿轮的粗加工。这里主要采用双向行切法，也就是控制刀具从弧齿锥齿轮的毛坯工件上端的凹面处进刀，绕着工件圆周方向进行切削，直至走到下一齿的凸面，完成一个齿长的切削，不断循环，直至完成全部齿槽的粗加工后停止。然后在弧齿锥齿轮工件热处理后，再对齿轮进行精加工。这里主要采用了竖向双向行切法，也就是按照与粗加工不同的走刀路径，同样对弧齿锥齿轮工件进行由凹面到凸面的切削加工，最终得到弧齿锥齿轮硬齿面的实际切削效果。在本次试验过程中，弧齿锥齿轮硬齿面的粗加工与精加工轨迹如图1所示。表面质量之间的关系，本次试验采用了三因素六水平正交试验方法。具体试验步骤如下：首先开启机床，控制弧齿锥齿轮工件移动至与刀具相对的正确位置上，按试验方案中设计的切削工艺参数进行齿轮的粗加工。这里主要采用双向行切法，也就是控制刀具从弧齿锥齿轮的毛坯工件上端的凹面处进刀，绕着工件圆周方向进行切削，直至走到下一齿的凸面，完成一个齿长的切削，不断循环，直至完成全部齿槽的粗加工后停止。然后在弧齿锥齿轮工件热处理后，再对齿轮进行精加工。这里主要采用了竖向双向行切法，也就是按照与粗加工不同的走刀路径，同样对弧齿锥齿轮工件进行由凹面到凸面的切削加工，最终得到弧齿锥齿轮硬齿面的实际切削效果。在本次试验过程中，弧齿锥齿轮硬齿面的粗加工与精加工轨迹如图1所示。

图 1 刀具走刀轨迹

　　在按照上述步骤完成弧齿锥齿轮硬齿面的高速切削加工后，用表面粗糙度测量仪对硬齿面的表面粗糙度进行测量，以表面粗糙度作为衡量硬齿面表面质量的定量指标。在测量弧齿锥齿轮硬齿面表面粗糙度时，为降低测量误差，在硬齿面的表面随机选择多个不同位置，分别测量其粗糙度后求取平均值，作为最终的试验结果。并对比不同切削工艺参数下的试验结果，从而判断切削工艺参数对弧齿锥齿轮硬齿面高速切削精度的影响。

　　2 试验结果

　　不同切削力下硬齿面表面质量：当切削速度与进给量保持不变时，以高速切削工艺的切削力为变量，采集不同切削力下弧齿锥齿轮硬齿面表面粗糙度数据，将表面粗糙度测量结果绘制成图2所示的曲线图。

图 2 不同切削力下弧齿锥齿轮硬齿面表面质量

　　从图2可以看出，随着切削力的不断增加，弧齿锥齿轮硬齿面表面粗糙度呈先降低后升高的趋势，且当切削力为250N时，硬齿面表面粗糙度Ra最小，为0.63μm。这主要是因为弧齿锥齿轮在进行高速切削时，刀具需要克服一定的阻力，如果切削力过小，就无法满足齿轮材料表面的切削需求，导致切削后的硬齿面质量较差;但如果切削力过大，会增加刀具与齿轮材料表面之间的接触压力，导致硬齿面在高速切削过程中出现表面变形的情况，从而增加表面粗糙度。因此，在实际的弧齿锥齿轮硬齿面高速切削加工中，为得到更好的硬齿面表面质量，需要选择合适的切削力。

　　不同切削速度下硬齿面表面质量：当切削力与进给量保持不变时，以高速切削工艺的切削速度为变量，采集不同切削速度下弧齿锥齿轮硬齿面表面粗糙度数据，将表面粗糙度测量结果绘制成图3所示的曲线图。

　　图 3 不同切削速度下弧齿锥齿轮硬齿面表面质量

　　从图3可以看出，在弧齿锥齿轮硬齿面高速切削加工过程中，切削速度对硬齿面的表面质量有着显著影响。随着切削速度的加快，弧齿锥齿轮硬齿面的表面粗糙度呈先下降后升高的趋势，当切削速度为700m/min时，硬齿面的表面粗糙度Ra最小，为0.71μm。这主要是因为如果切削速度过低，刀具和弧齿锥齿轮之间的摩擦时间就会增加，促使二者之间的摩擦力增大，从而导致硬齿面的表面质量较差。如果切削速度过快，虽然可以减少刀具与弧齿锥齿轮之间的摩擦时间，但可能会引发刀具振动与弧齿锥齿轮变形等问题，进而促使硬齿面的表面粗糙度值增大。因此，在弧齿锥齿轮硬齿面高速切削加工过程中，切削速度与硬齿面表面质量之间的关系较为复杂，需要通过调整切削速度来获得更好的硬齿面表面质量。

　　不同进给量下硬齿面表面质量：当切削力与切削速度保持不变时，以高速切削工艺的进给量为变量，采集不同进给量下弧齿锥齿轮硬齿面表面粗糙度数据，将表面粗糙度测量结果绘制成图4所示的曲线图。

图 4 不同进给量下弧齿锥齿轮硬齿面表面质量

　　从图4可以看出，随着弧齿锥齿轮进给量的不断增加，硬齿面的表面粗糙度值也不断增大，结合弧齿锥齿轮硬齿面的实际高速切削加工需求，将进给量控制为1.5mm/r时，硬齿面的表面质量最好，其表面粗糙度值最小，达到了Ra0.78μm。这主要是因为如果弧齿锥齿轮进给量增加，刀具在单位时间内对硬齿面的摩擦作用也会增大，再加上由此生成的热量，促使硬齿面表面发生氧化与烧伤现象，均会造成硬齿面表面粗糙度值的增大。所以合适的进给量对优化弧齿锥齿轮硬齿面高速切削质量有着重要影响。综上所述，不同的切削工艺参数对弧齿锥齿轮硬齿面的表面质量均有着不同的影响规律，在实际的弧齿锥齿轮硬齿面高速切削加工中，需要选择恰当的工艺参数来提升硬齿面的表面切削质量，进而保障高速切削的切削精度。

　　3 结语

　　本文在弧齿锥齿轮硬齿面高速切削试验中，探讨了切削力、切削速度和进给量对切削精度的影响，得到以下结论：不同的工艺参数对弧齿锥齿轮硬齿面高速切削效果都有着不容忽视的影响，其中切削力的增加会导致硬齿面表面粗糙度值先增大后减小，切削速度的增加也会导致硬齿面表面粗糙度值先减小后增大，进给量的增加会导致硬齿面表面粗糙度值不断增大。根据高速切削试验结果可知，当切削力为250N、切削速度为 700m/min、进给量为1.5mm/r时，弧齿锥齿轮的硬齿面表面质量最佳，该组合参数可以为提升高速切削工艺的加工精度提供有效指导。虽然本次研究已经取得一定成果，但由于时间有限，本文研究内容仍具有一定局限性。目前本文仅针对切削工艺参数对切削精度的影响进行了研究， 但在实际的弧齿锥齿轮硬齿面高速切削加工中，刀具的材料与参数对切削精度也有一定的影响，所以今后将对刀具表面性能与高速切削性能之间的关系作进一步研究，对推动我国航空、汽车及精密机械等产品的更新换代具有重要的研究意义与应用价值。

　　参考文献：略