改進錐齒輪生產(chǎn)的新型解決方案
弧齒錐齒輪是機械工程中最復(fù)雜的零件之一，因此制造此類零件往往需要專用的機床和刀具。對制造商而言，其最顯著的缺點在於昂貴的機械成本，以及大量的編程時間。特別是對中小批量生產(chǎn)具有很大影響，因為不能像大批量生產(chǎn)那樣盡快地收回投資。為了滿足客戶在持久耐用和價格方面的需求并由此保持競爭力，齒輪制造商也日益迫切地需要確保他們的生產(chǎn)過程高產(chǎn)、高效且具有最高質(zhì)量。
無論是采用專用切削頭和昂貴的特種機床，還是在五軸加工中心上使用立銑刀，最廣泛使用的是齒輪銑削應(yīng)用方面的各種制造工藝。這些工藝既復(fù)雜又成本高昂，但同時又存在巨大的改進潛力。
發(fā)現(xiàn)并挖掘生產(chǎn)潛力
為了挖掘這種潛力，德國VOITH Turbo公司的生產(chǎn)主管Wolfgang Huetter與兩家選定的合作伙伴供應(yīng)商（Gebrueder Heller和山特維克可樂滿）展開合作。他們攜手應(yīng)對挑戰(zhàn)，Huetter表示：“持久耐用的高效解決方案必須消除兩種工藝當(dāng)前的不足之處，再綜合其優(yōu)點，打造出能夠顯著改進中小批量錐齒輪生產(chǎn)的新型解決方案。”
機床解決方案在於使用靈活的五軸加工中心，而非專用機床。采用這種解決方案，制造商也能執(zhí)行其他切削工序和加工不同的零件。為了降低刀具成本，應(yīng)側(cè)重於可靈活用作專用成形銑刀的切削刀具。在這種情況下，值得考慮的唯一刀具是可配備標(biāo)準(zhǔn)可轉(zhuǎn)位刀片的標(biāo)準(zhǔn)刀具。除可降低成本和確保柔性加工滿意度的機床和刀具配置之外，最佳的解決方案必須確保能夠滿足所需的質(zhì)量水平，并獲得最大限度的可靠性。該解決方案也應(yīng)確保提高金屬去除率并由此縮短加工時間，特別是在軟切削期間。在項目實施的過程中，合作伙伴們打破常規(guī)，另辟蹊徑。盡管齒輪銑削是優(yōu)化措施的重點，但軟切削的整個工藝鏈令人懷疑，需要重新進行評估。隨後相關(guān)各方達成該研發(fā)項目的重要目標(biāo)，即應(yīng)主要通過提高金屬去除率來實現(xiàn)生產(chǎn)效率和成本效益的提高。此次協(xié)作的結(jié)果是“uP-Gear技術(shù)”，目前已提出專利申請。
營造理想的工況
在研發(fā)過程中，首選處理的是粗加工切削，采用標(biāo)準(zhǔn)銑削刀具，進給率可達2,000 mm/min以上，這樣金屬去除率也可高達400 cm/min。由此而產(chǎn)生的切削壓力使機床承受較大的負載，此外工件可重達數(shù)百公斤。選擇機床時，其規(guī)格必須足以承受相關(guān)的負載條件—規(guī)格包括刀具、主軸和工件夾緊的剛性。
首選是Heller公司具有五軸聯(lián)動加工能力的高性能加工中心，它的高穩(wěn)定性和高性能可為提高產(chǎn)出潛能提供最佳的工況。機床控制器中集成了用戶的NC程序，便於輸入齒輪參數(shù)。這樣一來，就無需在CAD/CAM中執(zhí)行外部編程。操作員使用參數(shù)化的輸入可以方便地作出任何必需的修正。交替加工箱體、錐齒輪和其他零件時，也能夠?qū)崿F(xiàn)無故障生產(chǎn)，此時對機床具有更高的柔性和性能要求 ，其中可使用托盤或機器人自動化進一步增強。
從第一道切削工序開始， uP-Gear技術(shù)就貫穿其中。在先前的切削工藝中，工件的外輪廓首先在車削中心上進行切削，需要兩次單獨的裝夾。但是現(xiàn)在，這些工序已轉(zhuǎn)換為在加工中心上進行車銑。這意味錐齒輪外輪廓和螺旋齒僅需兩次裝夾即可完成加工。一個受歡迎的紅利效應(yīng)是錐齒輪輪廓和齒型之間可獲得絕對同心度。這樣可顯著改進成品零件的質(zhì)量并節(jié)省加工時間。
作為合作伙伴，山特維克可樂滿提供了各式刀具和豐富的車銑經(jīng)驗，這樣就能廣泛使用其切削參數(shù)不亞於先前車削工序的標(biāo)準(zhǔn)刀具。整個切削過程意味機床停工時間更少、裝夾和傳送時間更短以及更簡單地規(guī)劃機床利用率。
重新定義切削步驟
下一道切削步驟，即銑削齒輪齒槽也完全經(jīng)過重新設(shè)計。先前采用立銑刀進行銑削，需要多次走刀。與其相比，配備可轉(zhuǎn)位刀片的標(biāo)準(zhǔn)銑削刀具（用於uP-Gear方式）的金屬去除率相當(dāng)高。這樣一來，就能獲得較先前立銑削而言更高的加工率，并且加工時間也大大縮短。因此，當(dāng)需要加工的材料量很大時，首選刀具應(yīng)為配備可轉(zhuǎn)位圓刀片的標(biāo)準(zhǔn)銑削刀具。對於弧齒錐齒輪的齒槽粗加工而言，采用這種新開發(fā)的加工方法，現(xiàn)在也能夠兼具技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢。
在使用可轉(zhuǎn)位圓刀片打開齒槽後，再采用新型銑削刀具概念加工齒側(cè)面。刀具類型可分類為中間工序加工用刀空心銑刀和鐘形銑削刀具。銑刀軸的安裝角可調(diào)，并且銑削刀具輪廓呈細長狀，這樣就能加工出各種牙側(cè)角和模數(shù)。凸凹兩種齒側(cè)面可以采用同一把兩側(cè)安裝有刀片的刀具加工而成。如果刀具僅一側(cè)配有刀片，以便增加有效刀片數(shù)（并由此提高進給率），則可節(jié)省相當(dāng)多的時間。 所需的更多換刀只會增加少量的時間。
適合精加工的銑削刀具
齒槽基底無接刀痕加工及過渡到齒側(cè)面是錐齒輪加工的重要質(zhì)量特性。此質(zhì)量要求也適用於根切加工。這種新解決方案即配有標(biāo)準(zhǔn)可轉(zhuǎn)位刀片的適合根切銑削的空心銑刀，不僅僅能滿足這些要求，而且還具有其他好處，與先前的立銑削相比，顯著縮短了加工時間。
可持續(xù)的解決方案
為錐齒輪加工開發(fā)新型銑削刀具時，需特別重視車間兼容性、穩(wěn)定性和效率。在各種情形下，銑削刀具的直徑和刀片數(shù)應(yīng)彼此相匹配才能獲得高水平的性能。新的uP-Gear加工工藝，再加上有利的機床控制，這意味以前使用的根據(jù)具體要求定制的非標(biāo)刀具現(xiàn)在能夠用配有標(biāo)準(zhǔn)可轉(zhuǎn)位刀片的通用銑刀取代。
僅僅是項目啟動時設(shè)置的目標(biāo) — 他們甚至大大超越了既定目標(biāo)。在完成一定批量的錐齒輪（模數(shù)15）加工後，新工藝的好處就能清晰地凸顯出來：
- 只需兩次裝夾即可完成軟切削，并且所需的加工時間大大縮短。
- 批量生產(chǎn)期間由於沒有乾擾，因此在測量機床上對軟切削的錐齒輪進行後續(xù)檢查後發(fā)現(xiàn)，齒輪質(zhì)量一直都很高。
- 新工藝為機床操作員提供決定性的好處。這是因為操作員能方便地使用修正值，而不再需要“調(diào)刀卡”。
- 更高的柔性使加工成本顯著降低，并由此拉低了投資成本。高性能的標(biāo)準(zhǔn)刀具不僅具有更長的刀具壽命，而且可提高生產(chǎn)效率。此外，實現(xiàn)了一定程度的自動化，部分時候可以無人值守生產(chǎn)。
在成功的鼓舞以及項目參與各方的共同推動下，下一步優(yōu)化已在進行之中。接下來關(guān)注的領(lǐng)域是淬硬零件加工，其中采用新的uP-Gear工藝已經(jīng)使加工結(jié)果得到顯著提高。其他項目處於規(guī)劃階段，例如實現(xiàn)修正後的齒輪齒形、加工具有軸向偏差的錐齒輪以及銑削冠狀齒輪。
無論是采用專用切削頭和昂貴的特種機床，還是在五軸加工中心上使用立銑刀，最廣泛使用的是齒輪銑削應(yīng)用方面的各種制造工藝。這些工藝既復(fù)雜又成本高昂，但同時又存在巨大的改進潛力。
發(fā)現(xiàn)并挖掘生產(chǎn)潛力
為了挖掘這種潛力，德國VOITH Turbo公司的生產(chǎn)主管Wolfgang Huetter與兩家選定的合作伙伴供應(yīng)商（Gebrueder Heller和山特維克可樂滿）展開合作。他們攜手應(yīng)對挑戰(zhàn)，Huetter表示：“持久耐用的高效解決方案必須消除兩種工藝當(dāng)前的不足之處，再綜合其優(yōu)點，打造出能夠顯著改進中小批量錐齒輪生產(chǎn)的新型解決方案。”
機床解決方案在於使用靈活的五軸加工中心，而非專用機床。采用這種解決方案，制造商也能執(zhí)行其他切削工序和加工不同的零件。為了降低刀具成本，應(yīng)側(cè)重於可靈活用作專用成形銑刀的切削刀具。在這種情況下，值得考慮的唯一刀具是可配備標(biāo)準(zhǔn)可轉(zhuǎn)位刀片的標(biāo)準(zhǔn)刀具。除可降低成本和確保柔性加工滿意度的機床和刀具配置之外，最佳的解決方案必須確保能夠滿足所需的質(zhì)量水平，并獲得最大限度的可靠性。該解決方案也應(yīng)確保提高金屬去除率并由此縮短加工時間，特別是在軟切削期間。在項目實施的過程中，合作伙伴們打破常規(guī)，另辟蹊徑。盡管齒輪銑削是優(yōu)化措施的重點，但軟切削的整個工藝鏈令人懷疑，需要重新進行評估。隨後相關(guān)各方達成該研發(fā)項目的重要目標(biāo)，即應(yīng)主要通過提高金屬去除率來實現(xiàn)生產(chǎn)效率和成本效益的提高。此次協(xié)作的結(jié)果是“uP-Gear技術(shù)”，目前已提出專利申請。
營造理想的工況
在研發(fā)過程中，首選處理的是粗加工切削，采用標(biāo)準(zhǔn)銑削刀具，進給率可達2,000 mm/min以上，這樣金屬去除率也可高達400 cm/min。由此而產(chǎn)生的切削壓力使機床承受較大的負載，此外工件可重達數(shù)百公斤。選擇機床時，其規(guī)格必須足以承受相關(guān)的負載條件—規(guī)格包括刀具、主軸和工件夾緊的剛性。
首選是Heller公司具有五軸聯(lián)動加工能力的高性能加工中心，它的高穩(wěn)定性和高性能可為提高產(chǎn)出潛能提供最佳的工況。機床控制器中集成了用戶的NC程序，便於輸入齒輪參數(shù)。這樣一來，就無需在CAD/CAM中執(zhí)行外部編程。操作員使用參數(shù)化的輸入可以方便地作出任何必需的修正。交替加工箱體、錐齒輪和其他零件時，也能夠?qū)崿F(xiàn)無故障生產(chǎn)，此時對機床具有更高的柔性和性能要求 ，其中可使用托盤或機器人自動化進一步增強。
從第一道切削工序開始， uP-Gear技術(shù)就貫穿其中。在先前的切削工藝中，工件的外輪廓首先在車削中心上進行切削，需要兩次單獨的裝夾。但是現(xiàn)在，這些工序已轉(zhuǎn)換為在加工中心上進行車銑。這意味錐齒輪外輪廓和螺旋齒僅需兩次裝夾即可完成加工。一個受歡迎的紅利效應(yīng)是錐齒輪輪廓和齒型之間可獲得絕對同心度。這樣可顯著改進成品零件的質(zhì)量并節(jié)省加工時間。
作為合作伙伴，山特維克可樂滿提供了各式刀具和豐富的車銑經(jīng)驗，這樣就能廣泛使用其切削參數(shù)不亞於先前車削工序的標(biāo)準(zhǔn)刀具。整個切削過程意味機床停工時間更少、裝夾和傳送時間更短以及更簡單地規(guī)劃機床利用率。
重新定義切削步驟
下一道切削步驟，即銑削齒輪齒槽也完全經(jīng)過重新設(shè)計。先前采用立銑刀進行銑削，需要多次走刀。與其相比，配備可轉(zhuǎn)位刀片的標(biāo)準(zhǔn)銑削刀具（用於uP-Gear方式）的金屬去除率相當(dāng)高。這樣一來，就能獲得較先前立銑削而言更高的加工率，并且加工時間也大大縮短。因此，當(dāng)需要加工的材料量很大時，首選刀具應(yīng)為配備可轉(zhuǎn)位圓刀片的標(biāo)準(zhǔn)銑削刀具。對於弧齒錐齒輪的齒槽粗加工而言，采用這種新開發(fā)的加工方法，現(xiàn)在也能夠兼具技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢。
在使用可轉(zhuǎn)位圓刀片打開齒槽後，再采用新型銑削刀具概念加工齒側(cè)面。刀具類型可分類為中間工序加工用刀空心銑刀和鐘形銑削刀具。銑刀軸的安裝角可調(diào)，并且銑削刀具輪廓呈細長狀，這樣就能加工出各種牙側(cè)角和模數(shù)。凸凹兩種齒側(cè)面可以采用同一把兩側(cè)安裝有刀片的刀具加工而成。如果刀具僅一側(cè)配有刀片，以便增加有效刀片數(shù)（并由此提高進給率），則可節(jié)省相當(dāng)多的時間。 所需的更多換刀只會增加少量的時間。
適合精加工的銑削刀具
齒槽基底無接刀痕加工及過渡到齒側(cè)面是錐齒輪加工的重要質(zhì)量特性。此質(zhì)量要求也適用於根切加工。這種新解決方案即配有標(biāo)準(zhǔn)可轉(zhuǎn)位刀片的適合根切銑削的空心銑刀，不僅僅能滿足這些要求，而且還具有其他好處，與先前的立銑削相比，顯著縮短了加工時間。
可持續(xù)的解決方案
為錐齒輪加工開發(fā)新型銑削刀具時，需特別重視車間兼容性、穩(wěn)定性和效率。在各種情形下，銑削刀具的直徑和刀片數(shù)應(yīng)彼此相匹配才能獲得高水平的性能。新的uP-Gear加工工藝，再加上有利的機床控制，這意味以前使用的根據(jù)具體要求定制的非標(biāo)刀具現(xiàn)在能夠用配有標(biāo)準(zhǔn)可轉(zhuǎn)位刀片的通用銑刀取代。
僅僅是項目啟動時設(shè)置的目標(biāo) — 他們甚至大大超越了既定目標(biāo)。在完成一定批量的錐齒輪（模數(shù)15）加工後，新工藝的好處就能清晰地凸顯出來：
- 只需兩次裝夾即可完成軟切削，并且所需的加工時間大大縮短。
- 批量生產(chǎn)期間由於沒有乾擾，因此在測量機床上對軟切削的錐齒輪進行後續(xù)檢查後發(fā)現(xiàn)，齒輪質(zhì)量一直都很高。
- 新工藝為機床操作員提供決定性的好處。這是因為操作員能方便地使用修正值，而不再需要“調(diào)刀卡”。
- 更高的柔性使加工成本顯著降低，并由此拉低了投資成本。高性能的標(biāo)準(zhǔn)刀具不僅具有更長的刀具壽命，而且可提高生產(chǎn)效率。此外，實現(xiàn)了一定程度的自動化，部分時候可以無人值守生產(chǎn)。
在成功的鼓舞以及項目參與各方的共同推動下，下一步優(yōu)化已在進行之中。接下來關(guān)注的領(lǐng)域是淬硬零件加工，其中采用新的uP-Gear工藝已經(jīng)使加工結(jié)果得到顯著提高。其他項目處於規(guī)劃階段，例如實現(xiàn)修正後的齒輪齒形、加工具有軸向偏差的錐齒輪以及銑削冠狀齒輪。
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