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剃齿刀设计、选型与故障对策

剃齿刀是在齿面上刻出许多容屑槽（serration）作为切削刃的斜齿轮形精加工工具。它与滚刀或插齿刀切出的齿轮以一定轴交角啮合，利用齿向方向的相对滑动把齿面极薄地削去。可在短时间内完成热处理前批量生产齿轮的精度提升、齿面粗糙度改善，以及鼓形修整等齿形修形。

剃齿刀示意图
示意图

✎设计与选型方法

剃齿的 4 种方式（俯视示意图）普通剃削（Conventional）沿齿轮轴方向进给对角剃齿（Diagonal）相对齿轮轴斜向进给切向剃齿（Underpass）垂直于齿轮轴方向进给径向剃齿（Plunge cut）不进给，沿径向切入齿轮（工件）。横线为齿轮的轴线剃齿刀（带轴交角叠放）⇔ 进给
普通剃削和对角剃齿的刀具齿宽可以比齿轮窄，切向剃齿和径向剃齿则需要比齿轮更宽的刀具和错开排列的容屑槽（差动容屑槽）。加工时间之比以径向剃齿为 1，普通剃削 3、对角剃齿 2、切向剃齿 2（三菱综合材料）。轴交角、进给角为示意性绘制。

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加工原理（轴交角与滑动）

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  • 让被加工齿轮与剃齿刀以一定轴交角、无侧隙地啮合旋转，利用齿向方向的相对滑动，由容屑槽的刃口切削齿面。轴交角为 0 时不切削[1][2][3]
  • 容屑槽的切削刃上，刀具的齿根（a）→啮合圆上（b）→齿顶（c）各点沿摆线轨迹划过齿轮齿面[1]单一资料·仅供参考
  • 刀具由电机驱动，工件（被加工齿轮）通过与刀具的啮合被带动旋转。由于没有强制传递旋转的机构，工件的齿形会受到啮合波动的影响[1][4][2]
  • 剃齿可以修正的是分度（齿距）、螺旋角、齿形、偏心的误差。可消除滚齿、插齿误差的 65~80%，但成品好坏在很大程度上取决于前道加工的齿形质量（是把好齿轮变得更好的工序）[2][3]单一资料·仅供参考
  • 特点：加工时间短、生产率高／精度大幅提升／每个齿轮的刀具费用低／可进行齿形修形／齿向鼓形修整容易／不需要熟练技术[1]单一资料·仅供参考
  • 要获得良好的剃齿效果，齿轮硬度不得超过 30-32 Rc（热处理前的精加工）[2]单一资料·仅供参考
  • 各部分名称：外径、节圆直径、退刀孔中心的直径、轮毂直径、削边宽度、宽度、孔径、键槽。齿面上有容屑槽深度、容屑槽齿距、容屑槽刃带宽度，齿根有钻孔（退刀孔）[1]单一资料·仅供参考
  • 容屑槽贯通整个齿高，通向齿根的退刀孔（间隙）。退刀孔成为切削油流动和排出切屑的通道，也能让容屑槽以均匀的深度加工出来[2][5][1]

轴交角的选择（刀具的螺旋角）

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  • 刀具的法向模数和法向压力角与被加工齿轮取相同值[1][5]
  • 轴交角大致等于刀具与被加工齿轮螺旋角之差。刀具螺旋角应选得使轴交角最合适[1][5]
  • 轴交角增大，切削锋利度提高，但齿面接触面积变小、导向性下降（可能产生齿向误差）。减小则接触面积变大、导向性提高，但切削锋利度下降（加工面会被挤光）[1][2][3]
  • 适当的轴交角范围（三菱综合材料 表2）：直齿轮、斜齿轮（铸铁以外）12°~15°／直齿轮、斜齿轮（铸铁）15°~20°／台阶齿轮 4°~（在不干涉台阶部的范围内取最大）／大直径齿轮（外径 500 以上）6°~10°／内齿轮 6°~10°[1]单一资料·仅供参考
  • National Broach 的说明中，轴交角通常为 10°~15°（或大致等于螺旋角之差），刀具设计中较理想的范围为 5~15°[2][5]单一资料·仅供参考
  • 轴线交叉后，从齿顶到齿根会产生大致均匀的斜向滑动，既弥补了平行轴啮合齿轮特有的不均匀滑动，又获得削切所需的剪切作用[2][3]单一资料·仅供参考

刀具齿数与公称尺寸的确定

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  • 根据所用剃齿机的规格和被加工齿轮的尺寸确定刀具的公称尺寸，同时考虑螺旋角和模数，使节圆直径接近公称尺寸来确定齿数[1][5]
  • 剃齿刀的齿数原则上选质数（三菱综合材料）。National Broach 也指出，确定齿数时，随机啮合（hunting tooth）条件（与被加工齿轮的齿数不含公约数的组合）和机床能力是重要因素[1][5]
  • 常用刀具齿数：23, 29, 31, 37, 41, 43, 47, 53, 59, 61, 67, 71, 73, 79, 83, 89, 97, 101, 103, 113, 127, 131, 137, 149, 151, 157, 173, 179, 197（其中 71、83、101、131、151、173 这几个齿数不包含在 JIS B4357 中）[1]单一资料·仅供参考
  • 圆形剃齿刀的标准尺寸（JIS B4357）公称尺寸为 175、200、225、300。模数在 175 型为 1.25~4，200 型为 1.5~6，225 型为 2~8，300 型为 4~12。节圆直径取接近公称尺寸的值，宽度为 19.05、25.4、31.75[1]单一资料·仅供参考
  • 标准尺寸表示例：175 型 m2 为 z89，200 型 m3 为 z67，225 型 m4 为 z53，300 型 m6 为 z47（同一公称尺寸下模数越大齿数越少）[1]单一资料·仅供参考

啮合压力角与重合度

4
  • 对于重合度低的被加工齿轮，啮合波动变大，齿形不稳定。三菱综合材料根据左右切削的平衡、被加工齿轮的齿根圆角干涉、接触线长度所决定的齿宽方向切削平衡，计算预测齿形，选择最优的啮合压力角[1]单一资料·仅供参考
  • 重合度大于 1 小于 2 时，随着旋转，啮合点按 2 点→1 点→2 点变化，齿形容易随加工条件而变。左右齿面啮合点没有相位差的状态下，接触压力恒定，理论上齿形没有波纹（最佳啮合状态）[6][1]
  • 最佳啮合状态只在重磨进程中的某一个点上才能得到，因此各家都把最佳啮合设定在接近新品的位置。在雅马哈发动机的案例中，把重合度定为齿形变化较小的 2 以上，啮合压力角的变化程度小于 0.3（经验值），并考虑寿命，将新品的啮合压力角设定为边界值＋1.5°[6]单一资料·仅供参考
  • 模数越大，切削长度越长，切削负荷越大。齿数越少，啮合长度越短，啮合波动越大。两者都会引起振动，齿轮精度不良出现在模数大、齿数少的区域[4]单一资料·仅供参考

刀具齿宽

3
  • 普通剃削的刀具齿宽（三菱综合材料 表3）：m≦1.75 为 19.05，1.75<m≦6 为 25.4，6<m 为 31.75[1]单一资料·仅供参考
  • 对角剃齿根据对角角度单独设计（式(1)），切向剃齿和径向剃齿根据被加工齿轮的齿宽和轴交角设计（式(2)）。一般的刀具宽度有 19.05、22.225、25.4、31.75、38.1、44.45、50.8[1]单一资料·仅供参考
  • 切向剃齿和径向剃齿中，刀具的齿宽要比被加工齿轮的齿宽更宽[1][5]

剃齿方式的选择

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  • 方式由刀具与被加工齿轮的相对进给方向决定，有普通剃削、对角剃齿、切向剃齿、径向剃齿 4 种。按被加工齿轮的形状、尺寸、生产量选择[1][5]
  • 普通剃削（轴向）：沿齿轮轴方向进给，进给长度与齿宽大致相同。最为常见，适合齿宽较宽的齿轮和大型齿轮。加工压力小，也适合易挠曲的轴类齿轮。缺点是加工时间长[1][5][6]
  • 普通剃削的进给长度要比工件齿宽长约 1/16"，使两端的超程最小（National Broach）[5]单一资料·仅供参考
  • 对角剃齿：相对齿轮轴斜向进给，进给长度比齿宽短。适合比刀具宽度稍宽的齿轮的批量生产。交点在刀具齿宽上移动，磨损分散，寿命延长，加工时间比普通剃削最多缩短 50%[1][5][2]
  • 对角剃齿的进给角（横向进给角）多为 30°~60°。进给角与轴交角之和，除非使用差动容屑槽，否则应控制在约 55° 以内（超过时容屑槽会发生跟踪）。齿宽较宽的工件与宽度较窄的刀具组合时，只能把进给角取小[5]单一资料·仅供参考
  • 切向剃齿（Tangential）：垂直于齿轮轴方向进给，进给长度比上述两种方式短。适合台阶齿轮（带肩齿轮）。需要差动容屑槽，以及比工件更宽的刀具齿宽[1][5]
  • 径向剃齿：不横向进给，只让刀具沿被加工齿轮的径向切入。适合批量生产齿轮的高效率加工。需要差动容屑槽，以及比工件更宽的刀具齿宽。加工压力高，刚性低的工件难以保证齿形精度[1][5][6]
  • 加工时间之比（以径向剃齿为 1）：普通剃削 3，对角剃齿 2，切向剃齿 2，径向剃齿 1[1]单一资料·仅供参考
  • 容屑槽排列：普通剃削、对角剃齿用普通容屑槽，切向剃齿、径向剃齿用差动容屑槽（按与被加工齿轮的一个齿啮合的齿顺序，错开容屑槽的切削刃）。对角剃齿中进给角超过 55° 时也需要差动容屑槽[1][5][4]
  • 径向剃齿的特点（三菱综合材料）：没有横向进给，加工时间约为 1/2；特殊的容屑槽排列使齿面粗糙度较以往改善到 1/2；各容屑槽切削刃的切削量均匀，寿命提高。进给痕落在前一条进给痕的中间，因此齿面粗糙度得到改善（普通剃削、对角剃齿即使增加精加工次数，粗糙度也不变）[1]单一资料·仅供参考
  • 径向剃齿的循环：快速进给至切换点→正转趋近→切入进给→切入完成→在 T1 期间停留（去除精加工面的凹凸）→反转并在 T2 期间停留→刀具后退（回退动作，后退量 0~0.05mm）→在 T3 期间停留（去除弹性变形引起的畸变）→快速进给返回[1]单一资料·仅供参考

剃齿余量与前道加工（剃前滚刀、凸角）

10
  • 前道加工（切齿）的精度，相对于剃齿后期望的精度，应控制在 JIS 齿轮精度标准的 2~3 级以内[1]单一资料·仅供参考
  • 剃齿余量的推荐值（齿厚上的余量，三菱综合材料 表5）：mn≦2.25 为 0.05~0.08，2.25<mn≦3.5 为 0.06~0.10，3.5<mn≦5 为 0.08~0.12，5<mn≦12 为 0.10~0.15[1]单一资料·仅供参考
  • 粗切滚刀的进给（工件每转）越大，进给痕越深，最佳剃齿余量也越大（图15：模数 1~8，进给 2 以下~8 mm/work rev 时为 0.01~0.10 mm）[1]单一资料·仅供参考
  • 余量需要足以消除前道加工的误差，但过多会降低刀具寿命和成品精度。余量过大会造成齿面划伤、齿面粗糙度、刀具崩损[3][1]
  • National Broach 推荐的剃齿余量（单侧齿面，英寸）：法向 DP 2-4 为 0.0015-0.0020，5-6 为 0.0012-0.0018，7-10 为 0.0010-0.0015，11-14 为 0.0008-0.0013，16-18 为 0.0005-0.0010，20-48 为 0.0003-0.0008，52-72 为 0.0001-0.0003[3]单一资料·仅供参考
  • 前道加工用工具（预剃工具）应采用齿顶高 1.35 模数以上的高齿顶高。在剃齿刀齿顶与被加工齿轮齿根之间确保 0.15 模数以上的间隙，并选择使刀具齿顶不与被加工齿轮齿根圆角干涉的工具[1]单一资料·仅供参考
  • 刀具齿顶一旦碰到前道加工形成的齿根圆角，刀具会异常磨损，渐开线齿形精度也会变差。圆角的高度不得超过刀具与工件最低的接触点[3][1]
  • 剃齿前，常用带凸角（protuberance）的滚刀或插齿刀在齿根处切出轻微的根切（让位）。这样剃削出的齿形与未剃削的齿根衔接会更平滑，刀具齿顶的磨损也会减少。根切量按齿较薄的一侧确定，使根切上端在接触直径以下与渐开线相接[3]单一资料·仅供参考
  • National Broach 推荐的根切量（单侧齿面合计，英寸）：DP 2-4 为 0.0025-0.0030，5-6 为 0.0023-0.0028，7-10 为 0.0015-0.0020，11-14 为 0.0012-0.0017[3]单一资料·仅供参考
  • 前道切齿时被加工齿轮端面产生的毛刺要彻底清除。毛刺卡入容屑槽会造成刀具破损[1][6]

剃齿直径（刀具外径）与摆线图

3
  • 剃齿直径的设定基准：① 小于与配对齿轮的最小啮合圆径（或渐开线起始径：TIF 径），② 为避免与粗切齿形齿根圆角干涉，大于圆角起始直径。优先满足 ①，因此也有无法满足 ② 的情况[1][5]
  • ① ② 的余量通过描绘剃齿刀与配对齿轮齿顶的摆线（轨迹）的摆线图来判断。绘制需要前道加工工具的形状、剃齿余量、配对齿轮的齿数、外径以及与被加工齿轮的轴间距[1]单一资料·仅供参考
  • 刀具重磨后会成为负变位，同样的剃齿直径下，刀具的摆线相对于配对齿轮会远离被加工齿轮，寿命末期可能与配对齿轮发生干涉。发生干涉时，应随负变位依次把剃齿直径加深（把刀具外径设定得更大）[1]单一资料·仅供参考

齿形修形（鼓形修整、齿形修形）

5
  • 剃齿可以进行齿形修形和齿向方向的鼓形修整。用于防止齿端偏载、降低噪声、提高承载能力和寿命的修形[1][2][3]
  • 鼓形修整的做法因方式而异。普通剃削通过机床内置的鼓形机构使工作台摆动。对角剃齿在进给角与轴交角之和为 55° 以下时用工作台摆动即可，进给角较大时，在刀具齿向上磨出反鼓形（凹形）更好。径向剃齿则要预先在刀具齿向上磨出反鼓形（凹形）[5][2][1]
  • 刀具的齿形不一定是真正的渐开线。多数情况下，会按工件所需的齿形和修形来修整并磨削刀具齿形（订货时要指定是「真渐开线」还是「工件适配齿形」）[5][1]
  • 可以预估热处理变形，重新磨削刀具的齿形和鼓形进行补偿。热处理引起的导程变化通过剃齿机的设定来补偿[2][3]单一资料·仅供参考
  • 剃削内齿轮时，由于轴线交叉关系，要在刀具齿上做轻微的鼓形，以避免与工件齿干涉。齿宽超过 3/4" 的内齿轮，用工件头摆动做鼓形修整；齿宽在 3/4" 以下，或因干涉而限制进给、轴交角时，则用差动容屑槽刀具进行径向剃齿[5]单一资料·仅供参考

容屑槽排列的改进（针对齿形波纹、离散的对策）

4
  • 多模式容屑槽（三菱综合材料）：有意使工件齿向方向的切入量不均匀，以抑制加工时的振动，从而抑制齿形的周期性波纹，以及同一工件内齿形、齿向的离散[1]单一资料·仅供参考
  • 细齿距容屑槽：把容屑槽做成细齿距，增加作用于齿面的切削刃口，改善齿面粗糙度[1][7]
  • 不等刃带容屑槽（serration，三菱综合材料）：展成母线短、啮合不稳定的齿形上下部分（齿顶侧、齿根侧）的容屑槽刃带做窄，以提高切削锋利度，减小齿形上、中、下部的偏差[1]单一资料·仅供参考
  • 非对称容屑槽（serration，三菱综合材料）：面压高的驱动侧容易过切而使精度下降，因此驱动侧与从动侧采用不同的刃带宽度，消除余量的不均，减小齿形左右的偏差[1]单一资料·仅供参考

切削条件与调机

11
  • 剃齿刀的圆周速度 Vc 按被加工材料的抗拉强度（可加工性系数）和模数，从图中读取（三菱综合材料 图8，纵轴 60～120 m/min）。模数越大、材料越强，取值越低[1]单一资料·仅供参考
  • 径向剃齿（plunge cut）只反转 1 次，因此圆周速度可提高 20%。剃齿刀与被加工齿轮的齿数比较大时，被加工齿轮的转速会过高，应适当降低转速[1]单一资料·仅供参考
  • National Broach 给出的参考值为分度圆上的线速度约 400 ft/min（例：用 7 英寸剃齿刀加工 10 径节、分度圆直径 3 英寸的齿轮，约 200 rpm）。航空、船舶用等重视表面粗糙度的齿轮应降低进给[5]单一资料·仅供参考
  • 横向进给速度：平行剃齿为被加工齿轮每转 0.15～0.3mm，对角剃齿约为其 70%，切向剃齿约为 50%[1]单一资料·仅供参考
  • 平行、对角、切向剃齿采用分段切入，每次切入量在 0.02～0.06mm 范围内，结合剃齿余量确定。径向剃齿为连续切入，在容屑槽作用前进 1 个齿距的过程中，沿齿厚方向切入约 0.007mm[1]单一资料·仅供参考
  • 回退量（径向剃齿）：为修正被加工齿轮和心轴的弹性变形，让切入后退，在弹性变形较小的状态下精加工。量一般为 0～0.05mm，过少或过多都会在齿向上留下台阶，请边观察齿面边调整[1]单一资料·仅供参考
  • 剃齿刀的旋转方向与被加工齿轮的进给方向，应使容屑槽切削刃作用为逆铣（up-cut）。以相同的力压紧时，逆铣的压入深度大得多，切削性更好[1]单一资料·仅供参考
  • 心轴应设计成夹持被加工齿轮靠近加工点的齿根附近。这样可防止切削抗力引起的振刀，避免齿轮精度和刀具寿命下降[1]单一资料·仅供参考
  • 心轴精度：以心轴直径为基准，孔的公差约为 H6～H7，心轴跳动 5μm 以下（三菱综合材料）。National Broach 也要求心轴、夹具的定位部在 0.0002" 以内，主轴顶尖跳动在 0.0002" 以内[1][5]
  • 被加工齿轮应使用与前道加工（滚齿等）相同的定位面夹持，并从同一基准面测量。定位面要干净，且与孔平行、垂直[5][3]单一资料·仅供参考
  • 切削油的种类和污染程度直接影响剃齿刀寿命和剃齿后齿面的质量。National Broach 推荐加工钢件使用含硫量 3～3.5% 的含硫油，粘度在 100°F 时约 135 S.S.U.，并指出油过稀会导致切屑划伤齿面。用磁性分离器减少污染[2][6][1]

÷计算公式

剃齿刀转速

Nc = 1000 × Vc ／（π × dc）[1][5]

Nc
剃齿刀转速（min⁻¹）
Vc
剃齿刀圆周速度（m/min）。由三菱综合材料图8、图9求得
dc
剃齿刀齿顶圆直径（mm）

被加工齿轮转速

Gear rpm = Cutter rpm × No. of Teeth in Cutter ／ No. of Teeth in Gear[5][2]单一资料·仅供参考

Gear rpm
被加工齿轮转速
Cutter rpm
剃齿刀转速
No. of Teeth in Cutter
刀具齿数
No. of Teeth in Gear
被加工齿轮的齿数

每次切入量（平行、对角、切向剃齿）

H ≒ ts ／ 2sin αbn[1]单一资料·仅供参考

H
每次切入量（朝被加工齿轮中心方向）
ts
每次剃齿去除量（法向公法线长度）
αbn
啮合压力角（法向）

对角剃齿的剃齿刀齿宽 式(1)

bc ≧ bce + 5、bce = bg·sinθd / sin(θd+ψ)[1]单一资料·仅供参考

bc
刀具齿宽
bce
有效齿宽
bg
被加工齿轮齿宽
ψ
轴交角
θd
对角角度（一般为 30°）

径向、切向剃齿的剃齿刀齿宽 式(2)

bc ≧(bg + 3·tg·tanψ)cosψ + α[1]单一资料·仅供参考

bc
刀具齿宽
bg
被加工齿轮齿宽
tg
被加工齿轮的端面法向齿距
ψ
轴交角
α
根据容屑槽排列及被加工齿轮有无相邻部位来确定（参考值 4～5）

平行剃齿的工作台进给

Table Feed (ipm) = 0.010 × Gear Rpm[2][5]单一资料·仅供参考

Table Feed
工作台进给（in/min）
0.010
被加工齿轮每转进给量（in）的起始值
Gear Rpm
被加工齿轮转速

对角剃齿的工作台进给（有效进给 0.040 in/rev）

Rf = Sine Traverse Angle ／ Tangent Crossed Axes Angle ＋ Cosine Traverse Angle、Table Traverse Rate (ipm) = 0.040 × Gear Rpm ／ Rf[2][5]单一资料·仅供参考

Rf
进给系数
Traverse Angle
对角剃齿的进给角
Crossed Axes Angle
轴交角
0.040
有效进给（交点在工件和剃齿刀齿宽上移动的速度）的起始值，in/rev
Gear Rpm
被加工齿轮转速

对角剃齿的理论最大进给角

Tangent Max. Traverse Angle = Cutter Face Width × Sine Crossed Axes Angle ／（Gear Face −（Cutter Face × Cosine Crossed Axes Angle））[2]单一资料·仅供参考

Cutter Face Width
刀具齿宽
Gear Face
被加工齿轮的齿宽
Crossed Axes Angle
轴交角

啮合频率（用于确认振动）

啮合频率（Hz）＝ 剃齿刀齿数 × 剃齿刀转速（rpm）÷ 60[4]单一资料·仅供参考

刀具齿数
剃齿刀齿数
剃齿刀转速
rpm

计算示例　剃齿刀 97 齿 × 165rpm ÷ 60sec ＝ 266Hz。其 3 次谐波（800Hz）与机床共振频率一致，齿圈径向跳动出现周期性变化

⚠故障与对策

点开症状即可显示可能的原因和对策。原因不一定要按从上到下的顺序排查，会因工件、机床、刀具的组合而异。

工件齿面划伤（沿加工纹路的斜向划伤等）[1][6]p.61

主要原因

  • 切削油劣化、污染（混入异物）
  • 剃齿刀渐开线齿面粗糙度不良
  • 剃齿余量过大
  • 工件磕碰伤
  • 剃齿刀带磁
  • 剃齿刀设计不当
  • 进入加工点的异物（前道加工的二次毛刺、附着在工件上的铁屑、清洗残留物）压附、粘结在切削刃上
  • 重磨使啮合压力角变小，低于临界值后切削能力下降

对策

  • 检查、更换切削油，加强过滤和净化
  • 重磨剃齿刀（注意光磨）
  • 检查并调整剃前齿厚（使剃齿余量合适）
  • 注意工件的搬运和处理
  • 对剃齿刀退磁
  • 确保前道加工后彻底去毛刺（雅马哈发动机的案例中残留毛刺在 0.02mm 以下），并通过清洗去除工件上的附着物
  • 在啮合压力角低于临界值之前更换剃齿刀／重新设计啮合压力角变化较小的剃齿刀
  • 设计请刀具制造商研究
工件齿面粗糙度差[1][2][7]p.61

主要原因

  • 切削油劣化、不适用
  • 剃齿余量过大
  • 剃齿刀共用（径向剃齿、切向剃齿）
  • 剃齿刀磨削时的齿圈径向跳动
  • 剃齿刀齿顶与齿根过渡圆角（fillet）干涉
  • 剃齿刀设计不当
  • 平行剃齿、对角剃齿的进给痕恒定，增加精加工次数粗糙度也不会改变

对策

  • 检查、更换切削油（避免使用过稀的油）
  • 检查并调整剃前齿厚
  • 将剃齿刀改为专用设计
  • 检查剃齿刀的齿圈径向跳动（重新磨削）
  • 检查剃齿刀外径与齿厚的对应关系，重新选择剃前加工刀具
  • 将容屑槽改为细齿距（fine pitch）／改用径向剃齿
  • 设计请刀具制造商研究
工件齿形不良（前道加工的压力角误差、波纹残留）[1][3]p.60

主要原因

  • 剃前齿形不良。前道加工的齿形若有明显特征（压力角误差、齿面波纹），剃齿后这些特征仍会残留
  • 剃齿刀齿顶与齿根过渡圆角（fillet）干涉
  • 剃齿刀设计不当

对策

  • 使前道加工（滚刀、插齿刀）的齿形保持一致。前道齿形一致，才能得到稳定的剃齿齿形
  • 检查剃齿刀外径与齿厚的对应关系，重新选择剃前加工刀具（高齿顶高、间隙 0.15m 以上）
  • 设计请刀具制造商研究
齿形不稳定、齿形上中下部存在偏差[1][6]p.54

主要原因

  • 啮合率低（小于 2），啮合点数在 1 点与 2 点之间交替，啮合不稳定
  • 啮合压力角偏离最佳值（重磨后啮合压力角会变小）
  • 展成母线短的齿顶侧、齿根侧啮合不稳定

对策

  • 通过齿形模拟等选定最佳啮合压力角，据此设计剃齿刀
  • 将啮合率取为 2 以上，并按寿命期内的减小量预留新刀的啮合压力角
  • 缩窄齿形上下部的容屑槽刃带（不等刃带容屑槽）
  • 修整剃齿刀齿形（工件对应齿形）
齿形左右（驱动侧、从动侧）的偏差[1]p.65

主要原因

  • 驱动侧面压高而过切（余量不均衡）

对策

  • 驱动侧与从动侧采用不同的容屑槽刃带宽度（非对称容屑槽）
工件齿形偏差（因工件、因齿而异）[1][5]p.61

主要原因

  • 剃前齿形不良
  • 车削精度不良（工件孔径、孔与端面的垂直度）
  • 工件跳动（心轴跳动、与工件孔的配合）
  • 剃齿刀切削锋利度下降
  • 加工中的振动（剃齿机）
  • 剃齿刀设计不当

对策

  • 重新审视前道加工的齿形
  • 提高工件孔径及孔与端面垂直度的精度
  • 检查心轴跳动（5μm 以下）及与工件孔的配合（约 H6～H7）
  • 重磨剃齿刀
  • 检查剃齿机的振动
  • 采用多模式容屑槽（multi-pattern serration）减小同一工件内的偏差
  • 设计请刀具制造商研究
齿形出现周期性波纹，齿圈径向跳动周期性变化（例：整周 4 个周期）[1][4]p.60

主要原因

  • 剃齿刀齿面磨削时的齿圈径向跳动（例：跳动 75μm 时出现波纹，9μm 时不出现）
  • 啮合频率的高次成分与机床结构的共振频率一致，剃齿刀轴与工件轴之间的中心距发生周期性波动
  • 容屑槽缺损（达到或超过工件齿宽）每转造成 1 次冲击，助长共振

对策

  • 检查剃齿刀的齿圈径向跳动，并重新磨削
  • 在加工条件表中确定不共振的剃齿刀转速，不使用会共振的转速（雅马哈发动机的案例中将 165rpm 设为禁用）
  • 加工前后检查容屑槽缺损，缺损达到或超过工件齿宽的剃齿刀不得使用
  • 采用多模式容屑槽抑制振动
齿向误差[1][2]p.52

主要原因

  • 轴交角过大，齿面接触面积小，导向性下降
  • 心轴跳动、与工件孔配合不良
  • 热处理造成的导程变化

对策

  • 在适合被加工齿轮类型的范围内将轴交角取小一些
  • 检查心轴跳动与配合
  • 热处理后的导程变化在剃齿机设定中预先补偿
出现振刀、振动[1][4]p.58

主要原因

  • 心轴夹持齿轮的位置离加工点太远
  • 剃齿机振动、共振
  • 模数大、切削负荷大／齿数少、啮合长度短

对策

  • 将心轴设计成夹持到被加工齿轮齿根附近
  • 检查剃齿机振动，选用避开共振的转速
  • 采用多模式容屑槽，使齿向方向的切入量不均匀
齿根侧齿形变差、剃齿刀齿顶磨损快[1][3]p.55

主要原因

  • 剃齿刀齿顶与前道加工的齿根过渡圆角（fillet）干涉
  • 重磨使剃齿刀产生负变位，到寿命末期会与配对齿轮的啮合范围干涉

对策

  • 检查剃齿刀外径与齿厚的对应关系
  • 前道加工刀具采用高齿顶高（1.35m 以上）并带凸角（protuberance），确保间隙 0.15m 以上
  • 用余摆线图确认，并结合重磨将剃齿直径设得更深（剃齿刀外径更大）
剃齿刀寿命短（可刃磨次数少、工件齿形很快变差）[1][8]p.61

主要原因

  • 与工件齿形偏差相同的原因
  • 加工条件不当
  • 剃齿刀设计不当
  • 容屑槽过浅（左右差、齿顶与齿根差、圆周方向偏差、整体偏浅）
  • 剃齿刀硬度低
  • 剃齿刀齿形复杂
  • 剃齿余量过大
  • 工件硬度高

对策

  • 重新审视加工条件（圆周速度、进给、切入量）
  • 重新审视剃齿余量
  • 检查容屑槽深度
  • 设计、材质、表面处理请刀具制造商研究
剃齿刀缺损[1][8][5]p.61

主要原因

  • 前道加工产生的毛刺（堵塞容屑槽）
  • 剃齿余量过大
  • 剃齿刀齿顶与齿根过渡圆角（fillet）干涉
  • 加工条件不当
  • 剃齿刀设计不当（齿根强度不足、容屑槽排列不合适）
  • 与台阶齿轮（带台肩的齿轮，shoulder gear）的台肩干涉
  • 加工了规格不同的工件
  • 加工工件数过多（磨损）
  • 使用前即已缺损：磨齿时的磨削裂纹、热处理时的开裂、运输和搬运时的缺损

对策

  • 彻底去除端面毛刺
  • 检查并调整剃前齿厚
  • 检查剃齿刀外径与齿厚的对应关系，重新选择剃前加工刀具
  • 重新审视加工条件
  • 订货时告知台肩外径和间隙
  • 剃齿刀要平放，并与其他物品分开存放
  • 设计请刀具制造商研究
试切时合格，但在量产侧（客户处）试切时齿形不合格／用同一试切工件测得的齿形误差差别很大[8]

主要原因

  • 测量仪器的差异、所测齿的不同、齿形控制点的不同
  • 试切机床的差异、试切条件的差异、剃前（前道加工）精度的差异
  • 试切工件测量错误、试切齿形的合格判定过松

对策

  • 统一测量仪器、所测齿、齿形控制点（TIF 直径、啮合长度等）后再比较
  • 使试切条件和前道加工精度与量产一致
剃齿刀齿形与要求不符[8]

主要原因

  • 剃齿刀齿形测量错误
  • 指示齿形（上次齿形等）调取错误、抄写错误
  • 设计指示错误
  • 订单指示错误

对策

  • 确认订货时的齿形指示（理论齿形（true）／工件对应齿形／另附图纸）和上次齿形的图号

↻重磨与寿命管理

◎刀具检验

☑订货时需确定的事项

向刀具制造商委托报价、制作时需要告知的项目。其中大部分可由齿轮参数表（图纸上的表）确定。

项目为什么需要、如何确定
提供图纸、零件名称、零件号确定以被加工工件图、上次的剃齿刀图纸、用户规格书中的哪一个为设计依据。同时告知是否需要在图纸上标注[1]
被加工材料、硬度剃齿刀的圆周速度随被加工材料的抗拉强度（可加工性系数）而变。工件硬度高，齿形会很快变差[1][8]
模数（或 DP）、压力角（必须填写）、齿数、螺旋角（RH／LH）剃齿刀的法向模数、压力角与工件相同。由螺旋角及其方向确定轴交角和剃齿刀的螺旋角[1][5]
齿顶圆直径、齿根圆直径（齿根径／齿高／刀具齿顶高）、变位系数、齿宽用于计算剃齿直径（剃齿刀外径）、间隙和剃齿刀齿宽[1]
剃齿后和切齿后两种状态下的齿厚（弧齿厚／公法线长度 ZM／跨棒距尺寸）两者之差即为剃齿余量。余量过大会造成齿面划伤、粗糙度差和缺损[1]
齿形控制范围（啮合长度／TIF 直径／转角）及配对齿轮参数（齿数、外径、中心距）剃齿直径必须小于与配对齿轮啮合的最小圆直径（TIF 直径），绘制余摆线图需要配对齿轮的参数[1][5]
齿轮形状（开式齿轮／台肩齿轮：台肩外径与间隙）为了选择不与台阶部干涉的轴交角和方式（切向剃齿等）。与台肩干涉会造成剃齿刀缺损[1][8]
齿向（鼓形量、螺旋角的理论值／加大／减小）与齿形（理论齿形／用户标准／另附图纸／修整图）径向剃齿通过剃齿刀的齿向凹形量（hollow）来形成鼓形，所以是剃齿刀设计所必需的[1][5]
剃齿方式（平行／对角／切向／径向）容屑槽排列（标准／差动）和剃齿刀齿宽的确定方法因方式而异[1][5]
剃齿机（机型名、最小中心距）剃齿刀的公称尺寸、齿数由所用机床的规格决定[1][5]
剃齿刀齿数（指定，或由厂家决定：公称尺寸 175、200、225、250、300 型）、刀宽、安装宽度、孔径及键槽、螺旋角、减重（槽型／孔型）关系到在机床上的安装和轴交角的设定。齿数原则上取质数[1]
剃齿刀材质、表面处理、精度寿命和可磨削性随材质、表面处理而变（三菱综合材料规格书中的选项：SKH51、KHV1、KHVX、HSS-2、HSP，无处理、氮化氧化、STH 处理）[1]
剃齿余量（公法线长度／OBD）和剃前刀具（滚刀／插齿刀、图号、有无凸角）前道加工刀具的齿形决定齿根过渡圆角干涉和间隙。可在同时订货、指定、标准（2.35m）中选择[1][3]
试切条件（转速 min⁻¹、进给速度 mm/min、进给长度 mm，径向剃齿的 T1、T2、T3、BM，对角角度）试切条件与量产不同，齿形的合格与否就会不一致[1][8]
剃齿刀凹形量（hollow）、剃齿刀齿形（理论齿形／工件对应齿形／另附图纸／图示）为了在剃齿刀一侧形成工件的鼓形和齿形修整[1]
希望共用的齿轮一览一把剃齿刀是否加工多种齿轮，应根据齿数差、变位系数差、螺旋角差等来判断（共用范围表和流程图）[1]

打印自 Kezuriba（kezuriba.net/zh/gears/tools/shaving-cutter/）

＋相关延伸内容

一把剃齿刀共用于多种齿轮

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  • 用一把剃齿刀加工模数、压力角相同而齿数不同的齿轮时，齿数差、变位系数的不同会改变啮合率与作用力的平衡，从而产生齿形误差。能否共用，严格来说只有试切加工才能确定[1]单一资料·仅供参考
  • 共用范围参考（被加工齿轮齿数分组）：m1.25：Ⅰ 13～22、Ⅱ 20 以上／m1.5～2：Ⅰ 13～18、Ⅱ 17～34、Ⅲ 25 以上／m2.25～3：Ⅰ 14～18、Ⅱ 17～29、Ⅲ 27 以上／m3.25～5：Ⅰ 14～17、Ⅱ 17～26、Ⅲ 23～40、Ⅳ 35 以上／m5.25～8：Ⅰ 15～17、Ⅱ 17～25、Ⅲ 24～37、Ⅳ 35 以上[1]单一资料·仅供参考
  • 共用研究步骤：法向模数相同→法向压力角相同→螺旋方向相同→螺旋角之差在 5 度以内→齿宽（对角、径向、切向剃齿用齿宽公式确认）→齿数（共用范围表）→变位系数之差 0.2 以下→剃齿直径＞齿根过渡圆角起始直径→剃齿直径＜TIF 直径→间隙 0.15 模数以上→啮合率之差在 0.1 以内→确认啮合压力角→检查容屑槽的作用状态（径向、切向剃齿）。按开式齿轮或台肩齿轮区分[1]单一资料·仅供参考
  • 共用径向、切向剃齿用剃齿刀可能使齿面粗糙度变差，此时应改为专用设计[1]单一资料·仅供参考

剃齿刀的材料与表面处理（厂家示例）

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  • 三菱综合材料的 HSP 剃齿刀：用高钴含量的钴高速钢提高耐热性和硬度，抑制 V 的含量以便于磨削齿形，并通过优化热处理条件提高韧性（抗崩刃性）。具有比磨损区域更深的硬化层。在环形齿轮（ring gear）径向剃齿的案例中，平均加工件数为传统产品（SKH51＋氮化氧化）的 3000，而本品达到 9000[1]单一资料·仅供参考
  • 三菱综合材料的高性能钢种 KHVX：同时添加 Co 和 V 的熔炼材料，使高硬度的 VC 碳化物细小均匀，在保持抗崩刃性的同时提高耐磨性。加工 SCr420 齿轮（m2.5，径向剃齿）时，平均加工件数／REG 为 4,032，而 SKH51 为 1,900[1]单一资料·仅供参考
  • 尼得科机床（Nidec Machine Tool）的 MACH3：增加 V 和 Co，将碳化物粒径细化并分散到 7μm 的高硬度材料。在提高抗崩刃性的同时保持与传统材料相当的可磨削性。通过 Super Coat 提高表面硬度（尺寸变化小，抑制容屑槽深度的偏差），并与细齿距容屑槽组合，有加工 6000 件以上仍保持齿面粗糙度的案例[7]单一资料·仅供参考
  • 尼得科机床的 MightyShield ε（旧称 MH02 涂层）：表面硬度比 Super Coat 处理品高 70%，改善附着力和绕镀性，在容屑槽内也能均匀成膜。以半磨削状态（semi-ground）交付，涂层已在该公司磨齿工序中去除。碳钢（m1.5、48 齿）的案例中，寿命从 1,595 件提高到 5,832 件。因剃齿刀形状不同可能无法处理，需事先咨询[9]单一资料·仅供参考

剃齿相关刀具（其他产品）

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  • 金刚石修整齿轮：用于成形、修整磨齿轮的珩齿（gear honing）砂轮，是在齿面电镀金刚石磨粒的齿轮状刀具，形状与被磨削的齿轮相同。详见 dressing-gear.json[1]单一资料·仅供参考
  • 挤光齿轮：对热处理后的齿轮，将经过压力角修正、螺旋角修正的刀具压紧并旋转，以去除毛刺和磕碰伤的刀具。通常 3 件一组（压力角不同、大螺旋角、小螺旋角）进行加工[1]单一资料·仅供参考
  • 倒角刀：沿渐开线方向挤压切齿后齿轮的端面，短时间内完成倒角的齿轮形刀具。有仅对齿面一侧倒角的类型和对左右齿面端面倒角的类型，倒角形状有锥形（齿顶与齿根的倒角量不同）、平行形（相同）、同时倒齿底的平行形 3 种。也可以对倾斜端面倒角，超过 15° 时需通过计算确认。倒角量通过 2 片刀片的相位调整，装入偏心销后可用螺栓调整相位[1]单一资料·仅供参考
  • 标准齿轮（master gear）：与被测齿轮啮合旋转，根据啮合状态判定齿轮精度。也用作双面啮合自动分选机中检测偏心、齿厚、磕碰伤等的齿轮。三菱综合材料生产 TiN、紫色涂层的标准齿轮。订货时需确定精度等级、刀具材质（DC53、SKH51 等）、公称尺寸、中心距、鼓形量与凹形量，以及是否需要检验报告[1]单一资料·仅供参考
  • TRG-Tool（三菱综合材料）：用于展成磨齿的螺纹状 CBN 电镀刀具。纠正齿距误差的能力强，适合作为珩齿（gear honing）的前道加工（可延长珩磨轮寿命和修整周期）。蜗杆形状可进行连续展成磨削，且已预制齿形，无需机上修整。在 m2.3、43 齿的案例中，累积齿距误差由 48μm（JIS8）降到 11μm（JIS4）[1]单一资料·仅供参考

⚙其他齿轮加工刀具

滚刀插齿刀刮齿刀拉刀金刚石修整齿轮倒角工具（倒角刀）齿轮加工刀具一览与切削条件齿轮加工方法比较加工故障大全

📚参考资料

未标注的数值，是在 2 份以上不同发行方的资料中一致的数据。材种名、涂层名为制造商的商品名，未做制造商之间的比较。“p.”指三菱综合材料目录（C004J-H）的正文页码。

  1. 三菱综合材料《齿轮切削刀具／拉刀 综合样本 C004J-H（4. 剃齿刀 p44～66、5. 金刚石修整齿轮 p67～71、6. 其他产品 p72～75、7-1 订货规格书 p76～86）》
  2. Gear Technology (AGMA Media) / National Broach & Machine《The Process of Gear Shaving》（John P. Dugas，Back to Basics，1986年1/2月号）
  3. Gear Technology (AGMA Media) / National Broach & Machine《Gear Shaving Basics - Part I》（John P. Dugas，1997年11/12月号）
  4. 雅马哈发动机《利用振动分析改善变速器齿轮剃齿加工工序的齿轮精度对策》（牧濑芳辉，YAMAHA MOTOR TECHNICAL REVIEW）
  5. Gear Technology (AGMA Media) / National Broach & Machine《Gear Shaving Basics - Part II》（Don Kasai，1998年1/2月号）
  6. 雅马哈发动机《剃齿齿面划伤归零的举措》（森一明，YAMAHA MOTOR TECHNICAL REVIEW）
  7. 尼得科机床《提高剃齿的切削锋利度——切削刀具专题》
  8. 尼得科机床《剃齿加工相关的不良及原因——切削刀具专题》
  9. 尼得科机床《剃齿刀用表面处理 MightyShield ε——切削刀具专题》