刮齿刀设计、选型与故障对策
刮齿刀是一种与插齿刀相似的齿轮形旋转刀具，相对于工件倾斜（轴交角），按齿数比同步旋转，同时沿齿宽方向进给来切削齿的刀具。轴交角产生的“滑动”即为切削速度。由于没有往复运动，比插齿机（gear shaper）更快，内齿轮、外齿轮和带台阶的工件也能在复合加工机上加工。
✎设计与选型方法
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加工原理（轴交角与滑动）
4
- 将刀具轴与工件轴交叉（轴交角）安装，并使两者同步旋转。由于轴交角，刀具切削刃与工件的运动方向出现差异，产生滑动（相对速度）而切出齿槽。随着工件旋转，刀具沿齿宽方向进给完成切齿[1][2][3][4]
- 插齿机使刀具沿轴向往复运动，而强力刮齿靠旋转运动切削，没有空切，可大幅缩短加工时间[3][2]
- 与工件啮合并连续加工，刀具齿形复制到工件上，因此精度高（插齿刀型刮齿可达 ISO4～5 级）。也可以调整鼓形、锥度等齿向[2][1]
- 其原理由来已久，但因机床刚性和刀具寿命问题一直未能实用化。近年来，随着材料与涂层、刀具制造技术、直驱电机带来的刚性、高精度同步 NC 以及仿真的进步，该工艺得到重新评价[1][3][4]
适合的工件与工序
5
- 可用于内齿轮、外齿轮、内花键、外花键。既可在复合加工机（车床、加工中心）上加工，也可在强力刮齿专用机上加工[5][6][7]
- 使用复合加工机时，可一次装夹完成从车削到切齿的全部加工，能连续加工轴类零件的外齿轮和外花键，加工带外齿轮和内齿轮的零件，并对两个齿轮进行相位对齐[5][3]
- 适用工序包括生坯切齿工序和热处理后的齿面精加工工序（用硬质合金刀具精加工热处理后的内齿，有达到新JIS 5级以上的案例）[1][8]
- 效率参考：为插齿机的 2 倍以上（NACHI），2～5 倍，质量好 1～2 个等级，刀具寿命与插齿相当（Liebherr）。内齿轮用的适合小批量多品种、小规模生产线（NACHI）[6][9]
- 缺点：运行刀具成本高于拉刀。生坯加工外齿时，刀具寿命比滚刀、插齿机短（内齿与插齿机相当）[1]单一资料·仅供参考
轴交角的确定
10
- 产生切削速度的主要参数是刀具与工件的轴交角 Σ。螺旋角 β 也有关系，但要获得足够的切削速度，起主要作用的是 Σ[4]单一资料·仅供参考
- 增大轴交角，相对速度（滑动）就会增大[1][10]
- 内齿的推荐加工条件：轴交角约 20°（NACHI）。内齿的加工案例中轴交角也是 20°[1][6]单一资料·仅供参考
- 外齿轮在理论上切削性比内齿轮差，因此加大轴交角（30° 以上）以提高切削性能和加工精度（案例：用轴交角 30°、10°LH、34T 的刀具加工外齿 m2.7、20°RH、27T）[6][1]单一资料·仅供参考
- 将无螺旋的直齿刀具用于斜齿轮时，轴交角要与工件的螺旋角一致。此时，要获得足够的切削速度，工件的螺旋角必须超过 10°[4]单一资料·仅供参考
- 刀具也有螺旋角时：螺旋方向相同则轴交角为两者之差，方向相反则为两者之和（工件 15°、刀具 20°，同向为 5°，反向为 35°）。如果工件与刀具的螺旋角、方向相同，轴交角为 0，就不会产生强力刮齿的运动[4]单一资料·仅供参考
- 对斜齿轮，刀具的倾斜角也可与螺旋角分开选择。螺旋角在 20° 以上时，可将直齿型（spur）刀具按轴交角来使用。轴交角取与螺旋角不同的值时，要根据螺旋角与轴交角之差计算刀具前刀面的朝向和侧后角[4]单一资料·仅供参考
- 轴交角增大后容易与内齿轮干涉，因此三菱重工（现为尼得科）的 Super Skiving 刀具做成桶形来避免干涉，使大轴交角成为可能[2][11]单一资料·仅供参考
- 轴交角小时，可以无碰撞地加工与大齿轮并列的小齿轮（塔齿轮，cluster gear）[8]单一资料·仅供参考
- 刀具齿形由工件基准齿条（梯形齿槽）在轴交角 Σ 平面上的截面求得。计算刀具齿形时要考虑轴交角和前刀面的偏移[4][9]
刀具齿数与工件齿数
6
- 要减小工件跳动、提高齿距精度，刀具（理论）齿数与工件齿数不得有公约数。整体（实心）刮齿刀也一样[4]单一资料·仅供参考
- 刀具和工件以与齿数比对应的速度同步旋转（ω工件＝Z刀具/Z工件×ω刀具）。斜齿轮还要加上随进给产生的附加旋转[5][4]
- 刀具齿数案例（NACHI）：内齿 70T 配 30T，内齿 78T 配 50T，内齿 75T 配 58T，内齿 96T（热处理后）配 71T，外齿 90T 配 56T，外齿 27T 配 34T[1][6]单一资料·仅供参考
- 加工外齿时刀具的作用刀齿数比内齿少，因此切屑厚度约为内齿的 2 倍[1]单一资料·仅供参考
- 可转位刀头式刮齿刀中，刀片排列在基准齿形的每隔 2、3、4 个槽的位置，只有理论齿数中的一部分是实际刀齿（虚拟齿数）。只要虚拟齿数与工件齿数是互质（hunting）关系，就没有不利[4]单一资料·仅供参考
- 有加工缺齿形状时，将刀具设为 1 个刀齿、同步比设为 1：3 的案例。改变同步比的工艺会使啮合不均匀、负荷波动大，可能发生崩刃，因此采用了高刚性的刀具形状[3]单一资料·仅供参考
前角、后角（切削中变化的有效前角）
7
- 强力刮齿从切削开始到结束，切削方向会变化。切削开始时为正（Positive）前角，切削过程中有效前角变为负（Negative）。变负后不易切削，切削温度升高（前角 5° 时 580℃，−30° 时 710℃ 的对比），切削结束时切削负荷变大[5]单一资料·仅供参考
- 传统插齿刀型刀具的强力刮齿，加工中刀具前刀面与加工面所成的角度为很大的负值（前角为钝角），切削抗力大，刀具寿命短[2][11][5]
- 有效前角最小值的计算示例（m1.5，刀具 56T，轴交角 20°，前角 10°，进给 0.200mm/rev，切深 3.075）：外齿 90T 为 −36.8°，内齿 80T 为 −17.0°。最大切屑厚度：外齿 0.281mm，内齿 0.137mm[1]单一资料·仅供参考
- 强力刮齿的刀齿前刀面是连接两侧切削刃的平面，因此两侧的侧前角无法同时为正。折中的办法是接受 0° 侧前角。为提高刃口锋利度可以设上前角，但硬质合金刀片上前角超过 4° 时，刃口附近容易崩刃[4]单一资料·仅供参考
- 圆锥形（conical）刀具在结构上自带后角，通常置于中心。圆柱形刀具则需要倾斜（tilt）或偏离中心的布置[9]单一资料·仅供参考
- 刀具倾斜角可用于增大刀齿与槽之间的有效后角，也可用于消除后角小的长直齿型刀具背面与槽的干涉。在一定范围内还可用于压力角补偿[4]单一资料·仅供参考
- Super Skiving 刀具在桶形砂轮上加上切削刃槽和后角，并在粗加工区域外周做出锥度，使所有刀齿都参与切削。插齿刀型需 3 次走刀的加工，这里 1 次走刀由 3 个刀齿完成，每个刀齿的切削次数降为 1/3[2]单一资料·仅供参考
台阶、盲形状的避让
6
- 可加工盲形状（带台阶、带法兰的零件）[6][7][2]
- 插齿机需要在台阶前留 3～5mm 的退刀槽，而强力刮齿不需要退刀槽，可使产品更紧凑，强度也能提高[3]单一资料·仅供参考
- 可加工到滚刀无法切削的根部附近，并避免触底干涉（OSG）[7]单一资料·仅供参考
- 内齿轮尤其要在设计阶段确认刀具与工件不发生碰撞。用软件进行干涉检查，对比刀具路径与已切出的槽面[9][4]
- 直齿柄式刀具在直径小、齿宽大的工件上，槽与刀齿里侧可能发生干涉。薄片式刀具（wafer cutter）是带后角的极短刀齿，即使加工缠绕在小直径工件上的斜齿槽也能防止干涉[4]单一资料·仅供参考
- 根据工件和所用设备，有钟形（深沉孔）和柄式刀具[6]单一资料·仅供参考
切削条件（滑动速度、进给、切深）的确定方法
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- 主要加工条件有：(1) 滑动速度（工件／刀具分度圆上，影响切削温度）；(2) 进给量（工件每转，影响切屑厚度）；(3) 切深（齿高方向，影响有效前角和切屑厚度）。三者都与刀具寿命和循环时间密切相关[5]单一资料·仅供参考
- 首先确定目标刀具寿命和循环时间，考虑优先哪一项后再选择条件。目标根据生产量确定[5]单一资料·仅供参考
- 滑动速度过低则切削抗力大，过高则切削温度上升、刀具寿命缩短。合适的值因被加工材料而异[5]单一资料·仅供参考
- 将速度从 300m/min 降到 150～200m/min（UCS），提高切深和进给以保持生产率后，刀具寿命大幅改善（Gleason，硬质合金刀片）[4]单一资料·仅供参考
- 进给、切深都取小，刀具寿命会改善，但循环时间大幅增加（外齿 m2.0、75T、SCM420H，150m/min：进给 0.3→1.5mm/rev 时切屑厚度 0.22→0.80mm，CT 56→23s。切深 0.6→1.2mm/次时有效前角 −26°→−36°，切屑厚度 0.22→0.50mm，CT 56→36s）[5]单一资料·仅供参考
- 内齿的推荐加工条件（NACHI）：轴交角约 20°，切削速度 100～120m/min，进给量 0.1～0.3mm/w rev，走刀次数 2 次以上[1]单一资料·仅供参考
- 加工外齿时，应加大轴交角或增加走刀次数，减小有效前角的负值绝对值和切屑厚度。增大轴交角会提高相对速度，增加走刀会增加切削刃的接触次数，因此刀具寿命降低和加工时间增加无法避免[1]单一资料·仅供参考
- 每次切深都将工件角度稍微错开（偏置，set-over），可以把 U 形切屑变成 L 形，减少刀齿磨损。让偏置方向逐件交替，磨损会更均匀（Gleason 的切入策略）[4]单一资料·仅供参考
- 条件参考（湿式）：G50 高速钢＋AlCroNite 的整体刀具为 100m/min，硬质合金刀片（H10F＋ALCRONA-Pro）约 300m/min（Gleason）。硬质合金刀片干切时加工表面更好，刀具磨损相同或更小，主轴功率约低 15%[4]单一资料·仅供参考
- 加工案例：尼得科的 GRANMET SK（强力刮齿用粉末冶金高速钢）＋MightyShield Σ，用 35T 直齿刀具加工 m1.5、70T、20° 的 SCM440（HB270-300），切削速度 70m/min，轴向进给 0.4-0.1mm/rev，5 次走刀，寿命为传统产品（MX-1）的 1.6 倍[12]单一资料·仅供参考
- 加工案例：Super Skiving，切削速度 130m/min，循环时间 90s（插齿机为 50～90m/min，180s），内齿 m2、57T、20°、18°RH、SCM415。磨损限度 0.3mm 时约加工 250 件[2]单一资料·仅供参考
刀具材料与涂层的选择
6
- 粉末冶金高速钢（PM-HSS）刀具投资小但磨损大。硬质合金材料费和制造费高，但在产量大或加工高强度材料时值得使用[9]单一资料·仅供参考
- 强力刮齿适合使用耐磨性高的粉末冶金高速钢。磨损形态因被加工材料和机床而异，应据此选择。NACHI 注重耐磨性时推荐 FAXG1，注重抗崩刃性时推荐 FAP2（FAP 价格低，FAP2 适合难加工材料，FAXG1 适合一般材料）[5][6]单一资料·仅供参考
- 尼得科的 GRANMET SK 是通过高合金化提高硬度和耐磨性的强力刮齿用粉末冶金高速钢，面向难加工材料的高硬度工件[12]单一资料·仅供参考
- 前刀面无涂层时磨损很早就会发展（加工 20 件后外周刃口后退约 0.5mm，有涂层则几乎不发展）。可以说强力刮齿是以前刀面带涂层为前提的加工方法，前刀面无涂层的刀具每次重磨后都需要重新涂层[1][6]单一资料·仅供参考
- 热处理后的精加工（硬加工）使用硬质合金刮齿刀。通过选用合适的硬质合金材料，也有前刀面不涂层也能稳定加工的案例（NACHI 的 NF20S＋DuAl Hard，m1.05、96T 内齿，110m/min，进给 0.10mm/rev，余量 En0.12mm，100 件磨损 0.07～0.09mm）[1]单一资料·仅供参考
- OSG 的刮齿刀覆盖 m0.55～m6.0，有粉末冶金高速钢 XPM、硬质合金，以及通用钢用、铝合金用（DLC）、高硬度钢用（硬质合金）等[7]单一资料·仅供参考
齿形、齿向的修正
3
÷计算公式
刀具与工件圆周速度的关系（切削速度为两者的差矢量）
V_tool=V_gear·cosβ/cos(Σ−β)。β=0°(直齿轮)时 V_tool=V_gear·1/cosΣ，β=Σ 时 V_tool=V_gear·cosβ[4]单一资料·仅供参考
- V_tool
- 刀具分度圆上的圆周速度矢量
- V_gear
- 工件分度圆上的圆周速度矢量
- β
- 工件螺旋角
- Σ
- 轴交角（刀具与工件的轴线夹角）
计算示例 切削速度 V_cut 是切削部位工件与刀具圆周速度矢量之差。用这个式子时，切削速度矢量指向齿向方向
刀具螺旋角与轴交角
同螺旋方向：Σ＝刀具螺旋角−工件螺旋角，反方向：Σ＝刀具螺旋角＋工件螺旋角（取自文中示例）[4]单一资料·仅供参考
- Σ
- 轴交角
计算示例 工件 15°、刀具 20°：同向为 5°，反向为 35°
⚠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。
刀具外周刃口的损伤、磨损快[5][1][4]
主要原因
- 刀具外周（刃口）做功最多，因此切削刃尖端容易损伤（主要磨损形态是外周刃口后退）
- 刃口保持锐边，应力集中在一点
- 刃口的排屑行程最长，齿形方向的滑动也在刃口处最大
对策
- 在切削刃上加微小的刃口钝化（寿命翻倍且稳定的案例）。但钝化过大时，背向力会大于主切削力，推挤作用强于切削，因此要取适当量
- 选择最佳的刀具形状、材料、涂层和合适的加工条件
切削刃崩缺（崩刃）、振动[5][4][3][10]
主要原因
- 被加工材料硬度较高，或在刚性不足的机床上容易产生振动
- 硬质合金刀片的上前角超过 4°
- 改变同步比等工艺使啮合不均匀，负荷波动大
- 机床齿轮传动链的动刚性低（传统机械式机床）
对策
- 改用抗崩刃性高的刀具材料（NACHI 的 FAP2 等）后，损伤形态从崩刃变为磨损，有寿命翻倍的案例
- 将刀具形状设计成高刚性（有通过 FEM、动刚性分析抑制位移的案例）
- 使用直驱、同步精度和刚性高的机床
加工外齿时刀具很快异常磨损[1][6]
主要原因
- 外齿的有效前角负值绝对值比内齿大（例：−36.8° 对 −17.0°）
- 作用刀齿数少，切屑厚度约为内齿的 2 倍
- 按与内齿相同程度的条件设定（有加工 3 件就异常磨损的案例）
对策
- 加大轴交角（30° 以上）
- 增加走刀次数
- 采用使有效前角负值绝对值和切屑厚度变小的条件（刀具寿命降低、加工时间增加不可避免）
提高进给后刀具受损、切屑发生干涉[5]
主要原因
- 进给大，切削负荷和温度上升
- 切屑变厚，从刀具左右齿面排出的切屑相互干涉
对策
- 降低进给（与循环时间权衡后确定）
增大切深后刃口磨损变大[5]
主要原因
- 切深大则切屑变厚，切削结束时的有效前角负值变大，切削负荷增加（0.6→1.2mm/次时 −26°→−36°）
对策
- 减小切深并分多次走刀（循环时间会增加）
产生 U 形切屑，刀齿磨损多[4]
主要原因
- 侧面和底部的切屑不分离而连在一起（U 形）
对策
- 采用每次切深错开工件角度（偏置）的切入策略，使切屑变成 L 形
- 在刀齿左侧加正的侧前角（例：2°）使切屑变为 L 形
滑动速度不合适，刀具寿命短[5][4]
主要原因
- 滑动速度过低，切削抗力大
- 滑动速度过高，切削温度上升
对策
- 采用与被加工材料相适应的滑动速度
- 降低速度（例：300→150～200m/min），提高进给和切深以保持生产率
齿形误差（左右齿形倾倒、压力角偏差）[1][4]
主要原因
- 轴交角设定误差（模拟示例：±2° 时左右齿形变化）
- 偏置角误差
- 刀具刃形误差
对策
- 补偿轴交角、偏置角以修正齿形（也有仅补偿单侧齿面的案例）
- 两侧齿面为符号相同的小压力角误差时用倾斜角补偿，误差大或符号相反时修磨刀齿
齿厚（槽宽）不合格[4]
主要原因
- 机床设定（齿厚、深度）或刃形不匹配
对策
- 齿厚优先于深度，在允许范围内把槽切深一些来调整齿厚（不推荐切浅）
- 范围内仍不合格就修磨刀齿。槽宽偏小时，第 2 次走刀切削侧面（时间会增加）
↻重磨与寿命管理
- 前刀面无涂层的刀具每次重磨后都需要重新涂层[6]单一资料·仅供参考
- 热处理后精加工用的硬质合金刀具有机上自动重磨前刀面的方式。无需对前刀面重新涂层（后刀面原有涂层保护刀齿）。以小余量频繁刃磨可保持质量稳定（Gleason）[8]单一资料·仅供参考
- 在外部重磨、重新涂层每次需要 45～60 分钟的准备，而刃口的圆度（刃口圆弧）对于切薄屑的热处理后精加工很重要[8]单一资料·仅供参考
- 在刃口加适当量的钝化可延长寿命并使其稳定[5]单一资料·仅供参考
- 寿命判定示例：磨损限度 0.3mm（三菱重工），磨损量达到 0.2mm 时的加工件数（NACHI 的涂层对比）[2][5]
- 可转位硬质合金刀片可重新刃磨，以修正齿厚、深度和压力角[4]单一资料·仅供参考
- 厂家提供重磨、重新涂层服务[9]单一资料·仅供参考
◎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 |
|---|---|
| 工件参数（m、压力角、齿数、螺旋角与方向、内齿／外齿、齿宽、材质与硬度） | 刀具齿形根据工件基准齿条和轴交角计算。外齿还是内齿会使条件和轴交角大不相同。高硬度、难加工材料要慎选刀具材料[4][1][5] |
| 工件形状（带台阶、盲形状、周边形状） | 用于确认刀具与工件不发生碰撞（内齿轮尤其重要）。刀具形状（钟形、柄式、薄片式）也会随之改变[9][6][4] |
| 使用设备（复合加工机还是专用机，机型） | 刀具系列分为面向“复合加工机（车床、MC）”和“强力刮齿专用机”两类。机床刚性低则容易崩刃[6][5] |
| 轴交角（机床可取的范围） | 轴交角决定切削速度、切削性和刀具齿形（例：内齿约 20°，外齿 30° 以上）[1][6][4] |
| 刀具的齿数、螺旋角 | 不得与工件齿数有公约数。轴交角由刀具螺旋角和工件螺旋角决定[4] |
| 刀具形式（圆锥形／圆柱形，盘形、钟形、柄式，可转位式） | 圆锥形在结构上自带后角，置于中心；圆柱形需要倾斜或偏置布置[9] |
| 刀具材料（粉末冶金高速钢／硬质合金）与涂层、前刀面是否有涂层 | 根据磨损形态（磨损还是崩刃）、被加工材料和产量来选。前刀面无涂层会早期磨损，每次重磨后都要重新涂层[5][9][6] |
| 是生坯加工还是热处理后精加工，是湿切还是干切 | 热处理后的精加工使用硬质合金刀具。也有可进行干切的刀具[1][9] |
| 目标循环时间与刀具寿命（产量） | 条件（滑动速度、进给、切深）取决于优先这两项中的哪一项[5] |
| 齿形、齿向的修整（鼓形等） | 通过刀具齿形和轴交角、偏置角的设定实现[1][9] |
打印自 Kezuriba（kezuriba.net/zh/gears/tools/skiving-cutter/）
＋相关延伸内容
与内齿轮其他加工方法的比较（工艺选择）
3
在非渐开线形状上的应用
1
- 用强力刮齿加工同步器齿套的锥形、缺齿形状，将 4 台设备减为 1 台，刀具成本降为 1/2 的案例。通过由工件形状反算刀具刃形的仿真，也可应对带轮、锥形、倒角等非渐开线形状[3]单一资料·仅供参考
⚙其他齿轮加工刀具
📚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。
- 不二越《NACHI TECHNICAL REPORT Vol.31A1（2016）“齿轮强力刮齿加工的特点”》
- 三菱重工业「三菱重工技报 Vol.52 No.1（2015）内齿轮加工的刀具长寿命化、高效率化的实现“三菱重工 Super Skiving System”」
- 捷太格特「JTEKT ENGINEERING JOURNAL No.1016（2018）使用齿轮刮齿中心的复合加工技术的开发―同步器套筒工序集约化的探索―」
- Gear Technology (AGMA Media) / Gleason《H.J. Stadtfeld “Power Skiving of Cylindrical Gears on Different Machine Platforms”》（2014年1/2月号）
- 不二越《NACHI TECHNICAL REPORT Vol.38B2 “实现长寿命的刮齿刀与加工技术”》
- 不二越《刮齿刀样本 No.2306-2（2019）》
- OSG《刮齿刀宣传单 F-534（2024）》
- Gear Technology (AGMA Media) / Gleason-Pfauter《E. Weppelmann “Hard Finishing of Cylindrical Gears: Power Skiving with Integrated Cutter Resharpening”》（2021年8月号）
- Liebherr-Verzahntechnik「Precise and productive. Gear tools (brochure PDF)」
- 三菱重工《新闻稿（2016-10-27）研制出 Super Skiving 机床“MSS300”》
- 三菱重工《新闻稿 用桶形多刃刀具加工内齿轮 研制出“三菱 Super Skiving 系统”(2014)》
- 尼得科机床《切削刀具专题：强力刮齿刀具用新材料 GRANMET SK》
- 弗劳恩霍夫 IWU《SkiveAll – Process Design Software for Power Skiving（介绍资料）》