齿轮加工机床的刀具保养（滚刀窜刀、重磨、容屑槽分度误差、插齿刀）

⚙保养与点检

根据磨损量决定滚刀的刃磨（重磨）时机滚刀
通常以切削刃的后刀面磨损为准。带涂层滚刀在后刀面磨损为 0.1~0.2 mm 时刃磨最经济。磨损超过 0.3 mm 左右后会急剧增大。当月牙洼磨损成为问题时，若磨损位置靠近切削刃，以 0.03~0.04 mm 为参考；若较远，则以 0.05~0.08 mm 为参考
错过时机的话，即使后刀面磨损很小，切削刃也会从月牙洼磨损处崩损，导致异常磨损（Nidec Machine Tool）^[1]（单一资料·仅供参考）
滚刀只磨前刀面，所有容屑槽磨去相同的量滚刀
磨削所有容屑槽的前刀面，直到磨损痕迹从滚刀齿的齿顶、齿侧消失为止。磨削要延续到槽底，使其过渡自然。以磨损最大的槽为准，所有容屑槽磨去相同的量（不要只对磨损大的槽多磨）。精磨前先修整砂轮，并光磨（Moderow）
滚刀的制造使得沿径向磨前刀面就能得到正确的齿形（Nidec Machine Tool）。只多磨一部分容屑槽，会使槽间距不一致，造成齿形误差（Moderow）。只要磨法正确，即使反复刃磨到寿命终了，也不会损害齿轮精度（Moderow）^[2][1][3]
把滚刀装到刃磨机上时要消除跳动滚刀
Nidec Machine Tool 要求滚刀装到刃磨机上时的跳动控制在 10 µm 以内。磨削中滚刀的跳动是容屑槽间距误差最常见的首要原因，由松动或偏心的刀杆、不平行的垫圈、螺母拧得过紧、磨床主轴的跳动引起（Moderow）
带着跳动磨削时，每转半圈磨削量就会变化，跳动（分度误差）会被磨进滚刀。用弯曲的刀杆磨出的滚刀，即使正确装到滚齿机上也是偏心的滚刀（Cluff、Liston）。制造精密齿轮的工厂有时会把滚刀留在滚齿机用的刀杆上找正后再磨（Cluff）。分度盘、分度爪的磨损也会造成容屑槽间距误差（Moderow）^[1][2][4][5]
保持前角（前刀面的方向）与原设计一致滚刀
前角为 0°（径向）的滚刀沿径向磨削。有前角的滚刀按相同的前角磨削（前角和前刀面偏移量标在滚刀端面或图纸上）。为避免前刀面出现中凸或中凹，螺旋槽滚刀不要用平砂轮的端面，而要用碟形砂轮的锥面侧来磨（Moderow）
前刀面偏离径向，压力角就会出错；出现中凸、中凹，齿形就会出错。在 Nidec Machine Tool 的示例中，前角误差 3° 使压力角偏差约 10′，径向性（中凸、中凹）为 0.1 mm 时齿形偏差约 6 µm。Moderow 指出，偏离径向 0.016 约产生 0.001 的齿形误差（约 16 分之 1）。负前角（齿的上侧磨得过多）会使齿轮的齿顶变细、齿根变粗，齿形图向一侧倾斜；正前角则相反（Liston、Moderow）。用直线修整器修整过的砂轮磨螺旋槽，前刀面会变成中凸（Liston）^{[1][3][5][2][6]}
刃磨时不要产生烧伤和裂纹滚刀
进刀前，先找到最高的槽轻轻接触，再进给（跳动或间距不均再叠加进给，会使部分容屑槽承受重磨削而发热）。把加工面磨得光洁（Moderow）
磨削热使刀刃变软，磨损会急剧加快，齿根处的微小裂纹扩展，导致齿折断（Moderow）。Nidec Machine Tool 把刃磨时的磨削裂纹列为滚刀崩损的起因之一，并指出插齿刀的磨削烧伤和裂纹也会引发切削刃崩损。刃磨面越光洁，一次刃磨能加工的数量越多（Moderow）。插齿刀的刃磨面粗糙时寿命也会缩短（Nidec Machine Tool）^[2][7][8]
刃磨后检查容屑槽的分度（容屑槽分度）和径向性滚刀
Nidec Machine Tool 介绍的不需要专用测量机也能做的方法：①容屑槽分度：把滚刀装在直柄心轴上，放在两顶尖台上，在相邻两个槽的前刀面齿中央各放一个分度值 0.002 mm 的杠杆千分表，并调零。②逐槽转位，记录转动滚刀使其中一个表归零时另一个表的读数，所有槽都记录。③读数与平均值之差的最大值（绝对值）为单个分度误差，把这些差依次累加，累计值的最大与最小之差为累积分度误差。径向性：用与中心高度相同高度的量块把表调零，将滚刀转到齿根附近表为 0，再向齿顶方向移动，记录移动量（前角不为 0° 时，量块要下降前刀面偏移量）
刃磨误差肉眼看不见，不测量就使用会加工出不良齿轮（Moderow）。测量方法见 JIS B 4355（齿轮滚刀的精度）的试验编号 5~7（Nidec Machine Tool 的说明。容屑槽分度为 5-6，径向性为 7）。Nidec Machine Tool 的示例（16 槽滚刀）：单个分度误差 4.7 µm，累积分度误差 9.8 µm。径向性从齿根向齿顶为正，称为“齿顶抬高”，测量方向相反则符号相反，会弄错补充加工的方向，需注意^{[9][6][2][10]}
检查滚刀刀杆、垫圈和外支架滚刀刀杆
确认刀杆的跳动（弯曲）、顶尖孔内有无异物、滚刀孔与刀杆的间隙（滚刀孔扩大、刀杆变细）、紧固用垫圈（隔套）的平行度、刀杆外支架轴承的偏心和磨损
Cluff 列举的滚刀安装跳动原因有：刀杆找正不足、滚刀在轴台处找正不足、刀杆弯曲、孔与刀杆的间隙、垫圈不平行、外支架轴承的偏心和磨损。Nidec Machine Tool 也把滚刀孔径过大列为齿形波纹的原因^[4][5][7]
根据目的选择滚刀窜刀方式滚刀
Nidec Machine Tool 的比较：每次窜刀（每加工 1 件窜一次。磨损分散，但窜刀时间计入节拍）、间歇窜刀（每数件窜一次。节拍短，但间隔过大会异常磨损）、1 齿距窜刀（每次窜滚刀的 1 个齿距。不受滚刀跳动影响，齿厚、齿形稳定，但间隔过大会异常磨损，过小则寿命缩短）、多次窜刀（错开 1 齿距窜刀的起始位置并重复。磨损分散，但受跳动影响，齿厚、齿形可能变化）。方向方面，始终让新切削刃处于展成侧的单向窜刀在精度上较理想（到端部即为寿命，或退回原位。退回需要时间）。寿命长的刀具也可以往复窜刀
为了有效利用滚刀的全部切削刃，使磨损在滚刀全长上均匀（Nidec Machine Tool）。刃磨时若槽的导程（螺旋槽的倾斜）有误，滚刀会从一端到另一端变细，随窜刀齿轮尺寸会改变（Cluff）^[11][12][4]
决定重磨后滚刀前刀面的涂层如何处理滚刀
磨前刀面后，前刀面的涂层就没有了。不二越把滚刀分为只重磨使用的规格（前刀面无涂层也能发挥性能）和每次重磨后重新涂层的规格（全面涂层）。Gleason 提供去除旧涂层再重新涂层的服务，Liebherr 也提供重磨和涂层服务
根据加工方式（油性、水溶性、干式）和效率，适合的涂层和重磨规格不同（不二越）^[13][14][15]
利用刀具制造商的重磨、再生服务滚刀
Gleason 表示，高速钢、硬质合金滚刀可按 DIN 等级或该公司的规格重磨，恢复到与新品相当的质量、寿命和性能。还提供用尽齿长、修复受损部分的再修形（重新制作齿形）服务。Liebherr 也进行齿轮加工刀具的重磨和涂层
如果自己没有刃磨机和测量设备，送到外部更容易保持精度^[14][15][13]
根据磨损宽度决定插齿刀的刃磨时机插齿刀
切削刃的磨损通常多出现在后行侧（trailing）齿面。该处磨损宽度达到 0.2~0.3 mm 时刃磨最经济
插齿刀齿面的侧后角通常只有 2° 左右，很小，后刀面磨损的同时齿面容易产生粘着。错过刃磨时机，后刀面磨损变大，会助长粘着（Nidec Machine Tool）^[16]（单一资料·仅供参考）
插齿刀只磨前刀面，并保持前角和刃磨角插齿刀
只磨削前刀面（前角通常为 5°）。斜齿插齿刀要一刃一刃地磨，所以精度比直齿刀更难稳定。斜齿的刃磨角不一定与刀具螺旋角垂直。带倒角的刀具如果磨削位置偏移，倒角的形状就会出错。重新刃磨时不要一次切入过多
前角误差会变成齿形的压力角误差。重新刃磨时切入过大会导致崩损（Nidec Machine Tool）。刃磨面粗糙会缩短刀具寿命，磨削烧伤和裂纹会引发切削刃崩损（Nidec Machine Tool）^[16][17][8]（单一资料·仅供参考）
把插齿刀、车齿刀的重磨交给制造商插齿刀
Gleason 提供把插齿刀和强力车齿刀具恢复到与新品同等质量的重磨服务，Liebherr 也提供齿轮加工刀具的重磨和涂层服务
要保持精度和寿命，由了解刀具设计的一方来磨最可靠^[14][15]
剃齿刀重磨齿面（齿形），并保留重磨记录剃齿刀
剃齿刀要在专用磨床上重磨齿面。Gleason 返还重磨后的刀具时，附有记录文件和重磨线图
锯齿槽（刃槽，serration）较浅时，可刃磨的次数少，刀具寿命短（左右不同、齿顶和齿根不同、圆周上不均匀、整体偏浅都一样）（Nidec Machine Tool）。三菱重工业（现 Nidec Machine Tool）介绍了通过高刚性设计和表面处理延长每次刃磨加工数量的刀具（其图表中，每次刃磨的加工数量：其他公司刀具为 2,440 件，高刚性设计为 4,280 件，高刚性设计＋表面处理为 5,080 件）。剃齿是热处理前的精加工，热处理后则是磨齿（Nidec Machine Tool）^{[14][18][19][20]}
搬运、拿取剃齿刀时不要碰撞剃齿刀
搬运和拿取时注意不要碰崩刀刃。使用前检查有无崩刃
使用前就已经崩刃的原因，除了刀齿磨削时的磨削裂纹、热处理时的裂纹之外，还有搬运、拿取时造成的崩损（Nidec Machine Tool）^[18]（单一资料·仅供参考）
管理车齿刀的磨损，并重磨、重新涂层车齿刀
Gleason 提供强力车齿刀具的重磨、涂层服务，以及在机床内重磨刀具以消除换刀停机的机制。Liebherr 也制造车齿刀具，并提供重磨和涂层服务
车齿原理上切削负荷大，刀具寿命一直是个课题（三菱重工业技报）。在三菱重工业技报的试验中，以 0.3 mm 为磨损限度来比较加工件数（仅为参考示例）^[21][15][22]
磨削蜗杆通过修整恢复形状，CBN 电镀刀具送去再生磨削蜗杆（螺纹状砂轮）、修整器
可以修整的螺纹状砂轮，按设定的间隔修整。电镀 CBN 的磨削蜗杆，以及镀金刚石、CBN 的修整工具，由制造商重新加工基体后再电镀（Liebherr、Gleason 的再生服务）
磨削刀具的形状走样会直接变成齿形、齿向误差。Nidec Machine Tool 推出了加宽砂轮宽度以延长修整间隔的磨齿机（ZE 系列。宽度 160 mm）^[15][14][23]
更换刀杆和夹套的易损件，保持夹具的精度和刚性工件夹具（心轴、弹簧夹头）
更换弹簧夹头、分段式弹簧夹头（segment collet）、夹紧弹簧等易损件。定期检查和调整（Gleason）
工件夹具的精度不良、刚性不足会导致导程（齿向）不良，刀具和工件的安装精度不良会成为齿槽跳动的原因（Nidec Machine Tool）^[24][25][17]
确定并管理刀具寿命刀具通用
确定一次刃磨可加工的件数（或窜刀到端部为止），不要超过。如果有检测切削中异常负荷并停机的功能，要使用
日本机床工业会推荐：为保持切削条件而管理刀具寿命，以及在刀尖受到异常负荷的瞬间停止加工的异常负荷检测功能（磨损、崩损的刀具是发热、起火的根源）。滚刀也有一种方法：窜刀到端部即视为寿命终了（Nidec Machine Tool）^[26][11][19]

÷滚刀的窜刀量与有效窜刀长度（Nidec Machine Tool 的简易公式）

窜刀量 ℓ（mm）＝ Mn × π × z ÷（cos γ × i）。Mn 为滚刀的法向模数，z 为滚刀的头数，γ 为滚刀的导程角，i 为滚刀的槽数。是把作为展成中心的切削刃依次移到相邻槽切削刃位置的量
滚刀的余量长度 a ≒ π ÷ 2 × m
切削刃的作用范围 K ＝ k ＋ k0（k 为滚刀外周切削刃的作用长度，k0 为从展成中心起的齿形展成范围（单侧））
有效窜刀长度 S ＝滚刀的刃长 l −（K ＋ 2a）

窜刀量: ℓ ＝ Mn × π × z ÷（cos γ × i）
齿形展成范围（单侧）: k0 ＝ Ca × cos β ÷（tan αn × cos τ）（Ca 为滚刀的齿顶高，αn 为刀具的法向压力角，β 为齿轮的螺旋角，τ 为滚刀的安装角）
有效窜刀长度: S ＝ l −（K ＋ 2a）

计算示例：条件（窜刀量）: Mn 1.5、γ 3°、3 头、16 槽
计算示例：结果（窜刀量）: ℓ ＝ 1.5 × 3.14 × 3 ÷（cos 3° × 16）≒ 0.88 mm
计算示例：条件（有效窜刀长度）: 齿轮 m2.25、压力角 14.5°、25 齿、螺旋角 30°、外径 70 mm，滚刀外径 90 mm、2 头、刃长 130 mm（顺滚）。由图表得 k ＝ 23、k0 ＝ 13
计算示例：结果（有效窜刀长度）: K ＝ 36、a ＝ 3.5、S ＝ 130 −（36 ＋ 7）＝ 87 mm

窜刀量公式并不是用来得出磨损优化或精度稳定的最佳值的公式（Nidec Machine Tool 的提醒）。外周切削刃的作用长度 k 随齿轮的直径和螺旋角、滚刀的外径和导程角、滚齿方式而变化，严格来说由刀具制造商计算。许多数控滚齿机会自动计算窜刀范围^[11][12]（单一资料·仅供参考）

▦改变滚刀安装角时齿厚的减少情况（Nidec Machine Tool 的示例：m2、压力角 20°、滚刀外径 80 mm）

安装角的变化	齿厚的减少量
15′	2 µm
30′	8 µm
45′	18 µm
1°	32 µm

为了解决干式滚齿时齿面的划伤和撕裂，有时会把安装角从正规值偏移 15′~1° 左右。齿厚相应减小，若为补偿而减少切入，倒角滚刀的齿顶倒角量会减少。齿厚减少量的理论公式：ΔW ＝ mn ×｛sin 2γ ×（Δε）² ÷（2 tan αn）｝×（g ÷ sin³γ ＋ Z），倒角减少量（径向）：ΔC ＝ ΔW ÷（2 tan αn）（mn 为滚刀的法向模数，γ 为导程角，Δε 为安装角误差，g 为头数，Z 为齿数。斜齿轮用 Z ÷ cos³β 代替 Z）。根据工件的公差，可能需要变更设计^[27][28][3]（单一资料·仅供参考）

÷滚刀容屑槽分度误差的计算（根据两个百分表的测量）

槽 No.1~n 记录的表 A 读数的平均值 Avg ＝（No.1 ＋ No.2 ＋ … ＋ No.n）÷ n
各槽的差 S_k ＝ Avg − No.k
单个分度误差＝ S_k 绝对值的最大值
依次算出累计值 S1、S1＋S2、S1＋S2＋S3、…，累积分度误差＝其最大值 − 最小值

平均值: Avg ＝ ΣNo.k ÷ n
单个分度误差: max｜Avg − No.k｜
累积分度误差: max(Σ_{j≤k} S_j) − min(Σ_{j≤k} S_j)

计算示例：条件: 16 槽滚刀（Nidec Machine Tool 的测量示例）
计算示例：结果: 单个分度误差 4.7 µm，累积分度误差 9.8 µm

测量结束时，把表 A 回到 No.1 槽，确认回到最初的 0。把数值画成图表，就能看出单个和累积误差（Nidec Machine Tool）。测量方法的标准是 JIS B 4355^[9][10]

▦滚刀刃磨公差示例（美国 Metal Cutting Tool Institute 的标准。摘自 1992 年文章表中的 AA 级、A 级，单位 0.0001 英寸）

项目、等级	DP1~1.99（m≈13~25）	DP2~2.99（m≈8.5~13）	DP3~3.99（m≈6.4~8.5）	DP4~4.99（m≈5.1~6.4）	DP5~5.99（m≈4.2~5.1）	DP6~8.99（m≈2.8~4.2）	DP9~12.99（m≈2~2.8）	DP13~19.99（m≈1.3~2）	DP20~29.99（m≈0.85~1.3）	DP30~50.99（m≈0.5~0.85）	DP51 及以上（m≈0.5 及以下）
相邻槽间距 AA 级（仅单头）	—	—	20	15	10	8	8	6	6	6	6
相邻槽间距 A 级	40	30	25	20	15	10	10	10	10	10	10
非相邻槽间距 AA 级（仅单头）	—	—	40	35	25	15	15	15	15	15	15
非相邻槽间距 A 级	80	60	50	40	30	30	30	25	25	20	20
至切入深度的前刀面偏差 AA 级（仅单头）	—	—	10	8	6	5	5	3	3	3	3
至切入深度的前刀面偏差 A 级	30	15	10	8	6	5	5	3	3	3	3

数值是百分表跳动的总量。1 表示 0.0001 英寸（2.54 µm），例如 10 约为 25 µm。模数 m 是由径节 DP 按 m ≒ 25.4 ÷ DP 换算的参考值。槽导程的公差由刃宽决定，A 级为：刃宽 1 英寸以下 10，1~2 英寸 15，2~4 英寸 25，4~7 英寸 30，超过 7 英寸 50。当前日本标准是 JIS B 4355（修改采用 ISO 4468。ISO 以 2020 年版为现行版，有 4A~D 共 7 个等级），这里的数值不能代替它^[2][4]（单一资料·仅供参考）

÷插齿刀螺旋导轨的导程（确认能否通用）

确认刀具的法向模数 mn、齿数 Zc、螺旋角 β
导程 L ＝ π × mn × Zc ÷ sin β（或 L ＝ π × 刀具的节圆直径 ÷ tan β）
即使是另一种工件、刀具，只要 L 大致相同（在齿向误差允许范围内），刀具齿数为整数，螺旋方向相同，就可以共用同一个螺旋导轨

导程: L ＝ π × mn × Zc ÷ sin β ＝ π × Dc ÷ tan β（Dc 为刀具的节圆直径）

计算示例：条件: mn 2、Zc 40、β 20°
计算示例：结果: L ＝ 3.1416 × 2 × 40 ÷ sin 20° ≒ 735 mm（试算）

公式和通用条件依据 Nidec Machine Tool 的资料。示例的数值是用此公式的试算^[29][8]（单一资料·仅供参考）

📚参考资料

没有标记的项目，是不同发布方的 2 份以上资料内容一致的。数值、周期以各机型的规定为准。文字表述由 Kezuriba 自行归纳。