要提高剃前滚刀(以下简称“滚刀”)设计的合理性是一项长期复杂的课题。首先必须深入掌握滚刀与剃刀的加工原理和设计思想，这样才可以更有效的把握优化设计的深入点。其次要有大量实际加工过程的积累，对加工中出现的问题要进行充分的剖析，得到正确的结论。再一点要考虑到企业的实际加工条件，根据机床的不同和产品的不同选择合理性价比的刀具来达到最理想的效果，这一点对企业利益的发展很重要。
图1
滚刀的优化设计
对于滚刀齿形、齿高、齿厚等计算大都采用相同的计算方法，可参考刀具设计手册，如图1计算出齿形部分各个尺寸，这里不做出说明。下面对滚刀优化设计进行介绍
(1)滚刀的内孔、长度、头数、外圆、槽数等基本数据可依据实际情况及经验选取。其中外圆、长度和槽数是决定滚刀使用寿命的重要因素。
图2 滚刀外径磨损情况示意图
减小滚刀直径，在相同转速下可以降低切削速度，延长滚刀寿命；反之，在相同切削速度下可以提高滚刀转速，而提高滚齿效率。此外，还可以使滚刀刀齿容易切入工件，减少在高速下刀齿开始切入工件时的打滑现象，从而减小磨损；并可以减轻滚刀重量，降低滚刀成本，从而使装卸刀具的劳动强度降低，滚刀的价格降低。滚刀外径与切削效率对照表(下表)及其磨损情况示意图(图2)对滚刀外径优化设计具有参考价值。(齿轮：m=3，a=20，β=0，Z=76，b=60mm，材料SCM415，HBl40。滚刀 3头右旋，排屑槽Nl2，TiN涂层。切削条件V=120m／mln，f=3mm/r，逆铣。)
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>滚刀外径与切削效率对照表
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>滚刀外径D(mm)
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>滚刀转速n(r/min)
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>滚齿时间
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>滚刀重量(kg)
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>试验
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>110
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>347
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>2’10”
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>5
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>试验二
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>83
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>460
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>1’30”
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>1.8
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>试验三
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>70
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>546
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>1’15”
normal style="MARGIN: 0cm 0cm 0pt; TEXT-ALIGN: center" align=center>l.2
滚刀槽数的分配同样是需要深入研究的课题，在相同外圆条件下，槽数的增加相当于在同样转速的过程中滚刀每排齿的切削量减小，这样滚刀的磨损程度可以大大降低，进而提高滚刀的使用寿命。反之如果使每排齿的切削量相同，就可以大大提高切削效率，降低滚齿时间。同样可以做出上面的试验，这样就可以更合理的选择滚刀的槽数。
图3
如图3所示，滚刀的有效使用长度在加工过程中与砂轮直径的大小有关，与图纸要求滚刀的后角(铲背量)有关，在砂轮大小和后角相同的情况下，滚刀的槽数越多，则砂轮行走的空间就越小，有效使用长度就越小，刃磨次数就越少。计算可根据图3，在砂轮大小已知情况下，砂轮相交下排齿刀尖时，确定砂轮与铲背量圆弧交点的位置，这样就可以计算出图示有效使用长度的最大值。(例如，直径为85mm滚刀，容屑槽标准形式11 槽，铲背量4.25，砂轮直径60mm，有效使用长度可达8.5mm左右。)通过大量数据的积累就可以找到非常理想的槽数方案，效果也非常明显。
(2)对于齿轮齿顶倒角的加工，如今滚刀的设计者们很多都已经计算得很精确了，它是滚刀与齿轮啮合过程中多个啮合角位置关系的研究。这里的优化设计的思想是将倒角的角度加大，体现在滚刀上就是图1中下部倾斜的角度，即图4中Hd点到齿顶的角度。而且这个角度的变化对于尺寸H。的大小是有直接影响的，很多图纸和工艺上要求为45°，而由于此倒角为渐开线与齿项的交界，并非简单的两垂直边的倒角，如果滚刀的这一部分角度设计为45。将造成倒角的长度和高度在直观上看是不相等的，这样并不美观。但更重要的是将此角度加大，将明显可以使滚齿前与滚齿后的渐开线长度变化范围减小如图4所示，滚齿齿形与剃齿齿形由于齿顶倒角的角度加大而使Hd点位置变化减小。这样可以提高剃齿加工过程的稳定性。这里一定要注意加大角度后防止齿项变尖。
图4
(3)滚刀凸角的设计是滚刀设计的难点，而且其计算的准确度直接影响到滚刀的使用性能。即图1中HC这一部分的设计。反映到图4就是Rg1点以下的造形，这一部分设计的；隹确性可以精确控制加工的齿轮有效渐开线长度，而且与剃刀设计有着非常重要的联系(在下面剃刀设计中可体会到)。滚齿控制的渐开线长度有一段可以选择的空间，这对剃齿力平衡啮合点的调整非常有利，而且剃齿啮合点起始就是由滚刀设计出的图4中Rg2这一点。也许单独对于滚刀设计来讲只要保证足够的渐开线长度就算合理，但不一定能使产品达到最理想的加工精度，而且这一点也正是保证滚、剃交接是不是理想的关键。图4中Rg1和Rg2的计算都采用迭代计算，其精确程度是很高的，设计思想应首先考虑剃后齿轮渐开线与齿根过渡曲线交点Rg2(图4)应在齿形有效起始点以下，然后能通过长幅摆线的等距线与渐开线建立方程(可参考齿轮设计手册)。此方程从建立到求解是一个非常复杂的过程，迭代运算可以计算出Rg2的收敛值。但理论上它是两个交点，只因下面的交点用迭代运算是无法收敛得到确定值，这一点和剃刀设计时外径允许的最大值有关，对防止干涉很重要(参考图5)。现在计算机辅助计算可以用循环的方法进行赋值，将所有的结果列出后你会找到这一点。验算剃刀设计啮合点情况就能得到最佳位置，这样的滚刀非常理想化。选择凸角高度图1中H值(一般为剃齿留量的基础上增加0.025mm)。能保证与剃刀不干涉的情况下H值选取越小对齿轮的强度越为有利。这根据实际条件有很大关系，而且H值的减小将对剃刀修磨尺寸控制格外严格。
图5
(4)此要求达到后，确定非造形切削刃的齿形角af(图1)，我们可以计算出此角度最大允许值，然后取此角度在规定范围之内即可。如果超出这个角度，那么此处参与造形将对于上面谈到的凸角设计的优化没有任何意义。
(5)变位设计采用到滚刀之中是一种比较新的技术，变位设计的出现，使滚刀在使用方面出现了很多优点，并且国内也有很多人研究变位设计并已阐述其众多的优点，这里要说明变位设计根据Mn×C0s an=Mn×COS an两齿轮可以啮合的原理，将原齿轮参数调整为另 个基圆相同的齿轮参数进行设计滚刀。大多数设计思想是使滚刀模数及压力角减小。
图6 为优化设计后滚、剃加工图示
图6为优化设计后滚、剃加工图示，蓝线为滚齿齿形，红线为剃齿齿形及剃刀刀尖划过轨迹，黑线为配对齿轮齿项啮合轨迹。可以看出其三者啮合的合理性。
(6)加大滚刀齿顶圆弧，即加大加工出齿轮根部圆弧，这样可以有效地提高齿轮强度，这在卡车齿轮中是非常必要的，这方面如果两齿轮有足够的项隙，则做成单圆弧是不成问题的，与上面所说的矛盾之处在于加大圆弧要损失渐开线长度选择范围，所以调整合理是尤为重要的。
剃刀设计
要实现滚刀优化设计必须对剃刀设计同样有足够的研究，只有对剃刀设计充分理解才能有效地掌握滚刀如何达到最佳效果。这里对剃刀做一下简要分析，会更有效的理解以上所做的必要性。
单独设计剃刀时要求剃刀完成从齿轮啮合起始点到终止点这一段渐开线的剃削过程，但要想获得较好齿形则最好将剃刀与齿轮啮合时在展成过程中始终保持齿轮左右齿面啮合点数目相同，这种情况齿形“S”形或中凹出现的可能性最低，参考图7。
图7
下面我们看～下剃刀与齿轮重叠系数β的计算，它的调整可以改变啮合点的位置。在滚剃刀匹配设计中可进行参考。
其中
da1：被剃齿轮顶圆直径；da0：剃刀顶圆直径；db1：被剃齿轮基圆直径；db0：剃刀基圆直径；βb1：被剃齿轮基圆螺旋角；βb0：剃刀基圆螺旋角；Z1：被剃齿轮齿数；L’：新剃刀与被剃齿轮啮合时啮合线长度
对于一个滚刀设计完成后，它的渐开线长度就已经确定，剃刀设计者只能利用剃刀公法线的调整未改变啮合点。这样可以给出一合理的剃刀公法线，所以一但滚刀设计完成，剃刀设计调整的空间将变得非常少。
结束语
目前我国正处在与世界先进工艺水平接轨时期，对汽车齿轮的精度要求也不断提高，对于刀具方面的设计也要更加细心，持续改进是在个优秀企业及其中的每一个人必须要做的。对于国内加工水平还有很大的上涨空间，其中也存在着许多不足，所以其它一些横向因素对刀具的设计优化也有一定的影Ⅱ向，如机床精度，工装精度，钢料，各种切削油等将都会影响加工质量，所以刀具设计时定要清楚生产的实际情况，然后再进行逐步优化。
