齒輪加工工藝方法

1、齒輪加工工藝 齒輪加工的基本知識（部分）,齒輪加工的基本知識（部分）,【教學目的和要求】掌握齒輪材料及其合理的選擇，齒輪加工的特點及要求，了解齒輪加工的基本原理，了解齒輪加工機床的主要組成部件及功用。具備按照齒輪技術要求，合理選用齒輪加工機床和工藝的初步能力。 【教學內(nèi)容摘要】 齒輪材料及其合理的選擇 齒輪加工的特點及應用 成形法和展成法原理（滾齒原理） 滾齒加工、齒輪滾刀 插齒、磨齒、剃齒、珩齒加工 【教學重點、難點】 齒輪加工的特點及應用、展成法基本原理、滾 齒的應用,一 齒輪材料的合理選擇,1、滿足材料的機械性能 齒根部受到大彎曲應力，可能產(chǎn)生齒面或齒體強度失效。 齒面各點都有相對滑動，

2、會產(chǎn)生磨損。 齒輪主要的失效形式有齒面電蝕、齒面膠合、齒面塑性變形和輪齒折斷等。 因此要求齒輪材料有高的彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度，齒面要有足夠的硬度和耐磨性，芯部要有一定的強度和韌性。,2、滿足材料的工藝性能 材料的工藝性能是指材料本身能夠適應各種加工工藝要求的能力。 齒輪的制造要經(jīng)過鍛造、切削加工和熱處理等幾種加工，因此選材時要對材料的工藝性能加以注意。 一般來說，碳鋼的鍛造、切削加工等工藝性能較好，其機械性能可以滿足一般工作條件的要求，但強度不高，淬透性較差。而合金鋼淬透性好、強度高，但鍛造、切削加工性能較差。我們可以通過改變工藝規(guī)程、熱處理方法等途徑來改善材料的工藝性能。,3、材料的經(jīng)

3、濟性要求 在滿足使用性能的前提下，選用齒輪材料還應該注意盡量降低零件的總成本。 從材料本身價格來考慮。碳鋼和鑄鐵的價格比較低廉，因此在滿足零件機械性能的前提下選用碳鋼和鑄鐵，不僅具有較好的加工工藝性能，而且可以降低成本。 從齒輪生產(chǎn)過程的耗費來考慮。首先，采用不同的熱處理方法相對加工費用也不一樣。其次，通過改進熱處理工藝也可以降低成本 。,、齒輪的材料及熱處理 對齒輪材料的基本要求： 齒面要硬,齒芯要韌 易于加工及熱處理 軟齒面齒輪齒面配對硬度差為30-50HBS 常用的齒輪材料及其熱處理方法有： (1)中碳鋼(如45鋼)進行調(diào)質或表面淬火，綜合力學性能較好，用于低速、輕載或中載的一些不重要的

4、齒輪。,(2)合金調(diào)質鋼(如40Cr)進行調(diào)質或表面淬火，綜合力學性能更好，且熱處理變形小，適用于中速、中載及精度要求較高的齒輪。 (3)合金滲碳鋼(如20Cr，20CrMnTi)進行滲碳淬火或液體碳氮共滲，齒面硬度可達58HRC，且心部有較高韌性，適用于高速、中載和或有沖擊載荷的齒輪 (4)鑄鐵及其他非金屬材料(如尼龍、夾布膠木等)。這些材料強度低、易加工，適用于一些輕載的齒輪。,5、鋼制齒輪的熱處理方法主要有以下幾種： 表面淬火 表面淬火常用于中碳鋼和中碳合金鋼，如 45、 40Cr鋼等。表面淬火后，齒面硬度一般為4055HRC。特點是抗疲勞點蝕、抗膠合能力高。耐磨性好；由于齒心部分未淬硬

5、，齒輪仍有足夠的韌性，能承受不大的沖擊載荷。,滲碳淬火 滲碳淬火常用于低碳鋼和低碳含金鋼，如 20、 20Cr鋼等。滲碳淬火后齒面硬度可達5662HRC，而齒輪心部仍保持較高的韌性，輪齒的抗彎強度和齒面接觸強度高，耐磨性較好，常用于受沖擊載荷的重要齒輪傳動。齒輪經(jīng)滲碳淬火后，輪齒變形較大，應進行磨削加工。 滲氮 滲氮是一種表面化學熱處理。滲氮后不需要進行其他熱處理，齒面硬度可達700900HV。由于滲氮處理后的齒輪硬度高，工藝溫度低，變形小，故適用于內(nèi)齒輪和難以磨削的齒輪，常用于含鉛、鉬、鋁等合金元素的滲氮鋼，如38CrMoAl等。,調(diào)質 調(diào)質一般用于中碳鋼和中碳合金鑰，如45、40Cr、35

6、SiMn鋼等。調(diào)質處理后齒面硬度一般為220280HBS。因硬度不高，輪齒精加工可在熱處理后進行。 正火 正火能消除內(nèi)應力，細化晶粒，改善力學性能和切削性能。機械強度要求不高的齒輪可采用中碳鋼正火處理，大直徑的齒輪可采用鑄鋼正火處理。,6、齒輪毛坯 齒輪毛坯的選擇取決于齒輪的材料、結構形式與尺寸、使用條件及生產(chǎn)批量等因素。常用的齒輪毛坯有： (1)下料件用于一些不重要，受力不大且尺寸較小，結構簡單的齒輪。 (2)鍛件用于重要而受力較大的齒輪。 (3)鑄鋼件用于直徑大或結構形狀復雜，不宜鍛造的齒輪。 (4)鑄鐵件用于受力小，無沖擊的開式傳動的齒輪。,二、齒輪加工原理,齒輪加工的關鍵是齒面加工。目

7、前，齒面加工的主要方法是刀具切削加工和砂輪磨削加工。前者由于加工效率高，加工精度較高，因而是目前廣泛采用的齒面加工方法。后者主要用于齒面的精加工，效率一般比較低。按照加工原理，可分為成形法和展成法兩大類。,1. 成形法（又叫仿形法） 成形法是采用與被切齒輪齒槽相符的成形刀具加工齒形的方法。用齒輪銑刀在普通銑床上加工齒輪是常用的成形法加工。銑完一個齒槽后，分度頭將齒坯轉過360/z，再銑下一個齒槽，直到銑出所有的齒槽。,如圖所示,1.1齒輪銑刀的選擇 應選擇與被加工齒輪模數(shù)、壓力角相等的銑刀。同時按齒輪齒數(shù)根據(jù)下表選擇合適號數(shù)的銑刀。,1.2銑削方法 在臥式銑床上，將齒坯套在心軸上安裝于分度頭和

8、尾架頂尖中，對刀并調(diào)好銑削深度后開始銑第一個槽，銑完一齒退出進行分度，依次逐個完成齒數(shù)的銑削。,1.3 銑齒加工特點,（1）用普通的銑床設備，且刀具成本低。 （2）生產(chǎn)效率低。每切完一齒要進行分度，占用較多的輔助時間。 （3）齒輪精度低。齒形精度只達11-9級。 主要原因是每號銑刀的刀齒輪廓只與該范圍最少齒槽相吻合，而此號齒輪銑刀加工同組的其它齒數(shù)的齒輪齒形都有一定的誤差。,2. 展成法,展成法是利用一對齒輪無側隙嚙合時兩輪的齒廓互為包絡線的原理加工齒輪的。加工時刀具與齒坯的運動就像一對互相嚙合的齒輪，最后刀具將齒坯切出漸開線齒廓。展成法切制齒輪常用的刀具有三種：,（1）齒輪插刀 是一個齒廓為

9、刀刃的外齒輪；,（2）齒條插刀 是一個齒廓為刀刃的齒條；,（3）齒輪滾刀 像梯形螺紋的螺桿，軸向剖面齒廓為精確的直線齒廓，滾刀轉動時相當于齒條在移動?？梢詫崿F(xiàn)連續(xù)加工，生產(chǎn)率高。,特點： 用展成法加工齒輪時，只要刀具與被切齒輪的模數(shù)和壓力角相同，不論被加工齒輪的齒數(shù)是多少，都可以用同一把刀具來加工，這給生產(chǎn)帶來了很大的方便，因此范成法得到了廣泛的應用。,三、齒輪加工機床的類型與加工方法,圓柱齒輪加工機床主要有滾齒機、插齒機、剃齒機、珩齒機和磨齒機等。,滾齒加工原理是滾齒刀和齒坯模擬一對螺旋齒輪作嚙合運動。滾齒刀好比一個齒數(shù)很少（一至二齒）齒很長的齒輪，形似蝸桿，經(jīng)刃磨后形成一排排齒條刀齒。因此

10、，可把滾齒看成是齒條刀對齒坯的加工。,（一）滾齒加工 滾齒加工是用滾齒刀在滾齒機上加工齒輪的方法。齒輪加工精度為8-7級，齒面粗糙度Ra值為1.6m。在滾齒機上用蝸輪滾刀、鏈輪滾刀還能滾切蝸輪和鏈輪。,如圖所示,Y3150E型滾齒機,1. 加工直齒圓柱齒輪,根據(jù)展成法原理用滾刀加工齒輪時，必須嚴格保持滾刀與工件之間的運動關系。因此， 滾齒機在加工直齒圓柱齒輪時的工作運動有： 主運動：就是滾刀的旋轉運動（r/min）。 展成運動：就是滾刀的旋轉運動和工件的旋轉運動的復合運動，即滾刀與工件間的嚙合運動。兩者之間應準確的保持一對嚙合齒輪副的傳動關系。即滾刀轉一轉，工件轉k/z轉。其中：k是滾刀的頭數(shù)

11、，z為齒輪齒數(shù)。,滾切齒輪過程可分解為：前一排刀齒切下一薄層材料之后，后一排刀齒切下時，由于旋轉的滾刀為螺旋形，所以使刀齒位置向前移動了一小段距離，而齒輪坯則同時轉過相應角度。后一排刀齒便切下另一薄層材料。正如齒條刀向前移動，齒輪坯作轉動。就這樣，齒坯被一刀刀地切出整個齒槽，齒側的齒形則被包絡而成。所以，這種方法可用一把滾齒刀加工相同模數(shù)不同齒數(shù)的齒輪。不存在理論齒形誤差。,2. 加工斜齒圓柱齒輪,除上述三個運動外，還有一個工件附加轉動（即差動傳動鏈。)。就是加工斜齒輪時，在垂直進給過程中，通過差動機構和分度蝸輪副使齒坯和工作臺獲得附加轉速，它與輪齒的螺旋角相適應。通過調(diào)整差動交換齒輪可獲得此

12、運動。加工直齒輪時，該差動機構應脫開。,3. 滾刀的安裝 滾齒時，要求在切削部位滾刀的螺旋線方向與工件齒長方向一致，這是沿齒向進給切出全齒長的條件。因此加工前要調(diào)整滾刀的安裝角。 安裝角度：； 螺旋升角：；齒輪螺旋角：（斜齒）,軸向進給運動：就是滾刀沿工件軸線方向作連續(xù)進給運動，在工件的整個齒寬上切出齒形。,（a)右旋滾刀滾切直齒輪； (b) 左旋滾刀滾切直齒輪,螺旋滾刀加工直齒圓柱齒輪的安裝角，滾刀位于工件前面，從幾何關系可知，滾刀安裝角,螺旋滾刀加工斜齒圓柱齒輪安裝角,用滾刀加工斜齒圓柱齒輪時，由于滾刀和工件的螺旋方向都有左、右方向之分，共有四種不同的組合。則有 當被加工的斜齒輪的螺旋線方

13、向相反時取“+”號，方向相同時取“-”號。,4滾齒加工時工件的裝夾 加工的齒輪直徑較小時，工件以內(nèi)孔定位裝夾在心軸上，心軸上端的圓柱體用后立柱支架上的頂尖或套筒支承，以加強工件的裝夾剛度。加工直徑較大的齒輪時，通常用帶有較大端面的底座和心軸裝夾，或者將齒輪直接裝夾在滾齒機工作臺上。,5滾齒加工的特點 （1）適應性好。 （2）生產(chǎn)效率高。 （3）齒輪齒距誤差小。 （4）齒輪齒廓表面粗糙度較差。 （5）滾齒加工主要用于直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪和蝸輪。,（二）插齒加工 插齒主要用于加工直齒圓柱內(nèi)、外齒齒輪或多聯(lián)齒輪，內(nèi)、外花鍵等。,1插齒的運動 插齒機的工作原理類似一對圓柱齒輪嚙合，其中一個齒輪作

14、為工件，另一個齒輪變?yōu)辇X輪形的插齒刀具。插齒加工是按展成原理加工齒輪的。加工時所需的運動： （1）主運動 （2）展成運動 （3）圓周進給運動（刀具轉動） （4）徑向切入運動 （5）讓刀運動,Y5132型插齒機,如圖所示,如圖所示,2、插齒刀 （1）插齒刀的齒面形狀,插齒刀有頂刃后角 和側刃后角 。,插齒刀刀刃運動軌跡形成一個齒輪，稱為產(chǎn)形齒輪，直齒插齒刀刀刃在端面上的投影就是產(chǎn)形輪的齒形。,（2）插齒刀的后角和前角,1）插齒刀的頂刃后角 和側刃后角 標準直齒插齒刀采用頂刃后角,2）插齒刀的頂刃前角 和側刃前角 標準直齒插齒刀采用頂刃前角,3插齒刀的類型 插齒所用的直齒插齒刀主要有三種類型，分別

15、是盤形直齒插齒刀、碗形直齒插齒刀和錐柄直齒插齒刀。,4插齒加工的特點 （1）齒形精度高。 （2）獲得的齒廓表面粗糙度較細。 （3）有利于提高工件的齒形精度和減小表面粗糙度。 （4）工件公法線長度變動量較大。 （5）生產(chǎn)率低。 （6）加工斜齒輪很不方便，且不能加工蝸輪。,如圖所示,（三）齒輪其他加工方法,常用的齒面精加工方法有剃齒、珩齒和磨齒等方法。 1、剃齒加工 剃齒常用于未淬火圓柱齒輪的精加工，生產(chǎn)效率很高，在成批、大量生產(chǎn)中得到廣泛的應用。,盤形剃齒刀外型很像齒輪，加工時剃齒刀和齒輪軸交錯成一角度，作螺旋齒輪嚙合。安裝時，剃齒刀與工件軸線傾斜一個剃齒刀螺旋角。剃齒刀的圓周速度可以分解為沿工

16、件齒向的切向速度和沿工件齒面的法向速度，從而帶動工件旋轉和軸向運動，使刀具在工件表面上剃下一層極薄的切屑。同時，工作臺帶動工件作往復運動，以剃削輪齒的全長。,1.1、剃齒工作原理,如圖所示,1.2、剃齒刀的用途和種類,剃齒刀是一種精加工齒輪刀具，主要限制是不能加工淬硬的齒輪。,剃齒刀按其結構可以分為下列幾種：,（1）齒條形剃齒刀 （2）盤形剃齒刀 （3）小模數(shù)剃齒刀 （4）蝸輪剃齒刀,如圖所示,2.珩齒加工 珩齒的加工原理與剃齒相同，是對淬硬齒形進行精加工的方法之一。 主要用于去除熱處理后齒面上的氧化皮，減小輪齒表面粗糙度值，表面粗糙Ra0.40.2m ，從而降低齒輪傳動的噪聲。生產(chǎn)效率高，一

17、般用于大批量加工86級精度的淬火齒輪。,如圖所示,3.磨齒加工,磨齒加工主要用于對高精度齒輪或淬硬的齒輪進行齒形的精加工。一般條件下，加工齒輪精度可達64級，表面粗糙度可達Ra0.8m 0.2m。由于磨齒采用砂輪與工件強制嚙合的運動方式，不僅修正齒輪誤差的能力強，而且，特別適合加工齒面硬度很高的齒輪。但是除蝸桿形砂輪磨齒外，一般磨齒加工效率均較低，設備結構較復雜，調(diào)整設備困難，加工成本較高。目前，磨齒主要用于加工精度要求很高的齒輪，特別是硬齒面的齒輪。 (1)展成法磨齒方法 1）連續(xù)分度展成法磨齒 2）單齒分度展成法磨齒,1）連續(xù)分度展成法磨齒,連續(xù)分度展成法磨齒是利用蝸桿形砂輪的刀具磨削齒輪

18、的輪齒，其加工過程和滾齒相同。,2）單齒分度展成法磨齒,單齒分度展成法磨齒可根據(jù)使用砂輪形狀不同有蝶形砂輪磨齒、錐形砂輪磨齒等幾種方法。,4. 齒輪加工的其它方法,滾制：齒輪的滾制加工有利用成形法與展成法。利用展成法的滾制是利用齒條與小齒輪、小齒輪與大齒輪、內(nèi)齒輪與小齒輪的嚙合；將淬火硬化的齒條形工具、小齒輪形工具、內(nèi)齒輪形工具按壓于齒輪輪坯，使輪坯滾動，借塑性變形加工成齒形。利用成形法的滾制是用對應于滾制齒輪的齒輪形狀的成形滾制刀具，藉特殊的滾軋加工成形齒形。 熱間鍛造：熱間鍛造的主要對象為直齒傘齒輪、螺旋傘齒輪及正齒輪，通常為以非鐵合金為材料的齒輪，可不計加熱之際發(fā)生的氧化皮時，熱間鍛造的

19、精度及表面粗糙度不亞于機械加工。,高速鍛造：1957年由美國General Dynamics公司開發(fā)。 冷間鍛造：主要有利用鍛粗或鍛頭法擴大齒坯尺寸的成形與減少齒坯斷面的擠出成形。 沖剪：玩具等不大要求精度的小型板齒輪常用沖剪法作成。 普通鑄造：超大型齒輪不得不用鑄造放來加工。直接將熔融的金屬注入鑄模中，凝固后取出，直接使用或機械加工后使用。 精密鑄造法：有轂模法、石膏模法等。 還有粉末冶金法、射出成形法等齒輪加工方法,5.齒形加工方法比較,1） 滾齒與插齒比較 滾齒是刀齒作連續(xù)的旋轉切削、切削速度較高，插齒是刃齒作往復運動，限制了切削速度，故滾齒生產(chǎn)率比插齒烙高，滾齒機可以加工直齒、斜齒圓柱

20、齒輪和蝸輪，但不能加工內(nèi)齒輪和相距太近的多聯(lián)齒輪；插齒時播齒刀沿齒全長連續(xù)切出，包絡線數(shù)量也多，而滾齒時輪齒全長是由滾刀多次連續(xù)切出，故插齒的齒面粗糙度值較??；插齒刀的制造、刃磨檢驗壁滾刀方便，易得到高精度，但插齒機分齒傳動鏈比滾齒復雜，因此，加工齒輪的精度基本一樣；插齒機可以加工內(nèi)齒輪和多聯(lián)齒輪,但不能加工蝸輪。,2）滾齒、插齒與銑齒比較,銑齒采用普通銑床設備和簡單刀具即可加工齒形。只能加工119級精度、齒面粗糙度Ra值為6.3 m 3.2m 的齒形。 滾齒和插齒的分度精度和齒形精度均較銑齒高，可以加工6級精度、齒面粗糙度值Ra為3.2 m 1.6m；滾齒和插齒是連續(xù)分度和切削 ，生產(chǎn)效率比

21、銑齒高。用同一模數(shù)的滾刀和插齒刀，可以加工各種不同齒數(shù)的齒輪，大大減少了刀具數(shù)目，提高了經(jīng)濟效益。 各種齒輪加工工藝比較如下表,各種齒輪加工工藝比較表,6. 磨齒加工技術最新發(fā)展現(xiàn)狀,采用磨齒加工的齒輪具有低傳動噪音、高傳動效率和長使用壽命的優(yōu)點。磨齒加工曾被認為是一種用于航空或其它高技術領域的昂貴齒輪加工手段。 現(xiàn)在，由于磨齒機的效率提高了，砂輪性能也更好，高額成本得以大幅下降。由此，磨齒加工已開始大規(guī)模應用于齒輪加工中。 磨齒機經(jīng)過如下的一系列的重大改進，使得效率提高了很多。,（）機載測量 許多磨齒機因配備了機載測量系統(tǒng)而變得更為精確。由于使用了在機測量，不必將齒輪從工作臺上拆卸下來送到其

22、它地方去檢測，避免了再次加工時的二次安裝誤差。加工時，先由機載測量系統(tǒng)初步分析齒輪，再將實測參數(shù)與理論設計參數(shù)對比，求出所需修正量，控制系統(tǒng)采集到這些修正數(shù)據(jù)后自動調(diào)整磨齒加工狀態(tài)，然后再進行磨齒和測量。如此反復循環(huán)，直至達到所需的精度要求。一體化機載測量和機載修正系統(tǒng)使現(xiàn)代磨齒機更加高效。 （）直驅電機 近年來，結構緊湊的直驅電機在砂輪主軸和齒輪工件主軸上的使用日漸增加。直驅主軸可避免傳動鏈誤差。因此，在“修砂輪磨齒輪”循環(huán)中運用直驅電機，并配以較好的砂輪和多軸聯(lián)動控制，可消除切削紋、偏畸幾何形狀、齒輪使用噪音的高頻誤差及有害振動。,（）自動化“自動化”一詞越來越多地應用于磨齒加工特別是流程

23、化生產(chǎn)中，包括工件安裝、換刀以及與工件流程同步的庫存分類等。自動化消除了機器空轉時間并有利于減少工序間等待時間。 （）磨齒機軟件 基于Windows的軟件也像應用于個人計算機一樣，廣泛應用于今天的磨齒機中（如基于Windows的設計系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)）。以前只能以紙繪圖，現(xiàn)在，圖形界面和算法軟件相結合的設計加修正軟件包可使齒輪幾何尺寸設計程序化和局部制造仿真化。 驅動、滾珠絲杠和位置傳感器三者間的高精度閉環(huán)控制因軟件的應用而得以實現(xiàn)。許多新一代磨齒機的部件配有與驅動單元分離的位置傳感器，因而具有更高的精度和熱穩(wěn)定性。絕對式位移傳感器和絕對編碼技術保證了在高定位精度前提下，反饋數(shù)據(jù)的高速傳輸和機床傳

24、動的穩(wěn)定性。,（）新材料砂輪 先進的陶瓷結合劑砂輪和電鍍立方氮化硼（CBN）砂輪有著同樣高的生產(chǎn)效率。由于“混合顆粒”型合成物中使用了新材料以及粘接工藝的進步，提高了陶瓷結合劑砂輪的強韌性、形狀精度保持力、材料切除力和耐用性。這些優(yōu)異性能來源于高性能顆粒結構和增大的孔隙度。同時，良好的顆粒結構減少了磨削壓力，降低了磨削溫度。 （）磨削費用的降低 如今，磨齒成本大幅下降，其原因很多，如基于模塊化設計的高性價比機型、數(shù)控系統(tǒng)、流程化生產(chǎn)等，即使是綜合了前述所有先進技術的磨齒機也比以前的機型便宜得多，大批量生產(chǎn)使單件生產(chǎn)周期比以前縮短了50%70%，損耗品（砂輪和金剛石修正器等）成本也大幅下降。,7.根切現(xiàn)象、不根切的最少齒數(shù)和變位修正法,1）.根切現(xiàn)象 用范成法切削標準齒輪時,如果齒輪的齒數(shù)過少，刀具的齒頂就會切去輪齒根部的一部分，這種現(xiàn)象稱為根切。,2）.根切原因,.,3）. 不產(chǎn)生根切的最少齒數(shù),PN1 PB2,rsina,ha sina,mZ 2,sina,m sina,得: Z,sin2a,2,當 = 200、,= 1、,Zmin = 17,不根切條件,4）.避免發(fā)生根切的措施 限制小齒輪的最小齒數(shù)； 減少齒頂高系數(shù)(重合度減少、非標準刀具)； 增大分度圓壓力角(正壓力徑向力增大、非標準刀具)；,B,（x 變位系數(shù)，m 模數(shù)）,通過改變刀具與輪坯的相