齒輪加工技術(shù)

齒輪加工技術(shù)第1頁，共22頁，2023年，2月20日，星期四一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(yīng)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，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(yīng)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。

第2頁，共22頁，2023年，2月20日，星期四一般來說，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)濟性要求在滿足使用性能的前提下，選用齒輪材料還應(yīng)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。第3頁，共22頁，2023年，2月20日，星期四４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(zhì)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齒輪。

(2)合金調(diào)質(zhì)鋼(如40Cr)進行調(diào)質(zhì)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。第4頁，共22頁，2023年，2月20日，星期四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40～55HRC。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，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56～62HRC，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(yīng)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700～900HV。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。第5頁，共22頁，2023年，2月20日，星期四

－調(diào)質(zhì)

調(diào)質(zhì)一般用于中碳鋼和中碳合金鑰，如45、40Cr、35SiMn鋼等。調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度一般為220～280HBS。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(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)形狀復(fù)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。

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二齒輪傳動的精度要求

齒輪的制造精度對機器的工作性能、承載能力。噪聲及使用壽命影響很大，因此，齒輪制造必須滿足齒輪傳動的使用要求。

(1)傳動的準確性即主動輪轉(zhuǎn)過一個角度時，從動輪應(yīng)按給定的傳動比轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度。要求齒輪在一轉(zhuǎn)中，轉(zhuǎn)角誤差的最大值不能超過一定的限度，即為一轉(zhuǎn)角精度。

(2)工作平穩(wěn)性要求齒輪傳動乎穩(wěn)，無沖擊；振動和噪聲小，這就需要限制齒輪傳動時，瞬時傳動比的變化，即一齒轉(zhuǎn)角精度。

(3)載荷均勻性齒輪載荷由齒面承受，兩齒輪嚙合時，接觸面積的大小對齒輪的使用壽命影響很大。所以齒輪載荷的均勻性，由接觸精度來衡量。

(4)齒側(cè)間隙一對相互嚙合的齒輪，其非工作面必須留有一定的間隙，即為齒側(cè)間隙，其作用是儲存潤滑油，使工作齒面形成油膜，減少磨損；同時可以補償熱變形、彈性變形、加工誤差和安裝誤差等因素引起的側(cè)隙減小，防止卡死。應(yīng)當根據(jù)齒輪副的工作條件，來確定合理的側(cè)隙。 以上四項要求，根據(jù)齒輪傳動裝置的用途和工作條件而有所不同。例如，滾齒機分度蝸桿副，讀數(shù)儀表所用的齒輪副，對傳動準確性要求高，工作平穩(wěn)性也有一定要求，而對載荷的均勻性要求一般不嚴格。第7頁，共22頁，2023年，2月20日，星期四二齒輪加工方法齒輪加工的關(guān)鍵是齒面加工。目前，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。用齒輪銑刀在銑床上加工齒輪是常用的成形法加工。

1.1齒輪銑刀的選擇應(yīng)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)下頁表選擇合適號數(shù)的銑刀。第8頁，共22頁，2023年，2月20日，星期四刀號12345678加工齒數(shù)范圍12-1314-1617-2021-2526-3435-5455-134135以上及齒條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。第9頁，共22頁，2023年，2月20日，星期四1.3銑齒加工特點（1）用普通的銑床設(shè)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。第10頁，共22頁，2023年，2月20日，星期四2.展成法展成法就是利用齒輪刀具與被切齒坯作嚙合運動而切出齒形的方法。

2.1插齒加工

插齒加工在插齒機上進行，是相當于一個齒輪的插齒刀與齒坯按一對齒輪作嚙合運動而把齒形切成的?？砂巡妪X過程分解為：插齒刀先在齒坯上切下一小片材料，然后插齒刀退回并轉(zhuǎn)過一小角度，齒坯也同時轉(zhuǎn)過相應(yīng)角度。之后，插齒刀又下插在齒坯上切下一小片材料。不斷重復(fù)上述過程。就是這樣，整個齒槽被一刀刀地切出，齒形則被逐漸地包絡(luò)而成。因此，一把插齒刀，可加工相同模數(shù)而齒數(shù)不同的齒形，不存在理論誤差。

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如右圖所示,插齒有以下切削運動:主運動插齒刀的上下往復(fù)運動展成運動確保插齒刀與齒坯的嚙合關(guān)系的運動圓周進給運動插齒刀的轉(zhuǎn)動，其控制著每次插齒刀的切削量徑向進給量插齒刀須作徑向逐漸切入運動，以便切出全齒深。讓刀運動插齒刀回程向上時，為避免與工件摩擦而使插齒刀讓開一定距離的運動第12頁，共22頁，2023年，2月20日，星期四2.2滾齒加工

滾齒加工是用滾齒刀在滾齒機(見下頁圖)上加工齒輪的方法。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，可把滾齒看成是齒條刀對齒坯的加工。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(zhuǎn)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(zhuǎn)過相應(yīng)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(zhuǎn)動。就這樣，齒坯被一刀刀地切出整個齒槽，齒側(cè)的齒形則被包絡(luò)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。插齒除適于加工直齒圓柱齒輪外，特別適合加工多聯(lián)齒輪及內(nèi)齒輪。插齒加工精度一般為7-8級。齒面粗糙度Ra值為1.6μm。第13頁，共22頁，2023年，2月20日，星期四滾切直齒圓柱齒輪時有以下運動（如右下圖所示）：（1）主運動滾刀的旋轉(zhuǎn)運動。（2）展成運動是保證滾齒刀和被切齒輪的轉(zhuǎn)速必須符合所模擬的一對齒輪的嚙合運動關(guān)系。即滾刀轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，工件轉(zhuǎn)K/Z轉(zhuǎn)。其中：K是滾刀的頭數(shù)，Z為齒輪齒數(shù)。（3）垂直進給運動要切出齒輪的全齒寬，滾刀須沿工件軸向作垂直進給運動第14頁，共22頁，2023年，2月20日，星期四2.3剃齒加工剃齒是用剃齒刀對齒輪的齒面進行精加工的方法。加工原理：剃齒時刀具與工件作一種自由嚙合的展成運動。安裝時，剃齒刀與工件軸線傾斜一個剃齒刀螺旋角β。剃齒刀的圓周速度可以分解為沿工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(zhuǎn)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(fù)運動，以剃削輪齒的全長。滾齒加工適于加工直齒、斜齒圓柱齒輪。齒輪加工精度為8-7級，齒面粗糙度Ra值為1.6μm。在滾齒機上用蝸輪滾刀、鏈輪滾刀還能滾切蝸輪和鏈輪。第15頁，共22頁，2023年，2月20日，星期四2.4珩齒和磨齒加工珩齒特點:

珩齒的加工原理與剃齒相同，表面粗糙Ra0.4～0.2μm。主要作用是降低齒面粗糙度，生產(chǎn)率高，一般用于大批量加工8～6級精度的淬火齒輪。磨齒特點:

是一種最重要的一種齒形精加工方法，既可磨削不淬火的齒輪，又可磨削淬火的齒輪。加工精度可達6～4級,Ra0.4～0.2μm。有兩種磨齒形式：

(1)錐形砂輪磨齒

(2)雙碟形砂輪磨齒

第16頁，共22頁，2023年，2月20日，星期四2.5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(yīng)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，熱間鍛造的精度及表面粗糙度不亞于機械加工。高速鍛造：1957年由美國GeneralDynamics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?zāi)７ā⑹嗄７ǖ?。還有粉末冶金法、射出成形法等齒輪加工方法第17頁，共22頁，2023年，2月20日，星期四2.６齒形加工方法比較滾齒與插齒比較滾齒是刀齒作連續(xù)的旋轉(zhuǎn)切削、切削速度較高，插齒是刃齒作往復(fù)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(luò)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?。徊妪X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(fù)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。第18頁，共22頁，2023年，2月20日，星期四滾齒、插齒與銑齒比較銑齒采用普通設(shè)備和簡單刀具即可加工齒形。但是只能加工11～9級精度、齒面粗糙度Ra值為6.3μm～3.2μm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3.2μm～1.6μm；滾齒和插齒是連續(xù)分度和切削，生產(chǎn)效率比銑齒高。用同一模數(shù)的滾到和插齒刀，可以各種不同齒數(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加工精度生產(chǎn)率齒面光潔度適用范圍滾齒通常6-10，最高4級較高較差通用性大插齒通常7-9，最高6級較高較好通用性大剃齒5-7級精度高，2-4分鐘一個可達8-10主要用于精加工珩齒6-8級精度低可達7-9剃齒后的加工磨齒3-7級精度較低可達7-9淬硬后的精加工第19頁，共22頁，2023年，2月20日，星期四磨齒加工技術(shù)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(shù)領(lǐng)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(yīng)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。（１）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。優(yōu)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它地方去檢測，避免了再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(shè)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(fù)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。

（２）直驅(qū)電機

近年來，結(jié)構(gòu)緊湊的直驅(qū)電機在砂輪主軸和齒輪工件主軸上的使用日漸增加。直驅(qū)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(qū)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。

第20頁，共22頁，2023年，2月20日，星期四

（３）自動化

“自動化”一詞越來越多地應(yīng)用于磨齒加工特別是