圆柱齿轮加工与工艺.doc

1、1圆柱齿轮加工与工艺目 录第一节 概述2第二节 圆柱齿轮齿形加工方法和加工方案6第三节 典型齿轮零件加工工艺分析18第四节 齿轮刀具简介232第一节 概述一、 齿轮的功用与结构特点 齿轮传动在现代机器和仪器中的应用极为广泛，其功用是按规定的速比传递运动和动力。齿轮的结构由于使用要求不同而具有各种不同的形状，但从工艺角度可将齿轮看成是由齿圈和轮体两部分构成。按照齿圈上轮齿的分布形式，可分为直齿、斜齿、人字齿等；按照轮体的结构特点，齿轮大致分为盘形齿轮、套筒齿轮、轴齿轮、扇形齿轮和齿条等等，如图 91 所示。在上述各种齿轮中，以盘形齿轮应用最广。盘形齿轮的内孔多为精度较高的圆柱孔和花键孔。其轮缘具

2、有一个或几个齿圈。单齿圈齿轮的结构工艺性最好，可采用任何一种齿形加工方法加工轮齿；双联或三联等多齿圈齿轮(图 91b、c)。当其轮缘间的轴向距离较小时，小齿圈齿形的加工方法的选择就受到限制，通常只能选用插齿。如果小齿圈精度要求高，需要精滚或磨齿加工，而轴向距离在设计上又不允许加大时，可将此多齿圈齿轮做成单齿圈齿轮的组合结构，以改善加工的工艺性。二、齿轮的技术要求齿轮本身的制造精度，对整个机器的工作性能、承载能力及使用寿命都有很大的影响。根据其使用条件，齿轮传动应满足以下几个方面的要求。（一）传递运动准确性要求齿轮较准确地传递运动，传动比恒定。即要求齿轮在一转中的转角误差不超过一定范围。（二）传

3、递运动平稳性要求齿轮传递运动平稳，以减小冲击、振动和噪声。即要求限制齿轮转动时瞬时速比的变化。（三）载荷分布均匀性要求齿轮工作时，齿面接触要均匀，以使齿轮在传递动力时不致因载荷分布不匀而使接触应力过大，引起齿面过早磨损。接触精度除了包括齿面接触均匀性以外，还包括接触面积和接触位置。（四）传动侧隙的合理性要求齿轮工作时，非工作齿面间留有一定的间隙，以贮存润滑油，补偿因温度、弹性变形所引起的尺寸变化和加工、装配时的一些误差。齿轮的制造精度和齿侧间隙主要根据齿轮的用途和工作条件而定。对于分度传动用的齿轮，主要要求齿轮的运动精度较高；对于高速动力传动用齿轮，为了减少冲击和噪声，对工作平稳性精度有较高要

4、求；对于重载低速传动用的齿轮，则要求齿面有较高的接触精度，以保证齿轮不致过早磨损；对于换向传动和读数机构用的齿轮，则应严格控制齿侧间隙，必要时，须消除间隙。3B10095?88 中对齿轮及齿轮副规定了 12 个精度等级，从 112 顺次降低。其中 12 级是有待发展的精度等级，35 级为高精度等级，68 级为中等精度等级，9 级以下为低精度等级。每个精度等级都有三个公差组,分别规定出各项公差和偏差项目，见表 9?1。表 91 齿轮公差组公差组 公差及偏差项目 对传动性能的影响 Fi、Fp(Fpk)、F”i、Fr、Fw 传递运动准确性 fI、ff、fpt、fpb、f”I、fpb 传动平稳性、噪声

5、、振 动 F、Fpx 承载均匀性三、齿轮的材料、热处理和毛坯 （一）齿轮的材料与热处理1材料的选择齿轮应按照使用时的工作条件选用合适的材料。齿轮材料的合适与否对齿轮的加工性能和使用寿命都有直接的影响。一般来说，对于低速重载的传力齿轮，齿面受压产生塑性变形和磨损，且轮齿易折断。应选用机械强度、硬度等综合力学性能较好的材料，如 18CrMnTi；线速度高的传力齿轮，齿面容易产生疲劳点蚀，所以齿面应有较高的硬度，可用 38CrMoAlA 氮化钢；承受冲击载荷的传力齿轮，应选用韧性好的材料，如低碳合金钢 18CrMnTi；非传力齿轮可以选用不淬火钢，铸铁、夹布胶木、尼龙等非金属材料。一般用途的齿轮均用

6、 45 钢等中碳结构钢和低碳结构钢如 20Cr、40Cr、20CrMnTi 等制成。2齿轮的热处理齿轮加工中根据不同的目的，安排两类热处理工序。(1)毛坯热处理在齿坯加工前后安排预备热处理正火或调质。其主要目的是消除锻造及粗加工所引起的残余应力，改善材料的切削性能和提高综合力学性能。(2)齿面热处理齿形加工完毕后，为提高齿面的硬度和耐磨性，常进行渗碳淬火，高频淬火，碳氮共渗和氮化处理等热处理工序。（二）齿轮毛坯齿轮毛坯形式主要有棒料、锻件和铸件。棒料用于小尺寸、结构简单且对强度要求不太高的齿轮。当齿轮强度要求高，并要求耐磨损、耐冲击时，多用锻件毛坯。当齿轮的直径大于 400600 时，常用铸造

7、齿坯。为了减少机械加工量，对大尺寸、低精度的齿轮，可以直接铸出轮齿；对于小尺寸，形状复杂的齿轮，可以采用精密铸造、压力铸造、精密锻造、粉末冶金、热轧和冷挤等新工艺制造出具有轮齿的齿坯，以提高劳动生产率，节约原材料。四、齿坯加工齿形加工之前的齿轮加工称为齿坯加工，齿坯的内孔(或轴颈)、端面或外圆经常是齿轮加工、测量和装配的基准，齿坯的精度对齿轮的加工精度有着重要的影响。因此，齿坯加工在整个齿轮加工中占有重要的地位。（一）齿坯加工精度4齿坯加工中，主要要求保证的是基准孔(或轴颈)的尺寸精度和形状精度、基准端面相对于基准孔(或轴颈)的位置精度。不同精度的孔(或轴颈)的齿坯公差以及表面粗糙度等要求分别

8、列于表 92、表93 和表 94 中。表 92 齿坯公差齿轮精度等级 5 6 7 8 9孔尺寸公差形状公差 IT5 IT6 IT7 IT8轴尺寸公差形状公差 IT5 IT6 IT7顶圆直径 IT7 IT8 IT8当三个公差组的精度等级不同时，按最高精度等级确定公差值。当顶圆不作为测量齿厚基准时，尺寸公差按 IT11 给定，但应小于 01mm。表 93 齿轮基准面径向和端面圆跳动公差(m)分度圆直径(mm) 精度等级大于 到 1 和 2 3 和 4 5 和 6 7 和 8 9 和 120 125 28 7 11 18 28125 400 36 9 14 22 36400 800 50 12 20

9、 32 50表 94 齿坯基准面的表面粗糙度参数 Ra(m)精度等级 3 4 5 6 7 8 9 10孔颈端端面顶圆0.20.10.20.10.20.20.10.40.20.40.20.20.60.40.80.40.60.31.60.80.81.60.81.61.63.21.63.21.63.23.21.63.2（二）齿坯加工方案 齿坯加工方案的选择主要与齿轮的轮体结构、技术要求和生产批量等因素有关。对轴、套筒类齿轮的齿坯，其加工工艺与一般轴、套筒零件的加工工艺相类同。下面主要对盘齿轮的齿坯加工方案作一介绍。1.中、小批生产的齿坯加工中小批生产尽量采用通用机床加工。对于圆柱孔齿坯，可采用粗车精

10、车的加工方案：（1）在卧式车床上粗车齿轮各部分；（2）在一次安装中精车内孔和基准端面，以保证基准端面对内孔的跳动要求；5（3）以内孔在心轴上定位，精车外圆、端面及其它部分。对于花键孔齿坯，采用粗车拉精车的加工方案。2.大批量生产的齿坯加工大批量生产中，无论花键孔或圆柱孔，均采用高生产率的机床(如拉床、多轴自动或多刀半自动车床等)，其加工方案如下：（1）以外圆定位加工端面和孔(留拉削余量)；（2）以端面支承拉孔；（3）以孔在芯轴上定位，在多刀半自动车床上粗车外圆、端面和切槽；（4）不卸下芯轴，在另一台车床上续精车外圆、端面、切槽和倒角，如图 92 所示。6第二节 圆柱齿轮齿形加工方法和加工方案一

11、个齿轮的加工过程是由若干工序组成的。为了获得符合精度要求的齿轮，整个加工过程都是围绕着齿形加工工序服务的。齿形加工方法很多，按加工中有无切削，可分为无切削加工和有切削加工两大类。 无切削加工包括热轧齿轮、冷轧齿轮、精锻、粉末冶金等新工艺。无切削加工具有生产率高，材料消耗少、成本低等一系列的优点，目前已推广使用。但因其加工精度较低，工艺不够稳定，特别是生产批量小时难以采用，这些缺点限制了它的使用。齿形的有切削加工，具有良好的加工精度，目前仍是齿形的主要加工方法。按其加工原理可分为成形法和展成法两种。成形法的特点是所用刀具的切削刃形状与被切齿轮轮槽的形状相同，如图 9-3 所示。用成形原理加工齿形

12、的方法有：用齿轮铣刀在铣床上铣齿、用成形砂轮磨齿、用齿轮拉刀拉齿等方法。这些方法由于存在分度误差及刀具的安装误差，所以加工精度较低，一般只能加工出 910 级精度的齿轮。此外，加工过程中需作多次不连续分齿，生产率也很低。因此，主要用于单件小批量生产和修配工作中加工精度不高的齿轮。展成法是应用齿轮啮合的原理来进行加工的，用这种方法加工出来的齿形轮廓是刀具切削刃运动轨迹的包络线。齿数不同的齿轮，只要模数和齿形角相同，都可以用同一把刀具来加工。用展成原理加工齿形的方法有：滚齿、插齿、剃齿、珩齿和磨齿等方法。其中剃齿、珩齿和磨齿属于齿形的精加工方法。展成法的加工精度和生产率都较高，刀具通用性好，所以在

13、生产中应用十分广泛。一、滚齿（一）滚齿的原理及工艺特点滚齿是齿形加工方法中生产率较高、应用最广的一种加工方法。在滚齿机上用齿轮滚刀加工齿轮的原理，相当于一对螺旋齿轮作无侧隙强制性的啮合，见图 9-24 所示。滚齿加工的通用性较好,既可加工圆柱齿轮，又能加工蜗轮；既可加工渐开线齿形，又可加工圆弧、摆线等齿形；既可加工大模数齿轮，大直径齿轮。滚齿可直接加工 89 级精度齿轮，也可用作 7 级以上齿轮的粗加工及半精加工。滚齿可以获得较高的运动精度，但因滚齿时齿面是由滚刀的刀齿包络而成，参加切削的刀齿数有限，因而齿面的表面粗糙度较粗。为了提高滚齿的加工精度和齿面质量，宜将粗精滚齿分开。（二）滚齿加工质

14、量分析1.影响传动精度的加工误差分析7影响齿轮传动精度的主要原因是在加工中滚刀和被切齿轮的相对位置和相对运动发生了变化。相对位置的变化(几何偏心)产生齿轮的径向误差；相对运动的变化(运动偏心)产生齿轮的切向误差。(1)齿轮的径向误差齿轮径向误差是指滚齿时，由于齿坯的实际回转中心与其基准孔中心不重合，使所切齿轮的轮齿发生径向位移而引起的周节累积公差，如图 94 所示。齿轮的径向误差一般可通过测量齿圈径向跳动Fr 反映出来。切齿时产生齿轮径向误差的主要原因如下：调整夹具时，心轴和机床工作台回转中心不重合。齿坯基准孔与心轴间有间隙，装夹时偏向一边。基准端面定位不好，夹紧后内孔相对工作台回转中心产生偏

15、心。(2)齿轮的切向误差齿轮的切向误差是指滚齿时，实际齿廓相对理论位置沿圆周方向(切向)发生位移，如图 9-5 所示。当齿轮出现切向位移时，可通过测量公法线长度变动公差Fw 来反映。切齿时产生齿轮切向误差的主要原因是传动链的传动误差造成的。在分齿传动链的各传动元件中，对传动误差影响最大的是工作台下的分度蜗轮。分度蜗轮在制造和安装中与工作台回转中心不重合（运动偏心），使工作台回转中发生转角误差，并复映给齿轮。其次，影响传动误差的另一重要因素是分齿挂轮的制造和安装误差，这些误差也以较大的比例传递到工作台上。82.影响齿轮工作平稳性的加工误差分析影响齿轮传动工作平稳性的主要因素是齿轮的齿形误差ff

16、和基节偏差fpb。齿形误差会引起每对齿轮啮合过程中传动比的瞬时变化；基节偏差会引起一对齿过渡到另一对齿啮合时传动比的突变。齿轮传动由于传动比瞬时变化和突变而产生噪声和振动，从而影响工作平稳性精度。 滚齿时，产生齿轮的基节偏差较小，而齿形误差通常较大。下面分别进行讨论。(1)齿形误差齿形误差主要是由于齿轮滚刀的制造刃磨误差及滚刀的安装误差等原因造成的，因此在滚刀的每一转中都会反映到齿面上。常见的齿形误差有如图 9-6 所示的各种形式。图 a 为齿面出棱、图 b 为齿形不对称、图 c 为齿形角误差、图 d 为齿面上的周期性误差、图 e 为齿轮根切。由于齿轮的齿面偏离了正确的渐开线，使齿轮传动中瞬时

17、传动比不稳定，影响齿轮的工作平稳性。(2)基节极限偏差滚齿时，齿轮的基节极限偏差主要受滚刀基节偏差的影响。滚刀基节的计算式为： pb0=pn0cos0=pt0cos0cos0pt0cos0式中：pb0滚刀基节；pn0滚刀法向齿距；pt0滚刀轴向齿距；0滚刀法向齿形角；0滚刀分度圆螺旋升角，一般很小，因此 cos01。由上式可见，为减少基节偏差，滚刀制造时应严格控制轴向齿距及齿形角误差，同时对影响齿形角误差和轴向齿距误差的刀齿前刀面的非径向性误差也要加以控制。3.影响齿轮接触精度的加工误差分析齿轮齿面的接触状况直接影响齿轮传动中载荷分布的均匀性。滚齿时，影响齿高方向的接触精度的主要原因是齿形公差

18、ff 和基节极限偏差fpb。影响齿宽方向的接触精度的主要原因是齿向公差F。产生齿向公差的主要原因：（1）滚齿机刀架导轨相对于工作台回转轴线存在平行度误差，如 97 所示。9（2）齿坯装夹歪斜 由于心轴、齿坯基准端面跳动及垫圈两端面不平行等引起的齿坯安装歪斜，会产生齿向误差，如图 98 所示。（3）滚切斜齿轮时，除上述影响因素外，机床差动挂轮计算的误差，也会影响齿轮的齿向误差。4.提高滚齿生产率的途径（1）高速滚齿近年来，我国已开始设计和制造高速滚齿机，同时生产出铝高速钢（MO5Al）滚刀。滚齿速度由一般 v=30m/min 提高到 v=100m/min 以上，轴向进给量 f=1.38mm/r2

19、.6mm/r，使生产率提高 25%。国外用高速钢滚刀滚齿速度已提高到 100 m/min150 m/min；硬质合金滚刀已试验到 400 m/min 以上。总之，高速滚齿具有一定的发展前途。（2）采用多头滚刀可明显提高生产率，但加工精度较低，齿面粗糙，因而多用于粗加工中。当齿轮加工精度要求较高时，可采用大直径滚刀，使参加展成运动的刀齿数增加，加工齿面粗糙度较细。（3）改进滚齿加工方法10a多件加工 将几个齿坯串装在心轴上加工，可以减少滚刀对每个齿坯的切入切出时间及装卸时间。b.采用径向切入 滚齿时滚刀切入齿坯的方法有两种：径向切入和轴向切入。径向切入比轴向切入行程短，可节省切入时间，对大直径滚刀滚齿时尤为突出。c.采用轴向窜刀和对角滚齿 滚刀参与切削的刀齿负荷不等，磨损不均，当负荷最重的刀齿磨损到一定程度时，应将滚刀沿其轴向移动一段距离（即轴向窜刀）后继续切削，以提高刀具的使用寿命。对角滚齿是滚刀在沿齿坯轴向进给的同时，还沿滚刀刀杆轴向连续移动，两种运动的合成，使齿面形成对角线刀痕，不仅降低了齿面粗糙度，而且使刀齿磨损均匀，提高了刀具的使用寿命和耐用度，如图 99 所示。二、插齿（一）插齿原理及运动1插齿原理从插齿过程的原理上分析，如图 910 所示，插齿刀相当于一对轴线相互平行的圆柱齿轮相啮合。插齿刀实质上就是一个磨有前后角并具有切削刃的齿轮。