齿轮齿形的加工

4.6　齿轮齿形的加工

齿轮广泛用于机床、汽车、拖拉机、工程机械及精密仪器等，作为传递运动和动力的重要零件。因此，齿轮加工在机械制造中占有重要地位。

齿轮的结构多种多样，常见的有圆柱齿轮、圆锥齿轮及蜗杆蜗轮等，其中以圆柱齿轮应用最广。一般机械上所用的齿轮，多为渐开线齿形；仪表中的齿轮，常为摆线齿形；矿山机械、重型机械中的齿轮，有时采用圆弧齿形等。本节仅介绍渐开线圆柱齿轮齿形的加工。

4.6.1　圆柱齿轮传动的精度要求

对于齿轮，除了有尺寸精度、形位精度和表面质量的要求外，根据齿轮传动特点和不同用途，还对齿轮传动性能提出了如下精度要求：

1.传递运动的准确性

作为传动零件的齿轮，要求它能准确地传递运动，即保证主动轮转过一定角度，从动轮按传动比关系准确地转过一个相应的角度。这就要求齿轮在每转一转的过程中，转角误差的最大值不能超过一定的限度。

2.传动的平稳性

在传动运动过程中，特别是高速转动的齿轮，不希望出现冲击、振动和噪声，这就要求齿轮工作平稳。因此，必须限制齿轮转动瞬时传动比的变化，也就是要限制较小范围内的转角误差。

3.载荷分布的均匀性

齿轮在传递动力时，为了不致因接触不均匀使接触应力过大，引起齿面过早磨损，就要求齿轮工作时齿面接触均匀，并保证有一定的接触面积和要求的接触位置。

4.传动侧隙

在齿轮传动中，互相啮合的一对轮齿的非工作面之间应留有一定的间隙，以便贮存润滑油并使工作齿面形成油膜，减少磨损；同时齿侧间隙还可以补偿由于温度、弹性变形以及齿轮制造和装配所引起的间隙减小，防止卡死。但是齿侧间隙也不能过大，对于要求正反转的传动齿轮，侧隙过大就会引起换向冲击，产生噪声；对于正反转的分度齿轮，侧隙过大就会产生过大的“空程”，使分度精度降低。可见齿轮的工作条件不同，要求的齿侧间隙也不同。

根据齿轮传动的工作条件对精度的不同要求，我国制定并颁布了国家标准《渐开线圆柱齿轮精度GB 10095—88》，对齿轮和齿轮副规定了12个精度等级，1级精度最高，12级精度最低。1级和2级是有待发展的精度等级；3～5级为高精度级；6～8级为中等精度等级；9～12级为低精度级。按齿轮控制的各项误差对传动性能的主要影响，将齿轮的各项公差与极限偏差分成三个公差组：第Ⅰ公差组主要控制齿轮在一转内回转角的全部误差，它主要影响传递运动准确性；第Ⅱ公差组主要控制齿轮在一个齿距范围内的转角误差，它主要影响传动的工作平稳性；第Ⅲ公差组主要控制具体化的接触痕迹，它影响齿轮受载后载荷分布的均匀性。此外，独立于齿轮精度外，规定了齿轮副齿侧间隙，它是用齿厚极限偏差来控制的，标准规定了14种齿厚极限偏差，代号分别为C、D、E、F、G、H、J、K、L、M、N、P、R、S，从D起其偏差值依次递增。

由于齿轮的工作条件不同，对三个公差组的要求是不同的。例如，分度机构的齿轮，主要要求传递运动准确；机床主轴箱的高速齿轮，则传动的平稳性就要求高些；而对重型设备的低速重载下的传动齿轮，因齿轮受力较大，其载荷分布均匀则要求高些。所以，标准中允许对三个公差组精度选择不一样的等级。但在同一公差组内，各项公差和极限偏差保持相同的精度等级。

4.6.2　齿轮齿形加工方法的分析

齿形加工是齿轮加工的核心和关键，目前制造齿轮主要是用切削加工，也可以用铸造或辗压（热轧、冷轧）等方法。铸造齿轮的精度低、表面粗糙；辗压齿轮生产率高、机械性能好，但精度较低，仍未被广泛采用。

用切削加工的方法加工齿轮齿形，若按加工原理的不同，可以分为如下两大类：

（1）成形法（也称仿形法）。是指用于被切齿轮齿间形状相符的成形刀具，直接切出齿形的加工方法，如铣齿、成形法磨齿等。

（2）展成法（也称范成法或包络法）。是指利用齿轮刀具与被切齿轮的啮合运动（或称展成运动），切出齿形的加工方法，如插齿、滚齿、剃齿和展成法磨齿等。

1.铣齿

就是利用成形齿轮铣刀，在万能铣床上加工齿轮齿形的方法（见图4－13）。加工时，工件安装在分度头上，用盘形齿轮铣刀（m＜10～16时）或指形齿轮铣刀（一般m＞10），对齿轮的齿间进行铣削。当加工完一个齿间后，进行分度，再铣下一个齿间。

图4－13　铣齿

铣齿具有如下特点：

（1）成本较低 铣齿可以在一般的铣床上进行，刀具也比其他齿轮刀具简单，因而加工成本较低。

（2）生产率较低 由于铣刀每切一个齿间，都要重复消耗切入、切出、退刀以及分度等辅助时间，所以生产率较低。

（3）精度较低 模数相同而齿数不同的齿轮，其齿形渐开线的形状是不同的，齿数愈多，渐开线的曲率半径愈大。铣切齿形的精度主要取决于铣刀的齿形精度，从理论上讲，同一模数每种齿数的齿轮，都应该用专门的铣刀加工。这样就需要很多规格的铣刀，使生产成本大为增加。为了降低加工成本，实际生产中，把同一模数的齿轮按齿数划分成若干组，通常分为8组或15组，每组采用同一个刀号的铣刀加工。表4－2列出了分成8组时，各号铣刀加工的齿数范围。各号铣刀的齿形是按该组内最小齿数齿轮的齿形设计和制造的，加工其他齿数的齿轮时，只能获得近似齿形，产生齿形误差。另外，铣床所用的分度头，是通用附件，分度精度不高，所以，铣齿的加工精度较低。

表4－2　　　　齿轮铣刀的分号

铣齿不但可以加工直齿、斜齿和人字齿圆柱齿轮，而且还可以加工齿条和锥齿轮等。但由于上述特点，它仅适用于单件小批生产或维修工作中加工精度不高的低速齿轮。

2.插齿

插齿属于展成法加工，用插齿刀在插齿机上加工齿轮的齿形，它是按一对圆柱齿轮相啮合的原理进行加工的。如图4－14所示，相啮合的一对圆柱齿轮，其中一个是工件，另一个用高速钢制成，并于淬火后轮齿上磨出前角和后角，形成切削刃，再具有必要的切削运动，即可在工件上切出齿形来，后者就是加工齿轮用的插齿刀。

图4－14　插齿的加工原理（a）相啮合的一对齿轮 （b）插齿

插直齿圆柱齿轮时，用直齿插齿刀。插齿（见图4－15）时的运动有：

（1）主运动。主运动即插齿刀的上下往复直线运动，以每分钟往复行程次数来表示（str／min）。

（2）分齿运动（展成运动）。分齿运动即插齿刀和工件之间强制地按速比保持一对齿轮啮合关系的运动，即

式中：n_工、n_刀——工件和插齿刀的转速，r／min；

　　　Z_工、Z_刀——工件和插齿刀的齿数。

（3）圆周进给运动。圆周进给运动即分齿运动过程中插齿刀每往复一次其分度圆周所转过的弧长（mm／str）。它反映插齿刀和齿轮坯转动的快慢，决定每切一刀的金属切除和包络渐开线齿形的切线数目，从而影响齿面的表面粗糙度R_a值。

（4）径向进给运动。开始插齿时，插齿刀要逐渐切至全齿深，插齿刀每往复一次径向移动的距离，称为径向进给量。当切至全齿深时，径向进给运动停止，分齿运动仍继续进行，直至加工完成。

图4－15　插齿加工

（5）让刀运动。在返回行程中，为了避免插齿刀的刀齿和后刀面与工件的齿面发生摩擦，在插齿刀返回时，工件必须让开一段距离；当切削行程开始前，工件又恢复原位，这种运动称为让刀运动。

插齿主要用于加工直齿圆柱齿轮、内齿轮。由于插齿退刀槽的尺寸小，还可用于加工双联或多联齿轮。

3.滚齿

滚齿也属于展成法加工，用齿轮滚刀在滚齿机上加工齿轮的轮齿，它是按一对螺旋齿轮相啮合的原理进行加工的，如图4－16所示。相啮合的一对螺旋齿轮，当其中一个螺旋角很大、齿数很少（一个或几个）时，其轮齿变得很长，形成了蜗杆形。若这个蜗杆用高速钢等刀具材料制成，并在其螺纹的垂直方向开出若干个容屑槽，形成刀齿及切削刃，它就变成了齿轮滚刀。

滚齿（见图4－17）时的运动有：

图4－16　滚齿的加工原理

图4－17　滚齿加工

（1）主运动。主运动是指滚刀的高速旋转，转速以n刀（r／min）表示。

（2）分齿运动（展成运动）。分齿运动指滚刀与被切齿轮之间强制地按速比保持一对螺旋齿轮啮合关系的运动，即

式中：n_工、n_刀——工件和齿轮滚刀的转速，r／min；

　　　k——齿轮滚刀的头数；

　　　Z_工——工件的齿数。

（3）垂直进给运动。为了在齿轮的全齿宽上切出齿形，齿轮滚刀需要沿工件的轴向作进给运动。工件每转一转齿轮滚刀移动的距离，称为垂直进给量。当全部轮齿沿齿宽方向都滚切完毕后，垂直进给停止，加工完成。

加工螺旋齿轮时，除上述三个运动外，在滚切的过程中，工件还需要有一个附加税的转动，即根据螺旋齿轮β和导程L的关系，在滚刀垂直进给L距离的同时，工件多转或少转一转，这个附加的转动，可以通过调整滚齿机有关挂轮而得到。

在滚齿机上用蜗轮滚刀还可滚切蜗轮。

4.插齿、滚齿和铣齿的比较

（1）插齿和滚齿的精度基本相同，且都比铣齿高。插齿刀的制造、刃磨及检验均比滚刀方便，容易制造得较精确，但插齿机的分齿传动链比滚齿机复杂，增加了传动误差。综合两方面，插齿和滚齿的精度基本相同。

由于插齿机和滚齿机的结构与传动机构都是按加工齿轮的要求而专门设计和制造的，分齿运动的精度高于万能分度头的分齿精度。插齿刀和齿轮滚刀的精度也比齿轮铣刀的精度高，不存在像齿轮铣刀那样因分组而带来的齿形误差。因此，插齿和滚齿的精度都比铣齿高。

一般情况下，插齿和滚齿可获得8～7级精度的齿轮，若采用精密插齿或滚齿，可以得到6级精度的齿轮，而铣齿仅能达到9级精度。

（2）插齿齿面的表面粗糙度R_a值较小。插齿时，插齿刀沿齿宽连续地切下切屑，而在滚齿和铣齿时，轮齿齿宽是由刀具多次断续切削而成，并且在插齿过程中，包络齿形的切线数量比较多，所以插齿的齿面表面粗糙度R_a值较小。

（3）插齿的生产率低于滚齿而高于铣齿。插齿的主运动为往复直线运动，插齿刀有空行程，所以插齿的生产率低于滚齿。此外，插齿和滚齿的分齿运动是在切削过程中连续进行的，省去了铣齿时的单独分度时间，所以插齿和滚齿的生产率都比铣齿高。

（4）插齿刀和齿轮滚刀加工齿轮齿数范围较大。插齿和滚齿都是按展成原理进行加工的，同一模数的插齿刀或齿轮滚刀，可以加工模数相同而齿数不同的齿轮，不像铣齿那样，每个刀号的铣刀，适于加工的齿轮齿数范围较小。

在齿轮齿形的加工中，滚齿应用最为广泛，它不但能加工直齿圆柱齿轮，还可以加工螺旋齿轮、蜗轮等，但一般不能加工内齿轮和相距很近的多联齿轮。插齿的应用也比较广，它可以加工直齿和螺旋齿圆柱齿轮，但生产率没有滚齿高，多用于加工用滚刀难以加工的内齿轮、相距较近的多联齿轮或带有台肩的齿轮等。

尽管滚齿和插齿所使用的刀具及机床比铣齿复杂、成本高，但由于加工质量好，生产率高，在成批和大量生产中仍可收到很好的经济效果。有时在单件小批生产中，为保证加工质量，也常常采用插齿或滚齿加工。

4.6.3　圆柱齿轮齿形的精加工

对于精度高于7级、表面粗糙度R_a值小于0.8μm或齿面需要淬火的齿轮，在铣齿、插齿、滚齿后，还需进行齿形的精加工。常用的精加工方法有剃齿、珩齿和磨齿。

1.剃齿

1）剃齿原理及运动

剃齿是利用一对交错轴斜齿轮啮合原理，在剃齿机上“自由啮合”的展成加工方法。

剃齿刀如图4－18（a）所示，其外形很像斜齿圆柱齿轮，齿形精度很高，在轮齿两侧渐开线方向开有很多小槽，以形成切削刃，材料一般为高速钢，经淬火后成为剃齿刀。

图4－18（b）为加工直齿圆柱齿轮的示意图。剃齿刀安装在剃齿机的主轴上，其圆周速度为v_o，工件安装在机床工作台的心轴上，与剃齿刀保持啮合，并由剃齿刀带动旋转，两者间是一种“自由啮合”。为了使剃齿刀和工件的齿向一致，应使剃齿刀的轴线偏斜一角度βo，其数值等于剃齿刀的螺旋角。剃齿刀的圆周速度v_o分解为两个分速度：一个是沿工件圆周切线方向的分速度vw，它带动工件旋转，刀具与工件间不像插齿、滚齿那样靠同床传动链强制保持啮合运动，这就是“自由啮合”含义所在；另一个是沿齿轮工件轴线的分速度v，即剃齿的切削速度，它使啮合齿面间产生相对滑动，正是这种相对滑动，使剃齿刀从工件上切下头发丝状的极细切屑，剃齿由此而得名，从而提高齿形精度和降低齿面粗糙度值。

图4－18　剃齿刀与剃齿运动

为剃出齿宽，工作台带动工件做往复直线进给。在工作台每一往复行程终了时，剃齿刀对工件还要做径向进给（0.02～0.04mm／往复行程），以达到所需的齿厚。

剃齿过程中，剃齿刀还要时而正转，时而反转，以剃削轮齿的两个侧面。

2）剃齿工艺特点及应用

（1）剃齿质量高。剃齿主要是提高齿形精度和齿向精度，降低齿面粗糙度值。剃齿后的齿轮精度可达7级～6级，齿面粗糙度R_a值可达0.8～0.2μm。由于剃齿刀与工件为“自由啮合”，故剃齿不能修正分齿误差，而滚齿分齿精度比插齿高，所以剃齿前的齿轮多用滚齿加工。

（2）生产率高。剃齿是多刃连续切削，剃齿余量小，一般仅为0.08～0.2mm，且剃齿刀与被切齿轮间无复杂的传动链联系，故剃齿机结构简单，调整方便，辅助时间少。

（3）刀具费用高。剃齿刀形状复杂，要求精度高，所以剃齿刀的制造成本及刃磨费用较高。

（4）只能剃削硬度低的齿轮。因剃齿刀用高速钢制造，虽经淬火，也不能加工淬硬的齿轮，只能加工35HRC以下的直齿和斜齿圆柱齿轮。

剃齿通常用于大批大量生产中的齿轮齿形精加工，在汽车、拖拉机及机床制造等行业中应用很广泛。

2.珩齿

珩齿是在珩齿机上用珩磨轮对淬火后齿轮进行光整加工的方法。珩齿的主要作用是去除淬火后轮齿上的氧化皮及少量的热变形，以降低齿面粗糙度R_a值。

珩齿原理和运动与剃齿相同，只是用珩磨轮代替了剃齿刀。如图4－19所示的珩磨轮是由磨料和环氧树脂等材料浇铸或热压在钢制轮芯上、具有较高精度的斜齿轮。磨料一般为白色氧化铝，有时也用黑色碳化硅。粒度在80^＃～120＃之间。

图4－19　珩磨轮

珩齿时，珩磨轮高速旋转（1000～2000r／min），同时沿齿向和渐开线方向产生滑动进行切削。珩齿过程具有磨、剃、抛光等综合作用，刀痕复杂、细密，所以齿面粗糙度R_a值可达0.8～0.2μm。但珩齿对齿形和齿向精度改善不大，也不能提高分齿精度。

因珩齿余量小，为0.01～0.02mm，且多为一次切除，生产率很高，一般珩磨一个齿轮只需1min左右。

3.磨齿

磨齿在磨齿机上用砂轮对淬火或未淬火的轮齿进行精加工的一种常用方法。按其原理磨齿可分为成形法磨齿和展成法磨齿两种。

1）成形法磨齿

如图4－20所示，成形法磨齿和成形法铣齿原理相同，其砂轮应修整成与被磨削齿轮的齿槽相吻合的渐开线齿形。用此砂轮对已经滚齿或插齿的齿轮齿槽逐个进行磨削。

由于成形砂轮修整不仅复杂，且经渐开线砂轮修整器修整的砂轮廓形具有一定误差，所以成形法磨齿精度较低，精度可达6级。但成形法磨齿生产率较展成法磨齿高近10倍。另外，成形法磨齿可在花键磨床或工具磨床上进行，设备费用较低。

成形法磨齿余量一般为0.1～0.4mm。

图4－20　成形法磨齿

2）展成法磨齿

生产中常用的展成法有锥面砂轮磨齿和双碟形砂轮磨齿两种方法。

（1）锥面砂轮磨齿。如图4－21所示，将砂轮的磨削部分修整为锥面，以构成假想的齿条齿面。其原理是使砂轮与被磨齿轮强制保持齿条和齿轮的啮合运动关系，且使被磨齿轮沿假想的固定齿条作往复纯滚动的方式，边转动，边移动，砂轮的磨削部分即可包络渐开线齿形。

图4－21　锥面砂轮磨齿

在磨齿机上以锥形砂轮磨削直齿圆柱齿轮时，需要以下几个运动：

①主运动。指砂轮的高速旋转。

②被磨齿轮的往复运动。指强制被磨齿轮按速比关系沿固定不动的假想齿条所作的纯滚动，也即展成运动，被磨齿轮时而向右滚动，时而向左滚动是为了在一次分齿运动中分别磨削齿槽两个齿面1和2。

③砂轮的往复进给运动。为了磨出齿宽，砂轮沿工件轴线方向所作的往复进给运动。

④分度运动。指磨完一个齿槽后，砂轮自动退离，被磨齿轮转过1／z圈（z为磨削齿轮齿数），磨削相邻的另一个齿槽。

（2）双碟形砂轮磨齿。磨齿原理与锥形砂轮磨齿相同。如图4－22所示，两个碟形砂轮（2）倾斜成一定角度，使其端面构成假想齿条的两个齿外侧面（或一个齿的两个侧面）。工作时，两个砂轮在一次分齿后，可同时磨削被磨齿轮一两个不同齿槽的不同齿面（或同一个齿槽的两个侧面）。

此种方法磨齿是被磨齿轮沿其轴向往复进给以磨出齿宽，其他的运动与锥形砂轮磨具相同。

图4－22　双碟形砂轮磨齿1—工件 2—碟形砂轮

上述展成法磨齿中，锥形砂轮磨齿，其砂轮刚性好于碟形砂轮，可采用较大切削用量，生产率较高，但锥形砂轮直径小，磨损快且不均匀，加工精度一般为5级～6级。双碟形砂轮传动环节少，传动误差小，砂轮修整精度高，磨损后可通过机床的自动补偿装置进行补偿，加工精度可达4级。

两种磨齿方法的表面粗糙度Ra值可达0.4～0.2μm。

4.6.4　研齿

研齿是用研磨轮在研齿机上对齿轮进行光整加工的方法，加工原理是使工件与轻微制动的研磨轮作无间隙的自由啮合。并在啮合的齿面间加工研磨剂，利用齿面的相对滑动，从被研齿轮的齿面上切除一层极薄的金属，达到减小表面粗糙度R_a值和校正齿轮部分误差的目的。

如图4－23所示，工件放在三个研磨轮之间，同时与三个研磨轮啮合。研磨直齿圆柱齿轮时，三个研磨轮中，一个是直齿圆柱齿轮，另两个是螺旋角相反的斜齿圆柱齿轮。研齿时，工件带动研磨轮旋转，并沿轴向作快速往复运动，以便研磨全齿宽上的齿面。研磨一定时间后，改变旋转方向，研磨另一齿面。

图4－23　研齿

研齿对齿轮精度的提高作用不大，研齿能减小齿面的表面粗糙度Ra值，同时稍微修正齿形、齿向误差，主要用于淬硬齿面的精加工。

4.6.5 齿形加工方法选择

齿形加工方法的选择应考虑齿轮精度等级、结构、形状、热处理和生产批量等因素。常用的圆柱齿轮形加工方案见表4－3。

表4－3　　　　齿形加工方案