齿轮的工艺特点

8.1　齿轮的工艺特点

8.1.1　齿轮的功能分析

圆柱齿轮传动用于传递平行轴间运动和动力。圆柱齿轮传动工作可靠，寿命长，传动效率高（可达0.99以上），结构紧凑，维护简单。圆柱齿轮传动的速度与功率范围大，功率可从1‰W到10×10⁴kW，速度可达到300m/s。但加工精度高的齿轮，需要使用高精度的或专用的机床和刀具，因而成本高，且制造工艺复杂，而低精度齿轮则常产生较大震动，发出较高噪声，齿轮传动无过载保护作用。

从齿轮齿廓曲面的形成过程可知：在渐开线直齿圆柱齿轮啮合时，齿廓曲面的瞬时接触线是与轴线平行的直线，在啮合过程中整个轮齿在齿宽方向同时进入或退出啮合，单个轮齿上所受的传动力也是突然加上或卸掉，所以会产生冲击，传动平稳性差，噪声大。渐开线斜齿圆柱齿轮齿面啮合时，齿面的接触线的长度是逐渐由小变大，以后又逐渐由大变小，直至脱离啮合，轮齿上所受的力也是逐渐由小到大，再由大到小，同时啮合的轮齿齿数多，故传动较平稳，冲击和噪声较小，适用于高速和重载传动。但斜齿圆柱齿轮传动时产生的轴向分力由轴承承担。为减小传动时的轴向分力，斜齿圆柱齿轮的螺旋角不宜过大，一般分度圆柱上的螺旋角设计为β = 8°～15°。人字齿圆柱齿轮的一部分齿宽为右螺旋齿，另一部分为左螺旋齿。由于其两部分轮齿的左、右螺旋角大小相等，方向相反，可使轴向力互相抵消。根据制造方法不同，左、右螺旋齿中间有带退刀槽和不带退刀槽的两种结构。前者可在普通滚齿机上加工，后者需用专用设备加工。但是制造稍困难些。人字齿圆柱齿轮传动常用于传递大功率、大转矩的机械传动。在重型机械中，其螺旋角可比斜齿轮大些，β为15°～45°，常用30°左右。

渐开线标准直齿圆柱齿轮的主要参数有：齿数Z、模数m、压力角α、齿顶高系数h^*_a和径向间隙系数c^*。这5个参数除齿数Z外，均为标准化。模数m＝p/π，p为周节，齿轮的径向尺寸都为模数的倍数，故模数是齿轮尺寸计算的主要参数。压力角α指齿轮分度圆上的压力角，国家标准规定α = 20°，也允许使用25°压力角；其他国家也有采用14.5°、15°和22.5°等压力角。齿轮的齿高取为模数的倍数，在标准齿轮中取齿顶高h_a=h^*_am，齿根高h_f= h_a+c = h^*_am+c^*m。国家标准规定正常齿h^*_a=1，短齿h^*_a= 0.8；c为径向间隙，c = c^*m，其作用是为了避免一齿轮的齿顶与另一齿轮的齿底相碰和用以储存润滑油。中国标准规定正常齿c^*= 0.25，短齿c^*= 0.3。

一对渐开线标准直齿轮的正确啮合条件是：两齿轮分度圆上的模数相等，m₁= m₂= m，压力角相等，α₁=α₂=α。斜齿轮除这两个条件外，还应满足：外啮合时两齿轮分度圆柱上的螺旋角大小相等，方向相反，β₁= −β₂。在内啮合时，螺旋角大小相等，方向相同，β₁=β₂。齿轮的几何尺寸计算有模数制和径节制两种，我国使用模数制。

8.1.2　齿轮的结构特点

圆柱齿轮的结构型式：齿顶圆直径d_a＜500mm时一般用锻造齿轮，有实心和辐板式齿轮等形式。齿根圆直径到键槽的距离小于2～2.5m_n时，应采用轴齿轮形式。齿顶圆直径d_a＞400～600mm时可采用铸造齿轮、镶圈齿轮、焊接齿轮和剖切齿轮。剖切齿轮应在齿间处剖分如图8.1所示，轮辐数和齿数应为偶数。

图8.1　齿轮的结构形式

8.1.3　齿轮的切削加工方法

切削加工圆柱齿轮齿部的方法（包括直齿、斜齿、人字齿的圆柱齿轮以及齿条和非圆齿轮的齿部切削加工）主要有成型法和范成法两类。

成型法切齿：利用与被切齿轮齿槽轮廓相同的成型刀具或成型砂轮，由分度机构将工件分齿、逐齿切出，常用的有成型铣齿、拉齿和成型磨齿。

成型铣齿：利用盘形齿轮铣刀在铣床上加工，大型齿轮利用指形齿轮铣刀（见齿轮加工刀具）在有单齿分度机构的滚齿机上加工如图8.2所示。前者利用分度头分齿，适于加工中、小模数齿轮；后者适于加工模数大于10mm的齿轮。

因不同模数或齿数的圆柱齿轮齿廓形状不同，理论上一把成型齿轮铣刀只适用于加工一种模数和齿数的齿轮。但在实际生产中，为了减少铣刀数量，通常用一把齿轮铣刀加工同一模数而齿数在一段范围（例如齿数为12～13、14～16、17～20，…，55～134，…）内的齿轮，因此加工的齿形常有较大误差。铣齿的生产率低，加工精度也较低。利用铣齿方法可以加工直齿、斜齿、人字齿圆柱齿轮，也可加工齿条和扇形齿轮等。因可以在普通铣床上进行，刀具制造也较容易，因此铣齿在小批量加工时仍有应用。

砂轮修整

图8.2　成型法切齿

拉齿：利用齿轮拉刀拉削内、外圆柱齿轮。拉齿的生产率高，齿面粗糙度小，但因为齿轮拉刀制造成本高，因此拉齿工艺只适用于大量生产。

成型磨齿：一般用于已经淬火齿面的精加工，精度可达5～6级。成型法磨齿如图8.1所示所用砂轮的截形需要根据齿轮齿槽的轮廓形状用靠模进行修整。成型磨齿生产率较高，但对不同齿数或模数的工件要专门修整砂轮，只适用于大量生产。

展成法切齿：利用轮廓与被切齿轮轮廓相共轭的刀具，并通过刀具与工件间的展成运动进行切齿加工。展成法切齿加工同一模数中不同齿数的齿轮时只用一把刀具，在齿轮加工中应用最广，常用于插齿、滚齿、剃齿、珩齿和磨齿加工。

插齿：利用齿轮形插齿刀切齿。用插齿刀切齿时，刀具随插齿机主轴做轴向往复运动，同时由机床传动链使插齿刀与工件按一定速比相互旋转形成范成运动，齿轮的齿形即被准确地包络出来，如图8.3所示。插齿的加工精度可达6～8级。如果在插齿机主轴上加设螺旋导轨，利用斜齿插齿刀也能加工斜齿轮。如果在插齿机工作台上安装一个插齿条的附件，使工作台的旋转运动变成直线运动，则能插削齿条。插齿能适应较小的空刀距离，适于加工带凸肩的齿轮或空刀槽窄的多联齿轮，同时也便于加工扇形齿轮、内齿轮和非圆齿轮。

图8.3　插齿工作原理

滚齿：利用涡杆形的齿轮滚刀在滚齿机上加工外啮合的直齿和斜齿圆柱齿轮如图8.4所示。在滚齿时，滚刀相当于一个螺旋角很大的斜齿轮与被切齿轮工件做空间啮合，滚刀的旋转形成连续的切削运动。当加工直齿轮时，滚刀每转一周，工件齿轮转过的齿数等于滚刀的头数，形成展成运动并包络出齿形。为了切出全部齿宽，滚刀还沿工件轴向进给。当加工斜齿轮时，随着滚刀沿工件的轴向进给，工件还应附加一个与斜齿轮的螺旋角相适应的旋转运动。滚齿的加工精度一般为6～8级，精滚齿能达到4级精度。滚齿是连续切削，无退刀和空程，故生产率高。当采用高速钢滚刀时，切削速度一般为40m/min左右；采用硬质合金滚刀的高速滚齿，切削速度可达200m/min左右。滚齿不能加工内齿轮和空刀槽较窄的多联齿轮。

图8.4　滚齿

图8.5　剃齿

剃齿：经常作为滚齿或插齿的后续工序，利用剃齿刀在剃齿机上对齿轮齿面进行精整加工，一般单面加工余量为0.05～0.1mm。在剃齿时，剃齿刀与工件相当于螺旋齿轮在空间的无侧隙啮合，并对工件施加径向压力，由剃齿刀带动工件旋转，剃齿刀齿面上的小槽所形成的刃口与工件齿面间相对滑移（滑移速度约25m/min左右），切下极薄的切屑如图8.5所示。剃齿刀与工件在理论上是点接触，为了剃削全齿宽，工件必须做往复运动，每次往复运动后还要有径向进给运动。最后停止进给再往复几次，可减小齿面粗糙度。往复运动方向与工件轴线一致时称为轴向剃齿，其生产率较低。如往复运动方向与工件轴线交叉成一角度，则称为对角线剃齿或切向剃齿（交叉角为90°时），其生产率比轴向剃齿高，但设备较复杂。如需要把齿部剃成鼓形，则剃齿机的工作台需要增加一个摆动机构，剃齿后可使齿轮精度大致提高一级，齿面粗糙度达Ra 0.32～1.25μm。

珩齿：珩齿的加工方式与剃齿相同。珩轮形状也与剃齿刀类似，但珩轮的金属基体的齿面上浇铸了一层以树脂作为结合剂的磨料。当珩轮与工件齿面啮合转动并相对滑移时，与工件齿面产生一种磨削、研磨和抛光的综合作用将工件齿面珩光。珩齿余量一般为0.01～0.015mm（单面）。按珩轮与工件啮合方式不同，珩齿有单面珩齿和双面珩齿两种。单面珩齿时工件与珩轮间有啮合间隙，需装设切向制动器，使工件与珩轮的啮合面之间加载；双面珩齿时，工件与珩轮间无侧隙，保持恒定的径向压力，并在珩齿过程中逐渐减小压力。珩齿可用珩齿机，也可用改装的剃齿机或其他机床，生产率高，设备简单，操作方便，但修整齿形的能力小于磨齿。利用珩轮对已淬火的齿轮齿面精整加工，可使齿面粗糙度小至R_a0.16～0.63μm，并纠正部分热处理变形。

磨齿：除成形法磨齿外，有多种展成法磨齿形式，但基本原理都是将运动中的砂轮表面作为假想齿条的齿面与被磨齿轮作啮合运动，形成展成运动磨出齿形。常用的方法有4种。①锥面砂轮磨齿：砂轮截面与齿条的截面相同如图8.6所示。在磨齿时，砂轮沿齿长方向作往复运动，工件回转并移动，磨削齿槽的一个侧面；又反向回转并反向移动，磨削齿槽的另一侧面。磨完一个齿槽的两面后，工件再分度，继续磨下一个齿槽。②双碟形砂轮磨齿：利用两个碟形砂轮端平面上一条环形窄边进行磨削如图8.7所示。磨完两个齿面后工件再进行分度，再磨另外两个齿面。为了磨出全齿长，砂轮与工件应沿齿长方向作相对往复运动。③大平面砂轮磨齿：用大直径砂轮的端平面磨削，利用渐开线靠模板得到工件的展成运动如图8.8所示。磨完齿面一侧后，工件分度后再磨下一个齿的同一侧面。全部磨完后工件反向安装再磨另一侧的齿面。④涡杆砂轮磨齿：工作原理与滚齿相同，但所用涡杆砂轮的直径比滚刀大得多。由于磨齿时连续分度，生产率比其他磨齿方法高。对于不同模数的齿轮需要更换不同的砂轮，修整砂轮也比较复杂，故这种方式只适于成批量生产，但精度不高。

图8.6　锥面砂轮磨齿

图8.7　碟形双砂轮磨齿

磨齿通常是用于加工已淬火齿面的齿形精加工方法，对磨前工序误差的纠正能力强，能达到很高的精度，齿面粗糙度可小至R_a0.16～0.63μm。

图8.8　大平面砂轮磨齿

8.1.4　齿轮的无屑加工

通过锻压使金属成型或粉末烧结使齿轮的齿形部分最终成型的无屑加工（见少无切削加工）方法，分为工件在常温下进行加工的冷态成型和热态成型两类。前者包括冷锻和冲压等，后者包括热锻和粉末冶金等。无屑加工齿轮可使材料利用率达到80％～95％以上，生产率也可大大提高，但一般只加工模数较小的齿轮或带齿零件，对精度要求较高的齿轮，最后需要切削加工来达到精度要求。

冷锻：其误差可在0.05mm以下，齿面粗糙度可至R_a3.5～0.3μm。工序精整冷轧：精度可达8～9级，齿面粗糙度可小至R_a0.16～0.63μm。

热轧：在热塑状态下进行。精度可达8～9级。

粉末冶金：将金属粉末原料在模具中压制成型，然后将轮坯在保护气氛炉中以1 100℃～1 150℃的温度进行烧结。烧结后的齿轮精度可达9级。