圆柱齿轮的加工

7.4.1 概述

圆柱齿轮是机械传动中应用极为广泛的零件之一，其功用是按规定的传动比传递运动和动力。

1.圆柱齿轮的结构特点

圆柱齿轮一般分为齿圈和轮体两部分。在齿圈上切出直齿、斜齿等齿形，在轮体上有孔或轴。机器中常见的圆柱齿轮有盘类齿轮、套类齿轮、内齿轮、轴类齿轮、扇形齿轮和齿条（即齿圈半径无限大的圆柱齿轮）。其中，盘类齿轮应用最广。

一个圆柱齿轮可以有一个或多个齿圈。普通单齿圈齿轮的工艺性最好。如果齿轮精度要求高，需要剃齿或磨齿时，通常将多齿圈齿轮做成单齿圈齿轮的组合结构。图7－15所示为几种常见的圆柱齿轮结构。

图7－15 圆柱齿轮的结构形式

2.圆柱齿轮传动的精度要求

齿轮传动精度的高低，直接影响到整个机器的工作性能、承载能力和使用寿命。根据齿轮的使用条件，对齿轮传动提出以下三个方面的精度要求。

（1）传递运动的准确性。即能准确地传递运动，且传动比恒定。要求齿轮每一转中的转角误差控制在规定的范围内。

（2）传递运动的平稳性。要求瞬时传动比的变化量在一定范围内，为此除要求齿轮每一转中的转角误差控制在规定的范围内之外，还要求齿形正确。

（3）载荷分布的均匀性。要求齿轮工作时齿面接触要均匀，并保证有一定的接触面积和符合要求的接触位置，从而保证齿轮在传递动力时，不致因载荷分布不均匀而导致接触应力过大，使齿面过早磨损。

3.精度等级与公差组

精度等级分为12级，其中第1级最高，第12级最低。此外，按误差特性及其对传动性能的主要影响，还将齿轮的各项公差分成三个公差组，见表7－4。

表7－4 各公差组对传动性能的主要影响

一般情况下，一个齿轮的三个公差组应选用相同的精度等级。当对使用的某个方面有特殊要求时，也允许各公差组选用不同的精度等级，但在同一公差组内各项公差与极限偏差必须保持相同的精度等级。齿轮精度等级应根据齿轮传动的用途、圆周速度、传递功率等进行选择。

4.齿轮的材料、热处理与毛坯

1）材料的选择

常用齿轮材料有15钢、45钢，对于低速、重载的传力齿轮和有冲击载荷的传力齿轮，应选用机械强度、硬度等综合力学性能好的材料（如20Cr、40Cr、20 CrMnTi），经渗碳淬火，心部具有良好的韧性，齿面硬度可达56～62HRC；线速度高的传力齿轮，齿面易产生疲劳点蚀，所以齿面硬度要高，可用38Cr Mo Al渗氮钢，这种材料经渗氮处理后表面可得到一层硬度很高的渗氮层，而且热处理变形小；非传力齿轮可以用非淬火钢、铸铁、夹布胶木或尼龙等材料。

2）齿轮的热处理

金属材质的齿轮加工中，根据不同的目的安排两种热处理工序。

（1）毛坯热处理：在齿坯加工前后安排预先热处理（通常为正火或调质）。其主要目的是消除锻造及粗加工引起的残余应力，改善材料的切削性能和提高综合力学性能。

（2）齿面热处理：齿形加工后，为提高齿面硬度和耐磨性，常进行渗碳淬火、高频感应加热淬火、碳氮共渗或渗氮等表面热处理工序。

3）齿轮毛坯

齿轮的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低的齿轮。当齿轮要求强度高、耐磨和耐冲击时，多用锻件。对于直径大于400～600mm的齿轮，常用铸造方法铸造齿坯。为减少机械加工量，对大尺寸、低精度齿轮，可以直接铸出轮齿。采用压力铸造、精密锻造、粉末冶金、热轧和冷挤等新工艺，可制造出具有轮齿的齿坯，以提高劳动生产率，节约原材料。

7.4.2 制定圆柱齿轮加工工艺应注意的问题

1.定位基准的选择

齿轮加工时的定位基准应尽可能与设计基准相一致，即要符合“基准重合”原则。在齿轮加工的整个过程中（如滚、插、剃、磨等）也应尽量采用相同的定位基准，即要符合“基准统一”原则。

对于小直径轴齿轮，可采用两端中心孔或锥体作为定位基准，符合“基准统一”原则；对于大直径的轴齿轮，通常用轴颈和一个较大的端面组合定位，符合“基准重合”原则；带孔齿轮则以孔和一个端面组合定位，既符合“基准重合”原则，又符合“基准统一”原则。

2.齿坯加工

齿形加工前的齿轮加工称为齿坯加工。齿坯的精度对于整个齿轮的精度有着重要的影响，齿坯加工在整个齿轮加工中占有重要的地位。

1）齿坯精度

齿轮在加工、检验和装夹时的径向基准面和轴向基准面应尽量一致。多数情况下，常以齿轮孔和端面为齿形加工的基准面，所以齿坯精度中主要是对齿轮孔的尺寸精度、形状精度以及孔和端面的位置精度有较高的要求；当以外圆作为测量基准或定位、找正基准时，对齿坯外圆也有较高的要求，如表7－5所示。

表7－5 齿轮尺寸和形状

注：1.当齿轮的三个公差组的精度不同时，按最高等级确定公差。

2.当外圆不作为测齿厚的基准面时，尺寸公差按IT11给定，但不大于0.1mm。

3.当以外圆作为基准面时，本表就指外圆的径向圆跳动。

2）齿坯加工方案的选择

齿坯加工主要包括齿坯的孔、端面和中心孔的加工（对于轴类齿轮）以及齿圈外圆和端面加工。

对于轴类齿轮和套筒类齿轮的齿坯，其加工过程和一般轴、套筒类基本相同，其加工工艺方案主要取决于齿轮的轮体结构和生产类型。

（1）大批、大量生产的齿坯。采用钻—拉—多刀车的工艺方案。即：

以毛坯外圆及端面定位进行钻孔或扩孔—拉孔—在多刀半自动车床上，以孔定位粗、精车外圆、端面、车槽及倒角等。

这种工艺方案采用高效机床组成流水线或自动线，故生产效率高。

（2）成批生产的齿坯。成批生产齿坯时，常采用车—拉—车工艺方案。即：

以齿坯外圆或轮毂定位，粗车外圆、端面和内孔—以端面支承拉孔（或花键孔）—以孔定位精车外圆及端面等。

这种方案可由卧式车床或转塔车床及拉床实现。它的特点是加工质量稳定，生产效率较高。

（3）单件、小批生产的齿坯。单件、小批生产齿坯时，一般齿坯的孔、端面及外圆的粗、精加工都在通用车床上经两次装夹完成，但必须注意将孔和基准端面的精加工在一次装夹内完成，以保证位置精度。

3.齿形加工

齿圈上的齿形加工是整个齿轮加工的核心。按照加工原理，齿形加工可分为成形法和展成法。指状铣刀铣齿、盘形铣刀铣齿、齿轮拉刀拉内、外齿等是成形法加工齿形；滚齿、剃齿、插齿、磨齿等是展成法加工齿形。

齿形加工方案的选择，主要取决于齿轮的精度等级、结构形状、生产类型和齿轮的热处理方法及生产工厂的现有条件。

1）8级精度以下的齿轮

调质齿轮用滚齿或插齿就能满足要求。淬硬齿轮可采用滚（插）齿—剃齿或冷挤—齿端加工—淬火—校正孔的加工方案。在淬火前齿形加工精度应提高一级以上。

2）6～7级精度齿轮

淬硬齿面齿轮可采用滚（插）齿—齿端加工—表面淬火—校正基准—磨齿（蜗杆砂轮磨齿）的加工方案，加工精度稳定；也可采用滚（插）齿—剃齿或冷挤—表面淬火—校正基准—内啮合珩齿的加工方案，加工精度稳定，生产率高。

3）5级以上精度的齿轮

一般采用粗滚齿—精滚齿—表面淬火—校正基准—粗磨齿—精磨齿的加工方案。大批、大量生产时也可采用粗磨齿—精磨齿—表面淬火—校正基准—磨削外珩自动线的加工方案。磨齿是目前齿形加工中精度最高、表面粗糙度值最小的加工方法，最高精度可达3～4级。

4.齿端加工

齿轮的齿端加工方式有倒圆、倒尖、倒棱和去毛刺，如图7－16所示。经倒圆、倒尖、倒棱后的齿轮，沿轴向移动时容易进入啮合。齿端倒圆应用最多。齿端加工必须安排在齿形淬火之前、滚（插）齿之后进行。图7－17所示为用指状铣刀倒圆的原理图。

图7－16 齿端形状

图7－17 用指状铣刀倒圆的原理

5.精基准的修整

齿轮淬火后其孔经常发生变形，孔直径可缩小0.01～0.05mm。为确保齿形精加工质量，必须对基准孔予以修整。一般采用磨孔或推孔的方法进行修整。对于成批或大量生产的未淬硬的外径定心的花键孔及圆柱孔齿轮，常采用推孔。推孔生产率高，并可用加长推刀前引导部分来保证推孔的精度。对于以小径定心的花键孔或已淬硬的齿轮，以磨孔为好，可稳定地保证精度。磨孔应以齿面定位，符合互为基准原则。