1、機械制造工藝學圓柱齒輪零件的加工1學習目標1.掌握齒輪加工的原理和常用方法2.掌握滾齒、插齒等齒輪加工的工作原理2 齒輪傳動是近代機器中最常見的一種機械傳動，是傳遞機器動力和運動的一種形式，是機械產品的重要基礎零部件。它與其他傳動形式（像鏈傳動、帶傳動、液壓傳動等）機械傳動相比，具有功率范圍大，傳動效率高，圓周速度高，傳動準確，使用壽命長，結構尺寸小等特點。因此，它已成為許多機械產品不可缺少的傳動部件，也是機器中所占比重最大的傳動形式。 齒輪傳動在我國的發展是從漸開線齒廓起步的，漸開線齒輪在技術上最成熟，應用最具備條件，使用的也最廣泛，在機械設計中占有主導地位，由于齒輪的設計與制造水平將直接影

2、響到機械產品的性能和質量，因此，齒輪在工業發展中的地位一直比較突出，被公認為是工業化的一種象征。一、圓柱齒輪加工概述31 圓柱齒輪加工概述4格 里 森 弧 齒一、圓柱齒輪加工概述5一. 圓柱齒輪加工概述1.圓柱齒輪的結構特點齒輪盡管由于它們在機器中的功用不同而設計成不同的形狀和尺寸,但總是可以把它們劃分為齒圈和輪體兩個部分。常見的圓柱齒輪有以下幾類(如圖4-30所示):盤類齒輪、套類齒輪、內齒輪、軸類齒輪、扇形齒輪、齒條(即齒圈半徑無限大的圓拄齒輪)等。其中盤類齒輪應用最廣。 6圖1-2圓柱齒輪的結構形式 一、圓柱齒輪加工概述72.圓柱齒輪的精度要求齒輪本身的制造精度,對整個機器的工作性能、承

3、載能力及使用壽命都有很大影響。根據齒輪的使用條件,對齒輪傳動提出以下幾方面的要求:(1)運動精度。要求齒輪能準確地傳遞運動,傳動比恒定,即要求齒輪在一轉中,轉角誤差不超過一定范圍。(2)工作平穩性。要求齒輪傳遞運動平穩,沖擊、振動和噪聲要小。這就要求限制齒輪轉動時瞬時速比的變化要小,也就是要限制短周期內的轉角誤差。 一、圓柱齒輪加工概述8(3)接觸精度。(4)齒側間隙。要求齒輪傳動時,非工作齒面間留有一定間隙,以儲存潤滑油,補償因溫度、彈性變形所引起的尺寸變化和加工、裝配時的一些誤差。齒輪的制造精度和齒側間隙主要根據齒輪的用途和工作條件加以規定。對于分度傳動用齒輪,主要的要求是齒輪運動精度,使

4、得傳遞的運動準確可靠;對于高速動力傳動用的齒輪,必須要求工作平穩,沒有沖擊和噪聲;對于重載低速傳動用的齒輪,則要求齒的接觸精度要好,使嚙合齒的接觸面積大,不致引起齒面過早的磨損;對于換向傳動和讀數機構,齒側間隙應嚴格控制,必要時還須消除間隙。 一、圓柱齒輪加工概述9一、圓柱齒輪加工概述10 齒輪制造工藝方案，主要是依據不同類型的齒廓形狀、齒面硬度結構形式、精度與生產條件來確定的。一般來說包括以下5個階段：材料準備齒坯加工齒形加工齒面熱處理齒面加工二、圓柱齒輪齒坯的加工方法11具體工藝主要內容如下：二、圓柱齒輪齒坯的加工方法12齒形加工主要方法二、圓柱齒輪齒坯的加工方法13其他加工齒形熱處理主要

5、方法二、圓柱齒輪齒坯的加工方法14齒形精加工主要方法二、圓柱齒輪齒坯的加工方法151.齒輪的材料與熱處理1)材料的選擇齒輪應按照使用的工作條件選用合適的材料。齒輪材料的選擇對齒輪的加工性能和使用壽命都有直接的影響。一般齒輪選用中碳鋼(如45鋼)和低、中碳合金鋼,如20Cr、40Cr、20CrMnTi等。要求較高的重要齒輪可選用38CrMoAlA氮化鋼,非傳力齒輪也可以用鑄鐵、夾布膠木或尼龍等材料。 二、圓柱齒輪齒坯的加工方法162)齒輪的熱處理齒輪加工中根據不同的目的,安排兩種熱處理工序:(1)毛坯熱處理。在齒坯加工前后安排預先熱處理(正火或調質),其主要目的是消除鍛造及粗加工引起的殘余應力、

6、改善材料的可切削性和提高綜合力學性能。(2)齒面熱處理。齒形加工后,為提高齒面的硬度和耐磨性,常進行滲碳淬火、高頻感應加熱淬火、碳氮共滲和滲氮等熱處理工序。 二、圓柱齒輪齒坯的加工方法172.齒輪毛坯齒輪的毛坯形式主要有棒料、鍛件和鑄件。棒料用于小尺寸、結構簡單且對強度要求低的齒輪。當齒輪要求強度高、耐磨和耐沖擊時,多用鍛件,直徑大于400600mm的齒輪,常用鑄造毛坯。為了減少機械加工量,對大尺寸、低精度齒輪,可以直接鑄出輪齒;對于小尺寸、形狀復雜的齒輪,可用精密鑄造、壓力鑄造、精密鍛造、粉末冶金、熱軋和冷擠等新工藝制造出具有輪齒的齒坯,以提高勞動生產率、節約原材料。 2. 圓柱齒輪齒坯的加

7、工方法181）.齒坯精度齒坯的外圓、端面及孔經常作為齒形加工、測量和裝配的基準,所以齒坯的精度對于整個齒輪的精度有著重要的影響。齒坯精度中主要是對齒輪孔的尺寸精度和形狀精度、孔和端面的位置精度有較高的要求;對齒坯外圓也有一定的要求。具體要求見表4-5和表4-6。 二、圓柱齒輪齒坯的加工方法19表4-5齒坯尺寸和形狀公差 二、圓柱齒輪齒坯的加工方法20表4-6齒坯基準面徑向和端面跳動公差(m) 二、圓柱齒輪齒坯的加工方法212.齒坯加工方案的選擇1)大批大量生產的齒坯加工大批大量加工中等尺寸齒坯時,多采用“鉆-拉-多刀車”的工藝方案:(1)以毛坯外圓及端面定位進行鉆孔或擴孔;(2)拉孔;(3)以

8、孔定位在多刀半自動車床上粗精車外圓、端面、切槽及倒角等。這種工藝方案由于采用高效機床可以組成流水線或自動線,所以生產效率高。 二、圓柱齒輪齒坯的加工方法222)成批生產的齒坯加工成批生產齒坯時,常采用“車-拉-車”的工藝方案:(1)以齒坯外圓或輪轂定位,精車外圓、端面和內孔;(2)以端面支承拉孔(或花鍵孔);(3)以孔定位精車外圓及端面等。這種方案可由臥式車床或轉塔車床及拉床實現。它的特點是加工質量穩定,生產效率較高。當齒坯孔有臺階或端面有槽時,可以充分利用轉塔車床上的多刀來進行多工位加工,在轉塔車床上一次完成齒坯的加工。 二、圓柱齒輪齒坯的加工方法231、銑齒三、圓柱齒輪齒形加工方法24三、

9、圓柱齒輪齒形加工方法252、銑削螺旋齒輪的方法三、圓柱齒輪齒形加工方法26三、圓柱齒輪齒形加工方法272.滾齒1)滾齒特點滾齒是齒形加工中生產率較高,應用最廣的一種加工方法。而且滾齒加工通用性好,可加工圓柱齒輪、蝸輪等,亦可加工漸開線齒形、圓弧齒形、擺線齒形等。滾齒既可加工小模數、小直徑齒輪,又可加工大模數、大直徑齒輪,加工斜齒也很方便。滾齒可直接加工98級精度齒輪,也可作為7級精度以上齒輪的粗加工和半精加工。滾齒可以獲得較高的運動精度。因滾齒時齒面是由滾刀的刀齒包絡而成,參加切削的刀齒數有限,故齒面的表面粗糙度值較大。為提高加工精度和齒面質量,宜將粗、精滾齒分開。 三、圓柱齒輪齒形加工方法2

10、8(2)滾齒的加工精度與滾刀類型和精度有關：多頭滾刀滾齒：8-10級單頭滾刀滾齒：滾刀分級：AAA、AA、A、B、C 加工精度：6-10級 三、圓柱齒輪齒形加工方法29圖4-32滾齒夾具 三、圓柱齒輪齒形加工方法30圖4-33端面定位不好引起幾何偏心 三、圓柱齒輪齒形加工方法31圖4-34夾具安裝精度的檢查 3. 圓柱齒輪齒形加工方法32圖4-35定位與夾緊分開的夾具 三、圓柱齒輪齒形加工方法33表4-7夾具的安裝精度 三、圓柱齒輪齒形加工方法34圖4-43齒坯安裝歪斜對齒向誤差的影響 三、圓柱齒輪齒形加工方法352.插齒及與滾齒工藝特點比較1)插齒原理與運動插齒也是生產中普遍應用的一種切齒方

11、法。插齒刀精度等級分AA,A,B三級，分別可加工6-8級精度的齒輪。(1)插齒原理。從插齒過程上分析,插齒刀和工件相當于一對軸線相互平行的圓柱齒輪相嚙合,插齒刀就是一個磨有前、后角具有切削刃的高精度齒輪。 三、圓柱齒輪齒形加工方法(2)插齒的主要運動(如圖4-44所示)有:切削運動。插齒刀的上下往復運動。分齒展成運動。插齒刀與工件間應保持正確的嚙合關系。插齒刀每往復一次,工件相對刀具在分度圓上轉過的弧長為加工時的圓周進給運動,故刀具與工件的嚙合過程也就是圓周進給過程。徑向進給運動。插齒時,為逐步切至全齒深,插齒刀應有徑向進給運動fr。 36讓刀運動。插齒刀作上下往復運動時,向下是工作過程。為了

12、避免刀具擦傷已加工的齒面并減少刀齒磨損,在插齒刀向上運動時,工作臺帶動工件沿徑向退出切削區一段距離,插齒刀工作行程時,工件恢復原位。在較大規格的插齒機上,讓刀運動由插齒刀刀架部件來完成。 三、圓柱齒輪齒形加工方法372)插齒與滾齒工藝特點比較插齒與滾齒同為常用的齒形加工方法,它們的加工精度和生產率也大體相當。但在精度指標、生產率和應用范圍等方面又各自有其特點。現分析比較如下:(1)插齒的加工質量。插齒的齒形精度比滾齒高。這是因為插齒刀在制造時,可通過高精度磨齒機獲得精確的漸開線齒形。插齒后的齒面粗糙度比滾齒小。其原因是插齒的圓周進給量通常較小,插齒過程中包絡齒面的切削刃數較滾齒多,因而插齒后的

13、齒面粗糙度小。 三、圓柱齒輪齒形加工方法38插齒的運動精度比滾齒差。因為在滾齒時,一船只是滾刀某幾圈的刀齒參加切削,工件上所有齒槽都是這些刀齒切出的;而插齒時,插齒刀上的各刀齒順次切削工件各齒槽,因而,插齒刀上的齒距累積誤差將直接傳給被切齒輪;另外,機床傳動鏈的誤差使插齒刀旋轉產生的轉角誤差,也使得插齒后齒輪有較大的運動誤差。插齒的齒向誤差比滾齒大。插齒的齒向誤差主要決定于插齒機主軸往復運動軌跡與工作臺回轉軸線的平行度誤差。插齒刀往復運動頻率高,主軸與套筒的磨損大,因此插齒的齒向誤差常比滾齒大。 插齒的表面粗糙度略優于滾齒。插齒Ra1.6；滾齒3.2-1.6。三、圓柱齒輪齒形加工方法39(2)

14、插齒的生產率。切制模數較大的齒輪時,插齒速度要受插齒刀主軸往復運動慣性和機床剛性的制約,切削過程又有空程時間損失,故生產率比滾齒加工要低。但在加工小模數、多聯齒、齒寬窄的齒輪時,插齒生產率會比滾齒高。(3)插齒的應用范圍。從上面分析可知,插齒適合于加工模數小、齒寬較小、工作平穩性要求較高而運動精度要求不太高的齒輪。尤其適用于加工內齒輪、多聯齒輪中的小齒輪、齒條及扇形齒輪等。但加工斜齒輪需用螺旋導軌,不如滾齒方便。 三、圓柱齒輪齒形加工方法40三、圓柱齒輪齒形加工方法41三、剃齒(一)剃齒原理剃齒加工是根據一對螺旋角不等的螺旋齒輪嚙合的原理，剃齒刀與被切齒輪的軸線空間交叉一個角度（基本條件），剃

15、齒刀為主動輪1，被切齒輪為從動輪2，它們的嚙合為無側隙雙面嚙合的自由展成運動。在嚙合傳動中，齒面間沿齒向產生相對滑移，剃齒刀的齒面開槽而形成刀刃，通過滑移速度將齒輪齒面上的加工余量切除。由于是雙面嚙合，剃齒刀的兩側面都能進行切削加工，但由于兩側面的切削角度不同，故對剃齒質量有較大影響。為使齒輪兩側獲得同樣的剃削條件，則在剃削過程中，剃齒刀做交替正反轉運動。三、圓柱齒輪齒形加工方法423. 圓柱齒輪齒形加工方法剃齒加工需要有以下幾種運動：1.剃齒刀帶動工件的高速正、反轉運動基本運動。2.工件沿軸向往復運動使齒輪全齒寬均能剃出3.工件每往復一次做徑向進給運動以切除全部余量。 43（二）剃齒特點剃齒

16、加工精度一般為67級，表面粗糙度Ra為0.8-0.4m，用于未淬火齒輪的精加工。剃齒加工的生產率高，加工一個中等尺寸的齒輪一般只需24 min，與磨齒相比較，可提高生產率10倍以上。由于剃齒加工是自由嚙合，機床無展成運動傳動鏈，故機床結構簡單，機床調整容易。剃齒對第一公差組的誤差修正能力較弱，因此要求齒輪的運動精度在剃前不能低于剃后要求，特別是公法線長度變動量應在剃前保證；其它各項精度可比剃后低一級。剃齒刀的精度分A、B、C三級，分別加工6、7、8級精度的齒輪。 3. 圓柱齒輪齒形加工方法44剃齒余量剃齒余量的大小，對加工質量及生產率均有一定影響。余量不足，剃前誤差和齒面缺陷不能全部除去；余量

17、過大，刀具磨損快，剃齒質量反而變壞。表95可供選擇余量時參考。 表95 剃齒余量(mm)模數11.752 33.2544 55.56剃齒余量0.070.080.090.100.11剃前齒輪材料要求材料密度均勻，無局部缺陷，韌性不得過大，以免出現滑刀和啃切現象，影響表面粗糙度。剃前齒輪硬度在22 32HRC范圍內較合適。 三、圓柱齒輪齒形加工方法45四、珩齒淬火后的齒輪輪齒表面有氧化皮，影響齒面粗糙度，熱處理的變形也影響齒輪的精度。由于工件已淬硬，除可用磨削加工外，但也可以采用珩齒進行精加工。珩齒原理與剃齒相似，珩輪與工件類似于一對螺旋齒輪呈無側隙嚙合，利用嚙合處的相對滑動，并在齒面間施加一定的

18、壓力來進行珩齒。珩齒時的運動和剃齒相同。與剃齒不同的是開車后一次徑向進給到預定位置，故開始時齒面壓力較大，隨后逐漸減小，直到壓力消失時珩齒便結束。珩輪由磨料（通常80180粒度的電剛玉）和環氧樹脂等原料混合后在鐵芯澆鑄而成。珩齒是齒輪熱處理后的一種精加工方法。三、圓柱齒輪齒形加工方法46與剃齒相比較，珩齒具有以下工藝特點：（1）珩輪結構和磨輪相似，但珩齒速度甚低（通常為13m/s），加之磨粒粒度較細，珩輪彈性較大，故珩齒過程實際上是一種低速磨削、研磨和拋光的綜合過程。（2）珩齒時，齒面間隙沿齒向有相對滑動外，沿齒形方向也存在滑動，因而齒面形成復雜的網紋，提高了齒面質量，其粗糙度可從Ra1.6m

19、降到Ra0.80.4m。（3）珩輪彈性較大，對珩前齒輪的各項誤差修正作用不強。因此，對珩輪本身的精度要求不高，珩輪誤差一般不會反映到被珩齒輪上。（4）珩輪主要用于去除熱處理后齒面上的氧化皮和毛刺。珩齒余量一般不超過0.025mm，珩輪轉速達到1000 r/min以上，縱向進給量為0.05 0.065mm/r。（5）珩輪生產率甚高，一般一分鐘珩一個，通過35次往復即可完成 47五、磨齒磨齒是目前齒形加工中精度最高的一種方法。它既可磨削未淬硬齒輪，也可磨削淬硬的齒輪。磨齒精度35級，齒面粗糙度為Ra0.8 0.2m。對齒輪誤差及熱處理變形有較強的修正能力。多用于硬齒面高精度齒輪及插齒刀、剃齒刀等齒

20、輪刀具的精加工。其缺點是生產率低，加工成本高。（一）磨齒原理及方法根據齒面漸開線的形成原理，磨齒方法分為仿形法和展成法兩類。仿形法磨齒是用成形砂輪直接磨出漸開線齒形，目前應用甚少；展成法磨齒是將砂輪工作面制成假想齒條的兩側面，通過與工件的嚙合運動包絡出齒輪的漸開線齒面。下面介紹幾種常用的磨齒方法：三、圓柱齒輪齒形加工方法481.錐面砂輪磨齒采用這類磨齒方法的有Y7131 和Y7132型磨齒機。它們是利用假想齒條與齒輪的強制嚙合關系進行展成加工，如圖914所示由于齒輪有一定的寬度，為了磨出全部齒面，砂輪還必須沿齒輪軸向作往復運動。軸向往復運動和展成運動結合起來使磨粒在齒面上的磨削軌跡，如圖915

21、所示。三、圓柱齒輪齒形加工方法492.雙片蝶形砂輪磨齒兩片蝶形砂輪磨齒構成假想齒條的兩個側面。磨齒時砂輪只在原位回轉（n0）；工件作相應的正反轉動(n)和往復移動（v），形成展成運動。為了磨出工件全齒寬，工件還必須沿其軸線方向作慢速進給運動（f）。當一個齒槽的兩側面磨完后，工件快速退出砂輪，經分度后再進入下一個齒槽位置的齒面加工。三、圓柱齒輪齒形加工方法50齒輪精度被 磨 削 齒 輪 直 徑80以下80-120120-200200-320320-5002.50.10-0.180.18-0.220.19-0.280.25-0.352.5-50.15-0.240.22-0.300.28-0.380

22、.35-0.500.45-0.605-100.30-0.440.38-0.340.50-0.660.60-0.85磨削余量表三、圓柱齒輪齒形加工方法51六、研齒三、圓柱齒輪齒形加工方法52硬齒面的加工，原來只是經過齒面磨削加工完成的，由于磨齒加工效率太低，加工成本過高，尤其對一些大直徑，大模數的齒輪在加工上難度更大，從90年代開始推廣的“硬齒面滾齒”工藝，是采用一種特殊的硬質合金滾刀（斜角切入法），滲碳淬火后齒面硬度為HRC58-62的齒輪齒面進行刮削，刮削精度可達到7級，達到齒輪的要求。它最大的特點是生產效率要比磨齒高5-6倍，除此以外，可對熱處理滲碳淬火齒輪過大的變形量進行磨齒前的修刮，不

23、僅消除了齒輪的變形量，保證了齒輪在磨齒加工中的平穩，而且提高了磨削效率，保護了磨齒設備的精度。七、齒輪精加工的新方法硬齒面刮削法三、圓柱齒輪齒形加工方法5354齒輪的齒端加工方式有:倒圓、倒尖、倒棱和去毛刺四種方式。經倒圓、倒尖、倒棱后的齒輪(如圖4-45所示),沿軸向移動時容易進入嚙合。齒端倒圓應用最多,圖4-46是用指狀銑刀倒圓的原理圖。倒圓時,齒輪慢速旋轉,指狀銑刀在高速度旋轉的同時沿齒輪軸向作往復直線運動。齒輪每轉過一齒,銑刀往復運動一次,兩者在相對運動中即完成齒端倒圓。同時由齒輪的旋轉實現連續分齒,生產率較高。齒端加工應安排在齒形淬火之前進行。 四、齒端加工55圖4-45齒端加工 四

24、、齒端加工56圖4-46齒端倒圓 四、齒端加工571.齒形加工方案的選擇齒形加工方案的選擇,主要取決于齒輪的精度等級、結構形狀、生產類型和齒輪的熱處理方法及生產條件,對于不同精度的齒輪,常用的齒形加工方案如下:(1)8級精度以下齒輪。 調質齒輪用銑齒、滾齒或插齒就能滿足要求。 對于淬硬齒輪可采用加工方案:滾(插)齒-齒端加工-淬火-校正孔,但在淬火前齒形加工精度應提高一級。 五、圓柱齒輪加工工藝過程58(2)76級精度齒輪。淬硬齒面的齒輪: 滾(插)齒-齒端加工-剃齒-表面淬火-校正基準-珩齒。不淬硬齒輪，其齒輪加工方案：滾齒剃齒。這樣的方案生產率高、設備簡單、成本較低,適于成批或大批大量生產

25、齒輪。對于大批量生產，用滾（插）齒冷擠齒的加工方案，可穩定地獲得7級精度齒輪。 (3)5級以上精度的齒輪。一般采用磨齒:粗滾齒-精滾齒-齒端加工-淬火-校正基準-粗磨齒-精磨齒。磨齒是目前齒形加工中精度最高、表面粗糙度最小的加工方法,最高精度可達43級。 五、圓柱齒輪加工工藝過程592.不同精度等級齒輪加工工藝路線介紹齒輪加工的工藝路線是根據齒輪材質和熱處理要求、齒輪結構及尺寸大小、精度要求、生產批量和工廠設備條件而定。一般可以歸納為如下工藝路線:毛坯制造-齒坯熱處理-齒坯加工-齒形加工-齒端加工-齒圈熱處理-齒輪定位表面精加工-齒圈的精整加工。圖4-47為某齒輪簡圖,表4-8為該齒輪成批生產

26、下的工藝路線。圖4-48為一高精度齒輪,表4-9是小批生產該齒輪的工藝路線。 五、圓柱齒輪加工工藝過程60圖4-47齒輪簡圖 五、圓柱齒輪加工工藝過程61表5-8某齒輪機械加工工藝過程 五、圓柱齒輪加工工藝過程62圖5-48高精度齒輪 五、圓柱齒輪加工工藝過程63表5-9高精度齒輪加工工藝過程 五、圓柱齒輪加工工藝過程64齒輪加工典型工藝 常用的帶有內花鍵定位的盤狀齒輪，材料常選用20CrMoTi，滲碳層1.8-2.2mm，齒面硬度為HRC58-62 。分析：在確定具體加工工藝內容時，著重考慮確定兩項精度：1、是齒輪各部分對中心軸線的形狀精度；2、必須消除經熱處理滲碳淬火后的熱變形，對齒輪精度的影響。在確定工藝基準時，應該選定內花鍵的大徑尺寸為加工工藝基準，這是因為內花鍵的加工的花鍵拉刀的外徑尺寸精度比較高，拉出的花鍵大徑尺寸比較穩定和可靠，完全可以作為齒坯加工的工藝基準，無論是矩形花鍵孔或是漸開線花鍵孔卻是一樣下面講講這種齒輪的具體加工工藝：65毛坯 鍛造成形熱處理 正火處理粗車 1、內孔尺寸一般設計為裝配基準，在設定內孔粗車尺寸時一般是按花鍵拉刀的前導向尺寸確定（比圖紙設計尺寸減小0.5-0.6mm，做為熱處理后的精磨余量） 2、選用拉床定位的端面時應盡量選用大端面，