5.1圓柱齒輪零件的工藝特點

01圓柱齒輪傳動的精度要求02圓柱齒輪的材料與毛坯03圓柱齒輪的加工工藝過程04圓柱齒輪加工的主要工藝問題

盤類零件零件基本上是扁平形狀，有圓形、方形、弧形等各種各樣的形狀，它們中有均布孔，也有凹凸臺，常見的盤類零件有法蘭盤、帶輪、凸輪、圓柱齒輪等。圓柱齒輪是機械傳動中典型的盤類零件之一，通常起支撐和導向作用。其功用是按規定的傳動比傳遞運動和動力。圖5-1圓柱齒輪的結構形式a)單圈盤狀齒輪

b）雙聯移滑齒輪

c)三聯移滑齒輪

d）套狀齒輪

e）內齒輪

f）連軸齒輪

g）扇形齒輪

h）齒條5.1.1圓柱齒輪傳動的精度要求1.運動精度要求齒輪傳動的傳動特點是傳動比恒定，即

2.接觸精度要求齒輪工作時，要求齒面有一定且均勻的接觸面積，并保證有符合要求的接觸位置，以齒面載荷分布的均勻性來保證齒輪的使用壽命。3.工作平穩性精度要求

齒輪傳動平穩，無沖擊、振動和噪聲小。這就需要限制齒輪傳動時瞬時傳動比的變化，即齒輪在一轉中多次出現的小周期性轉角誤差不應超過一定的限度。4.齒側間隙要求

齒輪傳動時，非工作面留有一定的間隙，用以儲存潤滑油，補償彈性變形、熱變形及齒輪制造和裝配誤差。5.1.2圓柱齒輪的材料與毛坯

圓柱齒輪常用的材料與熱處理齒輪材料預備熱處理齒面熱處理綜合性能適用工作范圍中碳結構鋼，如45調質、正火表面淬火綜合力學性能較好，齒面粗糙度值較大低速、輕載或不重要齒輪中碳合金結構鋼，如40Cr調質、正火表面淬火綜合力學性能較好，熱處理變形小速度較高，受力較大，精度為6級以上的齒輪低碳合金結構鋼，如20Cr正火滲碳、碳氮共滲心部有較高韌性、齒面耐磨性較好高速、中載或受沖擊載荷形式傳動的齒輪鑄鐵材料，如HT200

切削性能好，成本低，抗彎強度、耐磨性、耐沖擊性差受力不大，形狀復雜，尺寸大的齒輪非鐵金屬材料，如HPb59—1

切削性能好，耐蝕性能好，齒面表面粗糙度值較小儀表、儀器中的小模數齒輪

齒輪的毛坯選擇取決于齒輪的材料、結構形狀、尺寸大小、使用條件及生產批量等因素。對于鋼制齒輪，如果尺寸較小且性能要求不高，可直接采用熱軋棒料。除此之外，一般都采用鍛造毛坯。生產批量較小或尺寸較大的齒輪采用自由鍛造，生產批量較大的中小尺寸齒輪采用模鍛。對于直徑比較大，結構比較復雜的不便于鍛造的齒輪，采用鑄鋼毛坯或焊接組合毛坯。5.1.3圓柱齒輪的加工工藝過程

圓柱齒輪的加工藝可以分為齒坯工藝和齒形工藝兩部分。其工藝過程因零件的結構形狀、精度要求、生產批量及具體生產條件的不同而不同。一般工藝路線可歸納如下:毛坯制造—毛壞熱處理—齒坯加工—中檢—齒形粗加工—齒端加工—齒面熱處理—精基準修正—齒形精加工—終檢。圖5-2雙聯齒輪

圖5-2所示為一雙聯齒輪，材料為40Cr,

精度為7級，中批生產。

表5-2雙聯齒輪的參數齒號模數/mm齒數齒圈徑向圓跳動/mm公法線平均長度/mm公法線長度變動量/mm跨齒數齒形誤差/mm齒向誤差/mmI3280.03623.150.02830.080.009II3320.03622.980.02830.080.009

表5-3雙聯齒輪加工工藝過程序號工序內容定位基面序號工序內容定位基面1毛坯鍛造

9倒角(I、II齒圈牙角)花鍵孔和端面2正火

10鉗工去毛刺

3粗車外圓和端面(留余量1~1.5mm)，鉆鏜花鍵底孔至尺寸外圓和端面11剃齒(z=28，采用螺旋角為15°的剃齒刀)，公法線長度至尺寸上限花鍵孔和端面4拉花鍵孔φ28H12孔和端面12剃齒(z=32，采用螺旋角為5°的剃齒刀)，公法線長度至尺寸上限花鍵孔和端面5精車外圓、端面及槽至尺寸花鍵孔和端面13齒部高頻感應加熱淬火至52HRC

6檢驗

14推孔

7滾齒(z=32，留剃削余量0.06~0.08mm)花鍵孔和端面15珩齒(z=32)花鍵孔和端面珩齒(z=28)8插齒(z=28，留剃削余量0.03~0.05mm)花鍵孔和端面16檢驗花鍵孔和端面5.1.4圓柱齒輪加工的主要工藝問題

1.定位基準的選擇

設計時，為保證其傳動精度，齒輪的設計基準大多與裝配基準重合。工藝中應本著基準重合的原則，盡量使定位基準與設計基準、裝配基準、測量基準重合，并盡可能在整個工藝過程中保持基準統一。

對于帶孔齒輪，一般選齒輪的內孔和一個端面定位，作為基準的內孔，應有較高的加工精度，且基準端面相對內孔的端面圓跳動應符合公差要求。對于小直徑連軸齒輪，一般選用軸兩端中心孔作為統一的定位基準。對于直徑或模數較大的連軸齒輪，一般用裝配軸徑和圓跳動較小的端面作為定位基準。

2.齒坯加工方案

齒坯加工是齒輪加工工藝的環節，其加工將作為后續齒形加工和檢驗用的基準，而基準的好壞對齒形加工的質量影響很大。齒輪軸的齒坯工藝與軸加工工藝大體相同。對盤狀齒輪一般視批量不同采用不同的加工方案，但必須注意的是，為保證基準端面相對內孔的圓跳動要求，作為基準的內孔和一端面的精加工應盡量在一次安裝內完成。

中、小批生產的盤類齒輪，齒坯加工盡量采用通用機床。一般工藝路線為:粗車內、外各部分—精加工內孔及定位端面—精加工其他表面。

大批量生產的盤類齒輪，齒坯加工應盡量選擇像拉床、多刀機床、單軸、多軸自動機床，數控機床等這樣的高生產率機床。一般工藝路線為:多刀粗車外圓、端面與孔—拉孔—多刀精車外圓、端面及其他表面。

3.熱處理工序的安排

齒坯工藝過程中一般預先安排正火或調質等熱處理。正火在生產中應用較多，其目的為消除鍛造應力，改善材料的加工性能，得到較小的表面粗糙度值。正火一般安排在毛坯鍛造后，齒坯加工前。調質處理一般安排在齒坯粗加工之后，其目的是消除鍛造和切削應力，提高材料的綜合力學性能，為以后淬火時減少變形做好組織準備。

為提高齒面的硬度，增加齒輪的承載能力和耐磨性，根據材料與技術要求，齒形加工一般在滾齒、插齒、剃齒加工之后，珩齒、磨齒加工之前，安排高頻感應加熱淬火、液體滲碳淬火或氮碳共滲等熱處理工序。

4.齒端加工

齒輪的齒端加工有齒端倒圓、倒尖、倒棱等。倒棱可除去齒端銳邊、毛刺，避免熱處理時因應力集中而產生裂紋。倒圓、倒尖后的齒輪在切擋時容易進入嚙合。

齒端加工必須在淬硬前進行，一般安排在滾齒或插齒后，剃齒前。

5.精基準的修正

齒輪淬火后，基準孔往往產生適當的變形，內孔尺寸一般縮小0.05mm左右。為保證齒形精度，對基準孔必須加以修正。如果是表面淬火齒輪，一般采用推孔法修正，其生產率較高；如果是整體表面淬火齒輪，可采用磨孔，磨孔的生產率低，但加工精度高。

6.齒形加工方案

齒形加工是齒輪加工的關鍵，加工方案的選擇，主要依據齒輪的生產批量、精度等級、熱處理方法等確定。常用的方案為:1)8級或8級精度以下的調質齒輪采用滾齒—齒端加工的加工方案。淬火齒輪采用滾齒─齒端加工─表面淬火─修內孔的加工方案。應注意，熱處理前的齒形加工精度應高一級。

2)6~7級精度不淬火齒輪采用滾齒─齒端加工─剃齒的加工方案。淬火齒輪采用滾齒─齒端加工─剃齒─表面淬火─修基準─珩齒的加工方案。此方案設備簡單，生產率高，成本較低。滲碳齒輪采用滾齒─齒端加工─滲碳淬火─修基準一磨齒的加工方案。

3)5級以上精度，淬硬(未淬硬)齒輪均采用磨齒加工，即滾(插)齒─齒端加工─滲碳淬火(表面淬火)─修基準─粗磨齒─精磨齒的加工方案。磨齒加工是目前齒形加工精度最高、表面粗糙度值最小的方法，但磨齒加工成本高，生產率低。課后練習

1.盤類零件的有何工藝特點？2.對圓柱齒輪傳動的精度有什么要求？3.圓柱齒輪常采用什么材料？毛坯一般是什么形狀的？4.圓柱齒輪加工的主要工藝問題有哪些？5.2圓柱齒輪齒形的加工方法

01成形法02展成法

圓柱齒輪加工的關鍵是齒形加工。齒形加工包括齒形的切削加工和齒面的磨削加工。按照加工原理，齒形加工方法可以分為成形法和展成法兩大類，見表5-4。齒輪加工方法刀具機床精度等級表面粗糙度值Ra/μm適用范圍成形法成形銑齒模數銑刀銑床9~103.2~6.3用盤形或指形銑刀加工，分度頭分齒，加工精度及生產率均較低拉齒齒輪拉刀拉床8~70.8~1.6精度和生產率較高，但拉刀制造困難，價格高，故僅在大量生產時采用，適宜拉內齒輪成形磨齒砂輪磨齒機5~60.2~0.8適用于大批量生產，宜磨削內齒輪和齒數極少的齒輪

展成法滾齒齒輪滾刀滾齒機6~100.8~1.6生產率較高，通用性強，常用于加工直齒、斜齒的外嚙合圓柱齒輪和蝸輪插齒插齒刀插齒機7~90.8~1.6生產率較高，通用性強，適宜于加工內外嚙合齒輪(包括階臺齒輪)、扇形齒輪、齒條等剃齒剃齒刀剃齒機5~70.4~0.8生產率高，主要用于滾齒、插齒加工后，淬火前的齒形精加珩齒珩齒輪珩齒機或剃齒機6~70.2~0.4多用于經過剃齒和高頻淬火后的齒形加工，宜于成批生產磨齒砂輪磨齒機3~70.2~0.8生產率較低，加工成本較高，用于齒形淬硬后的精密加工，適用于單件小批生產5.2.1成形法

圖5-5所示為萬能銑床上用盤形齒輪銑刀或指形齒輪銑刀加工齒形，是成形法加工齒輪中應用較為廣泛的一種。加工時，將齒坯安裝在分度頭上，銑完一個齒槽后再用分度頭分齒，再銑另一個齒槽，依次銑完所有齒槽。齒形由齒輪銑刀的切削刃形狀來保證，輪齒分布的均勻性由分度頭來保證。圖5-5直齒圓柱齒輪的成形銑削a）

盤形齒輪銑刀銑削

b)

指狀齒輪銑

銑齒加工的生產率和加工精度都比較低,通常能加工IT9級以下的齒輪，使用的是普通銑床，刀具也容易制造，所以多用于單件小批生產或修配加工低精度的齒輪。(1)刀具成形法是利用與被加工齒輪的齒槽形狀一致的刀具，在齒坯上加工出齒面的方法。常用的成形齒輪刀具有盤形齒輪銑刀和指形齒輪銑刀。

指形齒輪銑刀適于加工大模數的直齒、斜齒齒輪，特別是人字齒輪。盤形齒輪銑刀適于加工m<8mm的齒輪。用這種銑刀銑削齒輪時，齒輪的齒廓精度是由銑刀切削刃的形狀來保證的。（2）機床

成形法加工內齒輪一般在普通銑床上進行，而銑削斜齒圓柱齒輪必須在萬能銑床上進行。(3)工件的安裝

銑削時，工件安裝在分度頭上，銑刀旋轉對工件進行切削加工，工作臺作直線進給運動，加工完一個齒槽，分度頭將工件轉過3600/z

(z為齒數)，再加工另一齒槽，依次加工出所有齒槽。當加工模數大于8mm的齒輪時，采用指狀齒輪銑刀銑削加工。5.2.2展成法

展成法是利用一對齒輪嚙合或齒輪與齒條嚙合的原理，將其中的一個齒輪或齒條做成刀具，另一件是工件，在嚙合過程中加工齒形的方法。因此，用展成法加工齒輪時，齒輪表面的漸開線用展成法形成。展成法具有較高的生產效率和加工精度。齒輪加工機床絕大多數采用展成法。

1.滾齒(1)滾齒原理在滾齒過程中，在滾刀按給定的切削速度作旋轉運動時，齒坯則按齒輪齒條嚙合關系轉動(即滾刀轉一圈，相當于齒條移動一個或幾個齒距，齒坯也相應轉過一個或幾個齒距)，在齒坯上切出齒槽，形成漸開線齒面，如圖5-6a所示。

圖5-6滾齒原理（滾刀與被切齒輪的展成運動）

1.滾齒(2)滾齒的基本運動

滾齒時除了滾刀的旅轉運動(主運動)、滾刀與齒坯之間的展成運動(也就是連續分齒運動)外，滾刀還需有沿工件軸向(齒寬方向)進給運動。這三個運動構成了滾齒的基本運動，如圖5.6a所示。圖5-6滾齒原理（滾刀與被切齒輪的展成運動）

滾齒時必須使滾刀的轉速和齒坯的轉速之間嚴格地保持如下關系:

1.滾齒(3)滾刀的安裝方法

滾齒時還必須使滾刀的齒向與被加工齒輪的齒向一致，所以安裝滾刀時，必須有一定的安裝角度，如圖5-7a所示。

滾切直齒圓柱齒輪時，滾刀的安裝角δ=γ(γ為滾刀的導程角)，其滾刀傾斜方向如圖5.7a所示。

滾切斜齒圓柱齒輪時，若滾刀與齒坯螺旋方向相同，則滾刀的安裝角δ=β-γ(β為齒坯螺旋角)；若滾刀與齒坯螺旋方向相反，則滾刀的安裝角δ=β+γ其傾斜方向如圖5-7b所示。a）

b）圖5-7滾刀的安裝角度

1.滾齒（4）滾齒的精度

滾刀的精度等級為AA級、A級、B級和C級，AA級精度最高。滾齒時使用不同精度的滾刀，可分別加工出精度為IT7級，IT8級，IT9級，IT10級的齒輪。滾齒時，為了提高齒面的加工精度和質量，應將粗、精滾齒加工分開。精滾齒的加工余量為0.5~1mm,精滾齒時應采取較高的切削速度和較小的進給量。

(5)滾齒的刀具及生產率

目前，生產中廣泛采用的是高速鋼滾刀，切削速度一般為30m/min左右，進給量為1~3mm/r。超硬高速鋼滾刀出現后，切削速度提高到了60

~

70m/

min；滾刀刀齒采用硬質合金后，其切削速度又提高到了180

~

200m/min，使滾齒加工的生產率得到了大幅度提高。此外，硬質合金滾刀對淬火后的硬齒面齒輪還可進行精加工或半精加工。滾齒既可以用于齒形的粗加工，也可以用于精加工。加工精度等級為IT7級以上的齒輪時，滾齒通常作為剃齒或磨齒等齒形精加工前的粗加工和半精加工工序。滾齒加工所使用的滾刀和滾齒機結構比較簡單，易于制造，加工時是連續切削的，具有效率高、質量好的優點，因此，在生產中廣泛應用。

2.插齒(1)插齒的基本原理插齒也是一種應用展成原理加工齒輪的方法。插齒刀相當于一個磨出前角(

)

和后角(

),具有切削刃的盤形直齒圓柱齒輪，它具有與被加工齒輪相同的模數和壓力角。(2)插齒的基本運動插齒時的主要運動有:主運動、展成運動、徑向進給運動和讓刀運動，如圖5-8所示。

展成運動，插齒刀與齒坯間必須保持一對齒輪正確的嚙合關系，即傳動比為：

2.插齒

插齒時運動：

1)主運動。插齒刀向下為切削行程，向上為空行程，其上下往復運動總稱主運動。切削速度以插齒刀每分鐘往復行程的次數來表示。2)展成運動。插齒刀每往復運動一次，

齒坯與刀具在分度圓上所轉過的弧長為加工時的圓周進給量。齒坯旋轉一周，插齒刀的各個刀齒便能逐漸地將工件的各個齒切出來。

3)徑向進給運動。插齒時，齒坯上的輪齒是逐漸被切至全齒深的，因此插齒刀應有徑向進給，等到切至全齒深后才不再徑向進給。插齒刀的徑向進給運動由凸輪機構來控制。4)讓刀運動。為避免刀具返回行程時擦傷已加工齒面和減少刀具的磨損，在插齒刀向上運動時，要使工作臺帶動工件有一個徑向讓刀運動。但在插齒刀向下作切削運動時，工作臺又能很快回到原來的位置，以便使切削工作繼續進行。

2.插齒(3)插齒的加工范圍

插齒不僅能加工單齒圈圓柱齒輪，而且還能加工間距較小的雙聯或多聯齒輪、內齒輪及齒條等。插齒還能控制圓周進給量，可在0.2

~0.5mm/雙行程范圍內選用，較小值用于精加工，較大值用于粗加工。

(4)插齒的加工精度

插刀精度分為AA級、A級和B級，插齒時使用不同的刀具可分別加工出IT8

~

IT6級精度的齒輪，齒輪表面粗糙度值為Ra(0.4~1.6)μm。

3.剃齒(1)基本原理

剃齒是由剃齒刀帶動工件自由轉動，并模擬一對螺旋齒輪做雙面無側隙嚙合的過程，剃齒刀與工件的軸線交錯成一定角度。剃齒常用于未淬火圓柱齒輪的精加工，生產效率很高，是軟齒面精加工最常見的加工方法之一。剃削直齒圓柱齒輪時，要用斜齒剃齒刀，使剃齒刀和被加工齒輪的軸線成100~200的交叉角。有了軸交叉角，在嚙合運動中齒面上便有相對滑移存在，這種相對滑移就是剃齒時的切削運動。

3.剃齒

(2)基本運動

剃齒時，應先將被加工齒輪裝在心軸上，再把心軸一起安裝到機床工作臺的兩頂尖間，使其可以自由轉動，如圖5-9所示。剃齒具有以下幾個運動:1)裝在機床主軸上的剃齒刀作高速正、反轉動；被切齒輪由剃齒刀帶動作正、反自由旋轉。2)被切齒輪由剃齒刀帶動沿軸向作往復運動，也就是說齒輪的齒側面沿剃齒刀的齒側面作相對滑移。

3)被切齒輪往復運動一次，剃齒刀就作一次徑向圓進給運動，以逐漸剃除全部余量，從而獲得要求的齒厚。

3.剃齒

(3)加工范圍及生產率

剃齒的加工范圍較廣，可加工內、外嚙合的直齒圓柱齒輪和斜齒圓柱齒輪、多聯齒輪等。剃齒的生產率很高，加工一個中等模數齒輪通常只需2

~

4min。

(4)加工精度

由于剃齒能修正齒圈徑向圓跳動誤差、齒形誤差、齒距誤差以及齒向誤差等。因此，經過剃齒的齒輪的工作平穩性和接觸精度會有較大的提高，一般能提高一級。同時，剃齒可獲得較精細的表面，其表面粗糙度值可達Ra

(0.4~0.8)μm,但齒輪的運動精度提高不多。

3.剃齒

剃齒加工采用的是自由嚙合的方法，并不需要嚴格的傳動鏈，大大簡化了剃齒機機構，刀具壽命長，因此，剃齒工藝在成批和大量生產中被廣泛應用。

剃齒刀分通用和專用兩類。無特殊要求時，應盡量選用通用剃齒刀。剃齒刀的制造精度分A、B、C三級，可分別加工出IT8

~

IT6級精度的齒輪。剃齒刀的螺旋角有5°、10°和15°三種，其中5°、15°兩種應用較廣，5°的多用于加工斜齒圓柱齒輪和多聯齒輪中較小的齒輪，15°的多用于加工直齒圓柱齒輪。

4.珩齒

珩齒是一種用于加工淬硬齒面的齒輪精加工方法，工作時珩磨輪與工件之間的相對運動關系與剃齒相同，所不同的是作為切削工具的珩磨輪是用金剛砂磨料加入環氧樹脂等材料作結合劑澆鑄或熱壓而成的塑料齒輪（輪心為鑄鐵或鋼材）。如圖5-10所示。珩磨齒面上不做出容屑槽，只是靠磨粒本身進行研削加工。

4.珩齒

珩齒時，珩磨輪與被加工齒輪的輪齒之間無側隙緊密嚙合，在一定的壓力作用下，由珩磨輪帶動被加工齒輪正反向轉動，同時被加工齒輪沿軸向作往復送進運動，從而加工出齒輪的全長和兩側面。

珩齒過程的本質就是低速、磨削、研磨和拋光的綜合。珩磨輪轉速一般在1000r/min以上，生產率很高，珩磨一個齒輪約需1min,齒加工精度可達IT6級，并能有效地減小齒面表面粗糙度值，達到Ra(0.4~0.8)

μm,減小齒圈徑向圓跳動，還能在一定程度上糾正齒向和齒形的局部誤差。

珩齒對于提高齒輪工作的平穩性、改善接觸精度和減少噪聲等極為有利，目前在生產中正逐漸以珩齒代替研齒。

5.磨齒

按照齒輪加工的原理，磨齒也分為成形法和展成法兩類，如圖5-11所示。

圖5-11a所示為成形法磨齒，砂輪的兩側面做成被磨齒輪的齒槽形狀，用成形砂輪直接磨出漸開線齒形。由于砂輪與被磨齒輪齒面之間接觸面積大，故生產效率高。但采用這種方法需要修整砂輪的漸開線表面，而且磨削面積大，砂輪磨損不均勻，容易燒傷齒面，加工精度也低，因此成形法磨齒應用不多。圖5-11b、c所示是應用展成法原理進行磨齒的兩種方法，并且都是利用齒輪齒條的嚙合原理進行的。圖5-11b所示是雙錐面砂輪磨齒，其砂輪截面呈錐形，相當于假想齒條的一個齒。圖5-11c所示是雙葉片碟形砂輪磨齒，兩片碟形砂輪傾斜安裝后，即構成假想齒條的兩個側面，砂輪的端平面便代表齒條的表面，并且主要是靠砂輪端平面上的一條0.5mm的環形窄邊進行磨削的。圖5-11磨齒加工原理示意圖a）用成形砂輪磨齒

b）用雙錐面砂輪磨齒

c）用雙葉片蝶形砂輪磨齒

5.磨齒

磨齒加工的主要特點是:加工精度高，一般條件下加工精度可達IT6

~IT4級，由于采用強制嚙合方式，不僅修正誤差的能力強，而且可以加工表面硬度很高的齒輪。經過磨齒后，齒面精度為IT6

~IT3級，齒面粗糙度值為Ra(0.2~0.8)μm。課后練習

5.圓柱齒輪齒形的加工方法有哪些？原理分別是什么？5.3