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1、圆柱齿轮的加工工艺一、 齿轮的技术要求圆柱齿轮是机械传动中应用极为广泛的零件之一，其功用是按规定的速比传递运动和动力。图524 圆柱齿轮的结构形式1圆柱齿轮的结构特点齿轮尽管由于它们在机器中的功用不同而设计成不同的形状和尺寸，但总是可以把它们划分为齿圈和轮体两个部分。常见的圆柱齿轮有以下几类(图6-15)：盘类齿轮、套类齿轮、内齿轮、轴类齿轮、扇形齿轮、齿条(即齿圈半径无限大的圆拄齿轮)。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。普通的单齿圈齿轮工艺性好；而双联或三联齿轮的小齿圈往往会受到台肩的影响，限制了某些加工方法的使用，一般只能采用插齿。如果齿轮精度要求高，需要剃齿或磨齿时
2、，通常将多齿圈齿轮做成单齿圈齿轮的组合结构。2圆柱齿轮的精度要求齿轮本身的制造精度，对整个机器的工作性能、承载能力及使用寿命都有很大影响。根据齿轮的使用条件，对齿轮传动提出以下几方面的要求：运动精度要求齿轮能准确地传递运动，传动比恒定，即要求齿轮在一转中，转角误差不超过一定范围。工作平稳性要求齿轮传递运动平稳，冲击、振动和噪声要小。这就要求限制齿轮转动时瞬时速比的变化要小，也就是要限制短周期内的转角误差。接触精度齿轮在传递动力时，为了不致因载荷分布不均匀使接触应力过大，引起齿面过早磨损，这就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。齿侧间隙要求齿轮传动时，非工作
3、齿面间留有一定间隙，以储存润滑油，补偿因温度、弹性变形所引起的尺寸变化和加工、装配时的一些误差。二、 齿轮的材料、热处理和毛坯材料的选择齿轮应按照使用的工作条件选用合适的材料。齿轮材料的选择对齿轮的加工性能和使用寿命都有直接的影响。一般齿轮选用中碳钢(如45钢)和低、中碳合金钢，如20Cr、40Cr、20CrMnTi等。要求较高的重要齿轮可选用38CrMoAlA氮化钢，非传力齿轮也可以用铸铁、夹布胶木或尼龙等材料。齿轮的热处理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、改善材料的可切削性和提高
4、综合力学性能。2）齿面热处理：齿形加工后，为提高齿面的硬度和耐磨性，常进行渗碳淬火、高频感应加热淬火、碳氮共渗和渗氮等热处理工序。(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，直径大于400600mm的齿轮，常用铸造毛坯。为了减少机械加工量，对大尺寸、低精度齿轮，可以直接铸出轮齿；对于小尺寸、形状复杂的齿轮，可用精密铸造、压力铸造、精密锻造、粉末冶金、热轧和冷挤等新工艺制造出具有轮齿的齿坯，以提高劳动生产率、节约原材料。三、 齿坯的机械加工1齿坯加工方案的选择对于轴齿轮和套筒齿轮的齿坯，其加工过程和
5、一般轴、套基本相似，现主要讨论盘类齿轮齿坯的加工过程。 齿坯的加工工艺方案主要取决于齿轮的轮体结构和生产类型。大批大量生产的齿坯加工大批大量加工中等尺寸齿坯时，青年工人多采用“钻一拉一多刀车”的工艺方案：1）以毛坯外圆及端面定位进行钻孔或扩孔；2）拉孔；3）以孔定位在多刀半自动车床上粗精车外圆、端面、切槽及倒角等。这种工艺方案由于采用高效机床可以组成流水线或自动线，所以生产效率高。成批生产的齿坯加工 成批生产齿坯时，常采用“车一拉一车”的工艺方案：1）以齿坯外圆或轮毅定位，精车外圆、端面和内孔；2）以端面支承拉孔(或花键孔)；3）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
6、现。它的特点是加工质量稳定，生产效率较高。当齿坯孔有台阶或端面有槽时，可以充分利用转塔车床上的多刀来进行多工位加工，在转塔车床上一次完成齿坯的加工。四、 齿形的加工方法齿形加工是整个齿轮加工的关键。按照加工原理，齿形加工可分为成形法和展成法两种。指状铣刀铣齿、盘形铣刀铣齿、齿轮拉刀拉内齿轮等是成形法加工齿形的例子，而滚齿、剃齿、插齿等是展成法加工齿形的例子。现介绍几种用展成法加工齿形的加工方法。1滚齿滚齿特点滚齿是齿形加工中生产率较高，应用最广的一种加工方法。而且滚齿加工通用性好，可加工圆柱齿轮、蜗轮等，亦可加工渐开线齿形、圆弧齿形、摆线齿形等。滚齿既可加工小模数、小直径齿轮，又可加工大模数、
7、大直径齿轮，加工斜齿也很方便。滚齿可直接加工98级精度齿轮，也可作为7级精度以上齿轮的粗加工和半精加工。滚齿可以获得较高的运动精度。因滚齿时齿面是由滚刀的刀齿包络而成，参加切削的刀齿数有限，故齿面的表面粗糙度值较大。为提高加工精度和齿面质量，宜将粗、精滚齿分开。滚齿加工质量分析1）影响传动准确性的加工误差分析 影响传动准确性的主要原因是，在加工中滚刀和被加工齿轮的相对位置和相对运动发生了变化。相对位置的变化(几何偏心)产生齿轮径向误差，它以齿圈径向跳动Fr来评定；相对运动的变化(运动偏心)产生齿轮切向误差，它以公法线长度变动Fw来评定。现分别加以讨论：齿轮的径向误差。齿轮的径向误差是指滚齿时，
8、由于齿坯的回转轴线与齿轮工作时的回转轴线不重合(出现几何偏心)，使所切齿轮的轮齿发生径向位移而引起的齿距累积误差(图6-16)。从图6-32可以看出，O为切齿时的齿坯回转中心，O为齿坯基准孔的几何中心(即齿轮工作时的回转中心)。滚齿时，齿轮的基圆中心与工作台的回转中心重合于O，这样切出的各齿形相对基圆中心O分布是均匀的（如图中实线圆上的P1P2），但齿轮工作时是绕基准孔中心O转动的(假定安装时无偏心)，这时各齿形相对分度圆心O分布不均匀了(如图中双点划线圆上的P1P2)。显然这种齿距的变化是由于几何偏心使齿廓径向位移引起的，故又称为齿轮的径向误差。图525 几何偏心引起的径向误差r一滚齿时的分
9、度圆半径 r一以孔轴心O为旋转中心时，齿圈的分度圆半径齿轮的切向误差：齿轮的切向误差是指：滚齿时因滚齿机分齿传动链误差，引起瞬时传动比产生不稳定，使机床工作台不等速旋转，工件回转时快时慢，所切齿轮的轮齿沿切向发生位移所引起的齿距累积误差。如图6-17所示。由图6-17可以看出，当轮齿出现切向位移时，图中每隔一齿所测公法线的长度是不等的。如2、8齿间的公法线长度明显大于4、6齿间的公法线长度。据此可以看出，通过公法线长度变动Fw可以反映出齿轮齿距累积误差(切向部分)，因此在生产中公法线长度变动可以作为评定齿轮传递运动准确性的指标之一。机床工作台的回转误差，主要取决于分齿传动链的传动误差。在分齿传
10、动链的各传动元件中，影响传动误差的最主要环节是工作台下面的分度蜗轮。分度蜗轮在制造和安装中产生的齿距累积误差，使工作台回转时发生转角误差，这些误差将直接地复映给齿坯使其产生齿距累积误差。影响传动误差的另一重要环节是分齿挂轮，分齿挂轮的制造和安装误差，也会以较大的比例传递到工作台上。图526 齿轮的切向误差为了减少齿轮的切向误差，主要应提高机床分度蜗轮的制造和安装精度。对高精度滚齿机还可通过校正装置去补偿蜗轮的分度误差，使被加工齿轮获得较高的加工精度影响齿轮工作平稳性的加工误差分折影响齿轮工作平稳性的主要误差是齿形误差、基节偏差等。 1）齿形误差 滚齿后常见的齿形误差，如图527所示。其中齿面出
11、棱、齿形不对称和根切，可直接看出来；而齿形角误差和周期误差需要通过仪器才能测出。应该指出，图6-18所示的误差是齿形误差的几种单独表现形式，实际齿形误差常是上述几种形式的叠加。图527 常见的齿形误差a)出棱 b)不对称 c)齿形角误差 d)周期误差 e)根切齿形误差产生的主要原因是：滚刀在制造、刃磨和安装中存在误差，其次是机床工作台回转中存在的小周期转角误差。下面分析这些误差对齿形误差的影响。齿面出棱的主要原因 滚齿时齿面有时出棱，其主要原因是：滚刀刀齿沿圆周等分性不好和滚刀安装后存在较大的径向圆跳动及轴向窜动等。由图528看出，刀齿存在不等分误差时，各排刀齿相对准确位置有的超前有的滞后，这
12、种超前与滞后使刀齿上的切削刃偏离滚刀基本蜗杆的螺纹表面。因而，在滚切齿轮的过程中，就会出现“过切”和“空切”而产生齿形误差。图528c是从图528b中取出三个刀齿位置加以放大的示意图。图中双点划线表示无等分误差时刀齿的位置(和渐开线齿面相切)；实线表示有等分误差时，刀齿2因滞后而引起刃口“空切”和刀齿3因超前而引起刃口“过切”的情况。刀齿等分性误差愈大，这种“空切”和“过切”愈严重，齿面出棱愈明显。刀齿等分性误差对不同曲率的渐开线齿形的影响是不同的，齿形曲率愈大(即齿轮基圆愈小)影响愈大，这也就是齿数少的小齿轮为何齿面易出棱的缘故。图528 刀齿不等分引起的齿形误差a)刀齿不等分 b)滚切过程
13、 c)放大图滚刀安装后，如果存在较大的径向圆跳动或轴向窜动，滚刀刀齿面同样会产生“过切”或“空切”使齿面出棱。图529刀齿前刀面非径向性误差对齿形误差的影响a)前角大于零 b)前角小于零1一刀齿 2一工件产生齿形角误差的主要原因 齿轮的齿形角误差主要决定于滚刀刀齿的齿形角误差。滚刀刀齿的齿形角误差，由滚刀制造时铲磨刀齿产生的齿形角误差和刃磨刀齿前刀面所产生的非径向性误差及非轴向性误差而引起。刀齿前刀面非径向性误差对齿形误差的影响，如图529所示。精加工所用滚刀的前角通常为0(即刀齿前刀面在径向平面内)，刃磨不好时会出现前角(正或负)。由于刀齿侧后面经铲磨后具有侧后角，因此刀齿前角误差必然引起齿
14、形角变化。前角为正时，齿形角变小，切出的齿形齿顶变肥(图529a)；前角为负时，齿形角变大，切出的齿形齿顶变瘦(529b)。刀齿前刀面的非轴向性误差，是指直槽滚刀前刀面沿轴向对于孔轴线的平行度误差(图6-21)。这种误差使各刀齿偏离了正确的齿形位置，而且刀齿左右两侧刃偏离值不等，这样既产生轴向齿距偏差，又引起齿形歪斜。产生齿形不对称的主要原因 滚齿时，有时出现齿形不对称误差，除了刀齿前刀面非轴向性误差的影响外，主要是滚齿时滚刀对中不好。滚刀对中是指滚齿时滚刀所处的轴向位置应使其一个刀齿(或齿槽)的对称线通过齿坯中心(图6-22)。滚刀对中了，切出的齿形就对称；反之则引起齿形不对称。滚刀包络齿面
15、的刀齿数愈少，工件齿形愈大且齿面曲率愈大时，齿形不对称愈严重。故对于模数较大且齿数较少的齿轮，滚齿前应认真使滚刀对中。产生齿形周期误差的主要原因 滚刀安装后的径向圆跳动和轴向窜动、机床分度蜗轮副图530刀齿前刀面非轴向性误差对齿形误差的影响图5-31滚刀对中对齿形的影响a)对中齿形 b)不对中齿形图中分度蜗杆的径向圆跳动和轴向窜动都是周期性的误差，这些都会使得滚齿时出现齿面凸凹不平的周期误差。 减少齿形误差的措施：从以上分析可知，影响齿形误差的主要因素是滚刀的制造误差、安装误差和机床分齿传动链中蜗杆的误差。为了保证齿形精度，除了根据齿轮的精度等级正确地选择滚刀和机床外，要特别注意滚刀的重磨精度
16、和安装精度。2）基节偏差在滚齿加工时，齿轮的基节应等于滚刀的基节。滚刀的基节：pb0=pn0cos0=pt0cos0cos0pt0cos0式中pb0滚刀的基节；pn0一滚刀的法向齿距；pt0滚刀的轴向齿距；0滚刀的法向齿形角；0滚刀的分度圆螺旋升角，一般很小，故cos01。由此可以看出，要减少基节偏差，滚刀制造时应严格控制轴向齿距及齿形角的误差；对影响齿形角误差和轴向齿距误差的刀齿前刀面的非径向性误差和非轴向性误差，也应加以控制。3）影响齿轮接触精度的加工误差分析 齿轮接触精度受到齿宽方向接触不良和齿高方向接触不良的影响。影响齿高方向接触不良的主要因素是齿形误差ff和基节偏差fpb，影响齿宽方
17、向接触不良的主要因素是齿轮的齿向误差F，此处只分析影响齿向误差F的主要因素。齿向误差F是指在分度圆柱面上，齿宽工作部分范围内，包容实际齿线且距离为最小的两条设计齿线之间的端面距离。滚齿加工中引起齿向误差的主要因素如下：滚齿机刀架导轨相对工作台回转轴线存在平行度误差时，齿轮会产生齿向误差(图5-32)。由于夹具支承端面与回转轴线的垂直度误差，或齿坯孔与定位端面的垂直度误差(图5-33)等工件的装夹误差均会造成被切齿轮的齿向误差。图5-32 滚齿机刀架导轨误差对齿向误差的影响a)导轨不平行 b)导轨歪斜1刀架导轨 2齿坯 3夹具底座 4机床工作台滚切斜齿轮时，除上述影响因素外，机床差动挂轮的误差，
18、也会影响齿轮的齿向误差。2插齿及与滚齿工艺特点比较插齿原理与运动插齿也是生产中普遍应用的一种切齿方法。1）插齿原理：从插齿过程原理上分析，插齿刀和工件相当于一对轴线相互平行的圆柱齿轮相啮合，插齿刀就县一个磨有前、后角具有切削刃的高精度齿轮。2）插齿的主要运动（图5-34）：1）切削运动。插齿刀的上下往复运动。2）分齿展成运动。插齿刀与工件间应保持正确的啮合关系。插齿刀每往复一次，工件相对刀具在分度圆上转过的弧长为加工时的图5-33 齿坯安装歪斜对齿向误差的影响 图5-34 插齿时的运动l工作台回转轴线 2心轴轴线 3齿坯内孔轴线4进给方向 5刀架导轨 6垫圈圆周进给运动，故刀具与工件的啮合过程
19、也就是圆周进给过程。3）径向进给运动。插齿时，为逐步切至全齿深，插齿刀应有径向进给运动fr。4）让刀运动。插齿刀作上下往复运动时，向下是工作过程。为了避免刀具擦伤已加工的齿面并减少刀齿磨损,在插齿刀向上运动时,工作台带动工件沿径向退出切削区一段距离，插齿刀工作行程时，工件恢复原位。在较大规格的插齿机上，让刀运动由插齿刀刀架部件来完成。插齿与滚齿工艺特点比较插齿与滚齿同为常用的齿形加工方法，它们的加工精度和生产率也大体相当。但在精度指标、生产率和应用范围等方面又各自有其特点。现分析比较如下：1）插齿的加工质量：1）插齿的齿形精度比滚齿高。这是因为插齿刀在制造时，可通过高精度磨齿机获得精确的渐开线
20、齿形。2）插齿后的齿面粗糙度值比滚齿小。其原因是插齿的圆周进给量通常较小，插齿过程中包络齿面的切削刃数较滚齿多，因而插齿后的齿面粗糙度值小。3）插齿的运动精度比滚齿差。因为在滚齿时，一船只是滚刀某几圈的刀齿参加切削，工件上所有齿槽都是这些刀齿切出的；而插齿时，插齿刀上的各刀齿顺次切削工件各齿槽，因而，插齿刀上的齿距累积误差将直接传给被切齿轮；另外，机床传动链的误差使插齿刀旋转产生的转角误差，也使得插齿后齿轮有较大的运动误差。4）插齿的齿向误差比滚齿大。插齿的齿向误差主要决定于插齿机主轴往复运动轨迹与工作台回转轴线的平行度误差。插齿刀往复运动频率高。主轴与套筒的磨损大，因此插齿的齿向误差常比滚齿
21、大。2）插齿的生产率：切制模数较大的齿轮时，插齿速度要受插齿刀主轴往复运动惯性和机床刚性的制约，切削过程又有空程时间损失，故生产率比滚齿加工要低。但在加工小模数、多联齿、齿宽窄的齿轮时，插齿生产率会比滚齿高。3）插齿的应用范围：从上面分析可知，插齿适合于加工模数小、齿宽较小、工作平稳性要求较高而运动精度要求不太高的齿轮。尤其适用于加工内齿轮、多联齿轮中的小齿轮、齿条及扇形齿轮等。但加工斜齿轮需用螺旋导轨，不如滚齿方便。五、 圆柱齿轮加工工艺过程 加工一个齿轮大致要经过齿坯加工、齿形加工、热处理齿形精加工等四个主要步骤。图5-35 齿端加工a)倒圆 b)倒尖 c)倒棱图5-36 齿端倒圆齿轮的齿端加工方式有：倒圆、倒尖、倒棱和去毛刺四种方式。经倒圆、倒尖、倒棱后的齿轮(图5-35)。沿轴向移动时容易进入啮合。齿端倒圆应用最多，图5-36是表示用指状铣刀倒圆的原理图。倒圆时，齿轮慢速旋转，指状铣刀在高速度旋转的同时沿齿轮轴向作往复直线运动。齿轮每转过一齿，铣刀往复运动一次，两者在相对运动中即完成齿端倒圆。同时由齿轮的旋转实现连续分齿，生产率较高。齿端加工应安排在齿形淬火之前进行。