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齿轮加工方式
第一章齿轮的种类及应用范围
第一节齿轮种类
齿轮传动是目前机械传动中应用最广泛、最常见的一种传动形式。
齿轮用它的轮齿来传递力矩和运动、变换运动的方向、指示读数及变换机构的位置等。
齿轮按轮齿齿廓曲线,可分为渐开线、摆线、圆弧线、双圆弧线齿轮等。
按其外形,可分成圆柱齿轮、锥齿轮、蜗杆蜗轮、鼓形齿轮、非圆齿轮等。
按其传动形式,又可分为平行轴传动、相交轴传动及交错轴传动。
第二节齿轮的应用范围及特点
惴的分类购用及触见表
表1-2熾传动嘛分类
主B»A
平
的
齿
传
动
除
A
-爵
§Of
⑵骷的齿妨鮎也轮般互
⑷矫騎林删4TS
传动
直齿圈柱齿炖传动
内呦合
<丨>芮轮拍线互相¥tr:
a>两轮转动方向相同:
心》轮检的齿长方向与齿轮轴皴互
相平行
斜齿関柱齿絵传动
两轴屮厅的齿轮传动
外咕合内除合
仃〉轮凶齿tc方向线勺古轮蜻线幘斜一个曲度:
(2>与直齿風柱齿轮传动枷比.同时帼合的齿數壇莎•传功屮憶.传建的扭矩也比较大;
竹>运转时存在轴向力:
<4>2DTtt造比直齿Ifl柱齿晁IM些
人7歯轮传动
&«!
与齿*传动
直齿形斜齿形
<1>A有斜齿■柱齿轮的优点•同时・运转时不产生轴向力:
«2>适用千传谨功率大•需作正反向运转的机枸中:
(3>加T制造比斜齿同柱齿轮麻饭
仃>把古轮直屋无眼披大便彤成古歩,所以它是员柱也轮的一冲料例;
〈2>可以用東把St转运动受为言线运动,也可以把直线;运功变成为旋传运动
形式
吞轴平斤的齿轮竹功
门[目肋常视的非制齿驼h代国形印爾帮两甘:
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荻古够齿轮传切
英齿嬪齿轮竹切
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(正交)iX<9(Pi
心)靛曲也战询延长毁逼11第顶血
(】1絶齿齿找呈斜向•或者说.齿歧的M长找干遍过伶顶贞••而斥与臬一囲捋切;
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竭杆竹切
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可以丈现大的传功比.铸渤亍
稔.呼声小•玄Hg;
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第二章齿轮加工方法及工艺过程
第一节齿轮加工方法
一、齿轮常用材料及其力学性能
齿轮的轮齿在传动过程中要传递力矩而承受弯曲、冲击等载荷。
通过一段时间的使用,轮齿还会发生齿面磨损、齿面点蚀、表面咬合和齿面塑性变形等情况而造成精度丧失,产生振动和噪声等故障。
齿轮的工作条件不同,轮齿的破坏形式也不同。
选取齿轮材料时,除考虑齿轮工作条件外,还应考虑齿轮的结构形状、生产数量、制造成本和材料货源等因素。
一般应满足下列几个基本要求:
1.轮齿表面层要有足够的硬度和耐磨性。
2.对于承受交变载荷和冲击载荷的齿轮,基体要有足够的抗弯强度与韧性。
3•要有良好的工艺性,即要易于切削加工和热处理性能好。
齿轮的常用材料及其力学性能见表1-3。
二、常用齿形加工方法
齿轮齿形的加工方法,有无切屑加工和切削加工两大类。
无切屑加工方法有:
热轧、冷挤、模锻、精密铸造和粉末冶金等。
切削加工方法可分为成形法和展成法两种,其加工精度及适用范围见表1-4
表1・3常用的齿轮材料及其力学性能
牌号
热处理
力学性能
®度
强度极限ab(MPa>
届服极區
製劳极限
极限搐环次数
Nq
35
1E火
调质
150~180HB
190・230HB
500
650
320
350
240
270
10
45
正火
调顾
170-200IIB
220・25OHB
610-700
7S0-900
360
450
260-300
320■3M
整体淬火
4O~45HRC
1(MM)
750
430-450
(3~4)xIO7
表面淬火
45-50HRC
750
450
320-360
(6-8)x107
含
:
■
35SiMn
调质
200*26OIIB
750
500
380
IO7
4 42SiMn 4Z)MnB 调质 250~280HB 900_1000 8(M) 450-500 整侏滓火 45^5OHHC 1400-1600 1000~1100 550~650 dxIO7 表而淬火 5O-55HRC 1U00 850 500 (6-8)xIO7 20Cr 205iMn 20MnB 港碳淬火 56-62HRC 800 650 420 (9-I5)xIO7 IRCrMnTi 2OMnVB 潅破泮火 56-62HRC 1150 950 550 (9-15)x107 I2NK: r 澧职淬火 56-62HRC 950 500-550 2G35 ZX5 ZG55 止火 140-176IIB 160-210HB 180-2I0IIR 500 550 600 >oo 320 350 230 240 260 IO7 铸 铁 HT200 HT300 170~23OIIB 190・250HB 200 300 IOQ~120 130-130 QT400 QT6C0 1E火 156-2001IB 200-27OIIB 400 600 300 420 200-220 240-260 變料 仏尼龙 20HB 90 60 夹布胶木 3O-4OHRC 85“100 农1-4齿轮齿形的常川切削方法 加工方法 刀具 机床 加工精度及适应范也 盘形洗刀 铳床 加工粘度和生产率部佼低 仿 形 成形铳 捋形洗刀 滚齿机 或铳床 同上,足大熨无槽人字齿轮的主耍加工方袪 法 拉齿 齿轮拉刀 拉床 加工粘度和生产率较高,拉刀&用,适用丁大批生产,尤兀是内齿轮加工出是适宜 滾齐 灰轮滾刀 滾齿机 加丁粘i度6■10级.儿6.3-化3.2常用丁•加丁直恆轮、斜为轮及姻轮 展 插齿和 播齿刀 播齿机 加丁将度7-9级.心6.3~心3.2适用于加T内外囁合的岡柱齿轮•双联 刨齿 例齿刀 刨齿机 齿轮、三联齿轮,齿条和谁齿轮等 成 剃齿 剃齿刀 剃齿机 加工特度6-7级。 常用于滾齿、插齿后,淬Z火前的箱加匸 怖齿 布庭轮 阳齿机 加工粽度6~7级.常用『别齿后或高频淬厉的怖形辂加工 剃齿机 應齿 砂轮 曆齿机 加丁将度3~6级•儿1.6~^0.8常用于齿轮淬火后的将加T 三、齿轮常用热处理(表1-5) 芨I一5齿轮的常用热处锂及化学麹处理 名称 駁理概况 便用目的 退 火 rii 将钢加恢刊临界觀度以匕保温-定时间■然后缓樫冷如 (Q消除前適工序所产生的内应力; (2)提高瑕性和韧性; 仃)细化晶饋,均匀组纵‘握囱创材的力丫性能; (4)为以后热处理作准备 火 3烈淬火后•回火主00 、廿£铀冷淬火后回火 至30-40TIRC 将钢加热到临界隘咚以上,保温定吋间•在冷却利(水、油或盐水、中急速冷却 仃)捉高駛便和强度: (2)捉岛耐憲性 而淬k 心事火焰辞火斤冋火至52-58HRC 652(高频眸火后.回火 至50-55HRC 用火焰或哥頻电沆桁钢杵表面迅遽加热到临胖温琏MX急連冷却 萼件农血具有烏的岐度「丽体心部分具有--至的初性。 便轮齿表面趾耐歴又能廉受冲山载荷 : V 淬 火 SO.3-C39(薜餓层洙 0r5ihibt痒火土5662HRC 在滓破剂中加轴至9OU仍0匕停留•定吋间,然后淬火及回火 ⑴扯髙零杵我面的迹度和耐曆性: (2)堤高材稈的嫂劳握琨强度; 门)轮齿件心具百定翻性 调 T235 256HR 停丈启•柱450~ 650%: 作岛温冋火 可以完全消陳内应力.并秩料牧商的塚合机械性能 正 火 Z 将辆in战到輕界温陛以上'保温定时同•从炉中取出在空气中冷却 <1)细化粛检.提赵强度和卸性; 佬测肌戡性起妾亦4咼的等件•帛用1E火作为最绻处墨 门)能样改善低薰钢旳切削性能: (4)倉牌钢小于n.s^的钢件,常用匸火代退火 : T 称 标注举例 处理襯况 使用目的 M 化 D0,-9(10(虱化深度 0.3mm磧度丸于3501IV 氮化是向钢件表面津 入氮版子的过程 建高轮齿我廁的砸境、前赴性、械劳强度和耐蚀性 化 05瓠貳化淬火后・Id火 5t56-&2HRC 亂化是向钢刑表面何 叶海人濮和甌原于的it 捉血轮齿去ifn的锁惟、耐也性,帔劳强喪和用辿tL 第二节齿轮加工工艺过程 齿轮制造技术是获得优质齿轮的关键。 齿轮加工的工艺,因齿轮结构形状、精度等级、生产条件可采用不同的方案,概括起来有齿坯加工、齿形加工、热处理和热处理后精加工四个阶段。 齿坯加工必须保证加工基准面精度。 热处理直接决定轮齿的内在质量,齿形加工和热处理后的精加工是制造的关键。 也反映了齿轮制造的水平。 在齿轮加工工艺上,对软齿面和中硬齿面齿轮(300~400HBS),—般工艺方法为调质后滚齿或插齿。 对大模数齿轮则采用粗滚齿一调质一精滚齿。 对汽车、拖拉机、机床等齿轮,批量大,要求精度高,采用滚齿或插齿后,再进行剃齿或珩齿。 齿面感应淬火的齿轮 (42~52HRC),其工艺为滚齿或插齿、剃齿、感应淬火,再剃齿或珩齿。 对于硬齿面齿轮,一般先滚齿或插齿,有时还剃齿,热处理后精整基准面,轮齿变形大时,进行磨齿。 轮齿变形较小,且精度要求在7级和7级以下的齿轮,热处理后可采用珩齿或研齿。 要求精度高且载荷不太大,且要求硬齿面的齿轮,可采用精滚齿后离子渗氮工艺。 设计合理的齿轮的性能,除材料因素外,主要取决于齿轮制造水平。 目前齿轮已达到的参数和性能指标见表1-7。 表]-7齿轮的参数和性能指标 齿轮苴任 1.5-152500 齿■轮植歎mm】 100 最局节闖找垂度〔nV“ T业应用F200"250 J000CX) 齿轮直椅 1上-1525UJ 展尢输出转矩 【kS*hi) 1354碍 tMPG 鳧谨齿轮: 罠25 试验歯轮匕14.7 牯度和丧向祖桂度 爲趣齿轮皿紐以上 ^Or(M)K 蚯速重建齿轮;7级以上 用』H九辛E 机床齿轮级 ft0.1fi*■2,5mm ■厂 汽车齿鞘汚级 WJ1.32-2.5titn 低速直建齿轮n汀肆戚建;S齿轮]H2U年肌床歯轮110年以上汽车齿轮MHtKKNm 齿轮噪声 岳迷齿轻「卜于P中、低浊生纶*小于H5 ⑷山貼46誓谊机味7—恥 HL床齿轮t0士rn宀 曲密机廉A9-74 为了齿轮在工作状态下正常啮合,对于圆周速度超过100m/s的高速齿轮,由于运转中的热效应,应对齿面热变形进行修形。 对于低速重载齿轮,采用硬齿面齿轮由于跑合性能不好,齿面负荷系数增加,导致整个齿轮装置系统产生一定的弹性变形,会产生沿齿向载荷分布不均,因此,必须齿向修形。 总之,国内外对齿面修形技术已作为齿轮制造中的一项重要工作内容,尤其是在减小体积,提高承载能力方面更是如此。 一、齿轮加工方法 齿轮的加工方法很多,但主要方法有滚齿、插齿、剃齿和磨齿。 其他尚有铣齿、刨齿、梳齿、挤齿、珩齿和研齿等。 近年来,在加工技术,如硬齿面技术、计算机数控技术等方面的发展,已使各种加工方法出现了崭新面貌。 (一)滚齿 滚齿于1897年即被应用,是目前应用最广的切齿方法,可加工渐开线齿轮、圆弧齿轮、摆线齿轮、链轮、棘轮、蜗轮和包络蜗杆。 滚齿精度一般可达4~7级。 表面粗糙度Ra3.2~1.6um。 国产滚齿机(丫31800A)加工最大直径达8m,最大模数达40mm。 目前高速钢滚刀的切削速度可达100~200m/min,加工齿面硬度最高达300~400HB。 硬质合金滚刀切削速度可达300m/min,滚切齿面硬度最高达HRC62。 滚齿是一种高效切齿方法。 目前滚齿的先进技术有: 1.多头滚刀滚齿 一般双头滚刀可提高效率约40%。 但滚刀各头之间的偏差影响齿轮的齿向精度。 2.滚齿机数控化或普通滚齿机安装数显装置 80年代国外已制造了全数控(CNC)机床,即用计算机数控,用电子系统协调机床各种运动,可减少调整时间和提高加工精度。 3.硬齿面滚齿技术硬齿面滚齿扩展了滚齿领域。 该方法也称刮削齿加工。 刮削可作为大型齿轮磨前予加工 工序,去掉淬火变形量,直到留有合理的磨削余量,以减少磨齿时间,降低成本。 刮削作为精加工工序,可达到6级精度,如果与蜗杆珩齿相结合,可获得良好的齿面质量,避免磨削烧伤和裂纹。 可比单纯磨齿提高效率1~5倍,费用降低一半以上。 硬齿面滚齿的滚刀刀齿采用硬质合金或金属陶瓷材料,表层涂氮化钛,这些新材料已经能够控制刀具的崩刃。 同时也提供了干式(不用切削油)切削的可能性,干式切削优点是不需 准备和处理冷却液,不要求油雾处理(由空气排放)的工作,干切屑无污染,零件也没有清理的要求。 如果切削时使用切削油,则可提高刀寿命。 4.大型齿轮滚齿大型齿轮滚齿,由于工件体积大,重量重,装卡不便。 所以大型齿轮滚齿设备的发展趋势是综合性加工。 (二)插齿和梳齿插齿是一种广为采用的切齿方法,特别适合于加工内齿轮和多联齿轮。 采用特殊刀具和附件后,还可加工无声链轮、棘轮、内外花键、齿形皮带轮、扇形齿轮、非完整齿齿轮、特殊齿形结合子、齿条、端面齿轮和锥度齿轮等。 数控插齿机能加工椭圆齿轮、非圆齿轮和特殊形状的齿轮。 梳齿是用齿条刀插削圆柱齿轮。 特点是加工精度高,可达DIN5级。 由于刀具结构简单、制造刃磨方便,精度高、刃磨次数多,便于采用硬质合金刀片和立方氮化硼(CBN)刀片加 工淬硬齿轮。 (三)剃齿 剃齿是一种高效齿轮精加工方法,最早于1926年在美国应用。 和磨齿相比,剃齿具有效率高、成本低、齿面无烧伤和裂纹等优点。 所以在成批生产的汽车、拖拉机和机床等齿轮加工中,得到广泛应用。 对角剃齿法和径向剃齿法还可用于带台肩齿轮的精加工。 (四)珩齿珩齿是一种轮齿表面光整加工技术,可有效地改善齿面质量,粗糙度由Ra2.5减小到 Ra0.63以下。 某些珩齿方法还能在一定程度上提高齿轮精度,由于效率高,成本低,齿面无烧伤,所以广泛用于7级以下精度的软、硬齿面齿轮加工。 珩齿方法有齿轮形珩轮外啮合珩齿、蜗杆式珩轮珩齿和内啮合珩齿。 齿轮形珩轮外啮合珩齿已广泛应用,能有效地降低齿面粗糙度,但提高齿轮精度的能力甚微。 (五)磨齿磨齿是获得高精度齿轮最有效和可靠的方法。 发达国家都用硬齿面齿轮,磨齿成为高精度齿轮的主要加工方法。 目前碟形砂轮和大平面砂轮磨齿精度可达DIN2级,但效率很低。 蜗杆砂轮磨齿精度达DIN3~4级,效率高,适用于中、小模数齿轮磨齿,但砂轮修正较为复杂。 磨齿的主要问题是效率低、成本高,尤其是大尺寸齿轮。 所以提高磨齿效率,降低费用成为当前主要研究方向,在这方面,近年来出现的新技术有: 改进磨削方法如减少磨削次数,压缩展成长度,缩短磨削冲程,可以提高磨齿效率。 应用立方氮化硼(CBN)砂轮高效磨齿CBN砂轮具有硬度高、耐磨性好、寿命长、精度保持性好、切削性能好、热扩散系数大等优点。 因此,用CBN砂轮磨齿轮比用单晶钢玉砂轮磨削效率提高5~10倍,被磨削表面不易发生烧伤和裂纹,表面呈压应力状态,疲劳强度高。 (六)螺旋锥齿轮加工螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮广泛应用于汽车、拖拉机、工程机械、石油地质钻机、坦克、直升飞机和机床的驱动。 这类齿轮的设计制造质量主要取决于两方面因素。 一是加工设备及其工夹具的精度。 二是由复杂的共轭计算所确定的机床及刀具的调整参数保证的齿形精度,这是提高这类齿轮质量的关键所在。 在螺旋锥齿轮加工方面。 美国格利森公司占有很重要的地位。 近十余年间,格利森公司在加工设备方面,创造了高效准双曲面齿轮磨齿机和数控多功能铣齿机。 在质量检验分析和控制技术方面,研制了具有三坐标测量功能的计算机辅助检测系统,可快速准确测出齿形误差,并得出最佳的切齿修正调整参数。 在设计制造技术方面,研制了一套包括几何、强度设计、切齿(或磨齿)调整参数计算,考虑轮齿边缘和轮齿接触分析和有限 元应力接触分析的计算机软件系统。 我国现已能制造较先进的弧齿锥齿轮切齿机床,如Y2250A、Y2080I等。 在软件开发方面,重庆大学、北京农业工程大学等分别研制的弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮设计制造应用技术软件系统,可完成齿轮几何参数设计,加工时机床离刀盘的调整参数计算,轻载下的轮齿接触分析(TCA)以及精密磨齿调整参数计算。 (七)研齿为了改善齿面粗糙度,可采用研齿。 有时由于装配误差及受载变形等因素影响,使原本精度较高的齿轮在满载下,齿面接触情况变坏,也可用研齿方法进行改善。 研齿时,必需用齿轮专用研磨剂,以避免损伤齿面,或研磨后清洗不掉,造成齿轮运转后损伤齿面,以及研磨剂进入轴承,损伤轴承。 (八)齿轮检测齿轮检测技术在齿轮制造中占有重要地位,没有先进的检测技术和仪器,不可能制造出性能优良的齿轮。 现代齿轮检测技术向非接触化、精密化、多功能化、高速化、自动化、智能化、集成化(计算机控制)、经济化方向发展。 在检测领域方面,解决大模数和小模数齿轮的检测问题。 目前齿轮检测方法有单项误差的测量和综合误差的测量两大类。 1968年我国成都工具研究所首创了齿轮整体误差测量理论和方法。 揭示了齿轮传动特性和各种误差之间的内在联系,为控制传动质量,改进齿轮设计和制造提供依据。 1970年后,我国成都工具研究所、哈尔滨和北京量具刃具厂等运用该方法分别研制成了截面整体误差测量仪。 从而将我国齿轮测量技术发展到动态综合测量的新阶段。 三、齿轮工艺分类 (一)圆柱齿轮加工 (二)蜗杆副加工 (三)锥齿轮加工 (四)特种齿轮加工 (五)齿轮加工方法选择齿轮的各种加工方法都有相对应的一种或多种齿轮加工机床和刀具,不同的行业(生产批量)生产条件各不相同,可根据齿轮的种类、材料及热处理和精度要求等,参考表1-8~表 1-10合理选择加工方法。 表中精度等级的选用分别适用于下列三种情况: 1.较低精度等级对加工机床、刀具和切齿操作等没有特殊要求,一般情况 下都能达到的精度等级。 2.中间精度等级要求加工机床、刀具和切齿操作等均是最佳状态,才能达到的精度等级。 3.较高精度等级必须采取特殊措施,在特定条件下才能达到的精度等级。 表I-X圆柱齿轮工艺方法与加工精度表 T•艺方広 T•艺方法简图 加工将度 机床 刀具 刀具刃 加丁•特点 滾齿 6・9 廉齿机Y3180IV1 ZWF50 (德国) 滚刀 渡刀■ 生产宰高,通用性大,连续分度滚齿•运动误差易保证 铳 盘狀 铳刀 8-9 滾齿机 Y3O2OOA徒床 X63W 盘状成形铳刀 T共糖床 切和效率高, 刀具价格较低 工艺方拄工艺方法简图 加工 机床 刀貝 刀貝刃 磨设备 加I: 特点 波齿机 Y31200A 铁齿机 OKH35(tt克) 切削效*较島•丿J具价格低•可加「无退刀椅的人字齿 适用T中小 摘齿 切刖运动; =•止刀运动 捕齿机 Y515O 88—16 (美国) 摘齿刀 菇齿刀 復数齿轮加L. 生产率较高•通 用性好•广泛用T•内齿轮•戏联及务联齿轮加 齿形加工精度烏•适用范国广•刀貝制造较易•价格便宜 I: 艺方枪 工艺方法筒图 加工 机床 刀貝 国设备 加L特点 成形砂轮僭齿 7-S 5-7 4-7 詹齿机 曆齿机 T7I50D 倉齿机 SHS180 (瑞上) 成形 砂死 惟形 砂轮 碟形 砂轮 砂轮修 形机构 砂轮修 整机松 自諭补 偿机构 生产車很嵩,砂轮足专用的.适用于较大批董生产齿轮 生产率较生产准备和调整都较曲单 采用濟形妙轮的梭边詹削不加冷却液,生产車较低 irar 机床 怡设备 加I•特点 砂轮 廣齿 5-7磨齿机 蝎杆砂轮齿形修整机构 取杆砂 轮齿形 怯磨机 生产卑很再,特别适用丁成批生产和夫量生产 环而 蝎杆 腐齿 环闻竭 6-7 磨齿机 环面堀 杆砂轮 杆砂轮 金別石 生产效率锻 烏•待别适用于 大気生产 剃齿 5-7 封齿机 ¥4236 剃齿刀 親齿刀 怡齿机 主賀用丁齿轮的滚捕预加匚后的粗加E,和膳齿相比•具冇效率岛.成本低•齿向无烧伤和裂纹等优点 挤齿 7-8 齐齿机 挤轮 齿轮准床(多采用大平面砂轮磨伍机) 多用T齿形精加】1.・以代替剃齿•生产率比剃齿岛 加I特点 金刚石 6-8 巾齿机 Y4632 竹或珀 轮修鞄 效率髙•成本低•表面质量好•齿面无烧伤•尤JlJfifflT作硬齿商滚•捕后改苜衣05粗糙度的后续工序 表1-9蜗杆蜗轮丁艺方法与加丁精度表 加1.希度 机床 刀只 刀具刃唐设备 加匸特点 4~7 波齿机 5330依办叹》 FTK5血克) 纲轮飞刀 万能匸 切向进给粘切齿 4・7 浪齿机 Y3180H/I Foi6(Ml克) 艮向娼轮滾刀 潦刀■ 轻向遇给滚齿 表1-9蜗杆蜗轮T•艺方法与加丁精度表 表1-10锥齿轮丁艺方法和加T.ffi/5表 工艺方法 工艺方法简图 加I. 机床 刀具 刀真刃稱设备 加1•特点 直 齿 齿 側 齿 仿形 刚齿 7-S 刨齿机 K4A C躍七) 圖头单刃刨刀 万能1: 单分齿加工
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