齿轮加工制造过程.docx

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齿轮加工制造过程

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引言

齿轮是机械传动装置中的重要组成部分,主要传递力矩,承受弯曲和冲击等载荷。

为了确保传动系统的寿命和运转稳定性，齿轮需具有以下几个要求：

1.具有较硬的表面层，能够抵抗运转过程中的磨损；2.对于承受交变载荷和冲击载荷的齿轮，基体需有足够的抗弯曲强度和韧性，以免发生变形或断裂；3.需要有良好的工艺性，既要易于切削加工又具有良好的热处理性能。

齿轮制造技术是获得优质质齿轮的关键。

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，也反映着齿轮制造的水平。

一、齿轮加工方法

目前齿轮的加工工艺过程包括以下过程：

齿轮毛坯加工、齿面加工、热处理工艺及齿面的精加工。

齿轮的毛坯件主要是锻件、棒料或铸件，其中锻件使用最多。

对毛坯件首先进行正火处理，改善其切削加工型，便于切削；然后进行粗加工，按照齿轮设计要求，先将毛坯加工成大致形状，保留较多余量；再进行半精加工，车、滚、插齿，使齿轮基本成型；之后对齿轮进行热处理，改善齿轮的力学性能，按照使用要求和所用材料的不同，有调质、渗碳淬火、齿面高频感应加热淬火等；最后对齿轮进行精加工，精修基准、精加工齿形。

（一）、齿轮毛坯加工

齿轮的毛坯加工在整个齿轮加工过程中占有很重要的地位。

齿面加工和检测所用的基准必须在齿轮毛坯加工阶段加工出来，同时齿坯加工所占工时比例较大，对生产效率和齿轮加工质量都具有很大影响，余量过多将导致后续半精加工和精加工所需加工的量增多，耗时增加，降低生产效率；若余量过少，则后续加工需特别谨慎，否则将超出齿轮设计精度尺寸使得产品不合格。

因此需要对齿轮毛坯加工阶段予以特别重视。

（二）、齿面加工

针对齿面加工的方法很多，主要有滚齿、插齿、剃齿、磨齿、铣齿、刨齿、梳齿、挤齿、研齿和珩齿等，其中使用最多的是前四种方法：

滚齿、插齿、剃齿和磨齿。

1、滚齿

滚切齿轮属于展成法，可将看作无啮合间隙的齿轮与齿条传动。

当滚齿旋转一周时，相当于齿条在法向移动一个刀齿，滚刀的连续传动，犹如一根无限长的齿条在连续移动。

当滚刀与滚齿坯间严格按照齿轮于齿条的传动比强制啮合传动时，滚刀刀齿在一系列位置上的包络线就形成了工件的渐开线齿形。

随着滚刀的垂直进给，即可滚切出所需的齿廓。

滚齿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，精度一般可达到DIN4~7级。

目前滚齿的先进技术有：

（a）多头滚刀滚齿；（b）硬齿面滚齿技术；（c）大型齿轮滚齿技术；（d）高速滚齿技术。

图1滚齿

2、插齿

插齿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。

目前先进插齿技术有：

（a）多刀头插齿技术；（b）微机数控插齿机；（c）硬齿面齿轮插削技术。

图2插齿

3、剃齿

剃齿加工是根据一对螺旋角不等的螺旋齿轮啮合的原理，剃齿刀与被切齿轮的轴线空间交叉一个角度，它们的啮合为无侧隙双面啮合的自由展成运动。

剃齿是一种高效齿轮精加工方法，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。

图3剃齿

4、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，尤其是大尺寸的齿轮。

所以提高磨齿效率，降低费用是当前的主要研究方向。

近年来磨齿方面的新技术有：

（a）双面磨削法；（b）立方氮化硼砂轮高效磨齿；（c）连续成型磨齿技术和超高速磨削技术。

图4成形砂轮磨齿

5、铣齿

铣齿属成形法加工齿轮，刀具的截形与被加工齿轮的齿槽形状相同，刀具沿齿轮的齿槽方向进给，一个齿槽铣完，被加工齿轮分度后，再铣第二个齿槽，齿轮的齿节距由分度控制。

由于齿轮的齿槽形状与齿轮的齿数、修正量、甚至齿厚公差有关，成形法铣齿难于实现刀具齿形与被加工齿轮齿槽都相同，实际上铣齿大都是近似齿形。

大模数的齿轮，铣齿生产效率较高，铣齿广泛用于粗切齿。

图5盘状铣刀铣齿和指状铣刀铣齿

6、刨齿

刨齿一般是用刨齿刀加工直齿圆柱齿轮、锥齿轮或齿条等的齿面。

刨刀有两个运动：

一是刨刀的直线切削往复运动；二是刨刀随摇台的平面回转运动，刀具与被加工锥齿轮的运动关系，相当于一个平顶或平面齿轮的齿与被加工锥齿轮的啮合。

刀具展成切齿循环一次，加工出一个齿，被加工锥齿轮分度后，加工第二个齿。

图6刨齿

7、梳齿

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刀片加工淬硬齿轮。

图7梳齿

综合齿轮齿形的加工方法，汇总成表1。

表1齿轮齿形的常用切削方法

加工方法

刀具

机床

加工精度及适应范围

仿形法

成形铣

盘形铣刀

铣床

加工精度和生产效率都较低

指形铣刀

滚齿机

或铣床

同上，是大型无槽认字齿轮的只要加工方法

拉齿

齿轮拉刀

拉床

加工精度和生产率较高，拉刀专用，适用于大批生产，尤其是内齿轮加工

展成法

滚齿

齿轮滚刀

滚齿机

加工精度6~10级，Ra6.3~Ra3.2常用于加工直齿轮、斜齿轮及蜗轮

插齿和

刨齿

插齿刀

刨齿刀

插齿机

刨齿机

加工精度7~9级，Ra6.3~Ra3.2适用于加工内外啮合的圆柱齿轮，双联齿轮、三联齿轮，齿条和锥齿轮等

剃齿

剃齿刀

剃齿机

加工精度6~7级，常用于滚齿、插齿后，淬火前的精加工

珩齿

珩磨轮

珩齿机

剃齿机

加工精度6~7级，常用于剃齿后或高频淬火后的齿形精加工

磨齿

砂轮

磨齿机

加工精度3~6级，Ra1.6~Ra0.8，常用于齿轮淬火后的精加工

（三）、热处理工艺

齿轮的热处理是齿轮加工制造过程中必须也是重要的步骤，热处理工艺的好坏将直接影响到齿轮的强度、精度、噪声和寿命。

表2为齿轮的常用热处理及化学热处理工艺。

表2齿轮的常用热处理及化学热处理工艺

名称

处理概况

使用目的

退火

将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却

（1）消除前道工序所产生的内应力；

（2）提高塑性和韧性；

（3）细化晶粒，均匀组织，提高钢的力学性能；

（4）为以后热处理作准备

淬火

将钢加热到临界温度以上，保温一定时间，在冷却剂

（1）提高硬度和强度

（2）提高耐磨性

表面淬火

用火焰或高频电流将刚健表面迅速加热到临界温度以上，快速冷却

零件表面具有较高的硬度，而心部保持原有的韧性和塑性，使齿轮既能具有一定耐磨性又能承受一定的冲击载荷

渗碳淬火

在渗碳剂中加热至900~950℃，保持一定时间，然后淬火及回火

（1）提高零件表面的硬度和耐磨性；

（2）提高材料的疲劳极限强度；

（3）轮齿体心有一定韧性

调质

淬火后，在450~650℃作高温回火

完全消除内应力，获得较高的综合机械性能

正火

将钢加热到临界温度以上，保温一定时间，从炉中取出并空冷

（1）细化晶粒，提高强度和韧性；

（2）对机械性能要求不高的零件，常用正火作为最终处理；

（3）改善低碳钢的切削性能；

（4）含碳钢小于0.5%的钢件，常用正火代替退火

氮化

向钢件表面渗入氮原子的过程

提高轮齿表面的硬度、哎模型、疲劳强度和耐蚀性

氰化

向钢件表面同时渗入碳和氮原子的过程

提高齿轮表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性

（四）、精加工

目前工业应用的齿轮精加工方式主要是剃齿、磨齿、挤齿、研齿和珩齿。

剃齿是在剃齿机上用剃齿刀剃齿，是齿轮精加工的一种方法，剃齿刀相当于齿面上开了很多刃的斜齿轮。

它带动被加工齿轮相对转动，如同交错轴齿轮啮合，靠齿面上的相对滑动，剃齿刀切去齿面上很薄的一层金属，完成齿轮的精加工，剃齿机溜板的调整保证齿轮的齿向加工正确。

剃齿精度受剃前齿加工的精度限制。

剃齿生产效率较高，适用于滚齿、插齿后的软齿面精加工。

磨齿则是用砂轮对齿面进行磨削，磨齿可以磨削齿面淬硬的齿轮，消除热处理变形，提高齿轮精度。

磨齿根据使用的砂轮不同，又分为：

（1）锥形砂轮磨齿；

（2）蝶形砂轮磨齿；（3）大平面砂轮磨齿；（4）蜗杆砂轮磨齿；（5）渐开线包络环面蜗杆砂轮磨齿；（6）成型砂轮磨齿。

挤齿和珩齿都是齿轮精加工的方法。

挤齿是利用挤压轮对被加工齿轮的齿面进行挤压，提高齿轮的表面质量，主要适用于滚齿、插齿后的软齿面齿轮精加工。

而珩齿则与剃齿的方法基本相同，即将剃齿刀换成形状相同的珩磨轮，靠与齿面的相对滑动对齿面进行抛光，被加工齿轮的齿面软硬均可。

图8挤齿和珩齿