1、5-4 5-4 圆柱齿轮的齿形加工方法圆柱齿轮的齿形加工方法一、滚齿加工一、滚齿加工1.滚齿加工原理和工艺特点 滚齿工作原理滚齿是应用一对螺旋圆柱齿轮的啮合原理进行加工的，如图5-3所示。所用刀具称为齿轮滚刀。滚齿是齿形加工中生产率较高、应用最广的一种加工方法。滚齿加工通用性好，既可加工圆柱齿轮，又可加工蜗轮；既可加工渐开线齿形，又可加工圆弧、摆线等齿形；既可加工小模数、小直径齿轮，又可加工大模数、大直径齿轮。滚齿的加工精度等级一般为69级，对于8、9级精度齿轮，可直接滚齿得到，对于7级精度以上的齿轮，通常滚齿可作为齿形的粗加工或半精加工。当采用AA级齿轮滚刀和高精度滚齿机时，可直接加工出7级
2、精度以上的齿轮。2.滚齿加工精度分析 在滚齿加工中，由于机床、刀具、夹具和齿坯在制造、安装和调整中不可避免的存在一些误差，因此被加工齿轮在尺寸、形状和位置等方面也会产生一些误差。这些误差将影响齿轮传动的准确性、平稳性、载荷分布的均匀性和齿侧间隙。滚齿误差产生的主要原因及采取的相应措施见表5-5。3.滚齿加工刀具(1)齿轮滚刀的形成齿轮滚刀是依照螺旋齿轮副啮合原理，用展成法切削齿轮的刀具，齿轮滚刀相当于小齿轮，被切齿轮相当于一个大齿轮，如图5-3所示。齿轮滚刀是一个螺旋角0很大而螺纹头数很少(13个齿)，齿很长，并能绕滚刀分度圆柱很多圈的螺旋齿轮，这样就像螺旋升角z很小的蜗杆了。为了形成切削刃，
3、在蜗杆端面沿着轴线铣出几条容屑槽，以形成前面及前角；经铲齿和铲磨，形成后面及后角，如图5-4所示。(2)滚刀的基本蜗杆齿轮滚刀的两侧切削刃是前面与侧铲表面的交线，它应当分布在蜗杆螺旋表面上，这个蜗杆称为滚刀的基本蜗杆。基本蜗杆有以下三种:1)渐开线蜗杆。渐开线蜗杆的螺纹齿侧面是渐开螺旋面，在与基圆柱相切的任意平面和渐开螺旋面的交线是一条直线，其端剖面是渐开线。渐开线蜗杆轴向剖面与渐开螺旋面的交线是曲线。用这种基本螺杆制造的滚刀，没有齿形设计误差，切削的齿轮精度高，然而制造滚刀困难。2)阿基米德蜗杆。阿基米德蜗杆的螺旋齿侧面是阿基米德螺旋面。通过蜗杆轴线剖面与阿基米德蜗螺旋面的交线是直线，其他剖
4、面都是曲线，其端剖面是阿基米德螺旋线。用这种基本蜗杆制成的滚刀，制造与检验滚刀齿形均比渐开线蜗杆简单和方便，但有微量的齿形误差。不过这种误差是在允许的范围之内，为此，生产中大多数精加工滚刀的基本蜗杆均用阿基米德蜗杆代替渐开线蜗杆。用阿基米德蜗杆代替渐开线基本蜗杆作滚刀，切制的齿轮齿形存在着一定误差，这种误差称为齿形误差。由基本蜗杆的性质可知，渐开线基本蜗杆轴向剖面是曲线齿形，而阿基米德基本蜗杆轴向剖面是直线齿形。为了减少造型误差，应使基本蜗杆的轴向剖面直线齿形与渐开线基本蜗杆轴向剖面的理论齿形在分度圆处相切。3)法向直廓蜗杆。法向直廓蜗杆法剖面内的齿形是直线，端剖面为延长渐开线。用这种基本蜗杆
5、代替渐开线基本蜗杆作滚刀，其齿形设计误差大，故一般作为大模数、多头和粗加工滚刀用。二、插齿加工二、插齿加工1.插齿原理及运动(1)插齿原理从插齿原理上分析，插齿刀与工件相当于一对平行轴的圆柱直齿轮啮合，如图5-5所示。(2)插齿的主要运动如图5-5所示，插齿加工的主要运动有：1)切削运动。即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证正确的啮合关系。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圆周进给运动。3)径向进给运动。插齿时，为逐步切至全齿深，插齿刀应该有径向进给运动。4)让刀运动。插齿刀做上下往复运动时，向下是工作行程。为了避免刀具擦伤已加工的齿面并减少
6、刀齿的磨损，在插齿刀向上运动时，工作台带动工件退出切削区一段距离，插齿刀工作行程时，工件恢复原位。2.插齿加工质量分析(1)传动准确性齿坯安装时的几何偏心使工件产生径向位移使得齿圈径向跳动；工作台分度蜗轮的运动偏心使工件产生切向位移，造成公法线长度变动；插齿刀的制造齿距累积误差和安装误差，也会造成插齿的公法线变动。(2)传动平稳性插齿刀设计时，其齿形是按照渐开线设计的，刀齿没有齿形误差，所以插齿的齿形误差比滚齿小。(3)载荷均匀性机床刀架刀轨对工作台回转中心的平行度造成工件产生齿向误差；插齿刀的上下往复频繁运动使刀轨磨损，加上刀具刚性差，因此插齿的齿向误差比滚齿大。(4)表面粗糙度插齿后的表面
7、粗糙度值比滚齿小，这是因为插齿过程中包络齿面的切削刃数较多。3.提高插齿生产率的措施(1)高速插齿为了缩短作业时间，可增加插齿刀每分钟的往复次数来高速插齿。现有高速插齿机的往复运动可以达到1000次/min，有的已经达到1800次/min。(2)提高插齿刀寿命改进刀具材料、刀具集合参数都能提高刀具寿命。(3)提高圆周进给量提高圆周进给量能减少作业时间，但齿面粗糙度增大，加上插齿回程时的让刀量增大，容易引起振动，因此应将粗精加工分开。5.插齿加工刀具 插齿是利用一对轴线相互平行的圆柱齿轮的啮合原理进行加工的。插齿刀的外形像一个齿轮，在每一个齿上磨出前角和后角以形成切削刃，切削时刀具作上下往复运动
8、，从工件上切下切屑。为了保证在齿坯上切出渐开线的齿形，在刀具作上下往复运动时，通过机床内部的传动系统，强制要求刀具和被加工齿轮之间保持着一对渐开线齿轮的啮合传动关系。在刀具的切削运动和刀具与工件之间的啮合运动的共同作用下，工件齿槽部位的金属被逐步切去而形成渐开线齿形。三、剃齿加工三、剃齿加工1.剃齿原理 剃齿是根据一对轴线交叉的斜齿轮啮合时，沿齿向有相对滑动而建立的一种加工方法。如图5-6所示，剃齿刀与工件间有一夹角，=wo，w、o分别为被剃齿轮和剃齿刀的螺旋角。工件与刀具螺旋方向相同时为“+”，相反时为“-”。比如用一把右旋剃齿刀剃削一左旋齿轮的情况下，=w-o，剃齿时剃齿刀做高速回转并带动
9、工件一起回转。在啮合点P，剃齿刀圆周速度为v0，工件的圆周速度为vw，它们都可以分解为垂直螺旋线齿面的法向分量和螺旋面的切向分量。因为啮合点处的法向分量必须相等，而两个切向分量却不相等，因而产生相对滑动。由于剃齿刀齿面开有小槽，就产生了切削作用，相对滑动速度就成了切削速度。剃齿时剃齿刀和齿轮是无侧隙双面啮合，剃齿刀刀齿的两侧面都能进行切削。当工件旋向不同或剃齿刀正反转时，刀齿两侧切削刃的切削速度是不同的。为了使齿轮的两侧都能获得较好的剃削质量，剃齿刀在剃齿过程中应交替的进行正反转动。2.剃齿质量分析 剃齿是一种利用剃齿刀与被剃齿轮做自由啮合进行展成加工的方法。剃齿刀与齿轮间没有强制性的啮合运动
10、，所以对齿轮的传递运动准确性精度提高不大，但传动的平稳性和接触精度有较大的提高，齿轮表面粗糙度值明显减小。剃齿是在滚齿之后，对未淬硬齿轮的齿形进行精加工的一种常用方法。由于剃齿的质量较好，生产率高，所用机床简单，调整方便，剃齿刀寿命长，所以汽车、拖拉机和机床中的齿轮，多用这种加工方法来进行精加工。目前，我国剃齿加工中最常用的方法是平行剃齿法，它最主要的缺点是刀具利用率不好，局部磨损使刀具利用率寿命低；另一缺点是剃前时间长，生产率低。为此，大力发展了对角剃齿、横向剃齿、径向剃齿等方法。近年来，由于含钴、钼成分较高的高性能高速钢刀具的应用，使剃齿也能进行硬齿面的齿轮精加工。加工精度可达7级，齿面的
11、表面粗糙度值Ra为0.81.6m。但淬硬前的精度应提高一级，剃齿余量为0.010.03mm。3.剃齿工艺中的几个问题(1)剃前齿轮的材料剃前齿轮硬度在2232HRC范围时，剃齿刀校正误差能力最好，如果齿轮材质不均匀，含杂质过多或韧性过大会引起剃齿刀滑刀或啃刀，最终影响剃齿的齿形及表面粗糙度值。(2)剃前齿轮的精度剃齿是齿形的精加工方法，因此剃齿前的齿轮应有较高的精度，通常剃齿后的精度只能比剃齿前提高一级。(3)剃齿余量剃齿余量的大小，对剃齿质量和生产率均有较大影响。余量不足时，剃前误差及表面缺陷不能全部除去；余量过大，则剃齿效率低，刀具磨损快，剃齿质量反而下降。选取剃齿余量时，可参考相关标准。
12、(4)剃前齿形加工时的刀具剃齿时，为了减轻剃齿刀齿顶负荷，避免刀尖折断，剃前在齿跟处挖掉一块。齿顶处希望能有一修圆，这不仅对工作平稳系性有利，而且可使剃齿后的工件沿外圆不产生毛刺。此外，合理的确定切削用量和正确的操作也十分重要。四、珩齿加工1.珩齿原理及特点 珩齿是热处理后的一种光整加工方法。珩齿的运动关系和所用机床与剃齿相似，珩轮与工件是一对斜齿轮副无侧隙的自由紧密啮合,所不同的是珩齿所用刀具是含有磨料、环氧树脂等原料混合后在铁心上浇铸而成的塑料齿轮。切削是在珩轮与被加工齿轮的“自由啮合”过程中，靠齿面间的压力和相对滑动来进行的,如图5-7所示。珩齿的运动与剃齿基本相同，即珩轮带动工件高速正
13、反转；工件沿轴向往复运动及工件的径向进给运动。所不同的是珩齿径向进给是在开车后一次进给到预定位置。因此，珩齿开始时齿面压力较大，随后逐渐减少，直至压力消失时珩齿便结束。珩齿的特点如下：(1)珩齿后齿轮表面质量较好珩齿速度一般是13m/s,比普通磨削速度低，其磨粒粒度又小，珩轮的弹性较大，珩齿过程实际上是低速磨削、研磨和抛光的综合过程，齿面不会产生烧伤和裂纹，所以珩齿后齿的表面质量较好。(2)珩齿后的表面粗糙度值减小珩轮齿面上均匀密布着磨粒，珩齿后齿面切削痕迹很细，磨粒不仅在齿面产生滑动而切削，而且沿渐开线切线方向亦具有切削作用，从而在齿面上产生交叉网纹，使齿面的表面粗糙度值明显减小。(3)珩齿
14、修正误差能力低珩齿与剃齿的运动关系基本相同，由于珩轮本身有一定的弹性，不能在珩齿过程中强行切除偏差部分的金属，所以珩齿修正偏差能力不高。为了保证精度，故对珩前齿轮的精度则要求高。2.珩齿方法 珩齿方法有外啮合珩齿、内啮合珩齿和蜗杆状珩磨轮珩齿三种。图5-8所示为外啮合珩齿和蜗杆状珩磨轮珩齿的加工示意图。3.珩齿的应用 因为珩齿修正误差能力差，因而珩齿主要用于去除热处理后齿面上的氧化皮及毛刺，可使表面粗糙度Ra值从1.6m左右降到0.4m以下，为了保证齿轮的精度要求，必须提高珩齿前的加工精度和减少热处理变形。因此，珩齿前加工多采用剃齿。如磨齿后需要进一步减小表面粗糙度值，也可以采用珩齿使齿面的表
15、面粗糙度值Ra值达到0.1m。珩齿的轴交角常取15。珩齿余量很小，一般珩齿前为剃齿时，常取0.010.02mm；珩齿前为磨齿时，取0.0030.005mm。由于珩齿具有齿面的表面粗糙度值小、效率高、成本低、设备简单、操作方便等优点，故是一种很好的齿轮光整加工方法，一般可取加工68级精度的齿轮。五、挤齿五、挤齿(冷挤冷挤)1.挤齿原理 冷挤齿轮是一种齿轮无切削加工新工艺，有一些工厂已用它来代替剃齿。齿轮冷挤过程是挤轮与工件之间在一定压力下按无侧隙啮合的自由对滚过程，是按展成原理的无切削加工。挤轮实质上是一个高精度的圆柱齿轮，有的挤轮还有一定的变位量，挤轮与齿轮轴线平行旋转。挤轮宽度大于被挤齿轮宽
16、度，所以在挤齿过程中只需要径向进给，无需轴向进给。挤轮的连续径向进给对工件施加压力，使工件齿廓表层金属产生塑性变形，以修正齿轮误差和提高表面质量。制造挤轮的材料要有一定的强度和耐磨性，可用铬锰钢或高速钢制造。为了防止工件与挤轮齿面的粘结，在冷挤过程中要加硫化油来润滑，这样既可使冷挤后齿面的表面粗糙度值减小，而且还可以提高挤轮的耐用度。2.挤齿特点 挤齿与剃齿一样，均为齿轮淬火前的齿形精加工，与剃齿相比，挤齿有以下特点：(1)生产率高压力足够时，对中等尺寸的齿轮一般只需5s左右就可以将齿轮挤到规定尺寸，再精整20s左右即成成品；而剃齿只需24min左右。挤齿余量比剃齿小，而且挤齿前滚齿或插齿的齿
17、面粗糙度要求可比剃齿低一些，因而可以增大滚齿或插齿的进给量，使生产率提高30%以上。(2)精度高挤齿可以使齿轮精度达到6级甚至更高。剃齿机的运动部分多，刚性差，机床调整时间长，而挤齿只有单纯的径向进给，机床传动系统简单，刚性好，机床调整方便且精度稳定。(3)齿面的表面粗糙度值小挤齿时工件的余量被碾压平整，所以有些表面缺陷和刮伤等容易被填平。挤齿的表面粗糙度值可达到0.040.1m。(4)挤轮寿命长且成本低一般挤轮不开槽，结构简单，成本低，而且寿命却比剃齿刀长很多。一般挤轮可以加工上万个齿轮。(5)被挤齿轮使用寿命长。(6)挤多联齿轮时不受限制。六、磨齿六、磨齿1.磨齿原理 磨齿是齿形加工中加工
18、精度最高的一种方法。对于淬硬的齿面，要纠正热处理变形、获得高精度齿廓，磨齿是目前最常用的加工方法。磨齿是用强制性的传动链，因此它的加工精度不直接决定于毛坯精度。磨齿可使齿轮精度最高达到级，表面粗糙度Ra值可以达到0.80.2m，但加工成本高，生产率较低。2.磨齿方法 磨齿方法很多，根据磨齿原理的不同可以分成形法和展成法两类。成形法是一种用成形砂轮磨齿的方法，目前生产中应用较少，但它已经成为磨削内齿轮和特殊齿轮时必须采用的方法。展成法主要是利用齿轮与齿条啮合原理进行加工的方法，这种方法是将砂轮的工作面构成假想齿条的单侧或双侧齿面，在砂轮与工件的啮合运动中，砂轮的磨削平面包络出渐开线齿面。下面介绍
19、展成法磨齿的几种方法：(1)双片碟形砂轮磨齿如图5-9所示，两片碟形砂轮倾斜安装后，就构成假想齿条的两个齿面。磨齿时，砂轮在原位以n0高速旋转；展成运动即工件的往复移动v和相应的正反转运动，通过滑座7、滚圆盘3和钢带4实现。工件通过工作台1实现轴向的慢速进给运动f，以便磨出全齿宽。当一个齿槽的两侧齿面磨完后，工件快速退离砂轮，经分度机构分齿后，再进入下一个齿槽反向进给磨齿。这种磨齿方法中展成运动传动环节少，传动运动精度高，是磨齿机精度最高的一种，加工精度可达级。但由于碟形砂轮刚性较差，每次进给磨去的余量很少，所以生产率较低。(2)锥形砂轮磨齿由图5-10可以看出，这种磨齿方法所用砂轮的齿形相当
20、于假想齿条的一个齿廓，砂轮一边以高速旋转，一方面沿齿宽方向作往复移动，工件放在与假想齿条相啮合的位置，一边旋转，一边移动，实现展成运动。磨完一个齿后，工件还需作分度运动，以便磨削另一个齿槽，直至磨完全部轮齿。采用这种磨齿方法磨齿时，形成展成运动的机床传动链较长，结构复杂，故传动误差较大，磨齿精度较低，一般只能达到56级。(3)蜗杆砂轮磨齿如图5-11所示，这是新发展起来的连续分度磨齿机，加工原理和滚齿相似，只是相当于将滚刀换成蜗杆砂轮。砂轮的转速很高，一般为2000r/min，砂轮转一周，齿轮转过一个齿，工件转速也很高，而且可以连续磨齿，因此，磨齿效率很高，一般磨削一个齿轮仅需几分钟。磨齿精度比较高，一般可以达到56级。()大平面砂轮磨齿图5-12所示是用大平面砂轮端面磨齿的方法。一般砂轮直径达到400800mm，磨齿时不需要沿齿槽方向作进给运动。磨齿的展成运动由两种方式实现：一种是采用滚圆盘钢带机构；另一种是用精密渐开线凸轮。采用渐开线凸轮磨齿时，砂轮的工作端面垂直放置，它相当假想齿条的单侧齿面。大平面砂轮磨齿是目前精度最高的磨齿方法。由于它的展成运动、分度运动的传动链短，又没有砂轮与工件间的轴向运动，因此机床结构简单，可以磨出34级精度的齿轮。但是因为它没有轴向运动，因此，只能磨削齿宽较窄的齿轮。
