1、第六节 圆柱齿轮齿面加工,一、概述 1. 齿轮的结构与分类 齿轮是机器中传递运动和转矩的重要零件。齿轮传动的特点是传动准确、传递转矩大、效率高、结构紧凑及可靠耐用，故应用非常广泛。,齿轮可按其外形分为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、齿条、蜗杆蜗轮等。 圆柱齿轮按其齿线形状分为直齿轮、斜齿轮、人字齿轮、曲线齿轮等；按轮齿所在的表面分为外齿轮、内齿轮；按齿形分为渐开线齿轮、摆线齿轮和圆弧齿轮等。 圆柱齿轮按其结构特点可分为五类，见图3-78。,图3-78 圆柱齿轮的结构类型 a）单联齿轮 b）多联齿轮 c）盘形齿轮 d）齿圈 e）轴齿轮,单联齿轮,多联齿轮,盘形齿轮,齿圈,轴齿轮,2. 齿轮的主要技术
2、要求 （1）传递运动的准确性 （2）传递运动的平稳性 （3）载荷分布的均匀性 （4）齿侧具有间隙 为了保证齿轮正常工作，齿轮制造应达到一定的精度标准。,相关国家标准将圆柱齿轮的精度规定了13个精度等级，用数字012表示其精度高低。 齿轮的制造精度和齿侧间隙主要根据传动用途、使用条件、传动功率、圆周速度等性能指标来确定。 除了上述各项精度外，还应对齿轮装配基准面的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等提出要求。,3. 圆柱齿轮齿面的加工方法,二、滚齿与插齿 1. 滚齿加工原理 滚齿是应用一对交错轴斜齿圆柱齿轮副啮合原理，使用齿轮滚刀进行切齿的一种加工方法。 如图3-79a所示为滚齿的示意图。,图3-7
3、9 滚齿示意图和齿轮滚刀 a) 滚齿示意图 1齿轮滚刀 2被切削齿轮,如图3-53b所示为齿轮滚刀的示意图。,图3-79 滚齿示意图和齿轮滚刀 b) 齿轮滚刀 3切削刃 4容屑槽,如图所示为一对交错轴斜齿圆柱齿轮副的正确啮合情况。,齿轮滚刀相当于一个齿数zc很少（zc=14, zc通常,取为1） 、螺旋角很大的螺旋齿轮，其形呈蜗杆状。,在蜗杆的轮齿上经开槽、铲齿背以及对各个刀齿,的前、后刀面进行刃磨，就形成了一把刀刃分布在蜗杆螺纹表面上的齿轮滚刀。,滚齿时，滚刀与工件两轴线的相对位置，相当于两个螺旋齿轮啮合时的轴线位置，即滚刀安装后，其螺旋线方向应与被切削齿轮齿槽方向一致。,为此，需将滚刀轴线
4、与被切齿轮端面（水平面）安装成一定的角度，称为安装角，用 表示。,图3-80 滚齿时滚刀的安装角 a) 切削直齿齿轮 b）切削左旋斜齿齿轮 c）切削右旋斜齿齿轮,如图3-80所示为滚切圆柱齿轮时滚刀的安装角为,式中 w 被切削齿轮的螺旋角； oz 滚刀的导程角。,齿轮滚刀与被加工齿轮旋向相同时取“-”号,齿轮滚刀与被加工齿轮旋向相同时取“+”号,切削直齿齿轮时滚刀的安装角等于其导程角,2. 滚齿机运动 根据滚齿加工原理，滚齿必须具有以下三种基本运动（图3-81a）。,图3-81 滚齿时的主要运动和齿廓的形成 a) 滚齿时的主要运动 b)齿廓的形成,（1）滚刀的旋转运动（nc） 滚刀的旋转运动是
5、滚齿加工的切削运动。,图3-81 滚齿时的主要运动和齿廓的形成 a) 滚齿时的主要运动,（2）工件的旋转运动（nw） 工件的旋转运动是滚齿加工的分齿运动。 滚刀与被切削齿轮间的旋转运动，必须保持一对交错轴斜齿圆柱齿轮副的啮合传动关系，即,式中：i 传动比； nc、nw 分别为滚刀和被切削齿轮的转速； zw被切削齿轮的齿数； zc 滚刀齿（头）数。,当滚刀与被加工齿轮作展成运动时，滚刀切削刃连续运动轨迹的包络线便在工件上形成了轮齿齿廓（图3-81b）。,图3-81 滚齿时的主要运动和齿廓的形成 b)齿廓的形成,（3）轴向进给运动（f） 为在整个齿宽上切削出渐开线齿面，滚刀应该沿被切削齿轮轴线方向
6、作连续的轴向进给运动。,图3-81 滚齿时的主要运动和齿廓的形成 a) 滚齿时的主要运动,在滚切斜齿圆柱齿轮时，除应具有上述三种运动外，还应具有一个附加的旋转运动nw。,附图 Y3150E型滚齿机 1-床身 2-立柱 3-刀架 4-滚刀主轴 5-小立柱 6-工件心轴 7-电动机 8-工作台,3. 插齿原理 插齿是利用一对平行轴圆柱齿轮副啮合原理，使用插齿刀进行切齿的一种加工方法。,图3-82 插齿原理和齿廓的形成 a) 插齿工作原理 b)插齿刀 c)插齿时齿廓的形成,插齿刀是由假想圆柱齿轮演变而来的。为形成切削刃，在假想圆柱齿轮的外圆柱面和轮齿两侧渐,开线齿面磨成锥面形成后角，在假想齿轮下端面
7、制成内凹锥面形成前角，刀齿切削刃为内凹锥面和渐开螺旋面的交线。,图3-82 插齿原理和齿廓的形成 b)插齿刀,插齿时，插齿刀与被切削齿轮间严格保持一对圆柱齿轮的啮合传动关系，插齿刀刀齿的连续运动轨迹包络出被切削齿轮的轮齿齿廓。,图3-82 插齿原理和齿廓的形成 c)插齿时齿廓的形成,4. 插齿机运动 插削直齿圆柱齿轮时，必须具有以下几种运动：,（1）切削运动 插齿时插齿刀沿其轴线方向作快速直线往复运动vc，产生切削作用。,图3-82 插齿原理和齿廓的形成 a) 插齿工作原理,（2）展成运动 插齿刀与工件的旋转运动构成插齿加工的展成运动。插齿刀与被切削齿轮间强制地保持一对圆柱齿轮副的啮合传动关系
8、，即,式中：i 传动比； nc、nw 分别为插齿刀和被切削齿轮的转速； zc 、zw 分别为插齿刀和被切削齿轮的齿数。,（3）圆周进给运动 插齿刀与被切削齿轮作分齿运动时，在插齿刀每一次往复移动中，在插齿刀与被切削齿轮啮合时的节圆上所转过的弧长。,图3-82 插齿原理和齿廓的形成 a) 插齿工作原理,（4）径向进给运动,图3-82 插齿原理和齿廓的形成 a) 插齿工作原理,为切削至全齿深，在作分齿运动的同时，插齿刀需沿插齿刀与被切削齿轮中心连线方向作径向进给运动。,（5）让刀运动 在插齿刀一个往复运动的行程中，由插齿刀或装夹被切削齿轮的工作台完成往复一次让刀。,图3-82 插齿原理和齿廓的形成
9、 a) 插齿工作原理,5. 滚齿与插齿的比较 （1）加工质量比较 1）从运动精度分析，滚齿后轮齿的齿距累积误差比插齿的小。 2）从传动平稳性分析，插齿后的齿形误差比滚齿的小。,3）从齿面粗糙度分析，插齿后的齿面粗糙度比滚齿小。,图3-83 滚齿与插齿齿面粗糙度比较 1滚齿齿面 2插齿齿面,综上分析可知，滚齿与插齿比较，滚齿加工的齿轮，其运动精度较高，而齿形误差和齿面粗糙度值较插齿加工的齿轮都较大。 滚齿一般可以保证7 9级精度的齿轮，齿面粗糙度达Ra2.510m；而插齿一般可以保证6 9级精度的齿轮，齿面粗糙度达Ra0.51.25m。,（2）生产效率比较 在切削中等及中等以上模数齿轮时，插齿的
10、生产效率一般没有滚齿高，这是因为插齿的切削运动是往复运动，其插齿速度没有滚齿高；另外，插齿有空行程损失，实际进行切削的行程长度只有插齿刀往复总行程长度的1/3左右。,（3）生产应用比较 滚齿和插齿都是高精度齿轮的预加工方法，也是精度要求不高的齿轮的最终加工方法。 高精度圆柱齿轮齿面的预加工一般都采用滚齿。 而插齿加工只是作为滚齿的一个补充，用于不便或不能采用滚齿加工的场合。插齿的灵活性比滚齿好。,对于多联齿轮的小齿轮和内齿轮，可以方便地采用插齿加工，而滚齿则不能胜任。,附图 插削双联齿轮和内齿轮轮齿 a) 插削双联齿轮小齿轮 b) 插削内齿轮,三、剃齿 1. 加工原理 剃齿是利用一对交错轴斜齿
11、圆柱齿轮副啮合时沿齿向存在相对滑动而创建的一种齿轮精加工方法。 如图384a所示。,图3-84a 剃齿原理 1剃齿刀 2被剃削齿轮,附图 剃齿运动 1剃齿刀 2被剃削齿轮 3摆动工作台 4轴向移动工作台 5靠模盘 6导销,剃齿刀是一高精度的变位斜齿圆柱齿轮。由于在齿面上沿渐开线齿廓方向开有若干条容屑槽，进而形成了剃齿刀的切削刃。,由于剃齿刀与被切齿轮啮合时在齿向上有相对滑动发生，剃齿刀的多条切削刃便在被切齿面上剃下一层又薄又细的切屑。 如图384b所示。,图3-84b 剃齿原理 1剃齿刀 2被剃削齿轮,剃齿刀,被切齿轮,2. 剃齿机运动 （1）剃齿刀的正、反向转动 （2）工作台轴向进给运动 （
12、3）径向（垂直）进给运动,图3-84a 剃齿原理 1剃齿刀 2被剃削齿轮,图3-85 齿面上啮合点的轨迹,3. 剃齿的工艺特点与应用范围 剃齿是一种利用剃齿刀与被剃削齿轮作自由啮合展成运动进行加工的方法，机床结构简单。 剃齿可修复轮齿的径向误差、齿形误差和减小齿面粗糙度，但其对齿距累积误差的修正能力差。 从保证加工精度考虑，剃前预加工一般应采用滚齿而不采用插齿。,剃齿加工精度主要取决于刀具。被剃削齿轮经剃齿后其精度可提高1 2级，达到6 7级，齿面粗糙度可达到Ra0.40 1.25m。 剃齿是一种高生产率的齿面加工方法，且加工成本较低。剃齿主要是对大批大量生产中滚齿或插齿后的、齿面未经淬硬的直
13、齿和斜齿圆柱齿轮，以及不易磨齿加工的圆柱齿轮进行轮齿精加工。,四、磨齿 1. 磨齿方法分类及特点 按齿廓形成方法不同，磨齿可分为成形法磨齿和展成法磨齿两大类。 （1）成形法磨齿 如图386a所示。,图3-86 不同磨齿方法的磨齿原理图 a)成形砂轮磨齿,（2）展成法磨齿 1）单片锥形砂轮磨齿（图386b） 2）双片蝶形砂轮磨齿（图386c） 3）蜗杆砂轮磨齿（图386d）,图3-86 不同磨齿方法的磨齿原理图 b)锥形砂轮磨齿,图3-86 不同磨齿方法的磨齿原理图 d)蜗杆砂轮磨齿,图3-86 不同磨齿方法的磨齿原理图 d)蜗杆砂轮磨齿,2. 磨齿的工艺特点和应用范围 磨齿加工质量高，磨齿能纠
14、正齿轮预加工中产生的各项齿轮误差，其加工精度比剃齿、珩齿高得多，磨齿后的齿面粗糙度可达到Ra0.2 0.8m，加工3 6级精度的淬硬齿轮，磨齿是最有效的精加工方法。 磨齿的主要缺点是生产率较低和成本较高。,第七节 特 种 加 工,一、电火花加工 1. 加工原理 电火花加工利用工具电极和工件电极之间的脉冲性电火花放电产生的高温来熔蚀工件上多余的材料，使工件获得预定的尺寸和表面粗糙度要求。,图3-87 电火花加工原理示意图 1-工件 2-脉冲电源 3-自动进给调节装置 4-工具 5-工作液 6-过滤器 7-工作液泵,图3-88 电火花加工表面局部放大图,在生产中应用最广的电火花加工方法有两类：一类
15、是用具有一定形状的电极工具进行加工的电火花穿孔或电火花成型加工。另一类是用细丝电极加工二维轮廓形状的电火花线切割加工。 电火花线切割加工还可按电极丝的走丝速度分为快速走丝（图3-89）和慢速走丝两类。,图3-89 电火花线切割加工原理 1-绝缘板 2-工件 3-脉冲电源 4-电极丝 5-导向轮 6-支架 7-卷丝筒,图3-90 用简单工具电极加工二维型孔,2. 工艺特点及应用范围 电火花加工中没有切削力作用，对机床加工系统的刚度要求不高；电火花加工可加工任何导电材料的工件，不受工件材料力学性能的影响，为难加工材料的加工提供了有效的加工手段。电火花加工的应用范围很广，可加工各种异型孔及各种曲面型
16、腔，还可用于切割、刻字和表面强化等。,二、电解加工 1. 加工原理 电解加工是利用金属在电解液中受到电化学阳极溶解作用，将工件加工成形的。 图3-91为电解加工的加工原理示意图。,图3-91 电解加工原理示意图 1-直流电源 2-工具阴极 3-工件阳极 4-调压阀 5-电解液泵 6-过滤器 7-电解液 8-过滤网,图3-92a是电解加工刚开始的情况，阴极工具与阳极工件的间隙是不均匀的。 图3-92a是电解加工终了时的情况，工件表面被,图3-92 电解加工成形原理,电解成与阴极工具相同的形状，阴极工具与阳极工件的间隙是均匀的。,2. 工艺特点及应用范围 电解加工的生产效率极高，约为电火花加工的5
17、 10倍；且不受材料的硬度、强度和韧性的限制，可加工难加工材料的零件；因工具不直接与工件接触，故能获得较高的加工精度（尺寸误差在 0.1mm）和表面质量（Ra可达0.21.25m）；电解加工中的工具电极无损耗，可长期使用。,电解加工存在的主要问题是： 1）电解液过滤、循环装置庞大，占地面积大； 2）电解液具有腐蚀性，要对机床设备采取周密的防腐措施。 电解加工广泛应用于加工形状复杂的型孔、型面与型腔。另外，电解加工与切削加工相结合可以取得很好的加工效果。,三、激光加工 1. 加工原理 激光的亮度极高，方向性极好，波长的变化范围小，可以通过光学系统把激光聚集成一个极小的光束，其能量密度远远超出了金
18、属达到沸点所需的能量密度。激光照射在工件表面上，光能被加工表面吸收，并转换成热能，使工件材料被瞬间熔化、汽化去除。,图3-93 激光加工原理示意图 1-激光发生器 2-反射镜 3-聚焦镜 4-工件 5-工作台 6-电源,2. 工艺特点及应用范围 激光加工是利用高能激光束进行加工的，不存在工具的磨损问题，工件也无受力变形。激光束能量密度高，可加工各种金属材料和非金属材料。激光适于在硬质材料上打小孔；此外，激光还广泛用于切割、焊接和热处理。,四、超声波加工 1. 加工原理 超声波加工是利用工具端面的超声频振动，驱动工作液中的悬浮磨料撞击抛磨加工表面的加工方法，其加工原理如图3-94所示。,图3-9
19、4 超声波加工原理示意图,2. 工艺特点及应用范围 超声波加工适于各种脆硬材料，包括导电材料，特别是电火花加工和电解加工难以加工的不导电体及半导体材料都能加工，例如玻璃、陶瓷、石英、锗、硅、玛瑙、宝石、金刚石等。超声波加工机床的结构相对简单，操作维修方便。超声波加工存在的主要问题是生产效率相对较低。,五、快速原型与制造技术（RP&MRapid Prototyping and Manufacturing technologies） 快速原型与制造技术（快速成型）是利用计算机辅助设计建立的数据库中的信息来生成零件的分层截面轮廓数据，然后在计算机控制下，按分层截面轮廓将材料逐层累加成形。 快速原型与
20、制造技术可以快速制取任意复杂形状的零件，而且无需刀具、夹具。,目前，由于材料和经济性等原因，这种工艺方法主要用来快速制造零件原型，供设计评估和样件展示用，也可用来快速制造电火花加工模具型面用的工具电极。直接用工程材料快速制造机器零件的快速制造方法正在研究开发中。 快速原型与制造技术虽有几种不同的成形方法，但其基本原理都是相同的。,1. 立体光刻法（SLStereolithography） 立体光刻法又称为光固化法，是首先投入商业应用的RP&M技术。图3-95为立体光刻法的加工原理图。,图3-95立体光刻法 1-激光器 2-透镜 3-反射镜 4-工件原型5-工作台 6-液态树脂 7-工作台升降机
21、构 8-刮板,2. 分层实体制造法（LOMLaminated Object Manufactur-ing） 如图3-96所示为以纸板为成形材料的分层实体制造法加工原理图。,图3-96 分层实体制造法 1-激光器 2-反射镜 3-光学系统 4-收纸辊5-工作台 6-送纸辊 7-纸板 8-加热辊,3. 激光选区烧结法（SLS-Selective Laser Sintering） 如图3-97所示为激光选区烧结法加工原理图。,图3-97激光选区烧结法 1-激光器 2-透镜 3-反射镜 4-未烧结的粉末材料 5-工件原理 6-粉末输送/回收装置 7-支承台 8-滚轮,4. 熔积法（FDMFused Deposition Modelling） 如图3-98所示为熔积法的加工原理图。,图3-98 熔积法 a)熔积法原理 b)熔积法简图,
