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第五章 直齿圆柱齿轮的工艺分析

5.1轴类零件加工的工艺路线

由于我们加工的是齿轮工件，因此，要对外圆进行加工。外圆加工的基本加工路线可归纳为四条： （1） 粗车—半精车—精车

对于一般常用材料，这是外圆表面加工采用的最主要的工艺路线。 （2）粗车—半精车—粗磨—精磨

对于黑色金属材料，精度要求高和表面粗糙度值要求较小、零件需要淬硬时，其后续工序只能用磨削而采用的加工路线。 （3） 粗车—半精车—精车—金刚石车

对于有色金属，用磨削加工通常不易得到所要求的表面粗糙度，因为有色金属一般比较软，容易堵塞沙粒间的空隙，因此其最终工序多用精车和金刚石车。 （4） 粗车—半精—粗磨—精磨—光整加工

对于黑色金属材料的淬硬零件，精度要求高和表面粗糙度值要求很小，常用此加工路线。

5.2齿轮加工方法

为了便于我们了解齿轮加工，下面我们对齿轮加工的方法进行一个简单的探讨。

齿轮加工的关键是齿面加工。目前，齿面加工的主要方法是刀具切削加工和砂轮磨削加工。前者由于加工效率高，加工精度较高，因而是目前广泛采用的齿面加工方法。后者主要用于齿面的精加工，效率一般比较低。按照加工原理，可分为成形法和展成法两大类。 一般情况下:

a.加工直齿圆柱齿轮用插齿机 b.加工斜齿轮用滚齿机 c.加工伞齿轮用刨齿机

(滚齿机也可以加工斜齿轮)

所选用的刀具由齿轮加工机床决定：

a滚齿机有专用的齿轮滚刀 b插齿机有专用的齿轮插刀 c.刨齿机有转用的齿轮刨刀

以上刀具都是标准件,可以在刀具书中选型(根据模数)

齿轮轴的加工一般用滚齿机就可以加工,选用相应模数的齿轮滚刀,不需要专门的夹具就可以加工。

5.2.1成形法

成形法是采用与被切齿轮齿槽相符的成形刀具加工齿形的方法。用齿轮铣刀在铣床上加工齿轮是常用的成形法加工。 （1）齿轮铣刀的选择

铣刀应选择与被加工齿轮模数、压力角相等的铣刀。同时按齿轮齿数根据下页表选择合适号数的铣刀。 刀号 1 8 135以上及齿加工齿12－13 14－16 17－20 21－25 26－34 35－54 55 —条 数范围 134 （2）铣削方法

我们在铣削的过程中，在卧式铣床上应将齿坯套在心轴上安装于分度头和尾架顶尖中，对刀并调好铣削深度后开始铣第一个槽，铣完一齿退出进行分度，依次逐个完成齿数的铣削。 （3）铣齿加工特点

1）用普通的铣床设备，且刀具成本低。

2）生产效率低。每切完一齿要进行分度，占用较多的辅助时间。 3）齿轮精度低。齿形精度只达11-9级。

以上主要原因是每号铣刀的刀齿轮廓只与该范围最少齿槽相吻合，而此号齿轮铣刀加工同组的其它齿数的齿轮齿形都有一定的误差。

2 3 4 5 6 7 5.2.2展成法

展成法就是利用齿轮刀具与被切齿坯作啮合运动而切出齿形的方法。主要有以下分类：

（1） 插齿加工

插齿加工在插齿机上进行，是相当于一个齿轮的插齿刀与齿坯按一对齿轮作啮合运动而把齿形切成的。可把插齿过程分解为：插齿刀先在齿坯上切下一小片材料，然后插齿刀退回并转过一小角度，齿坯也同时转过相应角度。之后，插齿刀又下插在齿坯上切下一小片材料。不断重复上述过程。就是这样，整个齿槽被一刀刀地切出，齿形则被逐渐地包络而成。因此，一把插齿刀，可加工相同模数而齿数不同的齿形，不存在理论误差。 插齿有以下切削运动:

1）主运动 插齿刀的上下往复运动

2）展成运动 确保插齿刀与齿坯的啮合关系的运动

3）圆周进给运动 插齿刀的转动，其控制着每次插齿刀的切削量 4）径向进给量 插齿刀须作径向逐渐切入运动，以便切出全齿深。

5）让刀运动 插齿刀回程向上时，为避免与工件摩擦而使插齿刀让开一定

距离的运动 插齿除适于加工直齿圆柱齿轮外，特别适合加工多联齿轮及内齿轮。插齿加工精度一般为7-8级。齿面粗糙度Ra值为1.6μm。 （2）滚齿加工

滚齿是目前应用最广的切齿方法，滚齿加工原理是滚齿刀和齿坯模拟一对螺旋齿轮作啮合运动。滚齿刀好比一个齿数很少（一至二齿）齿很长的齿轮，形似蜗杆，经刃磨后形成一排排齿条刀齿。因此，可把滚齿看成是齿条刀对齿坯的加工。这种方法可用一把滚齿刀加工相同模数不同齿数的齿轮。不存在理论齿形误差。

滚齿精度一般为7～9级，当采用高精度滚刀和滚齿机时，可滚切5级精度的齿轮。滚齿时，产生齿轮的基节偏差较小，而齿形误差通常较大。 滚切直齿圆柱齿轮时有以下运动： 1）主运动 滚刀的旋转运动。

2）展成运动 是保证滚齿刀和被切齿轮的转速必须符合所模拟的一对齿轮的啮合运动关系。即滚刀转一转，工件转K/Z转。其中：K是滚刀的头数，Z为齿轮齿数。

3）垂直进给运动 要切出齿轮的全齿宽，滚刀须沿工件轴向作垂直进给运动 滚齿加工适于加工直齿、斜齿圆柱齿轮。齿轮加工精度为8-7级，齿面粗糙度Ra值为1.6μm。在滚齿机上用蜗轮滚刀、链轮滚刀还能滚切蜗轮和链轮。 （3） 剃齿加工

剃齿是用剃齿刀对齿轮的齿面进行 精加工的方法。加工原理：剃齿时刀具与工件作一种自由啮合的展成运动。安装时，剃齿刀与工件轴线倾斜一个剃齿刀螺旋角β。剃齿刀的圆周速度可以分解为沿工件齿向的切向速度和沿工件齿面的法向速度，从而带动工件旋转和轴向运动，使刀具在工件表面上剃下一层极薄的切屑。同时，工作台带动工件作往复运动，以剃削轮齿的全长。 （4） 珩齿加工

珩齿特点:珩齿的加工原理与剃齿相同，表面粗糙Ra0.4～0.2μm。主要作用是降低齿面粗糙度，生产率高，一般用于大批量加工8～6级精度的淬火 齿轮。 （5）磨齿加工

磨齿是获得高精度齿轮最有效和可靠的方法，既可磨削不淬火的齿轮，又可磨削淬火的齿轮。加工精度可达6～4级, Ra0.4～0.2μm。

磨削方法分为展成磨削和成形磨削两大类

锥形砂轮磨削

单分度展成磨削 蝶形砂轮磨削

展成磨削 大平面砂轮磨削

齿轮磨削 圆柱蜗杆砂轮磨削 连续分度展成磨削 球面蜗杆砂轮磨削

成形磨削—数控成形砂轮磨削

图5-1 磨削方式的分类

⊙磨孔

对于淬硬零件中的孔加工，磨孔是主要的加工方法。内孔为断续圆周表面（如有键槽或花键的孔）、阶梯孔及盲孔时，常采用磨孔作为精加工。磨孔时砂轮的尺寸受被加工孔径尺寸的限制，一般砂轮直径为工件孔径的 0.5~0.9 倍，磨头轴的直径和长度也取决于被加工孔的直径和深度。故磨削速度低，磨头的刚度差，磨削质量和生产率均受到影响。 磨孔的方式有中心内圆磨削、无心内圆磨削。中心内圆磨削是在普通内圆磨床或万能磨床上进行。无心内圆磨削是在无心内圆磨床上进行的，被加工工件多为薄壁件，不宜用夹盘夹紧，工件的内外圆同轴度要求较高。这种磨削方法多用于磨削轴承环类型的零件，其工艺特点是精度高，要

求机床具有高精度、高的自动化程度和高的生产率，以适应大批大量生产。由于内圆磨削的工作条件必外圆磨削差，故内圆磨削有如下特点：

1） 磨孔用的砂轮直径受到工件孔径的限制。约为孔径的 0.5～9 倍，砂轮直径小则磨耗快，因此经常需要修整和更换，增加了辅助时间。

2） 由于选择直径较小的砂轮，磨削时要达到砂轮圆周速度 25--30m/s 是很困难的。因此，磨削速度比外圆磨削速度低的多，故孔的表面质量较低，生产效率也不高。近些年来已制成有 100000r/min 的风动磨头，以便磨削 1~2mm 直径的孔。

3） 砂轮轴的直径受到孔径和长度的限制，又是悬臂安装，故刚性差，容易弯曲和变形，产生内圆磨削砂轮轴的偏移，从而影响加工精度和表面质量。 4） 砂轮与孔的接触面积大，单位面积压力小，砂粒不易脱落，砂轮显得硬，工件易发生烧伤，故应选用较软的砂轮。

5） 切削液不易进入磨削区，排屑较困难，磨屑易积集在磨粒间的空隙中，容易堵塞砂轮，影响砂轮的切削性能。

6）磨削时，砂轮与孔的接触长度经常改变。当砂轮有一部分超出孔外时，其接触长度较短，切削力较小，砂轮主轴所产生的压移量比磨削孔的中部时为小，此时被磨去的金属层较多，从而形成 “喇叭口”。为了减小或消除其误差，加工时应控制砂轮超出孔外的长度不大于 1/2~1/3 砂轮宽度。内圆磨削精度可达 IT7 ，表面粗糙度可达 。 （6） 齿轮加工的其它方法

滚制：齿轮的滚制加工有利用成形法与展成法。利用展成法的滚制是利用齿条与小齿轮、小齿轮与大齿轮、内齿轮与小齿轮的啮合；将淬火硬化的齿条形工具、小齿轮形工具、内齿轮形工具按压于齿轮轮坯，使轮坯滚动，借塑性变形加工成齿形。利用成形法的滚制是用对应于滚制齿轮的齿轮形状的成形滚制刀具，藉特殊的滚轧加工成形齿形。

热间锻造：热间锻造的主要对象为直齿伞齿轮、螺旋伞齿轮及正齿轮，通常为以非铁合金为材料的齿轮，可不计加热之际发生的氧化皮时，热间锻造的精度及表面粗糙度不亚于机械加工。