模块12 圆柱齿轮加工模块12 圆柱齿轮加 工 一、课题引入 二、课题分析 三、相关知识 知识点圆柱齿轮的结构特点。 圆柱齿轮加工方法及工艺特点。 技能点圆柱齿轮的加工方法。一、课题引入在机械传动中，齿轮是最常见的机械零件，那么齿 轮是如何加工的？在加工过程中有哪些加工方法？在 不同的加工方法中具体应注意什么问题？如图12-1所 示的双联齿轮应如何进行加工？图12-1 双联 齿轮二、课题分析齿轮是机械传动中的重要零件，它具有平均传动比 准确、传动力大、工作效率高、结构紧凑和可靠性好 等优点，应用极为广泛。随着科学技术的发展，对齿 轮的传动精度和圆周速度等方面的要求越来越高。因 此，齿轮加工在机械制造业中占有重要的地位。故本 课题将主要学习有关圆柱齿轮的加工方法和比较典型 的加工机床。三、相关知识 (一) 圆柱齿轮的功用、结构特点和精度要求 圆柱齿轮在机器和仪器中应用极为广泛，其功用是 按一定速比传递运动和动力。 圆柱齿轮的结构因使用要求不同而不同。从工艺角 度出发，可将其看成是由齿圈和轮体两部分构成。按 齿圈上轮齿的分布形式，齿轮可分为直齿、斜齿和人 字齿等；按轮体的结构形式，齿轮可大致分为盘类齿 轮、套类齿轮、轴类齿轮和齿条等，如图12-2所示。 图12-2 圆柱齿轮的结构 形式 圆柱齿轮的结构形式直接影响齿轮的加工工艺过程 。单齿圈盘类齿轮的结构工艺性最好，可采用任何一 种齿形加工方法加工轮齿；双联或三联等多齿圈齿轮 的小齿圈的加工受其轮缘间的轴向距离的限制，故其 齿形加工方法的选择受到限制，加工工艺性较差。齿 轮的制造精度对机器的工作性能、承载能力、噪声及 使用寿命影响很大。因此，为满足齿轮的使用性能， 一般对齿轮提出了下列4项精度要求，具体如下： (1) 传递运动的准确性。要求齿轮在一转中的转角 误差限制在一定范围内，使齿轮副传动比变化小，以 保证传递运动准确。(2) 传递运动的平稳性。要求齿轮一齿范围内的转 角误差限制在一定范围内，使齿轮副瞬时传动比变化 小，以保证传动的平稳性，减少振动、冲击和噪声。 (3) 载荷分布的均匀性。要求传动中工作齿面接触 良好，以保证载荷分布均匀，否则将导致齿面应力集 中，过早磨损而降低使用寿命。 (4) 传动侧隙的合理性。要求啮合轮齿的非工作齿 面间留有一定的侧隙，以便储存润滑油，补偿弹性变 形和热变形及齿轮的制造安装误差。【知识链接】 国家标准GB 1009588渐开线圆柱 齿轮精度对齿轮、齿轮副规定了12个精度等级，1、 2级属于有待发展的精度级，35级属于高精度级，68 级属于中等精度级，912级属于低精度级。标准将齿 轮每个精度等级的各项公差与极限偏差分成3个公差组 见表12-1。表12-1 齿轮公 差组 载荷分布的均匀性F、Fb、Fpx传动 的平稳性、噪声、振动i、i、i、pt、pb、t传递 运动的准确性Fi、Fp、Fpk、Fi、Fr、Fw对传动 性能的主要影响公差与极限偏差项目公差 组对齿轮副侧隙的要求，标准以齿厚偏差为主要参数 ，规定了14种字母代号，用C、D、E、F、G、H、J、K 、L、M、N、P、R、S等表示，齿厚的上、下偏差分别 用两个字母表示。 (二) 齿形加工 按加工中有无切屑，齿形加工方法可分为无屑加工 和切削加工两类。无屑加工包括热轧、冷轧、压铸、 注塑和粉末冶金等。无屑加工生产率高，材料消耗小 ，成本低，但由于受到材料塑性和加工精度低的影响 ，目前尚未广泛应用。齿形切削加工精度高，目前仍 然是齿形加工的主要方法。从加工原理上可将切削加 工分为仿形法和展成法两种。仿形法采用和被加工齿轮齿槽形状相同的刀刃的成 形刀具来进行加工，常用的方法有模数铣刀铣齿、齿 轮拉刀拉齿和成形砂轮磨齿等。这些方法由于存在分 度误差及刀具的制造和安装误差，加工精度相对较低 ，一般只能加工出910级精度的齿轮，而且在加工过 程中需要多次不连续分度，生产效率较低。展成法的 原理是使齿轮刀具和齿坯严格保持一对齿轮啮合的运 动关系来进行加工。这种加工方法的加工精度和生产 率都较高，应用十分广泛。常见的有滚齿、插齿、剃 齿、珩齿、挤齿和磨齿等。常见的齿形切削加工方法 的加工精度和适用范围见表12-2。表12-2 常见齿形加工方法的加工精度和适用范 围 能加工37级精度齿轮 ，生产率低，加工成本高 ，多用于齿形淬硬后的精加工磨齿机砂轮磨齿能加工67级精度齿轮 ，多用于经过 剃齿和高 频淬火后齿形的精加工珩齿机或 剃齿机珩磨轮珩齿能加工68级精度齿轮 ，生产率比剃齿机高，成本 低，多用于齿形淬硬前的精加工，属于无切屑加工挤齿 机挤轮冷挤齿 轮能加工57级精度齿轮 ，生产率高，主要用于齿 轮滚 插预加工后、淬火前的精加工剃齿机剃齿刀剃齿通常能加工79级精度齿轮 ，最高达6级，生产 效率高，通用性大，适于加工内外啮合齿轮 (包 括阶梯齿轮 )、扇形齿轮 和齿条等插齿机插齿刀插齿通常能加工610级精度齿轮 ，最高达4级，生产 效率高，通用性大，常用于加工直齿、斜齿的外 啮合圆柱齿轮 和蜗轮滚齿 机齿轮滚 刀滚齿展成法精度和生产率均较高，但拉刀多为专 用，制造困难 ，价格高，故只在大量生产时 用之，宜于拉内齿轮拉床齿轮 拉 刀拉齿加工精度及生产率均较低，一般精度为9级以下铣床模数铣 齿成形铣 齿 仿形法加工精度及适用范围机床刀具齿形加工方法1.滚齿 滚齿加工原理即滚刀和工件相当于齿轮齿条啮合， 齿轮滚刀是一个经过开槽和铲齿的蜗杆，具有切削刃 和后角，其法向剖面近似于齿条，滚刀旋转时，就相 当于齿条在连续地移动，被切齿轮的分度圆沿齿条节 线作无滑动的纯滚动，滚刀切削刃的包络线就形成被 切齿轮的齿廓曲线。滚齿是齿形加工中生产率较高、应用最广的一 种方法。用一把滚刀可加工模数相同而齿数和螺旋角不同 的直齿圆柱齿轮、斜齿轮。滚齿法还可用于加工蜗轮。滚 齿的加工尺寸范围和精度范围较大，既可用于齿形的粗加 工，又可用作精加工。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级精度以上的齿轮。滚齿加工时齿面是由滚刀的刀齿包络而成，由于参 加切削的刀齿数有限，齿面的表面质量不太高。为提 高加工精度和齿面质量，宜将粗滚齿、精滚齿分开。 精滚的加工余量一般为0.51mm，且应取较高的切削速 度和较小的进给量。【知识链接】 如图12-3所示是Y3150E型滚齿机的外 形图。立柱2固定在床身1上，刀架溜板3可沿立柱导轨 上下移动，刀架体5安装在刀架溜板3上，可绕自身的 水平轴线转位。滚刀安装在刀杆4上，作旋转运动。工 件安装在工件台9的心轴7上，随同工作台一起转动。 后立柱8和工作台9一起装在床鞍10上，可沿机床水平 导轨移动，用于调整工件的径向位置或作径向进给运 动。Y3150E型滚齿机是一种中型通用滚齿机，主要用 于加工直齿和斜齿圆柱齿轮，也可以采用径向切入法 加工蜗轮。加工最大直径为500mm，最大模数为8mm。图12-3 Y3150E型滚齿机 1床身；2立柱；3刀架溜板；4刀杆；5刀架体 ；6支架；7心轴；8后立柱；9工作台；10床 鞍2. 滚刀 滚刀结构分为整体式、镶片式和可转位式等类型。 为了使滚刀能切出正确的齿形，滚刀切削刃必须在蜗 杆的同一圆表面上，这个蜗杆称为滚刀的基本蜗杆。 滚刀的基本蜗杆有渐开线、阿基米德和法向直廓3种。 理论上，加工渐开线齿轮应用渐开线蜗杆，但其制造 困难；而阿基米德蜗杆轴向剖面的齿形为直线，易于 制造，生产中常用阿基米德蜗杆代替渐开线蜗杆。为 使基本蜗杆形成滚刀，要对其开槽，以形成前刀面和 前角。模数110mm标准齿轮滚刀均为零前角直槽。为 了形成后角，滚刀的顶刃和侧刃都需铲齿和铲磨。标准齿轮滚刀精度分为5级：AAA、AA、A、B、C。加 工时应按齿轮要求的精度，选用相应的齿轮滚刀。滚 刀精度等级与被加工齿轮精度等级的对应关系见表12- 3。表12-3 滚刀精度等级与被加工齿轮精度等级的对应 关系 10989786被加工齿 轮精度 等级CBAAAAAA滚刀精度 等级采用新材料滚刀，对提高齿轮加工的精度和生产率 有重大意义。硬质合金滚刀可对硬齿面齿轮进行半精 滚或精滚，精度可达7级，生产率比磨齿约高56倍。 小模数的硬质合金滚刀采用整体结构形式，中等模数 的硬质合金滚刀有焊接式与镶片式等结构。如图12-4 所示为硬质合金刮削滚刀，采用-30前角，用于精加 工4564HRC的硬齿面。一般硬齿面精加工滚刀的前角 也可采用零度或较小的负前角。图12-4 硬质合金刮削 滚刀3. 滚齿的加工精度分析 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地存在一些误差，因而被加 工齿轮在尺寸、形状和位置等方面也会产生一定的误 差。它们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。 1) 影响传动准确性的误差分析 影响传动准确性的主要原因是在加工中滚刀和被加 工齿轮的相对位置和相对运动发生了变化。其中，相 对位置的变化(几何偏心)产生齿轮的径向误差；相对 运动的变化(运动偏心)产生齿轮的切向误差。(1)齿轮径向误差是指滚齿时，由于齿坯的实 际回转中心与其定位基准中心不重合，使被切齿轮的 轮齿发生径向位移而引起的齿距误差。切齿时产生齿 轮径向误差的主要原因有：安装调整夹具时，定位心 轴与机床工作台回转中心不重合；齿坯内孔与心轴间 有间隙，安装偏心；基准端面定位不好，夹紧后内孔 相对工作台回转中心产生偏斜。减少齿轮径向误差的 措施有：提高齿坯加工精度；提高夹具制造精度；提 高夹具安装调整精度；改进夹具结构，如用可胀心轴 来消除配合间隙等。(2) 齿轮切向误差是指加工时，由于机床工 作台的不等速旋转，使被切齿轮的轮齿沿切向(即圆周 方向)发生位移所引起的齿距累积误差。影响传动链误 差的主要原因是工作台分度蜗轮本身齿距累积误差及 安装偏心。减少齿轮切向误差的措施有：提高分度蜗 轮的制造精度和安装精度，以及采用校正装置去补偿 蜗轮的分度误差。2) 影响传动平稳性的加工误差分析 影响齿轮传动平稳性的主要因素是齿轮的基节偏差 pb和齿形误差f。滚齿时工件的基节等于滚刀的 基节，基节偏差一般较小，而齿形误差通常较大。齿 形误差是指被切齿廓偏离理论渐开线曲线而产生的误 差，滚齿后常见的齿形误差有：齿面出棱、齿形角误 差、齿形不对称和周期误差等。产生齿形误差的主要因素是滚刀的制造误差、安装 误差和机床分齿传动链的传动误差。滚刀刀齿沿圆周 等分不好或安装后有较大的径向跳动及轴向窜动，会 引起齿面出棱；滚刀刀齿的齿形角误差及前角不准确 ，会引起齿形角误差；滚刀前刀面与轴线不平行及滚 刀对中不好，会引起齿形不对称；滚刀安装后的径向 跳动和轴向窜动、分齿挂轮的运动误差、分度蜗杆的 径向跳动和轴向窜动等小周期误差，会引起周期误差 。为保证齿形精度要求，应根据齿轮的精度等级正确 选择滚刀和机床的精度，特别要注意滚刀的刃磨精度 和安装精度。3) 影响载荷均匀性的加工误差分析 齿轮齿面的接触状况(齿向误差)直接影响齿轮传动 中载荷的均匀性，其中齿轮齿高方向的接触精度，由 齿形精度和基节精度来保证；齿宽方向的接触精度， 主要受齿向误差Fb的影响。齿向误差即轮齿齿向偏离 理论位置。产生齿向误差的主要因素是滚刀进给方向 与齿坯心轴不平行，包括齿坯定位心轴安装歪斜、刀 架导轨相对工作台回转中心在齿坯径向或切向不平行 。此外，差动交换齿轮传动比计算不够精确会引起斜 齿轮的齿向误差。减少齿向误差的措施有：提高夹具制造与安装精度 ；提高齿坯加工精度；导轨磨损后及时修刮；加工斜 齿轮时，差动交换齿轮传动比计算应精确至小数点后 56位。 【知识链接】 在实际的生产过程中，常常采用以下 方法提高滚齿生产率的途径： (1) 高速滚齿。目前受机床刚度和刀具耐用度的限 制，滚齿的切削速