齿轮齿形加工的方法优化

齿轮加工一般分为齿坯加工和齿形加工两个阶段。齿坯加工主要是孔、外圆和端面的加工，是齿形加工时的基准，所以要有一定的精度和表面质量；而齿形加工是齿轮加工的核心和关键。目前制造齿轮主要是用切削加工，也可以用铸造、精锻、辗压（热轧、冷轧）和粉末冶金等方法。辗压齿轮生产效率高、材料损耗少、成本低、力学性能好；铸造齿轮的精度低、表面粗糙，所以尚未被广泛采用。

用切削加工的方法加工齿轮齿形，按加工原理可分为两类。

（1）成形法加工。成形法加工是用与被切齿轮的齿槽形状相符的成形刀具切出齿形的方法，如铣齿、成形法磨齿等。

（2）展成法（范成法）加工。展成法（范成法）加工是利用齿轮的啮合原理加工齿轮的方法，如滚齿、插齿、剃齿和展成法磨齿等。

齿轮齿形加工方法的选择，主要取决于齿轮精度、齿面粗糙度的要求以及齿轮的结构、形状、尺寸和热处理状态等。表4-6所列出的4～9级精度圆柱齿轮常用的最终加工方法，可作为选择齿形加工方法的依据和参考。

表4-6　4～9级精度圆柱齿轮常用的最终加工方法

1.铣齿

铣齿属于成形法加工，是用成形齿轮铣刀在铣床上进行齿轮齿形加工的方法，如图4-17所示。铣齿时，当模数m≤8时，用盘状齿轮铣刀在卧铣上加工；模数m＞8时，用指状齿轮铣刀在专用铣床或立铣上加工，如图4-18所示。

图4-17　铣齿

图4-18　齿轮铣刀

（a）盘状齿轮铣刀；（b）指状齿轮铣刀

铣齿时，铣刀装在刀杆上旋转作主运动，工件紧固在心轴上，心轴装夹在分度头和尾座顶尖之间随工作台作直线进给运动。每铣完一个齿槽，铣刀沿齿槽方向退回，用分度头对工件进行分度，然后再铣下一个齿槽，直至加工出整个齿轮。

铣齿有以下工艺特点。

（1）成本较低。同其他齿轮刀具相比较，成形齿轮铣刀结构简单、制造方便，而且在普通铣床上即可完成铣齿工作，因此铣齿的设备和刀具的费用较低。

（2）生产效率低。铣齿过程不是连续的，每铣一个齿槽，都要重复消耗切入、切出、退刀和分度的时间，因而生产效率低。

（3）加工精度低。铣齿的精度主要取决于铣刀的齿形精度。模数相同而齿数不同的齿轮的渐开线的形状是不一样的。因此，从理论上讲，为了获得准确的渐开线齿形，应该对同一模数的每种齿数的齿轮都准备一把专用的成形铣刀，这就需要很多规格的铣刀，使生产成本大为增加，使用这么多的铣刀既不方便也不经济。实际生产中，为了降低生产成本，把同一模数的齿轮按齿数划分成若干组，通常分为8组或15组，同一组只用一个刀号的铣刀加工。表4-7为分成8组时，各号铣刀加工的齿数范围。而且为了保证铣出的齿轮在啮合时不致卡住，各号铣刀的齿形是按该组范围内最小齿数齿轮的齿形轮廓设计和制作的，而加工其他齿数的齿轮时，只能获得近似的齿形，产生齿形误差。另外铣床所用分度头是通用附件，分度精度不高。所以，铣齿的加工精度较低。

铣齿的加工精度为9级或9级以下，齿面粗糙度值Ra为6.3～3.2 μm。

表4-7　齿轮铣刀的分组

铣齿不但可以加工直齿、斜齿和人字齿圆柱齿轮，还可以加工齿条、锥齿轮及蜗轮等，但仅适用于单件、小批生产或维修工作中加工精度不高的低速齿轮。

2.滚齿

滚齿是利用齿轮滚刀（图4-19）在滚齿机（图4-20）上加工齿轮轮齿的方法，其滚切原理是齿轮刀具和工件按一对交错轴螺旋齿轮相啮合的原理作对滚运动进行切削加工，如图3-21所示。

图4-19　齿轮滚刀

图4-20　滚齿机

图4-21　滚齿

滚切直齿圆柱齿轮的切削运动包括主运动、分齿运动、垂直进给运动。

（1）主运动：滚刀的旋转运动，用转速n0表示。

（2）分齿运动（展成运动）：滚刀与齿坯之间强制保持一对螺旋齿轮啮合关系的运动，即

nw/n0=z0/zw

式中：n0、nw——滚刀和被切齿坯的转速，r/min；

z0、zw——滚刀与被切齿轮的齿数。

分齿运动由滚齿机的传动系统实现，滚刀刀齿的切削刃包络形成齿轮的齿廓，并且连续地进行分度。

（3）垂直进给运动：为切出整个齿宽，滚刀需要沿工件的轴向作进给移动，即为垂直进给运动。每分钟滚刀沿齿坯轴向移动的距离（mm/min）称为垂直进给量。

滚齿与铣齿比较有如下特点。

（1）滚刀的通用性好。一把滚刀可以加工与其模数、压力角相同而齿数不同的齿轮。

（2）齿形精度及分度精度高。滚齿的精度一般可达IT8～IT7级，用精密滚齿可以达到IT6级精度，表面粗糙度Ra值为3.2～1.6 μm。

（3）生产效率高。滚齿的整个切削过程是连续的，效率高。

（4）设备和刀具费用高。滚齿机为专用齿轮加工机床，其调整费时。滚刀较齿轮铣刀的制造、刃磨要困难。

滚齿应用范围较广，可加工直齿/斜齿圆柱齿轮和蜗轮等，但不能加工内啮合齿轮和相距太近的多联齿轮。

3.插齿

插齿是在插齿机（图4-22）上用插齿刀加工齿形的过程，其原理是插齿刀和工件按照一对无啮合间隙的圆柱齿轮相啮合的原理进行加工。

图4-22　插齿机

插齿刀实际上是一个是用高速钢制造并磨出切削刃的齿轮。强制插齿刀与齿坯作啮合运动的同时，使插齿刀作上下往复运动，即可在工件上加工出轮齿。插齿刀刀齿侧面运动轨迹所形成的包络线，即为被切齿轮的渐开线齿形。完成插齿所需要的切削运动如图4-23所示。

图4-23　插齿运动

插直齿圆柱齿轮时，用直齿插齿刀，其运动如下。

（1）主运动：即插齿刀的上下往复直线运动。向下为切削行程，向上的返回行程是空行程。主运动以单位时间（每分钟或每秒）内往复行程次数nr表示，单位str/min（或str/s）。

（2）分齿运动（展成运动）：强制插齿刀和齿坯之间保持一对齿轮的啮合运动，保持一对传动齿轮的速比关系，即

nw/n0=z0/zw

式中：n0、nw——插齿刀和齿坯的转速；

z0、zw——插齿刀和被切齿轮的齿数。

（3）径向进给运动：插齿时，插齿刀不能一开始就切到轮齿的全齿深。因此，在分齿的同时插齿刀要逐渐向工件中心移动，以切出全齿高。插齿刀每往复一次径向移动的距离，称为径向进给量（mm/str）。当插齿刀进给到要求的深度时，径向运动停止，分齿运动继续进行，直到加工完成。

（4）让刀运动：为了避免插齿刀在返回行程中刀齿的后刀面与工件的齿面发生摩擦，插齿刀返回时，齿坯沿径向让开一段距离；当切削行程开始前，齿坯恢复原位，这种运动称为让刀运动。

插齿与滚齿、铣齿比较有如下特点。

（1）齿面粗糙度小。插齿时，插齿刀沿齿宽连续地切下切屑，而在滚齿和铣齿时，轮齿齿宽是由刀具多次断续切削而成。在插齿的过程中，包络齿形的切线数量比较多，所以插齿的齿面粗糙度小，一般可达1.6 μm。

（2）插齿和滚齿的精度相当，且都比铣齿高。一般条件下，插齿和滚齿能保证IT7～IT8级精度，若采用精密插齿或滚齿，可以达到IT6级精度；而铣齿只能达到IT9级精度。

插齿刀的制造、刃磨及检验均比滚刀方便，容易制造得较精确。但插齿机的分齿传动链较滚齿机复杂，增加了传动误差，综合下来，插齿和滚齿的精度相当。(www.xing528.com)

由于插齿机和滚齿机都是加工齿轮的专门化机床，其结构和传动机构都是按加工齿轮的特殊要求而设计和制造的，分齿精度高于万能分度头的分齿精度。滚刀和插齿刀的精度也比齿轮铣刀的精度高，不存在齿轮铣刀那样的齿形误差，因此插齿和滚齿的精度都比铣齿高。

（3）插齿和滚齿同属于展成法加工，所以选择刀具时只要求刀具的模数和压力角与被切齿轮一致，与齿数无关（最少齿数z≥17）。不像铣齿那样，每个刀号的铣刀只能加工一定齿数范围的齿轮。

（4）插齿的生产效率低于滚齿而高于铣齿。因为滚齿为连续切削，插齿不仅有返回空行程，而且插齿刀的往复运动，使切削速度的提高受到冲击和惯性力的限制，插齿机和插齿刀的刚性比较差。所以，滚齿的切削速度高于插齿，插齿的生产效率低于滚齿。由于插齿和滚齿的分齿运动是在切削过程中连续进行的，省去了铣齿那样的单独分度时间，所以插齿和滚齿的生产效率都高于铣齿。

插齿多用于加工滚齿难以加工的内啮合齿轮、多联齿轮、带台阶齿轮、扇形齿轮、齿条及人字齿轮、端面齿盘等，但不能加工蜗轮。

尽管插齿和滚齿所使用的刀具和机床比铣齿复杂、成本高，但由于它们加工质量高、生产效率高，在成批和大量生产中仍可有很好的经济效益。即使在单件、小批生产中，为了保证加工质量也常采用插齿或滚齿加工。

4.齿形的精加工

滚齿和插齿一般加工中等精度的（IT8～IT7级）的齿轮。对于IT7级以上、表面粗糙度Ra值小于0.8 μm或齿面需要淬火的齿轮，滚齿、插齿以后还需进行精加工。常用的齿形精加工的方法有剃齿、珩齿、磨齿。

1）剃齿

剃齿是用剃齿刀在剃齿机上进行的，是一种齿轮精加工的方法，用来加工已经经过滚齿或插齿但未经淬火的直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮。

图4-24　剃齿刀

剃齿是利用一对交错轴斜齿轮啮合的原理，在剃齿机上“自由啮合”的展成加工方法。剃齿所用的刀具称为剃齿刀（图4-24）。剃齿刀的形状类似于一个斜齿圆柱齿轮，齿形制作得非常精确，并且每一个齿的两侧沿渐开线方向开有许多小槽，以形成切削刃，材料一般为高速钢。在与已经滚齿或插齿的齿轮啮合的过程中，剃齿刀齿面上的许多切削刃从工件齿面上剃下细丝状的切屑，以提高齿形精度和减小表面粗糙度值。

图4-25是剃削加工直齿圆柱齿轮的简图。工件用心轴装夹在机床工作台的两顶尖之间，可以自由转动；剃齿刀装在机床主轴上并与工件相啮合，带动工件时而正转，时而反转，正转时剃削轮齿的一个侧面，反转时剃削轮齿的另一个侧面。剃齿刀轴线与工件轴线间的夹角为β0。剃齿刀在啮合点A的圆周速度v0可分解为沿工件圆周切线方向的分速度vw（使工件旋转）和沿工件轴线方向的分速度v（使齿面间产生相对滑动），使剃齿刀从工件上切下发丝状的极细切屑，从而提高齿形精度和降低表面粗糙度值。为了能沿齿的全长进行剃削，工件还应由工作台带动作直线往复运动。在工作台一次往复行程结束时，工件相对剃齿刀还要作径向进给，以便继续进行剃削。

图4-25　剃齿的运动

剃齿主要用来对调质和淬火前的直/斜齿圆柱齿轮进行精加工。剃齿的精度取决于剃齿刀的精度。剃齿精度可达IT7～IT6级，齿面粗糙度Ra值为0.8～0.2 μm。

剃齿生产效率高，一般2～4 min便可加工好一个齿轮。剃齿机结构简单、操作方便，也可把铣床等设备改装成剃齿机使用。剃齿刀制造较困难，剃齿不便于加工双联齿轮或多联齿轮的小齿轮等，使剃齿的应用受到一定限制。剃齿通常用于大批、大量生产中的齿轮齿形精加工，在汽车、拖拉机及机床制造等行业中应用很广泛。

2）珩齿

珩齿是齿轮光整加工的方法。珩齿是用珩磨轮在珩齿机上进行齿形精加工的方法，其原理和方法与剃齿相同。若没有珩齿机，可用剃齿机或改装的车床、铣床代替。

珩磨轮是将金刚砂或白刚玉磨料与环氧树脂等材料合成后浇铸或热压在钢制轮坯上的斜齿轮（图4-26）。珩齿时，珩磨轮高速旋转（1 000～2 000 r/min），同时沿齿向和渐开线方向产生滑动进行切削。珩齿过程具有剃削、磨削和抛光的精加工的综合作用，刀痕复杂、细密。

图4-26　珩磨轮

（a）带齿芯；（b）不带齿芯

珩齿适用于消除淬火后的氧化皮和轻微磕碰而产生的齿面毛刺与压痕，可有效地降低表面粗糙度，对齿形精度改善不大。珩齿后的表面粗糙度值Ra为0.4～0.2 μm。

因珩齿余量很小，约为0.01～0.02 mm，可以一次切除，加工时生产效率很高。一般珩磨一个齿轮只需1 min左右。

3）磨齿

磨齿是用砂轮在磨齿机上对齿轮进行精加工的方法，既可以加工未淬硬的轮齿，又可以加工淬硬的轮齿。

按加工原理，磨齿分为成形法磨齿和展成法磨齿。

图4-27　成形法磨齿

（1）成形法磨齿。成形法磨齿与铣齿相似，将砂轮靠外圆处的两侧修整成与工件齿间相吻合的形状，对已切削过的齿间进行磨削（图4-27），加工方法与用齿轮铣刀铣齿相似，每磨完一齿后，进行分度，再磨下一个齿。

成形法磨齿可在花键磨床或工具磨床上进行，设备费用较低。此法生产效率较高，比展成法磨齿高近10倍。但砂轮修整较复杂，且也存在一定的误差。由于在磨齿过程中砂轮磨损不均以及机床的分度误差的影响，它的加工精度只能达到IT6级，在实际生产中应用较少。

（2）展成法磨齿。生产中常用的展成法磨齿有锥形砂轮（双斜边砂轮）磨齿和双碟形砂轮磨齿两种。

①锥形砂轮磨齿。锥形砂轮磨齿是把砂轮修整成锥形，以构成假想齿条的齿形。其原理是使砂轮与被磨齿轮强制保持齿条和齿轮的啮合关系，并使被磨齿轮沿假想的固定齿条作往复纯滚动的运动，边转动、边移动，砂轮的磨削部分即可包络出渐开线齿形。磨削时，砂轮作高速旋转，同时沿工件轴向作往复直线运动，以便磨出全齿宽。每磨完一个齿槽，砂轮自动退离工件，工件自动进行分度，如图4-28所示。

图4-28　锥形砂轮磨齿

②双碟形砂轮磨齿。两个碟形砂轮倾斜一定角度，其端面构成假想齿条两个（或一个）齿不同侧的两个齿面，同时对齿槽的侧面1和侧面2进行磨削。工作时，两个砂轮同时磨一个齿间的两个齿面或两个不同齿间的左右齿面。此外，为了磨出全齿宽，被磨齿轮须沿齿向作往复直线运动，如图4-29所示。

图4-29　双碟形砂轮磨齿

展成法磨齿的齿面是由齿根至齿顶逐渐磨出，不像成形法磨齿一次成形，故生产效率低于成形法磨齿，但加工精度高，一般可达IT4级，表面粗糙度Ra值在0.4～0.2 μm。所以实际生产中它是齿面要求淬火的高精度齿轮常采用的一种加工方法。

复习思考题

1.试确定下列零件外圆面的加工方案：

（1）紫铜小轴，φ20h7，Ra0.8 μm；

（2）45钢轴，φ50h6，Ra0.2 μm。

2.下列零件上的孔，用何种加工方案比较合理？

（1）单件、小批生产中，铸铁齿轮上的孔，φ20H7，Ra1.6 μm。

（2）大批量生产中，铸铁齿轮上的孔，φ50H7，Ra0.8 μm。

（3）变速箱体（铸铁）上传动轴的轴承孔，φ62J7，Ra0.8 μm。

（4）高速钢三面刃铣刀上的孔，φ27H6，Ra0.2 μm。

3.试述下列零件上平面的加工方案：

（1）单件小批生产中，机座（铸铁）的底面，500 mm×300 mm，Ra3.2 μm。

（2）成批生产中，铣床工作台（铸铁）台面，1250 mm×300 mm，Ra1.6 μm。

（3）大批量生产中，发动机连杆（45调质钢，217～255 HBW）侧面，25 mm×10 mm，Ra3.2 μm。

4.为什么车螺纹时必须用丝杠走刀？

5.为什么标准件厂生产螺纹一般都用滚压法？

6.下列零件上的螺纹，应采用哪种方法加工？为什么？

（1）10 000件标准六角螺母，M10-7H；

（2）100 000件十字头沉头螺钉，M8×30-8h，材料为Q235A；

（3）30件传动轴轴端的紧固螺纹，M20×1-6h；

（4）500根车床丝杠螺纹的粗加工，螺纹为T32×6。

7.成形面的加工，一般有哪几种方式？各有何特点？

8.试述成形法和展成法的齿形加工原理有何不同。

9.为什么插齿和滚齿的加工精度和生产效率比铣齿高？滚齿和插齿的加工质量有什么差别？

10.哪种磨齿方法生产效率高？哪一种的加工质量好？为什么？