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1、高级制齿工齿轮技术基础齿轮加工的基本知识 部分 教学目的和要求 掌握齿轮材料及其合理的选择 齿轮加工的特点及要求 了解齿轮加工的基本原理 了解齿轮加工机床的主要组成部件及功用 具备按照齿轮技术要求 合理选用齿轮加工机床和工艺的初步能力 教学内容摘要 齿轮材料及其合理的选择齿轮加工的特点及应用成形法和展成法原理 滚齿原理 滚齿加工 齿轮滚刀插齿 磨齿 剃齿 珩齿加工 教学重点 难点 齿轮加工的特点及应用 展成法基本原理 滚齿的应用 齿轮加工的基本知识 部分 一齿轮材料的合理选择 1 满足材料的机械性能齿根部受到大弯曲应力 可能产生齿面或齿体强度失效 齿面各点都有相对滑动 会产生磨损 齿轮主要的失
2、效形式有齿面电蚀 齿面胶合 齿面塑性变形和轮齿折断等 因此要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度 齿面要有足够的硬度和耐磨性 芯部要有一定的强度和韧性 2 满足材料的工艺性能材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力 齿轮的制造要经过锻造 切削加工和热处理等几种加工 因此选材时要对材料的工艺性能加以注意 一般来说 碳钢的锻造 切削加工等工艺性能较好 其机械性能可以满足一般工作条件的要求 但强度不高 淬透性较差 而合金钢淬透性好 强度高 但锻造 切削加工性能较差 我们可以通过改变工艺规程 热处理方法等途径来改善材料的工艺性能 3 材料的经济性要求在满足使用性能的前提下 选用齿
3、轮材料还应该注意尽量降低零件的总成本 从材料本身价格来考虑 碳钢和铸铁的价格比较低廉 因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁 不仅具有较好的加工工艺性能 而且可以降低成本 从齿轮生产过程的耗费来考虑 首先 采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样 其次 通过改进热处理工艺也可以降低成本 齿轮的材料及热处理对齿轮材料的基本要求 齿面要硬 齿芯要韧 易于加工及热处理 软齿面齿轮齿面配对硬度差为30 50HBS常用的齿轮材料及其热处理方法有 1 中碳钢 如45钢 进行调质或表面淬火 综合力学性能较好 用于低速 轻载或中载的一些不重要的齿轮 2 合金调质钢 如40Cr 进行调质或表面淬火 综合力
4、学性能更好 且热处理变形小 适用于中速 中载及精度要求较高的齿轮 3 合金渗碳钢 如20Cr 20CrMnTi 进行渗碳淬火或液体碳氮共渗 齿面硬度可达58HRC 且心部有较高韧性 适用于高速 中载和或有冲击载荷的齿轮 4 铸铁及其他非金属材料 如尼龙 夹布胶木等 这些材料强度低 易加工 适用于一些轻载的齿轮 5 钢制齿轮的热处理方法主要有以下几种 表面淬火表面淬火常用于中碳钢和中碳合金钢 如45 40Cr钢等 表面淬火后 齿面硬度一般为40 55HRC 特点是抗疲劳点蚀 抗胶合能力高 耐磨性好 由于齿心部分未淬硬 齿轮仍有足够的韧性 能承受不大的冲击载荷 渗碳淬火渗碳淬火常用于低碳钢和低碳含
5、金钢 如20 20Cr钢等 渗碳淬火后齿面硬度可达56 62HRC 而齿轮心部仍保持较高的韧性 轮齿的抗弯强度和齿面接触强度高 耐磨性较好 常用于受冲击载荷的重要齿轮传动 齿轮经渗碳淬火后 轮齿变形较大 应进行磨削加工 渗氮渗氮是一种表面化学热处理 渗氮后不需要进行其他热处理 齿面硬度可达700 900HV 由于渗氮处理后的齿轮硬度高 工艺温度低 变形小 故适用于内齿轮和难以磨削的齿轮 常用于含铅 钼 铝等合金元素的渗氮钢 如38CrMoAl等 调质调质一般用于中碳钢和中碳合金钥 如45 40Cr 35SiMn钢等 调质处理后齿面硬度一般为220 280HBS 因硬度不高 轮齿精加工可在热处理
6、后进行 正火正火能消除内应力 细化晶粒 改善力学性能和切削性能 机械强度要求不高的齿轮可采用中碳钢正火处理 大直径的齿轮可采用铸钢正火处理 6 齿轮毛坯齿轮毛坯的选择取决于齿轮的材料 结构形式与尺寸 使用条件及生产批量等因素 常用的齿轮毛坯有 1 下料件用于一些不重要 受力不大且尺寸较小 结构简单的齿轮 2 锻件用于重要而受力较大的齿轮 3 铸钢件用于直径大或结构形状复杂 不宜锻造的齿轮 4 铸铁件用于受力小 无冲击的开式传动的齿轮 二 齿轮加工原理 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
7、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 1 成形法 又叫仿形法 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 用齿轮铣刀在普通铣床上加工齿轮是常用的成形法加工 铣完一个齿槽后 分度头将齿坯转过360 z 再铣下一个齿槽 直到铣出所有的齿槽 如图所示 1 1齿轮铣刀的选择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表选择合适号数的铣刀 1 2铣削方法在卧式铣床上 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 1 3铣齿加工特点 1 用普通的铣床
8、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 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 展成法 展成法是利用一对齿轮无侧隙啮合时两轮的齿廓互为包络线的原理加工齿轮的 加工时刀具与齿坯的运动就像一对互相啮合的齿轮 最后刀具将齿坯切出渐开线齿廓 展成法切制齿轮常用的刀具有三种 1 齿轮插刀是一个齿廓为刀刃的外齿轮 2 齿条插刀是一个齿廓为刀刃的齿条 3 齿轮滚刀像梯形螺纹的螺杆 轴向剖面齿廓为精确的直线齿廓 滚刀转动时相当于齿条在移动 可以实现连续加工
9、生产率高 特点 用展成法加工齿轮时 只要刀具与被切齿轮的模数和压力角相同 不论被加工齿轮的齿数是多少 都可以用同一把刀具来加工 这给生产带来了很大的方便 因此范成法得到了广泛的应用 三 齿轮加工机床的类型与加工方法 圆柱齿轮加工机床主要有滚齿机 插齿机 剃齿机 珩齿机和磨齿机等 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 一 滚齿加工滚齿加工是用滚齿刀在滚齿机上加工齿轮的方法 齿轮加工精度为8 7级 齿面粗糙度Ra值为1 6 m 在滚齿机上用蜗轮滚刀 链轮滚刀
10、还能滚切蜗轮和链轮 如图所示 Y3150E型滚齿机 1 加工直齿圆柱齿轮 根据展成法原理用滚刀加工齿轮时 必须严格保持滚刀与工件之间的运动关系 因此 滚齿机在加工直齿圆柱齿轮时的工作运动有 主运动 就是滚刀的旋转运动 r min 展成运动 就是滚刀的旋转运动和工件的旋转运动的复合运动 即滚刀与工件间的啮合运动 两者之间应准确的保持一对啮合齿轮副的传动关系 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 滚切齿轮过程可分解为 前一排刀齿切下一薄层材料之后 后一排刀齿切下时 由于旋转的滚刀为螺旋形 所以使刀齿位置向前移动了一小段距离 而齿轮坯则同时转过相应角度 后一排刀齿便切下另
11、一薄层材料 正如齿条刀向前移动 齿轮坯作转动 就这样 齿坯被一刀刀地切出整个齿槽 齿侧的齿形则被包络而成 所以 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 2 加工斜齿圆柱齿轮 除上述三个运动外 还有一个工件附加转动 即差动传动链 就是加工斜齿轮时 在垂直进给过程中 通过差动机构和分度蜗轮副使齿坯和工作台获得附加转速 它与轮齿的螺旋角相适应 通过调整差动交换齿轮可获得此运动 加工直齿轮时 该差动机构应脱开 3 滚刀的安装滚齿时 要求在切削部位滚刀的螺旋线方向与工件齿长方向一致 这是沿齿向进给切出全齿长的条件 因此加工前要调整滚刀的安装角 安装角度 螺旋升角 齿轮螺旋角
12、 斜齿 轴向进给运动 就是滚刀沿工件轴线方向作连续进给运动 在工件的整个齿宽上切出齿形 a 右旋滚刀滚切直齿轮 b 左旋滚刀滚切直齿轮 螺旋滚刀加工直齿圆柱齿轮的安装角 滚刀位于工件前面 从几何关系可知 滚刀安装角 螺旋滚刀加工斜齿圆柱齿轮安装角 用滚刀加工斜齿圆柱齿轮时 由于滚刀和工件的螺旋方向都有左 右方向之分 共有四种不同的组合 则有当被加工的斜齿轮的螺旋线方向相反时取 号 方向相同时取 号 4 滚齿加工时工件的装夹加工的齿轮直径较小时 工件以内孔定位装夹在心轴上 心轴上端的圆柱体用后立柱支架上的顶尖或套筒支承 以加强工件的装夹刚度 加工直径较大的齿轮时 通常用带有较大端面的底座和心轴装
13、夹 或者将齿轮直接装夹在滚齿机工作台上 5 滚齿加工的特点 1 适应性好 2 生产效率高 3 齿轮齿距误差小 4 齿轮齿廓表面粗糙度较差 5 滚齿加工主要用于直齿圆柱齿轮 斜齿圆柱齿轮和蜗轮 二 插齿加工插齿主要用于加工直齿圆柱内 外齿齿轮或多联齿轮 内 外花键等 1 插齿的运动插齿机的工作原理类似一对圆柱齿轮啮合 其中一个齿轮作为工件 另一个齿轮变为齿轮形的插齿刀具 插齿加工是按展成原理加工齿轮的 加工时所需的运动 1 主运动 2 展成运动 3 圆周进给运动 刀具转动 4 径向切入运动 5 让刀运动 Y5132型插齿机 如图所示 如图所示 2 插齿刀 1 插齿刀的齿面形状 插齿刀有顶刃后角和
14、侧刃后角 插齿刀刀刃运动轨迹形成一个齿轮 称为产形齿轮 直齿插齿刀刀刃在端面上的投影就是产形轮的齿形 2 插齿刀的后角和前角 1 插齿刀的顶刃后角和侧刃后角标准直齿插齿刀采用顶刃后角 2 插齿刀的顶刃前角和侧刃前角标准直齿插齿刀采用顶刃前角 3 插齿刀的类型插齿所用的直齿插齿刀主要有三种类型 分别是盘形直齿插齿刀 碗形直齿插齿刀和锥柄直齿插齿刀 4 插齿加工的特点 1 齿形精度高 2 获得的齿廓表面粗糙度较细 3 有利于提高工件的齿形精度和减小表面粗糙度 4 工件公法线长度变动量较大 5 生产率低 6 加工斜齿轮很不方便 且不能加工蜗轮 如图所示 三 齿轮其他加工方法 常用的齿面精加工方法有剃
15、齿 珩齿和磨齿等方法 1 剃齿加工剃齿常用于未淬火圆柱齿轮的精加工 生产效率很高 在成批 大量生产中得到广泛的应用 盘形剃齿刀外型很像齿轮 加工时剃齿刀和齿轮轴交错成一角度 作螺旋齿轮啮合 安装时 剃齿刀与工件轴线倾斜一个剃齿刀螺旋角 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 1 1 剃齿工作原理 如图所示 1 2 剃齿刀的用途和种类 剃齿刀是一种精加工齿轮刀具 主要限制是不能加工淬硬的齿轮 剃齿刀按其结构可以分为下列几种 1 齿条形剃齿刀 2 盘形剃
16、齿刀 3 小模数剃齿刀 4 蜗轮剃齿刀 如图所示 2 珩齿加工珩齿的加工原理与剃齿相同 是对淬硬齿形进行精加工的方法之一 主要用于去除热处理后齿面上的氧化皮 减小轮齿表面粗糙度值 表面粗糙Ra0 4 0 2 m 从而降低齿轮传动的噪声 生产效率高 一般用于大批量加工8 6级精度的淬火齿轮 如图所示 3 磨齿加工 磨齿加工主要用于对高精度齿轮或淬硬的齿轮进行齿形的精加工 一般条件下 加工齿轮精度可达6 4级 表面粗糙度可达Ra0 8 m 0 2 m 由于磨齿采用砂轮与工件强制啮合的运动方式 不仅修正齿轮误差的能力强 而且 特别适合加工齿面硬度很高的齿轮 但是除蜗杆形砂轮磨齿外 一般磨齿加工效率均较低 设备结构较复杂 调整设备困难 加工成本较高 目前 磨齿主要用于加工精度要求很高的齿轮 特别是硬齿面的齿轮 1 展成法磨齿方法1 连续分度展成法磨齿2 单齿分度展成法磨齿 1 连续分度展成法磨齿 连续分度展成法磨齿是利用蜗杆形砂轮的刀具磨削齿轮的轮齿 其加工过程和滚齿相同 2 单齿分度展成法磨齿 单齿分度展成法磨齿可根据使用砂轮形状不同有蝶形砂轮磨齿 锥形砂轮磨齿等几种方法 4 齿轮加工的其它
