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1、齿轮加工技术报告人:温 楠一 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
2、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
3、-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。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
4、和中碳合金钢，如 45、 40Cr钢等。表 面淬火后，齿面硬度一般为4055HRC。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金钢，如 20、 20Cr钢等。渗碳淬 火后齿面硬度可达5662HRC，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700900HV。由于渗氮处理后的齿轮硬度高，工艺温度 低，变
5、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220280HBS。因硬度不高，轮齿精 加工可在热处理后进行。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
6、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 齿轮传动的精度要求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，齿轮制造必须满足齿轮传动的使用要求。(1)传动的准确性即主动轮转过一个角度时，从动轮应按给定的 传动比转过相应的角度。要求齿轮在一转中，转角误差的最大值不 能超过一定的限度，即为一转角精度。(2)工作平稳性要求齿轮传动乎稳，无冲击；振动和噪声小，这 就需要限制齿轮传动时，瞬时传动比的变化，即一齿转角精度。(3)载荷均匀性齿轮载荷由齿面承受，两齿轮啮合时，接触面积 的大小对齿轮的使用
7、寿命影响很大。所以齿轮载荷的均匀性，由接 触精度来衡量。(4)齿侧间隙一对相互啮合的齿轮，其非工作面必须留有一定的 间隙，即为齿侧间隙，其作用是储存润滑油，使工作齿面形成油膜 ，减少磨损；同时可以补偿热变形、弹性变形、加工误差和安装误 差等因素引起的侧隙减小，防止卡死。应当根据齿轮副的工作条件 ，来确定合理的侧隙。 以上四项要求，根据齿轮传动装置的用途和工作条件而有所不同 。例如，滚齿机分度蜗杆副，读数仪表所用的齿轮副，对传动准确 性要求高，工作平稳性也有一定要求，而对载荷的均匀性要求一般 不严格。 二 齿轮加工方法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
8、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。 l1.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。1.1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页表选择合适号 数的铣刀。刀号12345678加工 齿 数范 围12- 1314- 1617- 2021- 2526- 3435- 5455- 134135 以上 及 齿 条 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
9、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。l1.3 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。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。l2.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。2.1 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：
10、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。 如右图所示,插齿 有以下切削运动:l 主运动 插齿刀的上下 往复运动 l 展成运动 确保插齿刀 与齿坯的啮合关系的运 动 l 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 l 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。 l 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
11、让开一 定距离的运动l2.2滚齿加工滚齿加工是用滚齿刀在滚齿机(见下页图 )上加工齿轮的方 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。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
12、齿刀加工相同模数不同齿数的齿轮。不存在理论齿形误差 。 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1.6m。 滚切直齿圆柱齿轮时有 以下运动（如右下图所 示）： （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l2.3 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
13、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。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。 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1.6m。在滚齿机 上用蜗轮滚刀、链轮滚刀还能滚切蜗轮和链轮。 2.4 珩齿和磨齿加工珩齿特点:珩齿的加工原理与剃齿相同，表面粗糙Ra0.4 0.2m。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86级精度的淬火 齿轮 。 磨齿特点:是一种最
14、重要的一种齿形精加工方法，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64级, Ra0.40.2m。有两种磨齿形式：(1) 锥形砂轮磨齿(2) 双碟形砂轮磨齿 2.5 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
15、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。高速锻造：1957年由美国General Dynamics公司开发冷间锻造：主要有利用锻粗或锻头法扩大齿坯尺寸的成形与减少齿 坯断面的挤出成形。冲剪：玩具等不大要求精度的小型板齿轮常用冲剪法作成。普通铸造：超大型齿轮不得不用铸造放来加工。直接将熔融的金属 注入铸模中，凝固后取出，直接使用或机械加工后使用。精密铸造法：有毂模法、石膏模法等。还有粉末冶金法、射出成形法等齿轮加工方法l2.齿形加工方法比较滚齿与插齿比较 滚齿是刀齿作 连续的旋转切削、切削速度较高，插齿是刃齿 作往复运动，限制了切削速度，故滚齿生产率 比插
16、齿烙高，滚齿机可以加工直齿、斜齿圆柱 齿轮和蜗轮，但不能加工内齿轮和相距太近的 多联齿轮；插齿时播齿刀沿齿全长连续切出， 包络线数量也多，而滚齿时轮齿全长是由滚刀 多次连续切出，故插齿的齿面粗糙度值较小； 插齿刀的制造、刃磨检验壁滚刀方便，易得到 高精度，但插齿机分齿传动链比滚齿复杂，因 此，加工齿轮的精度基本一样；插齿机可以加 工内齿轮和多联齿轮,但不能加工蜗轮。滚齿、插齿与铣齿比较 铣齿采用普通设备和简单刀具 即可加工齿形。但是只能加工119级精度、齿面粗糙度Ra 值为6.3m 3.2m 的齿形。 滚齿和插齿的分度精度和齿 形精度均较铣齿高，可以加工6 级精度、齿面粗糙度值Ra为 3.2m 1.6m；滚齿和插齿是连续分度和切削 ，生产效率 比铣齿高。用同一模数的滚到和插齿刀，可以各种不同齿数 的齿轮，大大减少了刀具数目，提高了经济效益。 各种齿轮加工工艺比较如下表加工精度生产率齿面光洁度适用范
