齿轮加工制造过程

齿轮加工制造过程引言齿轮是机械传动装置中的重要组成部分,主要传递力矩,承受弯曲和冲击等载荷。为了确保传动系统的寿命和运转稳定性，齿轮需具有以下几个要求：1.具有较硬的表面层，能够抵抗运转过程中的磨损；2.对于承受交变载荷和冲击载荷的齿轮，基体需有足够的抗弯曲强度和韧性，以免发生变形或断裂；3.需要有良好的工艺性，既要易于切削加工又具有良好的热处理性能。齿轮制造技术是获得优质质齿轮的关键。齿轮加工的工艺，因齿轮结构形状、精度等级、生产条件可采用不同的方案，概括起来有齿坯加工、齿形加工、热处理和热处理后精加工四个阶段。齿坯加工必须保证加工基准面精度。热处理直接决定轮齿的内在质量，齿形加工和热处理后的精加工是制造的关键，也反映着齿轮制造的水平。一、齿轮加工方法目前齿轮的加工工艺过程包括以下过程：齿轮毛坯加工、齿面加工、热处理工艺及齿面的精加工。齿轮的毛坯件主要是锻件、棒料或铸件，其中锻件使用最多。对毛坯件首先进行正火处理，改善其切削加工型，便于切削；然后进行粗加工，按照齿轮设计要求，先将毛坯加工成大致形状，保留较多余量；再进行半精加工，车、滚、插齿，使齿轮基本成型；之后对齿轮进行热处理，改善齿轮的力学性能，按照使用要求和所用材料的不同，有调质、渗碳淬火、齿面高频感应加热淬火等；最后对齿轮进行精加工，精修基准、精加工齿形。（一）、齿轮毛坯加工齿轮的毛坯加工在整个齿轮加工过程中占有很重要的地位。齿面加工和检测所用的基准必须在齿轮毛坯加工阶段加工出来，同时齿坯加工所占工时比例较大，对生产效率和齿轮加工质量都具有很大影响，余量过多将导致后续半精加工和精加工所需加工的量增多，耗时增加，降低生产效率；若余量过少，则后续加工需特别谨慎，否则将超出齿轮设计精度尺寸使得产品不合格。因此需要对齿轮毛坯加工阶段予以特别重视。（二）、齿面加工针对齿面加工的方法很多，主要有滚齿、插齿、剃齿、磨齿、铣齿、刨齿、梳齿、挤齿、研齿和珩齿等，其中使用最多的是前四种方法：滚齿、插齿、剃齿和磨齿。1、滚齿滚切齿轮属于展成法，可将看作无啮合间隙的齿轮与齿条传动。当滚齿旋转一周时，相当于齿条在法向移动一个刀齿，滚刀的连续传动，犹如一根无限长的齿条在连续移动。当滚刀与滚齿坯间严格按照齿轮于齿条的传动比强制啮合传动时，滚刀刀齿在一系列位置上的包络线就形成了工件的渐开线齿形。随着滚刀的垂直进给，即可滚切出所需的齿廓。滚齿是目前应用最广的切齿方法，可加工渐开线齿轮、圆弧齿轮、摆线齿轮、链轮、棘轮、蜗轮和包络蜗杆，精度一般可达到DIN4~7级。目前滚齿的先进技术有：(a)多头滚刀滚齿；(b)硬齿面滚齿技术；(c)大型齿轮滚齿技术；(d)高速滚齿技术。图1滚齿2、插齿插齿特别适合于加工内齿轮和多联齿轮。采用特殊刀具和附件后，还可加工无声链轮、棘轮、内外花键、齿形皮带轮、扇形齿轮、非完整齿齿轮、特殊齿形结合子、齿条、端面齿轮和锥度齿轮等。目前先进插齿技术有：(a)多刀头插齿技术；(b)微机数控插齿机；(c)硬齿面齿轮插削技术。图2插齿3、剃齿剃齿加工是根据一对螺旋角不等的螺旋齿轮啮合的原理，剃齿刀与被切齿轮的轴线空间交叉一个角度，它们的啮合为无侧隙双面啮合的自由展成运动。剃齿是一种高效齿轮精加工方法，和磨齿相比，剃齿具有效率高、成本低、齿面无烧伤和裂纹等优点。所以在成批生产的汽车、拖拉机和机床等齿轮加工中，得到广泛应用。对角剃齿法和径向剃齿法还可用于带台肩齿轮的精加工。图3剃齿4、磨齿磨齿是获得高精度齿轮最有效和可靠的方法。发达国家都用硬齿面齿轮，磨齿成为高精度齿轮的主要加工方法。目前碟形砂轮和大平面砂轮磨齿精度可达DIN2级，但效率很低。蜗杆砂轮磨齿精度达DIN3~4级，效率高，适用于中、小模数齿轮磨齿，但砂轮修正较为复杂。磨齿的主要问题是效率低、成本高，尤其是大尺寸的齿轮。所以提高磨齿效率，降低费用是当前的主要研究方向。近年来磨齿方面的新技术有：(a)双面磨削法；(b)立方氮化硼砂轮高效磨齿；(c)连续成型磨齿技术和超高速磨削技术。图4成形砂轮磨齿5、铣齿铣齿属成形法加工齿轮，刀具的截形与被加工齿轮的齿槽形状相同，刀具沿齿轮的齿槽方向进给，一个齿槽铣完，被加工齿轮分度后，再铣第二个齿槽，齿轮的齿节距由分度控制。由于齿轮的齿槽形状与齿轮的齿数、修正量、甚至齿厚公差有关，成形法铣齿难于实现刀具齿形与被加工齿轮齿槽都相同，实际上铣齿大都是近似齿形。大模数的齿轮，铣齿生产效率较高，铣齿广泛用于粗切齿。图5盘状铣刀铣齿和指状铣刀铣齿6、刨齿刨齿一般是用刨齿刀加工直齿圆柱齿轮、锥齿轮或齿条等的齿面。刨刀有两个运动：一是刨刀的直线切削往复运动；二是刨刀随摇台的平面回转运动，刀具与被加工锥齿轮的运动关系，相当于一个平顶或平面齿轮的齿与被加工锥齿轮的啮合。刀具展成切齿循环一次，加工出一个齿，被加工锥齿轮分度后，加工第二个齿。图6刨齿7、梳齿梳齿是用齿条刀插削圆柱齿轮。特点是加工精度高，可达DIN5级。由于刀具结构简单、制造刃磨方便，精度高、刃磨次数多，便于采用硬质合金刀片和立方氮化硼刀片加工淬硬齿轮。图7梳齿综合齿轮齿形的加工方法，汇总成表1。表1齿轮齿形的常用切削方法加工方法刀具机床加工精度及适应范围仿形法成形铣盘形铣刀铣床加工精度和生产效率都较低指形铣刀滚齿机或铣床同上，是大型无槽认字齿轮的只要加工方法拉齿齿轮拉刀拉床加工精度和生产率较高，拉刀专用，适用于大批生产，尤其是内齿轮加工滚齿齿轮滚刀滚齿机加工精度6~10级，Ra6.3~Ra3.2常用于加工直齿轮、斜齿轮及蜗轮插齿和刨齿插齿刀刨齿刀插齿机刨齿机加工精度7~9级，Ra6.3~Ra3.2适用于加工内外啮合的圆柱齿轮，双联齿轮、三联齿轮，齿条和锥齿轮等展成法剃齿剃齿刀剃齿机加工精度6~7级，常用于滚齿、插齿后，淬火前的精加工珩齿珩磨轮珩齿机剃齿机加工精度6~7级，常用于剃齿后或高频淬火后的齿形精加工磨齿砂轮磨齿机加工精度3~6级，Ra1.6~Ra0.8，常用于齿轮淬火后的精加工（三）、热处理工艺齿轮的热处理是齿轮加工制造过程中必须也是重要的步骤，热处理工艺的好坏将直接影响到齿轮的强度、精度、噪声和寿命。表2为齿轮的常用热处理及化学热处理工艺。表2齿轮的常用热处理及化学热处理工艺名称处理概况使用目的退火将钢加热到一定温度，保温一定时间，然后缓慢冷却（1）消除前道工序所产生的内应力；（2）提高塑性和韧性；（3）细化晶粒，均匀组织，提高钢的力学性能；（4）为以后热处理作准备淬火将钢加热到临界温度以上，保温一定时间，在冷却剂（1）提高硬度和强度（2）提高耐磨性表面淬火用火焰或高频电流将刚健表面迅速加热到临界温度以上，快速冷却零件表面具有较高的硬度，而心部保持原有的韧性和塑性，使齿轮既能具有一定耐磨性又能承受一定的冲击载荷渗碳淬火在渗碳剂中加热至900~950℃，保持一定时间，然后淬火及回火（1）提高零件表面的硬度和耐磨性；（2）提高材料的疲劳极限强度；（3）轮齿体心有一定韧性调质淬火后，在450~650℃作高温回火完全消除内应力，获得较高的综合机械性能正火将钢加热到临界温度以上，保温一定时间，从炉中取出并空冷（1）细化晶粒，提高强度和韧性；（2）对机械性能要求不高的零件，常用正火作为最终处理；（3）改善低碳钢的切削性能；（4）含碳钢小于0.5%的钢件，常用正火代替退火氮化向钢件表面渗入氮原子的过程提高轮齿表面的硬度、哎模型、疲劳强度和耐蚀性氰化向钢件表面同时渗入碳和氮原子的过程提高齿轮表面的硬度、耐磨性、疲劳强度和耐蚀性（四）、精加工目前工业应用的齿轮精加工方式主要是剃齿、磨齿、挤齿、研齿和珩齿。剃齿是在剃齿机上用剃齿刀剃齿，是齿轮精加工的一种方法，剃齿刀相当于齿面上开了很多刃的斜齿轮。它带动被加工齿轮相对转动，如同交错轴齿轮啮合，靠齿面上的相对滑动，剃齿刀切去齿面上很薄的一层金属，完成齿轮的精加工，剃齿机溜板的调整保证齿轮的齿向加工正确。剃齿精度受剃前齿加工的精度限制。剃齿生产效率较高，适用于滚齿、插齿后的软齿面精加工。磨齿则是用砂轮对齿面进行磨削，磨齿可以磨削齿面淬硬的齿轮，消除热处理变形，提高齿轮精度。磨齿根据使用的砂轮不同，又分为：（1）锥形砂轮磨齿；（2）蝶形砂轮磨齿；（3）大平面砂轮磨齿；（4）蜗杆砂轮磨齿；（5）渐开线包络环面蜗杆砂轮磨齿；（6）成型砂轮磨齿。挤齿和珩齿都是齿轮精加工的方法。挤齿是利用挤压轮对被加工齿轮的齿面进行挤压，提高齿轮的表面质量，主要适用于滚齿、插齿后的软齿面齿轮精加工。而珩齿则与剃齿的方法基本相同，即将剃齿刀换成形状相同的珩磨轮，靠与齿面的相对滑动对齿面进行抛光，被加工齿轮的齿面软硬均可。图8挤齿和珩齿