齿轮加工工艺过程和分析

齿轮的生产过程一．齿轮的主要加工面1.齿轮的主要加工表面有齿面和齿轮基准表面，后者包括带孔齿轮的基准孔、切齿加工时的安装端面，以及用以找正齿坯位置或测量齿厚时用作测量基准的齿顶圆柱面。2．齿轮的材料和毛坯常用的齿轮材料有15钢、45钢等碳素结构钢；速度高、受力大、精度高的齿轮常用合金结构钢，如20Cr，40Cr，38CrMoAl，20CrMnTiA等。齿轮的毛坯决定于齿轮的材料、结构形状、尺寸规格、使用条件及生产批量等因素，常用的有棒料、锻造毛坯、铸钢或铸铁毛坯等。二、直齿圆柱齿轮的主要技术要求，1．齿轮精度和齿侧间隙GBl0095《渐开线圆柱齿轮精度》对齿轮及齿轮副规定了12个精度等级。其中，1～2级为超精密等级；3—5级为高精度等级；6～8级为中等精度等级；9～12级为低精度等级。用切齿工艺方法加工、机械中普遍应用的等级为7级。按照齿轮各项误差的特性及它们对传动性能的主要影响，齿轮的各项公差和极限偏差分为三个公差组(表13—4)。根据齿轮使用要求不同，各公差组可以选用不同的精度等级。齿轮副的侧隙是指齿轮副啮合时，两非工作齿面沿法线方向的距离(即法向侧隙)，侧隙用以保证齿轮副的正常工作。加工齿轮时，用齿厚的极限偏差来控制和保证齿轮副侧隙的大小。2．齿轮基准表面的精度齿轮基准表面的尺寸误差和形状位置误差直接影响齿轮与齿轮副的精度。因此GBl0095附录中对齿坯公差作了相应规定。对于精度等级为6～8级的齿轮，带孔齿轮基准孔的尺寸公差和形状公差为IT6-IT7，用作测量基准的齿顶圆直径公差为IT8；基准面的径向和端面圆跳动公差，在11-22μm之间(分度圆直径不大于400mm的中小齿轮)。3．表面粗糙度齿轮齿面及齿坯基准面的表面粗糙度，对齿轮的寿命、传动中的噪声有一定的影响。6～8级精度的齿轮，齿面表面粗糙度Ra值一般为0．8—3．2μm，基准孔为0．8—1．6μm，基准轴颈为0．4—1．6μm，基准端面为1．6～3．2μm，齿顶圆柱面为3．2μm。三、直齿圆柱齿轮机械加工的主要工艺问题1．定位基准齿轮加工定位基准的选择应符合基准重合的原则，尽可能与装配基准、测量基准一致，同时在齿轮加工的整个过程中(如滚、剃、珩齿等)应选用同一定位基准，以保持基准统一。带孔齿轮或装配式齿轮的齿圈，常使用专用心轴，以齿坯内孔和端面作定位基准。这种方法定位精度高，生产率也高，适用于成批生产。单件小批生产时，则常用外圆和端面作定位基准，以省去心轴，但要求外圆对孔的径向圆跳动要小，这种方法生产率较低。2．齿坯加工齿坯加工主要包括带孔齿轮的孔和端面(1)齿坯孔加工的主要方案如下：1)钻孔一扩孔一铰孔一插键槽2)钻孔一扩孔一拉键槽一磨孔3)车孔或镗孔一拉或插键槽—磨孔(2)齿坯外圆和端面主要采用车削。大批、大量生产时，常采用高生产率机床加工齿坯，如多轴或多工位、多刀半自动机床；单件、小批生产时，一般采用通用车床，但必须注意内孔和基准端面的精加工应在一次安装内完成，并在基准端面作标记。3．齿面切削方法的选择齿面切削方法的选择主要取决于齿轮的精度等级、生产批量、生产条件和热处理要求。7～8级精度不淬硬的齿轮可用滚齿或插齿达到要求；6～7级精度不淬硬的齿轮可用滚齿一剃齿达到要求；6—7级精度淬硬的齿轮在生产批量较小时可采用滚齿一（或插齿)一齿面热处理—磨齿的加工方案，生产批量大时可采用滚齿一剃齿一齿面热处理一珩齿的加工方案。4．圆柱齿轮的加工工艺过程(1)只需调质热处理的齿轮毛坯制造一毛坯热处理(正火)一齿坯粗加工一调质一齿坯精加工一齿面粗加工一齿面精加工。(2)齿面须经表面淬火的中碳结构钢、合金结构钢齿轮毛坯制造一正火一齿坯粗加工一调质一齿坯半精加工一齿面粗加工(半精加工)一齿面表面淬火一齿坯精加工一齿面精加工。(3)齿面须经渗碳或渗氮的齿轮毛坯制造一正火一齿坯粗加工一正火或调质一齿坯半精加工一齿面粗加工一齿面半精加工一渗碳淬火或渗氮一齿坯精加工一齿面精加工。以飞机等高转速高功率的汽轮机内的齿轮制造为例；1.零件分析：该齿轮为模数m=3．5mm，齿数z=63，齿形角α=20º的标准直齿圆柱齿轮。由于是飞机汽轮机中的齿轮，所以其加工精度要求高；由于汽轮机中的齿轮要求齿面要硬，齿心要韧，所以选择锻造毛坯；采用40Cr(1)主要技术要求1)精度等级设第I公差组为6级精度，检测项目齿距累积误差ΔFp;第Ⅱ公差组为5级精度，检测项目齿形误差Δff和基节偏差Δfpb，；第Ⅲ公差组为5级精度，检测项目齿向误差ΔFβ；用测公法线长度的方法测齿厚偏差Wk；齿厚上偏差代号M，齿厚下偏差代号P；(精度等级表示中，齿厚极限偏差用以控制侧隙，本例用代号MP表示)。2)齿坯基准面精度基准内孔为精度IT6；两端面对内孔轴线的端面圆跳动业有要求；3)表面粗糙度Ra值基准孔为0．8μm，两端面为1．6μm，齿面为0．8μm，齿顶圆柱面为3．2μm。(2)毛坯选择采用锻造毛坯以改善材料的力学性能。小批生产时采用自由锻，大批大量生产时采用模锻。(3)主要表面加工方法的选择该齿轮精度等级较高，各主要表面精加工的方法如下；基准孔：磨削端面：磨削齿面：滚齿一表面淬火—磨齿加工飞机汽轮机圆柱齿轮的一般过程：工艺流程卡产品型号零部件图号文件编号产品名称齿轮零部件名称共页第页序号工序内容设备数量量具工时定额备注1下料锯床12粗车端面、内孔及倒角立车13毛坯检验无损探伤仪4粗车止口、外圆倒角及端面车床15热处理（调质）箱式炉6精车内孔和端面车床17钻孔立钻8磨大端面平面磨床9扩孔钻床10拉键槽拉床11中间检验卡尺和角度尺12打厂标钳工台13粗滚齿滚齿机14精滚齿滚齿机15齿端加工铣床16清洗清洗机17中间检验18热处理（表面淬火）箱式炉19精磨内孔内圆磨床20清洗清洗机21中间检验22配对检验机23磨研齿磨齿机24清洗清洗机25配对检验机26写配对号27清洗清洗机28最终检验设计校对审核批准齿轮加工工艺过程大致要经过如下几个阶段：毛坯热处理、齿坯加工、齿形加工、齿端加工、齿面热处理、精基准修正及齿形精加工等。加工的第一阶段是齿坯最初进入机械加工的阶段。由于齿轮的传动精度主要决定于齿形精度和齿距分布均匀性，而这与切齿时采用的定位基准（孔和端面）的精度有着直接的关系，所以，这个阶段主要是为下一阶段加工齿形准备精基准，使齿的内孔和端面的精度基本达到规定的技术要求。在这个阶段中除了加工出基准外，对于齿形以外的次要表面的加工，也应尽量在这一阶段的后期加以完成。第二阶段是齿形的加工。对于不需要淬火的齿轮，一般来说这个阶段也就是齿轮的最后加工阶段，经过这个阶段就应当加工出完全符合图样要求的齿轮来。对于需要淬硬的齿轮，必须在这个阶段中加工出能满足齿形的最后精加工所要求的齿形精度，所以这个阶段的加工是保证齿轮加工精度的关键阶段。应予以特别注意。齿端加工:a)倒圆b)倒尖c)倒棱图1齿端加工齿轮的齿端加工方式有：倒圆、倒尖、倒棱和去毛刺四种方式。经倒圆、倒尖、倒棱后的齿轮(图1)。沿轴向移动时容易进入啮合。齿端倒圆应用最多，图2是表示用指状铣刀倒圆的原理图。倒圆时，齿轮慢速旋转，指状铣刀在高速度旋转的同时沿齿轮轴向作往复直线运动。齿轮每转过一齿，铣刀往复运动一次，两者在相对运动中即完成齿端倒圆。同时由齿轮的旋转实现连续分齿，生产率较高。齿端加工应安排在齿形淬火之前进行。图2齿端倒圆加工的第三阶段是热处理阶段。在这个阶段中主要对齿面的淬火处理，使齿面达到规定的硬度要求。加工的最后阶段是齿形的精加工阶段。这个阶段的目的，在于修正齿轮经过淬火后所引起的齿形变形，进一步提高齿形精度和降低表面粗糙度，使之达到最终的精度要求。在这个阶段中首先应对定位基准面（孔和端面）进行修整，因淬火以后齿轮的内孔和端面均会产生变形，如果在淬火后直接采用这样的孔和端面作为基准进行齿形精加工，是很难达到齿轮精度的要求的。以修整过的基准面定位进行齿形精加工，可以使定位准确可靠，余量分布也比较均匀，以便达到精加工的目的。齿端加工必须安排在齿轮淬火之前，通常多在滚（插）齿之后。齿轮淬火后基准孔产生变形，为保证齿形精加工质量，对基准孔必须给予修正。圆柱孔齿轮的修正，可采用推孔或磨孔，推孔生产率高，常用于未淬硬齿轮；磨孔精度高，但生产率低，对于整体淬火后内孔变形大硬度高的齿轮，或内孔较大、厚度较薄的齿轮，则以磨孔为宜磨孔时一般以齿轮分度圆定心，这样可使磨孔后的齿圈径向跳动较小，对以后磨齿或珩齿有利。为提高生产率，有的工厂以金刚镗代替磨孔也取得了较好的效果。9.7典型齿轮加工工艺分析9.7.1圆柱齿轮加工工艺程的内容和要求圆柱齿轮的加工工艺程一般应包括以下内容：齿轮毛坯加工、齿面加工、热处理工艺及齿面的的精加工。在编制工艺过程中，常因齿轮结构、精度等级、生产批量和生产环境的不同，而采取各种不同的工艺方案。如图9-12为一直齿圆柱齿轮的简图，表9-6列出了该齿轮机械加工工艺过程。从中可以看出，编制齿轮加工工艺过程大致可以划分如下几个阶段：1)齿轮毛坯的形成：锻件、棒料或铸件；2)粗加工：切除较多的余量；3)半精加工：车、滚、插齿；4)热处理：调质、渗碳淬火、齿面高频感应加热淬火等5)精加工：精修基准、精加工齿形9.7.2齿轮加工工艺过程分析1、基准的选择对于齿轮加工基准的选择常因齿轮的结构形状不同而有所差异。带轴齿轮主要采用顶点孔定位；对于空心轴，则在中心内孔钻出后，用两端孔口的斜面定位；孔径大时则采用锥堵。顶点定位的精度高，且能作到基准重合和统一。对带孔齿轮在齿面加工时常采用以下两种定位、夹紧方式。（1）以内孔和端面定位这种定位方式是以工件内孔定位，确定定位位置，再以端面作为轴向定位基准，并对着端面夹紧。这样可使定位基准、设计基准、装配基准和测量基准重合，定位精度高，适合于批量生产。但对于夹具的制造精度要求较高。（2）以外圆和端面定位当工件和加剧心轴的配合间隙较大时，采用千分表校正外圆以确定中心的位置，并以端面进行轴向定位，从另一端面夹紧。这种定位方式因每个工件都要校正，故生产率低；同时对齿坯的内、外圆同轴要求高，而对夹具精度要求不高，故适用于单件、小批生产。综上所述，为了减少定位误差，提高齿轮加工精度，在加工时应满足以下要求：1)应选择基准重合、统一的定位方式；2)内孔定位时，配合间隙应近可能减少；3)定位端面与定位孔或外圆应在一次装夹中加工出来，以保证垂直度要求。2、齿轮毛坯的加工齿面加工前的齿轮毛坯加工，在整个齿轮加工过程中占有很重要的地位。因为齿面加工和检测所用的基准必须在此阶段加工出来，同时齿坯加工所占工时的比例较大，无论从提高生产率，还是从保证齿轮的加工质量，都必须重视齿轮毛坯的加工。在齿轮图样的技术部要求中，如果规定以分度圆选齿厚的减薄量来测定齿侧间隙时，应注意齿顶圆的精度要求，因为齿厚的检测是以齿顶圆为测量基准的。齿顶圆精度太低，必然使测量出的齿厚无法正确反映出齿侧间隙的大小，所以，在这一加工过程中应注意以下三个问题：1)当以齿顶圆作为测量基准时，应严格控制齿顶圆的尺寸精度；2)保证定位端面和定位孔或外圆间的垂直度；3)提高齿轮内孔的制造精度，减少与夹具心轴的配合间隙；3、齿形及齿端加工齿形加工是齿轮加工的关键，其方案的选择取决于多方面的因素，如设备条件、齿轮精度等级、表面粗糙度、硬度等。常用的齿形加工方案在上节已有讲解，在此不再叙述。齿轮的齿端加工有倒圆、倒尖、倒棱和去毛刺等方式。如图9-13所示。经倒圆、倒尖后的齿轮在换档时容易进入啮合状态，减少撞击现象。倒棱可除去齿端尖角和毛刺。图9-14是用指状铣刀对齿端进行倒圆的加工示意图。倒圆时，铣刀告诉旋转，并沿圆弧作摆动，加工完一个齿后，工件退离铣刀，经分度再快速向铣刀靠近加工下一个齿的齿端。齿端加工必须在淬火之前进行，通常都在滚（插）齿之后，剃齿之前安排齿端加工。4、轮加工过程中的热处理要求在齿轮加工工艺过程中，热处理工序的位置安排十分重要，它直接影响齿轮的力学性能及切削加工性。一般在齿轮加工中进行两种热处理工序，即毛坯热处理和齿形热处理9.7.1圆柱齿轮加工工艺程的内容和要求圆柱