齿轮加工技术

齿轮加工技术311400014614机电4班曾祥美摘要从齿轮加工的刀具及材料,齿轮加工方法及原理,齿轮加工设备的主要技术参数等方面对国内外齿轮加工技术及设备作了比较论述,介绍了国内外先进的齿轮加工机床,并指出了国内齿轮加工技术及设备方面与国外的差距。关键词齿轮加工技术设备目前,从国内外齿轮加工领域的通常作法来看,基本上仍是采用滚、插、剃、磨等方法,但在小模数花键、内齿套、硬齿面的一些加工方法上有了较多的变化。滚、插、剃、磨等传统加工方法由于设备性能水平的提高亦有了新的进展。1滚齿齿轮齿部开槽大多仍采用滚齿。国外齿轮加工所用切削速度一般在70～120m/min,走刀量3～4mm/r。这是因为所采用刀具(多为钼、钴高速钢)红硬性和耐磨性均优于国产刀具,所以有较高切削速度和走刀量。加长滚刀应用较普遍,提高了加工的经济性;滚刀头数一般为3头,也有用4～5头滚刀的。也是因为所用滚齿机多为较先进的CNC机床。机床结构性能已发生了革命性的变化。如取消了传统的分度蜗轮副而采用斜齿轮副,使工作台转速大大提高,可达500r/min甚至更高。机床功能更完善,可加工各种圆柱齿轮、非圆齿轮和扇形齿,并能非常方便地进行各种修形齿、蜗轮的加工;可在一次装夹工件时加工两部位不同参数的齿轮,也可在一个齿部的粗切之后精确串刀进行精切。同时采取措施提高加工效率,减少辅助时间。在这些新式机床上都非常鲜明地体现了环保和安全意识。如将机床护罩设计成全密封式,采用高压静电油雾分离器清除油雾污染,采用大坡度磁力排屑器等减少排除铁屑所带的油液,机床动作过程采用电气互锁、危险运动部位加防护装置或加醒目警示标识以确保人身安全等等。国内齿轮厂家受设备和刀具所限,采用切削速度目前一般在30～70m/min,走刀量一般在2mm/r以内。所用滚刀为单头,材料仍多为高速钢。近年亦较多采用高速钢涂层滚刀。国内常用滚齿机有以重庆机床厂生产的YX3120型、Y3150E型为代表的一大批滚齿机。该类滚齿机在国内齿轮加工业内享誉较高,但作为传统机械式滚齿机,性能水平与国外先进机床差距甚大。如YX3120作为高效滚齿机,其工作台转速也只达32r/min,限制了多头滚刀的使用和切削速度的提高,影响加工效率。重庆机床厂新一代六轮四联动CNC滚齿机YK3120是国产先进齿轮加工机床的代表。它具备当今世界先进的CNC滚齿机的几乎所有主要特点和功能。如主轴转速达600r/min,工作台分度副为斜齿轮副而非传统的蜗杆蜗轮副结构,转速达150r/min,能高效率地加工6-6-7级精度齿轮。2插齿插齿工艺的变化可能主要在于新型结构使得插齿冲程速度更高,机床数控化而使机床功能得到扩展,加工效率更高和加工柔性提高。如美国的插齿机冲程次数已达到2500冲程/min,欧洲工业发达国家插齿冲程速度达到1200冲程/min已很普遍。而国内机床一般只有200～700冲程/min。另外,数控化使插齿方法更灵活,可任选圆周进给速度和径向进给速度并使之任意组合。德国的Lorrenz插齿机已达9轴CNC控制。国产插齿机虽然还有相当一部分是普通机械式插齿机,但已向数控化迈出了步伐,如YK5120数控插齿机。该机床为三轴数控,控制冲程速度、圆周进给速度和径向进给速度。冲程速度达1250冲程/min。可按粗、精加工工艺任选圆周送给量和径向送给量,可配置液压夹具并带磁力排屑器。3剃齿剃齿方法除了人们所熟知的平行轴剃齿、对角剃齿外,径向剃齿的发展近年来格外引人注目。径向剃齿由于只作径向进给运动而省掉了轴向或对角进给,因而效率大大提高。径向剃齿时,齿轮的齿形和齿向修形均靠剃刀修形完成。剃刀齿面轮廓形状和精度要求高,齿形要求中凹,齿向要反鼓,同时对剃刀刃口槽形位置、形状(如刃口错位排列)、矩形槽都有很高要求,因此剃刀设计和制造上都有相当的难度。近年来由于径向剃齿刀的研制成功,使径向剃齿这一高效方法在越来越多的齿轮加工厂得到应用。国内一些工具厂近年来成功地研制出径向剃齿刀,同时不少齿轮制造厂引进了相应的剃齿刀修磨机床,因而径向剃齿工艺在我国也得到了越来越广泛的应用。由于径向剃齿比平等剃齿或对角剃齿产生更大的径向挤压力,因此要求机床具有更高的刚性。重庆机床厂近年开发的YA4232A剃齿机和YAT4232径向剃齿机均具有显著的刚性,适合于汽车、摩托车和机床齿轮的剃齿加工。两种机床均为一轴(Z轴)数控机床,剃齿时齿轮跨棒距非常稳定。4磨齿磨齿作为获得高精度齿轮的主要手段至今仍不可动摇,但磨削方式已发生了很大变化。谈起磨齿,人们总要想起瑞士马格公司的碟形双砂轮磨齿机。它作为展成原理的高精度磨齿已渐入历史,其原因主要是效率低。由于展成磨为点接触,所以碟形砂轮因自身强度较低不能作深切和强力磨削。同时生产成本高,如分齿板、基原盘要与工件齿数和工件基圆一致等。当今磨齿工艺的状况是:对中小规格齿轮,一般采用蜗杆砂轮磨齿,部分采用成形砂轮磨齿。对大规格齿轮一般采用成形磨齿方法。提高磨齿效率主要从三个方面着手。一是采用CNC,二是采用新型磨削材料CBN,三是采用新的磨削原理,主要是采用蜗杆砂轮和成形磨齿技术。世界各国的蜗杆砂轮磨齿机和成形磨齿机均已实现数控化。蜗杆砂轮及成形砂轮磨削技术日臻完善,加工精度已赶上马格磨齿机水平,效率也大大高于马格磨齿机。蜗杆砂轮磨齿机在效率上高于成形磨齿机。但成形磨齿机有其自身特点,能加工一些蜗杆砂轮磨齿机不能加工的零件,如一些台阶齿轮、大规格齿轮等。蜗杆砂轮磨齿机以瑞士的Reishauer为领先水平,而国内以秦川机床厂的YK7250八袖五联动机床为代表,已具备相当水平。重庆机床厂生产的YK7320数控成形磨齿机为六轴数控。该机床集中体现了许多当今先进技术。如工作台采用双蜗杆单蜗轮的消除间隙机构,确保了工作台的分度精度;工件自动对刀系统快速探测并定位工件,使磨削时每齿余量分布均匀,以提高效率,同时磨削受力均匀,保证精度。除以上所述的滚、插、剃、磨外,在齿轮加工中还包含倒棱、倒角和硬齿面加工。5倒棱齿轮在滚或插齿时特别是在出刀端容易产生飞边毛刺。虽然已有了在出刀端加去毛刀去除毛刺的办法,但只能去除较大块的飞边毛刺,不能清除得十分干净,有的甚至被刮到了齿面而残留的成品零件上,严重影响到齿轮工作质量。因此倒棱去毛刺已引起人们的高度重视。以往用手工清除飞边毛刺的方法适应不了现在大批量生产齿轮的要求,因此用机器倒棱去毛已势在必行。现用机器倒棱主要有两种:一种用浮动头架带一旋转的片状砂轮以沿工件齿廓移动的方式来达到去除毛刺的目的。但此种方式不能倒出有一定要求的棱边。另一种方式是采用两片齿轮状刀具与工件齿部两端相啮合的方式来硬挤掉工件上所要倒的棱边。此种方式不但效率高,加工时间仅十几秒,而且可倒出所要求的形状和尺寸的棱边。目前国内可进行直齿、斜齿的双边倒棱,并且可倒链轮。国外也有锥齿轮倒棱的。6倒角汽车齿轮中有相当一部分齿轮齿端需倒尖角或圆角,当然更多的是倒尖角。夹角一般在80～120度之间。所有倒角机采用双刀同时倒角。用指状铣刀或硬质合金机夹刀具,刀速达5500r/min。可进行圆柱齿轮的外齿、内齿和锥齿轮的倒角加工。国外以德国的Prawema数控倒角机为代表,除可高效倒角外,机床还可配齐自动上下料部件。此类机床运用数控旋分原理,除作倒角外还可作多面体、端面齿和端面槽的高效加工。刀具同工件的相对运动既不象车床那样,只是工件作旋转运动,车刀只有平面的移动,也不象铣床那样只有铣刀旋转,工件相对铣刀亦只有平面的移动,而是工件与刀具均作高速旋转运动,同时又有送给运动。其概念确实新颖独到,很具实用价值。7硬齿面加工硬齿加工除了各种磨齿外,还有硬齿面滚齿和车齿、硬剃和珩齿。磨齿和硬齿面滚齿已是常规话题。下面对车齿、硬剃和珩齿中的内齿珩简单阐述如下。车齿刀类似插齿刀,加工时与工件啮合并作类似剃齿时的轴向运动。此种方法对修正热处理后齿轮的齿形、齿向误差均有显著效果,同时还可减小噪声。硬剃是指利用精密齿轮状基体涂镀金刚石的刀具与热处理后的齿轮作高速啮合运动。它不同于剃齿的是,此时刀具与工件不是自由啮合,而是高速同步运动。此技术是复杂基体精密涂镀金刚石技术、数控高速同步技术和剃磨机床技术的综合运用,以修正齿形和齿向误差。珩齿除了人们早已熟知的外啮合珩齿和蜗杆珩齿外,近年内齿珩齿工艺应用也日益增多。内齿珩轮珩齿的优点在于,利用与工件参数几乎一样的金刚石滚轮对内齿珩轮进行修整,以消除接触干涉区,同时提高珩轮精度;内啮合的重叠系数较外啮合大得多,有利于消除误差;啮合接触为线接触。故内啮合珩齿校正误差能力较外啮合珩齿和蜗杆珩齿强,因此应用越来越广。同时珩齿的优点,如无磨削时可能出现的烧伤,珩齿后齿面质量优于磨齿,啮合噪声更小等已逐渐为人们所认识。内啮合珩齿不但用于热处理后的齿轮齿形、齿向误差的修正,同时还用于磨后齿面质量的进一步提高。还有对淬硬内齿采用涂镀金刚石的拉刀状刀具作往复轴向运动以提高内齿精度的方法,及内齿成形磨齿等方法。结论从以上分析来看,虽然国内的齿轮加工方法及机床近年发展很快,但与国外比较还有一段差距,还需不断的努力才能赶上。参考文献〔1〕齿轮制造手册编委会.齿轮制造手册〔M〕.北京:机械工业出版社,1998〔2〕中国齿轮工业年鉴编委会.中国齿轮工业年鉴〔M〕.北京:机械工业出版社,1999〔3〕孙季初.磨齿机行业群雄并起〔J〕.制造技术与机床,1998,(2)〔4〕宋业钧.精品荟萃的'98中国机床工具展〔J〕.制造技术与机床,1998,(3)