齒輪加工方法分析

會(huì)計(jì)學(xué)1齒輪加工方法分析【教學(xué)目的和要求】掌握齒輪材料及其合理的選擇，齒輪加工的特點(diǎn)及要求，了解齒輪加工的基本原理，了解齒輪加工機(jī)床的主要組成部件及功用。具備按照齒輪技術(shù)要求，合理選用齒輪加工機(jī)床和工藝的初步能力?！窘虒W(xué)內(nèi)容摘要】

齒輪材料及其合理的選擇齒輪加工的特點(diǎn)及應(yīng)用成形法和展成法原理（滾齒原理）滾齒加工、齒輪滾刀插齒、磨齒、剃齒、珩齒加工【教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)】

齒輪加工的特點(diǎn)及應(yīng)用、展成法基本原理、滾齒的應(yīng)用齒輪加工的基本知識(shí)（部分）第1頁(yè)/共35頁(yè)一齒輪材料的合理選擇

1、滿足材料的機(jī)械性能齒根部受到大彎曲應(yīng)力，可能產(chǎn)生齒面或齒體強(qiáng)度失效。齒面各點(diǎn)都有相對(duì)滑動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生磨損。齒輪主要的失效形式有齒面電蝕、齒面膠合、齒面塑性變形和輪齒折斷等。因此要求齒輪材料有高的彎曲疲勞強(qiáng)度和接觸疲勞強(qiáng)度，齒面要有足夠的硬度和耐磨性，芯部要有一定的強(qiáng)度和韌性。第2頁(yè)/共35頁(yè)

2、滿足材料的工藝性能

材料的工藝性能是指材料本身能夠適應(yīng)各種加工工藝要求的能力。

齒輪的制造要經(jīng)過(guò)鍛造、切削加工和熱處理等幾種加工，因此選材時(shí)要對(duì)材料的工藝性能加以注意。

一般來(lái)說(shuō)，碳鋼的鍛造、切削加工等工藝性能較好，其機(jī)械性能可以滿足一般工作條件的要求，但強(qiáng)度不高，淬透性較差。而合金鋼淬透性好、強(qiáng)度高，但鍛造、切削加工性能較差。我們可以通過(guò)改變工藝規(guī)程、熱處理方法等途徑來(lái)改善材料的工藝性能。第3頁(yè)/共35頁(yè)3、材料的經(jīng)濟(jì)性要求在滿足使用性能的前提下，選用齒輪材料還應(yīng)該注意盡量降低零件的總成本。從材料本身價(jià)格來(lái)考慮。碳鋼和鑄鐵的價(jià)格比較低廉，因此在滿足零件機(jī)械性能的前提下選用碳鋼和鑄鐵，不僅具有較好的加工工藝性能，而且可以降低成本。從齒輪生產(chǎn)過(guò)程的耗費(fèi)來(lái)考慮。首先，采用不同的熱處理方法相對(duì)加工費(fèi)用也不一樣。其次，通過(guò)改進(jìn)熱處理工藝也可以降低成本。第4頁(yè)/共35頁(yè)４、齒輪的材料及熱處理對(duì)齒輪材料的基本要求：－齒面要硬,齒芯要韌－易于加工及熱處理－軟齒面齒輪齒面配對(duì)硬度差為30-50HBS常用的齒輪材料及其熱處理方法有：

(1)中碳鋼(如45鋼)進(jìn)行調(diào)質(zhì)或表面淬火，綜合力學(xué)性能較好，用于低速、輕載或中載的一些不重要的齒輪。第5頁(yè)/共35頁(yè)(2)合金調(diào)質(zhì)鋼(如40Cr)進(jìn)行調(diào)質(zhì)或表面淬火，綜合力學(xué)性能更好，且熱處理變形小，適用于中速、中載及精度要求較高的齒輪。

(3)合金滲碳鋼(如20Cr，20CrMnTi)進(jìn)行滲碳淬火或液體碳氮共滲，齒面硬度可達(dá)58HRC，且心部有較高韌性，適用于高速、中載和或有沖擊載荷的齒輪

(4)鑄鐵及其他非金屬材料(如尼龍、夾布膠木等)。這些材料強(qiáng)度低、易加工，適用于一些輕載的齒輪。第6頁(yè)/共35頁(yè)5、鋼制齒輪的熱處理方法主要有以下幾種：－表面淬火表面淬火常用于中碳鋼和中碳合金鋼，如45、40Cr鋼等。表面淬火后，齒面硬度一般為40～55HRC。特點(diǎn)是抗疲勞點(diǎn)蝕、抗膠合能力高。耐磨性好；由于齒心部分未淬硬，齒輪仍有足夠的韌性，能承受不大的沖擊載荷。第7頁(yè)/共35頁(yè)－滲碳淬火

滲碳淬火常用于低碳鋼和低碳含金鋼，如20、20Cr鋼等。滲碳淬火后齒面硬度可達(dá)56～62HRC，而齒輪心部仍保持較高的韌性，輪齒的抗彎強(qiáng)度和齒面接觸強(qiáng)度高，耐磨性較好，常用于受沖擊載荷的重要齒輪傳動(dòng)。齒輪經(jīng)滲碳淬火后，輪齒變形較大，應(yīng)進(jìn)行磨削加工。－滲氮

滲氮是一種表面化學(xué)熱處理。滲氮后不需要進(jìn)行其他熱處理，齒面硬度可達(dá)700～900HV。由于滲氮處理后的齒輪硬度高，工藝溫度低，變形小，故適用于內(nèi)齒輪和難以磨削的齒輪，常用于含鉛、鉬、鋁等合金元素的滲氮鋼，如38CrMoAl等。第8頁(yè)/共35頁(yè)－調(diào)質(zhì)

調(diào)質(zhì)一般用于中碳鋼和中碳合金鑰，如45、40Cr、35SiMn鋼等。調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度一般為220～280HBS。因硬度不高，輪齒精加工可在熱處理后進(jìn)行。－正火

正火能消除內(nèi)應(yīng)力，細(xì)化晶粒，改善力學(xué)性能和切削性能。機(jī)械強(qiáng)度要求不高的齒輪可采用中碳鋼正火處理，大直徑的齒輪可采用鑄鋼正火處理。第9頁(yè)/共35頁(yè)6、齒輪毛坯齒輪毛坯的選擇取決于齒輪的材料、結(jié)構(gòu)形式與尺寸、使用條件及生產(chǎn)批量等因素。常用的齒輪毛坯有：

(1)下料件用于一些不重要，受力不大且尺寸較小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的齒輪。

(2)鍛件用于重要而受力較大的齒輪。

(3)鑄鋼件用于直徑大或結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜，不宜鍛造的齒輪。

(4)鑄鐵件用于受力小，無(wú)沖擊的開(kāi)式傳動(dòng)的齒輪。第10頁(yè)/共35頁(yè)二、齒輪加工原理

齒輪加工的關(guān)鍵是齒面加工。目前，齒面加工的主要方法是刀具切削加工和砂輪磨削加工。前者由于加工效率高，加工精度較高，因而是目前廣泛采用的齒面加工方法。后者主要用于齒面的精加工，效率一般比較低。按照加工原理，可分為成形法和展成法兩大類。第11頁(yè)/共35頁(yè)1.成形法（又叫仿形法）成形法是采用與被切齒輪齒槽相符的成形刀具加工齒形的方法。用齒輪銑刀在普通銑床上加工齒輪是常用的成形法加工。銑完一個(gè)齒槽后，分度頭將齒坯轉(zhuǎn)過(guò)360°/z，再銑下一個(gè)齒槽，直到銑出所有的齒槽。如圖所示1.1齒輪銑刀的選擇應(yīng)選擇與被加工齒輪模數(shù)、壓力角相等的銑刀。同時(shí)按齒輪齒數(shù)根據(jù)下表選擇合適號(hào)數(shù)的銑刀。刀號(hào)12345678加工齒數(shù)范圍12-1314-1617-2021-2526-3435-5455-134135以上及齒條第12頁(yè)/共35頁(yè)1.2銑削方法在臥式銑床上，將齒坯套在心軸上安裝于分度頭和尾架頂尖中，對(duì)刀并調(diào)好銑削深度后開(kāi)始銑第一個(gè)槽，銑完一齒退出進(jìn)行分度，依次逐個(gè)完成齒數(shù)的銑削。第13頁(yè)/共35頁(yè)1.3銑齒加工特點(diǎn)（1）用普通的銑床設(shè)備，且刀具成本低。（2）生產(chǎn)效率低。每切完一齒要進(jìn)行分度，占用較多的輔助時(shí)間。（3）齒輪精度低。齒形精度只達(dá)11-9級(jí)。主要原因是每號(hào)銑刀的刀齒輪廓只與該范圍最少齒槽相吻合，而此號(hào)齒輪銑刀加工同組的其它齒數(shù)的齒輪齒形都有一定的誤差。第14頁(yè)/共35頁(yè)2.展成法

展成法是利用一對(duì)齒輪無(wú)側(cè)隙嚙合時(shí)兩輪的齒廓互為包絡(luò)線的原理加工齒輪的。加工時(shí)刀具與齒坯的運(yùn)動(dòng)就像一對(duì)互相嚙合的齒輪，最后刀具將齒坯切出漸開(kāi)線齒廓。展成法切制齒輪常用的刀具有三種：（1）齒輪插刀

是一個(gè)齒廓為刀刃的外齒輪；（2）齒條插刀

是一個(gè)齒廓為刀刃的齒條；（3）齒輪滾刀

像梯形螺紋的螺桿，軸向剖面齒廓為精確的直線齒廓，滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)相當(dāng)于齒條在移動(dòng)?？梢詫?shí)現(xiàn)連續(xù)加工，生產(chǎn)率高。第15頁(yè)/共35頁(yè)特點(diǎn)：

用展成法加工齒輪時(shí)，只要刀具與被切齒輪的模數(shù)和壓力角相同，不論被加工齒輪的齒數(shù)是多少，都可以用同一把刀具來(lái)加工，這給生產(chǎn)帶來(lái)了很大的方便，因此范成法得到了廣泛的應(yīng)用。第16頁(yè)/共35頁(yè)三、齒輪加工機(jī)床的類型與加工方法圓柱齒輪加工機(jī)床主要有滾齒機(jī)、插齒機(jī)、剃齒機(jī)、珩齒機(jī)和磨齒機(jī)等。滾齒加工原理是滾齒刀和齒坯模擬一對(duì)螺旋齒輪作嚙合運(yùn)動(dòng)。滾齒刀好比一個(gè)齒數(shù)很少（一至二齒）齒很長(zhǎng)的齒輪，形似蝸桿，經(jīng)刃磨后形成一排排齒條刀齒。因此，可把滾齒看成是齒條刀對(duì)齒坯的加工。（一）滾齒加工滾齒加工是用滾齒刀在滾齒機(jī)上加工齒輪的方法。齒輪加工精度為8-7級(jí)，齒面粗糙度Ra值為1.6μm。在滾齒機(jī)上用蝸輪滾刀、鏈輪滾刀還能滾切蝸輪和鏈輪。如圖所示Y3150E型滾齒機(jī)

第17頁(yè)/共35頁(yè)1.加工直齒圓柱齒輪根據(jù)展成法原理用滾刀加工齒輪時(shí)，必須嚴(yán)格保持滾刀與工件之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。因此，滾齒機(jī)在加工直齒圓柱齒輪時(shí)的工作運(yùn)動(dòng)有：

主運(yùn)動(dòng)：就是滾刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（r/min）。展成運(yùn)動(dòng)：就是滾刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，即滾刀與工件間的嚙合運(yùn)動(dòng)。兩者之間應(yīng)準(zhǔn)確的保持一對(duì)嚙合齒輪副的傳動(dòng)關(guān)系。即滾刀轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，工件轉(zhuǎn)k/z轉(zhuǎn)。其中：k是滾刀的頭數(shù)，z為齒輪齒數(shù)。滾切齒輪過(guò)程可分解為：前一排刀齒切下一薄層材料之后，后一排刀齒切下時(shí)，由于旋轉(zhuǎn)的滾刀為螺旋形，所以使刀齒位置向前移動(dòng)了一小段距離，而齒輪坯則同時(shí)轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)角度。后一排刀齒便切下另一薄層材料。正如齒條刀向前移動(dòng)，齒輪坯作轉(zhuǎn)動(dòng)。就這樣，齒坯被一刀刀地切出整個(gè)齒槽，齒側(cè)的齒形則被包絡(luò)而成。所以，這種方法可用一把滾齒刀加工相同模數(shù)不同齒數(shù)的齒輪。不存在理論齒形誤差。第18頁(yè)/共35頁(yè)2.加工斜齒圓柱齒輪除上述三個(gè)運(yùn)動(dòng)外，還有一個(gè)工件附加轉(zhuǎn)動(dòng)（即差動(dòng)傳動(dòng)鏈。)。就是加工斜齒輪時(shí)，在垂直進(jìn)給過(guò)程中，通過(guò)差動(dòng)機(jī)構(gòu)和分度蝸輪副使齒坯和工作臺(tái)獲得附加轉(zhuǎn)速，它與輪齒的螺旋角相適應(yīng)。通過(guò)調(diào)整差動(dòng)交換齒輪可獲得此運(yùn)動(dòng)。加工直齒輪時(shí)，該差動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)脫開(kāi)。3.滾刀的安裝滾齒時(shí)，要求在切削部位滾刀的螺旋線方向與工件齒長(zhǎng)方向一致，這是沿齒向進(jìn)給切出全齒長(zhǎng)的條件。因此加工前要調(diào)整滾刀的安裝角。安裝角度：δ；螺旋升角：ω；齒輪螺旋角：β（斜齒）

軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：就是滾刀沿工件軸線方向作連續(xù)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，在工件的整個(gè)齒寬上切出齒形。第19頁(yè)/共35頁(yè)（a)右旋滾刀滾切直齒輪；(b)左旋滾刀滾切直齒輪螺旋滾刀加工直齒圓柱齒輪的安裝角，滾刀位于工件前面，從幾何關(guān)系可知，滾刀安裝角第20頁(yè)/共35頁(yè)螺旋滾刀加工斜齒圓柱齒輪安裝角第21頁(yè)/共35頁(yè)用滾刀加工斜齒圓柱齒輪時(shí)，由于滾刀和工件的螺旋方向都有左、右方向之分，共有四種不同的組合。則有當(dāng)被加工的斜齒輪的螺旋線方向相反時(shí)取“+”號(hào)，方向相同時(shí)取“-”號(hào)。第22頁(yè)/共35頁(yè)4．滾齒加工時(shí)工件的裝夾

加工的齒輪直徑較小時(shí)，工件以內(nèi)孔定位裝夾在心軸上，心軸上端的圓柱體用后立柱支架上的頂尖或套筒支承，以加強(qiáng)工件的裝夾剛度。加工直徑較大的齒輪時(shí)，通常用帶有較大端面的底座和心軸裝夾，或者將齒輪直接裝夾在滾齒機(jī)工作臺(tái)上。5．滾齒加工的特點(diǎn)

（1）適應(yīng)性好。（2）生產(chǎn)效率高。（3）齒輪齒距誤差小。（4）齒輪齒廓表面粗糙度較差。（5）滾齒加工主要用于直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪和蝸輪。

第23頁(yè)/共35頁(yè)（二）插齒加工

插齒主要用于加工直齒圓柱內(nèi)、外齒齒輪或多聯(lián)齒輪，內(nèi)、外花鍵等。1．插齒的運(yùn)動(dòng)插齒機(jī)的工作原理類似一對(duì)圓柱齒輪嚙合，其中一個(gè)齒輪作為工件，另一個(gè)齒輪變?yōu)辇X輪形的插齒刀具。插齒加工是按展成原理加工齒輪的。加工時(shí)所需的運(yùn)動(dòng)：（1）主運(yùn)動(dòng)（2）展成運(yùn)動(dòng)（3）圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)（刀具轉(zhuǎn)動(dòng)）（4）徑向切入運(yùn)動(dòng)（5）讓刀運(yùn)動(dòng)Y5132型插齒機(jī)如圖所示如圖所示第24頁(yè)/共35頁(yè)第25頁(yè)/共35頁(yè)2、插齒刀

（1）插齒刀的齒面形狀插齒刀有頂刃后角和側(cè)刃后角。第26頁(yè)/共35頁(yè)插齒刀刀刃運(yùn)動(dòng)軌跡形成一個(gè)齒輪，稱為產(chǎn)形齒輪，直齒插齒刀刀刃在端面上的投影就是產(chǎn)形輪的齒形。（2）插齒刀的后角和前角1）插齒刀的頂刃后角和側(cè)刃后角標(biāo)準(zhǔn)直齒插齒刀采用頂刃后角2）插齒刀的頂刃前角和側(cè)刃前角標(biāo)準(zhǔn)直齒插齒刀采用頂刃前角第27頁(yè)/共35頁(yè)3．插齒刀的類型

插齒所用的直齒插齒刀主要有三種類型，分別是盤形直齒插齒刀、碗形直齒插齒刀和錐柄直齒插齒刀。4．插齒加工的特點(diǎn)（1）齒形精度高。（2）獲得的齒廓表面粗糙度較細(xì)。（3）有利于提高工件的齒形精度和減小表面粗糙度。（4）工件公法線長(zhǎng)度變動(dòng)量較大。（5）生產(chǎn)率低。（6）加工斜齒輪很不方便，且不能加工蝸輪。

如圖所示第28頁(yè)/共35頁(yè)（三）齒輪其他加工方法常用的齒面精加工方法有剃齒、珩齒和磨齒等方法。1、剃齒加工剃齒常用于未淬火圓柱齒輪的精加工，生產(chǎn)效率很高，在成批、大量生產(chǎn)中得到廣泛的應(yīng)用。盤形剃齒刀外型很像齒輪，加工時(shí)剃齒刀和齒輪軸交錯(cuò)成一角度，作螺旋齒輪嚙合。安裝時(shí)，剃齒刀與工件軸線傾斜一個(gè)剃齒刀螺旋角β。剃齒刀的圓周速度可以分解為沿工件齒向的切向速度和沿工件齒面的法向速度，從而帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)和軸向運(yùn)動(dòng)，使刀具在工件表面上剃下一層極薄的切屑。同時(shí)，工作臺(tái)帶動(dòng)工件作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，以剃削輪齒的全長(zhǎng)。1.1、剃齒工作原理如圖所示第29頁(yè)/共35頁(yè)1.2、剃齒刀的用途和種類剃齒刀是一種精加工齒輪刀具，主要限制是不能加工淬硬的齒輪。剃齒