直齿圆柱齿轮类零件的加工

第三节　直齿圆柱齿轮类零件的加工

一、概述

1．齿轮的功用和种类

（1）齿轮的功用　齿轮在机械中广泛地用来传递运动和转矩。由于齿轮传动具有瞬时传动比恒定、传递运动准确平稳、传递功率大、传动效率高、可实现较大的传动比、结构紧凑、工作可靠和使用寿命长等特点，所以齿轮传动是现代机械中应用最广泛的一种机械传动形式。齿轮是最主要的一种传动元件。

（2）齿轮的种类　齿轮的种类很多，分类方法也很多。

1）按轮齿的齿廓曲线不同可分为渐开线齿轮、摆线齿轮、圆弧齿轮等。

2）按分度曲面形状不同可分为圆柱齿轮、锥齿轮等。

3）按齿线形状不同可分为直齿轮、斜齿轮等。

4）按齿顶曲面相对齿根曲面的位置不同可分为外齿轮、内齿轮等。

在机械中应用最广、使用最多的是渐开线直齿圆柱外齿轮。

（3）齿轮的主要加工表面　齿轮的主要加工表面有齿面和齿轮基准表面。齿面是齿轮的工作表面。齿轮基准表面包括带孔齿轮的基准孔、连轴齿轮的基准轴、切齿加工时的齿坯安装端面以及用以校正齿坯位置或测量齿厚时用做测量基准的齿顶圆柱面。

2．齿轮的材料和毛坯

（1）齿轮的材料　作为机械中重要传动元件的齿轮，工作时条件复杂，有的传动速度高，有的传递转矩大（重载），传动时齿面间存在滑动摩擦，因此对齿轮所用材料有如下要求：

1）具有一定的接触疲劳强度和弯曲疲劳强度。

2）有足够的硬度和耐磨性。

3）具有一定的冲击韧性。

4）从工艺角度要求热处理变形要小，切削性能要好。

（2）齿轮的毛坯　齿轮毛坯的选择决定于齿轮的材料、结构形状、尺寸规格、使用条件及生产批量等因素。常用的毛坯有：

1）棒料　一些不重要、受力不大且尺寸较小、结构简单的齿轮，可直接采用棒料毛坯。

2）锻造毛坯　用于重要且受力较大的齿轮。

3）铸钢毛坯　用于直径很大或结构形状复杂的齿轮。有时用高强度球墨铸铁取代铸钢。

4）铸铁毛坯　抗弯强度低，抗冲击和耐磨性能差，仅用于受力小、无冲击、低速的齿轮。常用铸铁牌号为HT200。

二、直齿圆柱齿轮的主要技术要求

1．齿轮精度和侧隙

（1）精度等级GB／T10095《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，并将7级定为基础等级。所谓基础等级，是指在设计中普遍应用的等级，加工中使用滚齿、插齿或剃齿等一般切齿工艺方法在正常工作条件下所能达到的精度等级。齿轮的各项误差在不同的精度等级均规定有具体的公差值或极限偏差值。

（2）公差组　按照各项误差的特性及它们对传动性能的主要影响，齿轮的各项公差或极限偏差分成三个组，见表12－4。公差与极限偏差项目可查阅GB／T10095《渐开线圆柱齿轮精度》标准。

表12－4　圆柱齿轮的公差组

根据齿轮使用要求的不同，各公差组可以选用不同的精度等级。但在同一公差组内，各公差与极限偏差项目应保持相同的精度等级。

（3）侧隙　齿轮副的侧隙是指齿轮副啮合时，两齿轮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，GB／T10095附录中对齿坯公差作了相应规定。表12－5和表12－6为部分摘录。

表12－5　齿坯公差

注：①当3个公差组的精度等级不同时，按最高的等级确定公差值。

②当顶圆不作测量齿厚的基准时，尺寸公差按IT11给定，但不大于0．1m_n。

③当以顶圆作基准时，基准的径向圆跳动即指顶圆的径向圆跳动。

表12－6　齿轮基准面径向和端面圆跳动公差单位：μm

齿轮的齿面及基准表面粗糙度，对齿轮寿命、齿轮传动的平稳性（传动中的噪声）有一定的影响。各主要表面的表面粗糙度与齿轮的精度等级有关。表12－7为常用精度等级齿轮的主要表面的表面粗糙度推荐值。

表12－7　齿轮主表面的表面粗糙度Ra值（推荐）单位：μm

注：当3个公差组的精度等级不同时，按最高精度等级确定Ra值。

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原则，尽可能与装配基准、测量基准一致。在齿轮加工的整个过程中（如滚齿、剃齿、珩齿等），应选用同一定位基准。

连轴齿轮的齿坯和齿面加工与一般轴类零件加工相似。直径较小的连轴齿轮，一般采用两端中心孔作为定位基准；直径较大的连轴齿轮，由于自重及切削力较大，不宜用中心孔作定位基准，而应选用轴颈和端面圆跳动较小的端平面作为定位基准。

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，生产率高，适于成批生产。单件、小批量生产时，则常用外圆和端面作定位基准，以省去心轴，但这时要求外圆对孔轴线的径向圆跳动要小，生产率较低。

2．齿轮加工的加工阶段

齿轮加工包括齿坯加工和齿面加工。只有在齿坯达到一定的精度前提下，才能进行齿面的相应加工，以保证齿轮的精度要求。齿轮的加工一般可划分成以下几个阶段：

（1）齿坯加工

1）对于不需要淬硬的齿轮，齿坯的次要表面及主要表面（齿轮的基准表面）均达到图样规定的尺寸和技术要求。

2）对于需要淬硬的齿轮，各次要表面达到图样规定要求，各主要表面应留有精加工余量。

（2）齿面加工

1）对于不需要淬硬的齿轮，齿面应达到图样规定的尺寸和技术要求，齿轮加工完毕。

2）对于需要淬硬的齿轮，齿面应留有精加工余量。

3）齿面热处理　对齿面进行图样规定的热处理，如高频淬火、渗碳淬火、渗氮等。

4）齿轮基准表面精加工　使各基准表面达到图样规定的尺寸和技术要求。

5）齿面精加工　对淬硬后的齿面进行精加工，达到图样规定的尺寸和技术要求，完成齿轮加工。

3．齿坯加工

齿坯主要表面加工主要包括带孔齿轮的孔与端面、连轴齿轮的中心孔及齿坯外圆和端面的加工。

齿坯孔加工的主要方案有：

（1）钻孔—扩孔—铰孔—插键槽

（2）钻孔—扩孔一拉键槽—磨孔

（3）车孔或镗孔—拉或插键槽—磨孔

齿坯外圆和端面主要采用车削。注意齿坯内孔和基准端面的精加工必须在一次安装内完成，并在基准端面上作标记。

4．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、零件的结构、生产批量、生产条件和切齿时工件所处的热处理状态等。

7～8级精度、不需淬硬的齿轮，可用滚齿或插齿达到要求。

6～7级精度、不需淬硬的齿轮，可用滚齿—剃齿达到要求。

6～7级精度、需要淬硬的齿轮，生产批量较小时可用：滚齿（或插齿）—齿面热处理—磨齿的加工方案，生产批量大时可采用：滚齿—剃齿—齿面热处理—珩齿的加工方案。

5．圆柱齿轮的加工工艺过程

齿轮加工的工艺过程，根据齿轮的材料、精度等级、生产批量及生产条件，大体可归纳为以下三种模式：

（1）只需调质热处理的齿轮

毛坯制造—毛坯热处理（正火）一齿坯粗加工—调质—齿坯精加工—齿面粗加工一齿面精加工

（2）齿面需经表面淬火（一般采用高频淬火）的中碳结构钢、合金结构钢齿轮

毛坯制造—正火一齿坯粗加工—调质一齿坯半精加工—齿面粗加工（半精加工）—齿面高频淬火一齿坯精加工—齿面精加工（珩齿或磨齿）

（3）齿面需渗碳或渗氮的齿轮

毛坯制造—正火—齿坯粗加工—正火或调质—齿坯半精加工一齿面粗加工（滚齿、插齿）—齿面半精加工（剃齿）—渗碳淬火或渗氮—齿坯精加工—齿面精加工（磨齿、研齿或珩齿）

四、直齿轮圆柱齿轮加工实例

1．零件图样（如图12－7所示）

图12－7　传动齿轮简图

2．零件及其工艺过程分析

该齿轮为模数m＝3．5mm，齿数z＝63，齿形角α＝20°的标准直齿圆柱齿轮。

（1）主要技术要求

1）精度等级6—5—5MP

第Ⅰ公差组为6级精度，检测项目：齿距累积误差ΔF_p，公差F_p＝0．063mm。

第Ⅱ公差组为5级精度，检测项目：齿形误差Δf_f，公差f_f＝0．007mm和基节偏差Δf_pb，基节极限偏差±f_pb＝±0．006mm。

第Ⅲ公差组为5级精度，检测项目：齿向误差ΔF_β，公差F_β＝0．007mm。

公法线长度mm，跨测齿数k＝8。

齿厚上偏差M＝－20f_pt＝－0．14mm，齿厚下偏差P＝－32f_pt＝－0．224mm。

2）齿坯基准面精度

基准内孔mm精度为IT6；两端面B、C对基准孔轴线的端面圆跳动允许误差分别为0．020mm和0．025mm。

3）表面粗糙度

基准孔为Ra0．8μm，两端面B、C为Ra1．6μm，齿面为Ra0．8μm，齿顶圆柱面为Ra3．2μm。

（2）毛坯选择　采用锻造毛坯以改善材料的力学性能。单件、小批量生产时采用自由锻，大批量生产时采用模锻。

（3）主要表面加工方法的选择　该齿轮精度等级较高，各主要表面宜采用如下精加工方法：

基准孔：磨削

端面：磨削

齿面：滚齿—齿面高频淬火—磨齿

3．加工工艺过程　传动齿轮加工工艺过程见表12－8。

表12－8　主轴箱传动齿轮机械加工工艺过程