圆柱齿轮的齿形加工

6.2　圆柱齿轮的齿形加工

齿轮的齿形加工分为无屑加工和切削加工两大类。无屑加工包括热轧、冷轧、冷挤、压铸和粉末冶金等，无屑加工具有生产率高、材料消耗少、成本低等优点，但因加工精度不高，目前尚未广泛应用。齿形切削加工按其加工原理可分为仿形法和展成法。

仿形法是采用刀刃形状与被加工齿轮齿槽形状相仿的成形刀具来进行齿形加工。常用的有模数铣刀铣齿、齿轮拉刀拉齿和成形砂轮磨齿等。

展成法是利用齿轮啮合原理进行的齿形加工。常用的有滚齿、插齿、剃齿、珩齿和磨齿等。这种加工方法的加工精度和生产率较高，所以在生产中广泛应用。

常见齿形加工方法的加工精度和适用范围见表6.5。

表6.5　常见齿形的加工方法

6.2.1滚齿

1）滚齿原理

图6.2是用齿轮滚刀加工齿轮的原理，齿轮滚刀相当于一个经过开槽和铲齿的蜗杆，具有许多切削刃并磨出后角。由于蜗杆的法向截面近似于齿条形，当滚刀旋转时，就相当于一根齿条在移动（图6.2（d）），如果被切齿轮与移动的齿条互相啮合转动，滚刀切削刃的一系列连续位置的包络线就形成被切齿轮的齿廓曲线（图6.2（e））。

图6.2　展成法滚齿原理

2）滚齿工艺特点

滚齿是齿形加工中应用最广的一种加工方法，其生产率较高，除可加工圆柱齿轮外，还可加工蜗轮。

滚齿既可用于齿轮的粗加工，也可用于精加工。对于8、9级精度齿轮，可直接经滚齿加工后获得。当采用AA级齿轮滚刀和高精度滚齿机时，也可直接加工出7级精度的齿轮。

一般滚齿机多采用高速钢滚刀，只能用来对软齿面（未淬火齿轮）的粗精加工，切削用量较低，一般切削速度在30m／min左右，进给量为1～3mm／r。当采用硬质合金滚刀，在大功率高刚度的滚齿机上，可实现高速滚齿（切削速度可达100m／min），使滚齿的生产率大幅度提高。此外，硬质合金滚刀对淬火后的硬齿面齿轮（45～64HRC）可进行精滚，精度低于8级的齿轮能用滚齿代替磨齿。

滚齿加工是直接在圆柱形齿坯上切出齿形，由于滚刀上参加切削的刀齿数有限，齿面的表面质量较差。为了提高加工质量，应将粗、精滚齿分开。精滚时的齿厚加工余量一般为0.5～1mm，并取较高的切削速度和较小的进给量。

3）工件的安装

滚齿加工中，工件的安装形式很多，它不仅与工件的形状、大小、精度要求等有关，而且还受到生产批量、装备条件的限制。常用的安装形式有心轴安装和夹具安装。

（1）用滚齿心轴安装

图6.3　用滚齿心轴安装工件

1—外支架上的上托盘2—定位套3—滚齿心轴4—六角螺母5—上垫圈6—工件7—过渡套8—垫圈9—心轴座10—圆螺母11—六角螺母12—光垫圈13—T形槽螺钉14—拨杆

用滚齿心轴安装工件如图6.3所示。先将心轴座安装在滚齿机工作台上，并用千分表测量心轴座的外圆和端面圆跳动，均需控制在0.01mm以内，如图6.4（a）。再将心轴装入心轴座用圆螺母固定，用千分表测量心轴A、B两处的径向跳动，要求A处控制在0.01mm内；B处控制在0.015mm内，如图6.4（b）。最后装上工件，并用上托座托住心轴的上端轴颈。

图6.4　滚齿心轴座和心轴的安装及调正

（2）用滚齿夹具安装

图6.5所示的滚齿夹具，在生产中应用较广。由于心轴4按工件孔径制造，不采用过渡套，所以工件的定位精度较高，适用于加工7～8级精度的齿轮。安装夹具时，应先将定位头7装入机床工作台的定位孔内，并用千分表测量，控制定位头外圆的径向圆跳动量在0.01mm内，如图6.6（a）。再以定位头为基准，将夹具装在工作台上，用千分表校正心轴4上A、B、C三处的圆跳动误差，三处误差都应小于0.01mm，如图6.6（b）。若A、B两处的径向圆跳动误差较大，应根据千分表上的读数，调节三个调整螺钉8。若夹具中心与工作台中心不重合，存在偏心量e。调节时，先松开螺钉a然后旋螺钉b、c，将夹具向工作台中心靠近，使圆跳动误差达到要求，如图6.5（c）。这种夹具有一定的通用性，当变换工件时，只需更换心轴4。

图6.5　滚齿夹具

1—顶尖2—六角螺母3—上垫圈4—心轴5—内六角螺钉6—夹具座7—定位头8—调整螺钉9、12—螺母10—T形槽螺钉11—垫圈

4）提高滚齿生产率的途径

（1）高速滚齿

近年来，我国已设计和制造出刚度好并有自动轴向窜刀机构的滚齿机，同时研制了适合高速滚齿的高速钢滚刀，切削速度达100m／min；硬质合金滚刀的切削速度高达300m／min。不仅大大提高生产率，而且滚齿质量较稳定，齿面粗糙度较细。

图6.6　滚齿夹具的安装及校正

（2）改进刀具结构

采用大直径滚刀可增加圆周上的刀齿数，孔径也可增大，刀齿数的增多使包络齿面的刀刃数增加、切削平稳、粗糙度变细，对模数不大的齿轮，可一次走刀便可滚出。孔径增大提高了滚刀刀杆的刚度，允许采用较大的切削用量，因此大直径滚刀已广泛应用于大量生产中的剃齿前加工。

采用多头滚刀将明显地提高生产率，据统计，双头滚刀的切齿效率提高40%～60%，三头滚刀可提高70%～80%。但多头滚刀各头之间的分度误差将增加工件的齿距和齿厚误差，且因包络齿面的刀刃数减少，而使齿面的粗糙度变粗，所以多头滚刀多用于粗加工。

（3）采用对角滚齿法

普通滚齿法在滚齿过程中，不是全部刀齿都参与切削，因此，刀齿磨损不匀，影响滚刀的耐用度和滚齿生产率的提高。对角滚齿法是让滚刀在切削过程中，除沿工件轴向进给外，还增加了沿滚刀本身轴心线方向的切向进给运动。这样滚刀就具有轴向进给和切向进给的综合运动，加上分齿运动和相应的附加运动，结果使滚刀的进给运动轨迹就成了对角线形。

对角法滚齿的优点，在于滚刀增加了沿其轴线方向的切向进给后，使滚刀在全长上所有刀齿都能参加切削，使各刀齿的负荷均匀，因而磨损均匀，刀具耐用度增加，便于提高切削用量，达到提高生产率的目的。

对角滚齿法滚出的齿面痕迹不像普通滚齿那样平行于齿轮的轴线，而为交叉的网形（图6.7），故齿面粗糙度细，对进一步精加工齿形有利。

图6.7　对角滚齿和一般滚齿切削后的齿面

（a）对角滚齿　（b）一般滚齿

6.2.2　插齿加工

1）插齿原理

插齿和滚齿一样，是利用展成法原理来加工齿轮。插齿刀和工件相当于一对轴线相互平行的圆柱齿轮相啮合，而插齿刀就像一个磨有前、后角而形成刀刃的齿轮，如图6.8所示。

图6.8　插齿原理

2）插齿的工艺特点

插齿是生产中常用的一种切齿方法。和滚齿相比较，插齿在加工精度、生产率和应用范围等方面均有一些特点。

（1）加工精度

插齿的齿形精度比滚齿高，因为插齿时形成齿形包络线的切线数由圆周进给量的大小决定，可以选择。而滚齿时形成齿形包络线的数量是由滚刀头数和滚刀圆周上的齿数决定。故插齿所得的齿形粗糙度比滚齿细，齿形误差也较小。

滚齿的周节累积误差较小，这是因为工件的每个齿槽都是由滚刀上的2～3圈刀齿切削出来的，而滚刀的齿距误差较小。插齿时的传动链比滚齿长，多了一部分传动链误差，并且插齿刀的一个刀齿切削一个齿槽，因此插齿刀的周节累积误差将反映到工件上去。

（2）生产率

插削模数较大的齿轮时，由于插齿刀的刚性较差，切削过程中又有空行程损失，故生产率比滚齿低。但在加工小模数、多齿数和齿宽较窄的齿轮时，其生产率比滚齿高。所以，插齿多用于中、小模数齿轮的加工。

（3）应用范围

插齿的应用范围比滚齿要广，它除了能加工圆柱直齿轮外，还能加工多联齿轮、内齿轮、扇形齿轮和齿条等。也可以通过插齿机上的附属装置加工螺旋齿轮，但不如滚齿方便，插齿还不能加工蜗轮。

3）工件的安装

常用的插齿夹具如图6.9所示。心轴用1∶10锥度与工作台联接，工件与心轴的配合间隙要小，一般采用过渡配合，如H7／h7或H7／h6。当工件孔径小于40mm时，心轴用整体结构；大于40mm时，采用镶套结构。

图6.9　插齿夹具

1—螺母　2—上垫圈　3—心轴　4—下垫圈

图6.10　插齿夹具的安装及找正

（a）心轴的安装及找正　（b）工件的安装及找正

安装心轴时，需用千分表测量a，b两处的径向圆跳动量，要求a处的误差小于0.008mm；b处的误差小于0.005mm，如图6.10（a）。工件安装后，再用千分表测量工件的端面圆跳动量，要求在0.01mm内，如图6.10（b）。

4）提高插齿生产率的途径

（1）高速插齿

用高速插齿机进行高速插齿，增加插齿刀每分钟往复次数，可缩短机动时间，从而提高了生产率。现有高速插齿机的往复次数每分钟可达1200～1500次，最高可达2　500次。

（2）提高圆周进给量

提高圆周进给量，可缩短机动时间，但插齿刀的回程让刀量增大，容易引起振动，使齿面粗糙度变粗，因此，应将粗、精插齿分开。新型插齿机均备有加工余量预选分配装置，以及低速大进给粗插和高速小进给精插的自动转换机构，实现加工过程的自动循环。

6.2.3　剃齿加工

剃齿是一种精加工齿轮的方法，经剃齿加工的齿轮，精度可达到6～7级，齿面粗糙度值为Ra0.8～0.2μm。剃齿的生产率较高，因此它广泛用于成批或大量生产中，对未淬硬的齿轮精加工。

1）剃齿原理

剃齿是利用一对交叉轴螺旋齿轮啮合的原理，剃齿刀实际上就是一个高精度螺旋齿轮，在齿面上沿渐开线方向开有许多槽，以形成切削刃，如图6.11（a）所示。

图6.11　剃齿的基本原理

1—剃齿刀　2—被加工齿轮

加工时将经滚齿或插齿后的工件装在顶尖间，剃齿刀装在机床主轴上，带动工件转动，剃齿刀与工件的齿向一致，两者相啮合形成无侧隙传动，用手来回转动工件，使之能自由转动，如图6.12所示。由于剃齿刀与工件，两者相当于一对螺旋齿轮，所以在接触点的切向分速度不一致，这样工件的齿侧面就沿剃齿刀的齿侧面产生滑移，剃齿就是利用这种相对滑移来进行切削。

图6.12　调整工件与剃齿刀之间的位置

剃齿时剃齿刀与工件轴线夹角φ＝β_工±β_刀（β_工和β_刀为工件与剃齿刀的螺旋角，两者螺旋同向时取“＋”号，反向时取“－”号）。图6.11（b）表示左旋剃齿刀和右旋被加工齿轮啮合，在啮合点P，剃齿刀与工件的圆周速度为v_刀和v_工，可以分解为法向分速度v_刀法与v_工法和切向分速度v_刀切与v_工切。剃齿刀和工件在啮合点的法向分速度应相等（即v_工法＝v_刀法），而切向分速度不相等，就产生了齿面的相对滑移。剃齿刀和工件在啮合点P的齿面滑移速度v_p为两者切向分速度的差值：v_p＝v_工切±v_刀切（两者螺旋同向时取“＋”号，反向时取“－”号）。φ值越大，则v_p越大，但刀具与工件接触情况不良时，一般取φ＝10°～15°。

由于剃齿刀与工件啮合时为点接触，为了能剃出轮齿的全齿宽，工作台必须作纵向往复运动（f_纵），工件每转的纵向进给量为0.15～0.30mm；工作台每次行程后，剃齿刀须带动工件作反转，以剃出另一齿侧面。工作台每次双行程后，工件作径向进给（f_径）0.025～0.04mm，剃齿刀在进刀压力下，就能切入金属层，这样逐步剃去滚（或插）齿所留的全部余量，最后得到所需的齿厚。

由上述可知，剃齿时具有下列三种基本运动（图6.11（c））：

（1）剃齿刀的高速正、反转（n_刀）；

（2）工件沿轴向往复运动（f_纵）；

（3）工件每往复一次后，剃齿刀的径向进给运动（f_径）。

2）剃齿的工艺特点

经过剃齿的齿轮，齿面粗糙度较细，传动平稳性和载荷分布均匀性都有较大提高，但对齿轮传递运动的准确性提高不多。

（1）对剃齿前齿轮的精度要求

剃齿一般能够提高一级精度，故要求剃齿前齿轮有较高的精度，由于剃齿不能修正公法线长度变动量，故剃齿前应保证其在允许范围内，并严格控制影响公法线长度变动量的有关误差因素。

（2）剃齿余量

剃齿余量的大小，对加工质量和生产率均有较大的影响。剃齿余量不足时，剃齿前齿轮的误差及表面缺陷不能全部消除；剃齿余量过大时，剃齿效率低，刀具磨损快，剃齿质量降低。剃齿余量的大小，应根据剃齿前齿轮的质量尽可能取较小的数值。表6.6可供选择时参考。

表6.6　剃齿余量

（3）剃齿刀的选择

通用剃齿刀的制造精度分A、B、C三级，可分别加工6级、7级和8级精度的齿轮。剃齿刀的螺旋角有5°、10°和15°三种，15°多用于加工直齿圆柱齿轮；5°多用于加工斜齿和多联齿轮。剃削齿轮时轴交角φ不宜超过20°，否则剃齿效果不好。剃齿刀安装后，应认真检查其径向和端面圆跳动，轴交角通过试切调整。

（4）剃齿生产率

剃齿的效率很高，剃削中等尺寸的齿轮一般为2～4min，比磨齿的效率提高10倍以上，因此剃齿工艺在大批和大量生产中被广泛采用。

3）工件的安装

图6.13　剃齿心轴

（a）螺母心轴　（b）十字垫圈心轴　（c）套式心轴

剃齿时，工件用心轴安装，心轴有多种形式，图6.13为几种常用的剃齿心轴。螺母心轴装拆工件不方便，并受螺母精度的影响，若螺母的端面与螺纹轴线不垂直，夹紧后容易使心轴产生弯曲变形，影响剃齿的加工精度。在心轴上增加一套十字垫圈，便可消除上述影响，提高定位精度。套式心轴是利用剃齿机左顶尖液压的夹紧力，将套和工件一起夹紧，所以使用十分方便，但套内孔与心轴配合存在间隙，所以定位精度较差。心轴与工件孔的配合，一般采用H6／h5或H7／h6，其定位轴颈的径向圆跳动和端面圆跳动，均应小于0.005mm，两端中心孔需经研磨，表面粗糙度值为Ra0.1μm。

6.2.4　珩齿加工

1）珩齿原理

珩磨用于齿面淬硬后的精加工。珩齿时珩轮与工件呈螺旋齿轮副的自由啮合，传动时靠齿面间的压力和相对滑动用磨粒进行切削，如图6.14所示。

图6.14　珩齿原理

珩齿的运动和剃齿基本相同，珩轮带动工件作正反转动；工件沿轴向作往复运动，沿径向作进给运动。与剃齿不同的是珩齿加工余量很少，只需一次进给到底。因此，珩齿开始时齿面压力较大，随后逐渐减小直至压力消失时，珩齿便告结束。

2）珩齿的工艺特点

（1）珩轮齿面上均匀地密布着磨粒，磨粒用环氧树脂结合。珩齿速度远比一般磨削低（通常为1～3m／s），磨粒粒度很细，结合剂弹性较好，所以，珩齿过程实质上为低速磨削、研磨和抛光的综合过程。

（2）珩齿过程中磨粒具有沿齿向和沿渐开线切线方向的双重滑动，因此在密布的磨粒连续磨削、挤压下，齿面形成复杂的细纹，使齿面粗糙度显著变细，其表面粗糙度值可从Ra 1.6μm降为Ra0.8～0.4μm。由于珩齿的切削速度较低，因而齿面不会产生烧伤和裂纹。

（3）由于珩轮弹性较大，珩齿修正误差的能力较差，同时珩轮本身的误差也不会全部反映工件的误差。因此，珩轮的精度一般不高，浇注成型后（精度在8级以下）可直接应用（主要提高齿面质量）。但经磨齿机修磨的高精度珩轮，可以提高被磨齿轮1～2级精度。

（4）珩齿余量一般取0.01～0.02mm。珩轮转速在1000r／min以上，纵向进给量为0.3mm／r左右，经过3～5次往复行程即可珩去齿面全部余量，故生产率很高，珩一个齿轮一般只需1min。

3）珩齿方式

珩齿时，珩轮与工件齿面间需施加一定的压力，按照施加压力方法的不同，珩齿方式可分为以下三种：

（1）定隙珩齿

珩轮与工件单面啮合，保持一定的间隙。珩轮带动工件旋转时，工件具有可控制的制动力，以保持所需的齿面压力。这种方式可减细表面粗糙度，少量修正热处理变形，但不能修正齿圈跳动，生产率较低。

（2）变压珩齿

珩齿前先调整好珩轮与工件的中心距，开车后一次进给到预定位置。因此，珩齿开始时齿面压力较大，随后压力逐渐减小，直至压力接近消失时珩齿即告结束。这种方式可显著修正齿圈径向跳动，生产率较高。

（3）定压珩齿

在整个珩齿过程中，珩轮与工件保持恒压无隙啮合。这种方式较前两种完善，修正误差能力较大。但机床需具备保持恒压的机构。

4）蜗杆珩齿

（1）蜗杆珩齿的工作原理

其工作原理也和剃齿加工原理相同，只是用蜗杆珩轮代替剃齿刀。珩齿时，珩轮与工件的相对安装位置，如图6.15（a）所示。珩齿过程中，在珩磨轮的速度和压力作用下，磨去工件齿面上的金属，如图6.15（b）所示。

图6.15　蜗杆式珩磨的工作原理

（a）珩轮的安装位置　（b）珩磨时的啮合状况

图6.16　蜗杆式珩轮

蜗杆珩轮由齿部和心部组成，如图6.16所示。齿部由环氧树脂和磨料混合均匀后，用离心浇注成型。心部用45钢制造。齿形在高精度滚刀磨床上磨成5～6级精度。

（2）蜗杆珩齿的工艺特点

蜗杆珩齿的速度为20～25m／s，所以有很高的生产效率。有较强的切削能力，能部分代替淬硬齿轮的磨齿加工，珩齿后，工件精度可提高1～2级。珩轮的使用寿命很长，当一段磨钝后，可沿轴向移位，再继续使用。

6.2.5　磨齿加工

磨齿是齿形加工中精度最高的一种方法。适用于淬硬齿轮的精加工，其精度可达4～6级，表面粗糙度值为Ra0.80～0.20μm。磨齿对齿轮误差或热处理变形具有较强的修正能力，故多用于硬齿面的高精度齿轮、插齿刀和剃齿刀等的精加工。但磨齿的生产率低，加工成本很高。

磨齿按加工原理分为仿形法和展成法两类。仿形法是用成形砂轮直接磨出渐开线齿形，生产率较高，但精度较差，目前生产中很少应用。展成法是根据齿轮与齿条啮合原理，即将砂轮修整成假想齿条的单侧或双侧表面，通过与工件的啮合运动包络出齿轮的渐开线齿面。

1）磨齿方法

根据砂轮形状的不同，展成法磨齿可分为：锥形砂轮磨齿、碟形砂轮磨齿、大平面砂轮磨齿和蜗杆砂轮磨齿等四种方法。下面介绍常用的三种磨齿方法。

（1）锥形砂轮磨齿（图6.17（a））

锥形砂轮作为假想齿条中的一个齿形（固定不动），磨齿时，砂轮一面旋转一面沿齿面快速往复运动。展成运动由工件的旋转和相应的移动来实现。当工件向右滚动时，砂轮右锥面磨齿槽的右侧面，从齿根磨到齿顶；继而向左滚动，砂轮左锥面磨齿槽的左侧面，也是从齿根磨到齿顶。然后工件快速离开砂轮进行分度后，再磨下一个齿槽。

这种磨齿法的砂轮刚性好，磨削效率也高，但磨齿精度较低。一般为6级。

（2）碟形砂轮磨齿（图6.17（b））

用两片碟形砂轮倾斜安装后即构成假想齿条的两个齿侧面。磨齿时砂轮只在原位旋转，展成运动由工件在水平面内作往复移动及相应的转动来实现，同时工件还沿齿面作进给往复运动。当齿槽的两个齿侧面磨完后，工件即快速退离砂轮，然后进行分度，以便对另一齿槽两侧齿面磨齿。

这种磨齿法的砂轮刚性差，磨削深度小，生产率低，故加工成本较高，但磨削精度高，最高可达4级，适用于单件或小批生产中高精度的直齿、斜齿、圆柱齿轮的精加工。

（3）蜗杆砂轮磨齿（图6.17（c））

砂轮做成蜗杆形状，其原理和滚齿相似，蜗杆砂轮相当于滚刀。磨齿时砂轮与工件的轴线间有一轴交角，两者旋转运动须保持严格的速比，为磨出全宽，工件还需沿轴线方向作进给运动。

图6.17　磨齿方法

（a）锥形砂轮磨齿　（b）碟形砂轮磨齿　（c）蜗杆砂轮磨齿

为了达到必要的磨削速度，砂轮的直径较大（φ200mm～φ350mm），且转速较高（2000r／min），所以磨削效率很高，适用于大、中批生产。磨齿精度一般为5～6级，最高可达3级。

2）磨齿工艺参数的选择

（1）磨齿余量

磨齿余量直接影响磨齿效率和质量。磨齿余量大小主要取决于齿轮尺寸、磨齿前加工精度和热处理变形。高频淬火变形小磨齿余量可少些；渗碳淬火变形大磨齿余量可多些，对于中等尺寸的淬火齿轮，一般取0.3mm左右。

（2）磨齿切削用量

磨齿的切削用量包括磨削速度、磨削深度、纵向进给量和展成进给量等。磨削速度即砂轮旋转的圆周线速度，一般为30m／s。磨削深度指一次磨削中齿面法向切入的深度，粗磨时可大些；精磨时应小些，碟形砂轮磨齿时较小（粗磨0.02～0.05mm，精磨≤0.01mm）。锥形砂轮磨齿时较大（粗磨0.03～0.1mm；精磨≤0.01mm）。纵向进给量指砂轮沿工件轴向的进给量，碟形砂轮磨齿时为2～4m／min；锥形砂轮磨齿时为5～7m／min；蜗杆砂轮磨齿时为0.5～3mm／r_ω。