齿轮的齿形加工

齿轮在各种机械和仪表中广泛应用，它是传递运动和动力的重要零件，机械产品中的工作性能、承载能力、使用寿命及工作精度等，都与齿轮本身的质量有着密切的关系。常用的齿轮有圆柱齿轮、圆锥齿轮及涡轮等，而以圆柱齿轮应用最广。

齿轮的齿形曲线有渐开线、摆线、圆弧等，其中最常用的是渐开线。本节仅介绍渐开线圆柱齿轮齿形的加工方法。

在齿轮的齿坯上加工出渐开线齿形的方法很多，目前，用切削加工的方法按其加工原理的不同，可分为两种类型，一种是成形法，一种是范成法。

18.6.1 成形法加工齿形

成形法加齿轮齿形的原理是用于被加工齿轮齿廓形状相符的成形刀具，在齿轮的齿坯上加工出齿形的方法，这种方法制造出来的齿轮精度较低，只能用于低速传动。最常用的方法是铣齿。

1.铣齿

铣齿是利用成形齿轮铣刀，在万能铣床上加工齿轮形的方法。当齿轮模数m＜8时，一般在卧式铣床上用盘状铣刀铣削，如图18－22（a）所示。当齿轮模数m≥8时，用指状铣刀在立式铣床上进行，如图18－22（b）所示。

图18－22 成形法铣削齿轮

铣削时，均将工件安装在铣床的分度头上，模数铣刀作旋转主运动，工作台作直线进给运动。当加工完一个齿间后，退出刀具，按齿数z进行分度，再铣下一个齿间。这样，逐齿进行铣削，直至铣完全部齿间。

模数相同而齿数不同的齿轮，其齿轮渐开线的形状是不同的。从理论上讲，同一模数每种齿数的齿轮，都应该用专门的铣刀加工，但这在生产中既不经济，也不便于管理。为减少同一模数铣刀的数量，在实际生产中，将同一模数的铣刀，按渐开线齿形的弯曲度相近的齿数，一般只做出8把或15把。对标准模数铣刀，当模数m≤8mm时，每种模数由8把（8个刀号）组成一套，当m＞8mm时，则15把组成一套，每把刀号的铣刀用于加工一定范围齿数的齿轮（见表18－7）。

表18－7 齿轮铣各刀号及加工齿数范围

2.铣齿加工的特点

（1）生产成本低。在普通铣床上，即可完成齿形加工。齿轮铣刀结构简单，制造容易，因此生产成本低。对于缺乏专用齿轮加工设备的工厂较为方便。

（2）加工精度低。铣齿时，由于一把铣刀要加工几种不同齿数的齿轮，因此有齿形误差，而且加工时有分度误差，故其加工精度较低。

（3）生产率低。铣齿时，由于每铣一个齿间都要重复进行切入、切出、退出和分度的工作，辅助时间和基本工艺时间增加，因此，生产率低。

3.铣齿加工的应用

成形法铣齿常用于单件小批生产和修配精度要求不高的齿轮。

18.6.2 范成法（展成法）加工齿形

范成法加工齿轮的基本原理是利用一对齿轮的啮合运动实现的，即一个具有切削能力的齿轮刀具，另一个是被切的工件，通过专用齿轮加工机床按展成法切制出齿形。滚齿和插齿是范成法中最常见的两种加工方法。

1.滚齿

滚齿主要用于加工外啮合的直齿或螺旋齿圆柱齿轮，同时也可用于加工涡轮。

滚齿的工作原理相当于蜗杆与涡轮的啮合原理，如图18－23所示。滚刀的形状相当于一个蜗杆，为了形成刀刃，在垂直于螺旋线的方向开出沟槽，并磨出刀刃，形成切削刃和前、后角，于是就变成滚刀。齿条与同模数的任何齿数的渐开线齿轮都能正确啮合，即滚刀刀齿侧面运动轨迹的包络线为渐开线齿形，在与工件啮合的过程中，形成齿面，如图18－24所示。因此，同一把滚刀可以加工模数、压力角相同而齿数不同的齿轮。

图18－23 滚齿加工示意图

图18－24 滚齿原理

（1）滚齿时，滚刀与工件之间的运动有如下几种。

①主运动。主运动即滚刀的旋转运动。

②分齿运动。分齿运动是指滚刀与齿坯之间保持严格速比关系的运动。若工件的齿数为z，则当单头滚刀转一圈时，被切工件应转1／z圈；头数为k的多头滚刀转一转时，被切工件应转k／z转。滚刀与工件之间的速比关系由机床传动来保证。

③轴向进给运动。为了加工出齿轮的全部齿长，滚刀沿被切齿轮的轴向作直线进给运动。

（2）滚齿的工艺特点。

①加工精度高。因范成法滚齿不存在成形法铣齿的那种齿形曲线理论误差，所以分齿精度高，一般可加工IT8～IT7级精度的齿轮。

②生产率高。滚齿加工属于连续切削，无辅助时间损失，一般情况下，生产率比铣齿、插齿要高。

在齿轮齿形加工中，滚齿应用最广泛，它不但能加工直齿圆柱齿轮，还可以加工斜齿圆柱齿轮、涡轮等。但一般不能加工内齿轮、扇形齿轮和相距很近的齿轮。

2.插齿

插齿是利用插齿刀在插齿机上加工内、外齿轮或齿条等齿面的方法。

插齿是按一对圆柱齿轮相啮合的原理进行加工的，插齿刀相当一个在轮齿上磨出前角和后角，具有切削刃的齿轮，而齿轮坯则作为另一个齿轮，工作时，就是利用刀具上的切削刃来进行切削。工件和插齿刀的运动形式如图18－25所示。

图18－25 插齿原理

（1）插齿时，插齿刀与工件的运动有如下几种。

①主运动。插齿刀的上下往复运动A。

②分齿运动。插齿刀和工件齿坯之间强制严格保持一对齿轮副的啮合运动关系（即插齿刀以B1、工件以B2的相对运动关系转动）。

③径向进给运动。为了使插齿刀逐渐切至全齿深，插齿刀每上下往复一次应具有向工件中心的径向进给运动。

④让刀运动。为了避免插齿刀向上返回退刀时，造成后刀面的磨损和擦伤已加工表面，工件应离开刀具作让刀运动，当插齿刀向下切削加工时，工件应恢复原位。

（2）插齿的工艺特点如下。

①加工精度较高。插齿刀的制造、刃磨和检验均较滚刀简便，易保证制造精度，但插齿机的分齿传动链较滚齿机复杂，传动误差较大。插齿的精度高于铣齿，与滚齿差不多，一般可加工IT7以下的齿轮。

②齿面粗糙度值Ra较小。插齿时，由于插齿刀是沿轮齿全长连续地切下切屑，所形成齿形包络线的切线数目也一般比滚齿时多，因此，插齿加工的齿面粗糙度优于滚齿和铣齿，表面粗糙度Ra值可达1.6μm。

③生产率较低。由于插齿时插齿刀作直线往复运动，速度的提高受到一定的限制，故生产率低于滚齿。

在单件、小批量生产和大量生产中，广泛采用插齿来加工各种未淬火齿轮，尤其是内齿轮和多联齿轮。

18.6.3 齿轮精加工简介

铣齿、滚齿和插齿均属齿形的成形加工，通常只能获得一般精度等级的齿轮。对于精度超过IT7级或齿面需要淬火处理的齿轮，在铣齿、滚齿和插齿后，尚需进行精加工。

齿轮的精加工方法主要有剃齿、桁齿和磨齿。

1.剃齿

剃齿是用剃齿刀在专用剃齿机上对齿轮齿形进行精加工的一种方法，专门用来加工未经淬火（35HRC以下）的圆柱齿轮，如图18－26（a）所示。剃齿加工精度可达IT7～IT6级，齿面的表面粗糙度Ra值可达0.8μm～0.4μm。

剃齿加工时工件与刀具的运动形式如图18－26（b）所示。

剃齿在原理上属范成法加工。剃齿刀的形状类似螺旋齿轮，齿形做得非常准确，在齿面上制作出许多小沟槽，以形成切削刃。当剃齿刀与被加工齿轮啮合运转时，剃齿刀齿面上的众多切削刃将从工件齿面上剃下细丝状的切屑，使齿形精度和齿面粗糙度得以提高。

剃齿加工时，工件安装在心轴上，由剃齿刀带动旋转。由于剃齿刀刀齿是倾斜的（螺旋角为β），为使它能与工件正确啮合，必须使其轴线相对于工件轴线倾斜一个β角。此时，剃齿刀在A点的圆周速度vA可分解为沿工件切向的速度vAB。vAB使工件旋转，vAt为齿面相对滑动速度，即剃削速度。为了剃削工件的整个齿宽，工件应由工作台带动作往复运动，并且在工作台每次往复行程的终了时，工件相对于剃齿刀作垂直进给运动，使工件齿面每次被剃去一层约0.007mm～0.03mm的金属。在剃削过程中，剃齿刀时而正转，剃削轮齿的一个侧面；时而反转，剃削轮齿的另一个侧面。

图18－26 剃齿刀和剃齿加工

剃齿加工主要用于提高齿形精度和齿向精度，降低齿面的表面粗糙度。剃齿加工多用于成批、大量生产。

2.桁齿

当工件硬度超过35HRC时，使用桁齿代替剃齿。桁齿与剃齿的原理完全相同，是用珩磨轮在桁齿机上对齿轮进行精加工的一种方法。

珩磨轮是用金刚砂及环氧树脂等浇注或热压而成，它的硬度极高，能除去剃齿刀刮不动的淬火齿面氧化皮。珩磨过程具有磨、剃、抛光等几种精加工的综合作用。

桁齿对齿形精度改善不大，主要用于改善热处理后的轮齿表面粗糙度。

3.磨齿

磨齿是用砂轮在专用磨齿机上进行，专门用来精加工已淬火齿轮。按加工原理可分为成形法和范成法两种。

（1）成形法磨齿。砂轮截面形状修整成与被磨齿轮齿间一致，磨齿时与盘状铣刀铣齿相似，如图18－27所示。磨齿时的分齿运动是不连续的，在磨完一个齿后必须分度，再磨下一个齿，轮齿是逐个加工出来的，但砂轮一次就能磨削出整个渐开线齿面，因此，生产率较高。

图18－27 成形法磨齿

（2）范成法磨齿。是将砂轮的磨削部分修整成锥面，以构成假想齿条的齿面。工作时，砂轮作高速旋转运动（主运动），同时沿工件轴向作往复运动。砂轮与工件除具有切削运动外，还保持一对齿轮的啮合运动副关系，按范成法原理，完成对工件一个轮齿两侧面的加工。磨好一个齿，必须在分度后，才能磨下一个齿，如此自动进行下去，直至全部齿间磨削完毕。假想齿条可以由两个碟形砂轮构成（见图18－28（a）），也可由一个砂轮的两侧构成（即锥形砂轮，见图18－28（b））。为切制出全齿深，砂轮与工件之间应有沿工件齿间方向的往复直线运动。

图18－28 范成法磨齿

随着技术的发展，齿形加工也出现了一些新工艺，例如精冲或电解加工微型齿轮、热轧中型圆柱齿轮、精锻圆锥齿轮、粉末冶金法制造齿轮、电解磨削精度较高的齿轮等。