第四讲 切齿原理、轮齿失效及齿轮材料

齿轮传动和轮系第十六章三一工业职业技术学院主讲

蔡启方1第四讲切齿原理

轮齿失效和齿轮材料2“国家之责大于企业之利，三一在企业内大力倡导“先做人，后做事”、“产业报国”、“品质改变世界”等文化理念。创业以来，三一坚持“遵纪守法，诚信经营，公平竞争”的原则，严格遵守国家的法律法规，并制订了一系列的规章制度来规范企业的经营活动和员工的言行，促进了企业的健康、持续、稳定的发展，赢得了社会和客户的广泛关注与大力支持，也为社会创造了巨大的财富。”——梁稳根我为三一而自豪3教学目的及教学重点教学目的和要求：1、了解轮齿的加工方法，标准齿轮产生根切的原因。2、了解轮齿失效形式，产生的原因和防止的措施3、了解齿轮材料及热处理方法教学重点和难点：1、分析导致齿轮轮齿产生根切的原因。2、轮齿失效形式，产生的原因和防止的措施3、齿轮材料及热处理方法4复习上次课教学内容关于作业中存在的问题5新课导入从齿轮加工说起……6§16-5切齿原理和根切现象7一.渐开线齿廓的加工原理齿轮的加工方法铸造冲压模锻粉末冶金切削法热轧仿形法范成法轮齿加工的基本要求是齿形准确和分齿均匀。最常用的是切削加工法，轮齿的切削加工方法按其原理可分为成形法和范成法两类8仿形法(成形法)原理：用与齿间的齿廓完全相同的成形铣刀（盘形铣刀或指状铣刀）在普通铣床上直接铣出轮齿的齿廓。加工时铣刀绕本身的轴线旋转，同时轮坯沿本身轴线移动，当铣完一个齿槽后，轮坯退回原处，再用分度头将轮坯转过360°/z，用同样方法铣第二个齿槽，重复进行，直至铣出全部轮齿。9仿形法(成形法)仿形法加工费用低，在普通铣床上即可加工齿轮，但其效率低，精度差，只适用于修配或小量生产。盘形铣刀指状铣刀10成形法11造成仿形法精度低的原因1.分度误差和对中误差2.刀具的齿形误差渐开线形状取决于基圆直径db=mzcos，当m、α一定时，渐开线齿廓形状随齿数z的多少而改变，为经济起见，对同一模数和压力角的齿轮，只准备8把或15把铣刀，各号铣刀所加工齿轮的齿数范围见下表。12范成法(展成法)原理：范成法是利用一对齿轮（或齿轮与齿条）互相啮合时其齿廓互为包络线的原理来切齿的。如果把其中一个齿轮（或齿条）做成刀具，就可以切出与它共轭的渐开线齿廓。优点：同一模数和压力角而齿数不同的齿轮可用同一把刀具加工；加工是连续的，因而效率高，精度高；适应大批量生产。范成法种类很多，有插齿、滚齿、剃齿、磨齿等，其中最常用的是插齿和滚齿，剃齿和磨齿用于精度和光洁度要求较高的场合。131.刀具及其齿形范成法切削齿轮常用的刀具齿轮插刀齿条型刀具滚刀齿条插刀14齿轮插刀齿轮插刀切齿齿轮插刀模数和压力角与被加工齿轮相同。加工时，插齿刀沿轮坯轴线方向作上下往复的切削运动；同时，机床的传动系统严格地保证插齿刀与轮坯之间的范成运动。齿轮插刀刀具顶部比正常齿高出c*m，以便切出顶隙部分。齿轮插刀不但可以加工外齿轮，还能加工内齿轮。15齿条型刀具齿形齿条型刀具齿形相当于在基本齿廓的齿顶上加一段齿顶圆角，其高度为c*m，用以加工出齿轮的齿根圆角部分。刀具的中线又称为分度线，中线上的齿厚s等于齿槽宽e，均为πm。中线上下两段直线齿廓是用来加工渐开线的，齿廓倾斜角称为齿形角。齿条刀具的，c*，等参数均由基本齿廓作出规定。当齿轮插刀的齿数增加到无穷多时，其基圆半径变为无穷大，插刀的齿廓变成直线齿廓，齿轮插刀就变成齿条插刀，16齿条插刀齿条插刀172.切削过程中的运动1)范成运动齿条插刀插齿，机床传动链应使齿条插刀的移动速度v与被加工齿轮(齿数为z，角速度为ω)分度圆线速度相等，即：2)切削运动及其它运动①切削运动②让刀运动③进给运动切削运动进给运动让刀运动范成运动183.滚齿加工的特点滚齿原理：滚刀相当于轴截面为直线齿形的螺杆，滚刀旋转时，相当于直线齿廓的齿条沿其轴线方向连续不断地移动，从而加工出任意要求齿数的齿轮。为了沿齿宽方向加工出齿槽，滚刀在转动的同时，

还需沿轮坯轴线方

向作进给切削运动。滚齿加工切削连续，生产效率高，还能方便地加工出斜齿轮，因而大批量生产中多采用这种方法。1-滚刀2-轮坯滚齿原理图进给切削运动19滚齿齿轮滚刀20二、渐开线齿廓的根切现象1、根切现象：当用范成法加工标准齿轮时，如果被加工齿轮的齿数太少，会出现刀具的顶部切入到轮齿的根部，切去了轮齿根部的渐开线齿廓，这种现象就称为轮齿的根切。轮齿的根切现象212、渐开线齿廓根切产生的成因渐开线齿廓根切产生的原因图示为齿条刀具的齿顶线超过极限啮合点N1的情况，当刀具齿廓通过N1

点处于位置II时，已经将渐开线齿廓加工完了,但当范成运动继续进行时，

刀刃仍将继续进行切削，若到

位置III时，刀刃与啮合线交于

一点K，在这种情况下，图中

的阴影部分必然被刀具切掉，

产生根切现象。223、齿廓根切的后果轮齿的根切现象齿廓根切的后果：根切严重的齿轮，由于根部变窄，强度减弱；同时，使一对啮合齿轮的重迭系数减小，齿轮传动的平稳性受影响；所以制造齿轮时应避免根切现象。小结：用范成法切制轮齿时，如果刀具的齿顶线超过了啮合线与齿坯基圆的切点N1时，被切削的齿轮的轮齿必将产生根切现象。234、标准齿轮不产生根切的最少齿数轮齿产生根切现象与齿数有关，对于标准齿轮，是用限制最少齿数的方法来避免根切，不发生根切的最少齿数计算公式为：正常标准齿轮：齿顶高系数ha*=1，zmin=17

短齿标准齿轮：齿顶高系数ha*

=0.8，zmin

=14为了获得比较紧凑的结构，允许齿根部有轻微根切时，zmin=14。24§16-6齿轮轮齿的失效形式25一.齿轮轮齿的失效形式齿轮在传动过程中，由于损坏而失去了正常的工作能力，称之为失效。

轮齿的主要失效形式轮齿折断齿面点蚀齿面胶合齿面磨损齿面塑性变形261.轮齿折断（1）轮齿折断产生的原因：齿轮工作时轮齿危险剖面的应力超过材料所允许的极限值，轮齿将发生折断。在齿根处受到的弯矩最大，并产生应力集中。在交变载荷的作用下，齿根处会产生疲劳裂纹，裂纹的逐渐扩张，使轮齿在根部折断——疲劳折断。因短期过载或受过大冲击载荷时突然断裂——过载折断。（2）轮齿折断的部位：轮齿根部271.轮齿折断轮齿折断是开式或闭式传动硬齿面齿轮（HBS≥350）的主要失效形式。（3）防止轮齿折断的主要措施：1）避免过载和冲击；2）选择适当的模数和齿宽；3）采用适当的材料和热处理方法；4）齿根圆角不宜过小，以减小应力集中；282.齿面点蚀点蚀——轮齿齿面金属脱落而形成一些细小的凹坑的现象称为点蚀。（1）产生点蚀的原因：两齿轮在传动中，由于受交变应力的作用，齿面上产生疲劳裂纹，随应力循环次数的增加，裂纹逐步扩张，使齿面金属小块脱落而形成点蚀。（2）点蚀是闭式齿轮传动，软齿面（HBS≤350）齿轮的主要失效形式。（3）点蚀产生的部位：点蚀绝大多数

发生在靠近节线的齿根面上。292.齿面点蚀（4）防止点蚀的主要措施：1） 提高硬度。设计时合理选择齿轮参数，采用合适的材料和齿面硬度，使接触应力不超过材料的许用值。2） 提高润滑油的粘度或采用适当的添加剂，使齿面形成油膜。303.齿面胶合齿面胶合——高速重载齿轮传动中，齿面产生瞬时高温，较软齿面的表面金属会熔焊在与之相啮合的另一齿轮的齿面上。当齿轮继续转动时，由于两齿面的相对滑动，较软工作齿面上形成与滑动方向一致的撕裂沟痕，这种现象称为齿面胶合。（1）产生胶合的原因：1）高速重载传动中，散热不好，润滑油温

急剧上升，粘度下降，将齿面间油膜破坏；2）低速重载传动中，由于齿间

压力很大，润滑油膜易挤破，使两齿

面直接接触；313.齿面胶合（2）齿面胶合是高速重载或低速重载软齿面齿轮的主要失效形式。（3）胶合主要产生的部位在：靠近节线的齿顶面上。（4）防止齿面胶合的措施：1）选择适当的润滑油。对低速传动，采用

粘度大的润滑油；对高速传动，采用硫化了的

润滑油。2）两齿轮选择不同的材料；3）提高齿面硬度和降低表面粗糙度值。324.齿面磨损（1）产生磨损的原因：互相啮合的两齿廓表面间有相对滑动，在载荷作用下会引起齿面的磨损。尤其在开式传动中，由于灰尘、砂粒等硬颗粒容易进入齿面间而发生磨损。齿面严重磨损后，轮齿将失去正确的齿形，会导致严重噪音和振动，影响轮齿正常工作，最终使传动失效。（2）齿面磨损是开式齿轮传动的主要失效形式防止磨损的主要措施：1） 采用闭式传动；2） 提高齿面硬度和降低表面粗糙度值；3） 改善润滑条件，保持润滑油的清洁。335.齿面塑性变形在重载的条件下，较软的齿面上表层金属可能沿滑动方向滑移，出现局部金属流动现象，使齿面产生塑性变形，齿廓失去正确的齿形。在起动和过载频繁的传动中较易产生这种失效形式。提高齿面硬度和采用黏度较高的润滑油，有利于防止或减轻齿面的塑性变形。34二．齿轮的常用材料1．对材料的要求（1）齿面硬度足够，以抗点蚀和耐磨；（2）有足够的强度和冲击韧性；（3）对易发生胶合的齿轮，应选用不同的齿轮副材料；（4）根据要求选材料；35二．齿轮的常用材料2．常用齿轮材料锻钢：各种牌号的优质碳素钢、合金结构钢；铸钢：大齿轮（d>400—600mm）铸铁：低速、大直径3．一对齿轮传动，小齿轮的材料应比大齿轮的材料要好一些。常把小齿轮的齿面硬度选得比大齿轮高出20—50HBS，传动比愈大，硬度差值也愈大。36三.齿轮常用的热处理方法1．表面淬火：一般用于中碳钢和中碳合金钢。齿面硬度可达HRC52~56，耐磨性好，齿面接触强度高。表面淬火的方法有高频淬火和火焰淬火等2．渗碳淬火：用于处理低碳钢和低碳合金钢，齿面硬度可达HRC56~62，齿面接触强度高，耐磨性好，而轮齿芯部仍保持有较高的韧性，常用于受冲击载荷的重要齿轮传动3．调质：用于处理中碳钢和中碳合金钢。调质处理后齿面硬度可达HBS220~26037三.齿轮常用的热处理方法4．正火：能消除内应力、细化晶粒，改善力学性能和切削性能。中碳钢正火处理可用于机械强度要求不高的齿轮传动中软齿面：热处理后齿面硬度