第4章-齿轮齿形的加工

齿轮齿形的加工第4章基本内容渐开线齿轮概述1圆柱齿轮齿形的成形法加工2圆柱齿轮齿形的展成法加工3圆柱齿轮齿形的精加工4齿轮传动

齿轮传动是机械传动中的一个重要组成部分，它起着传递动力和运动的作用。其传动可靠性好、承载能力强、制造工艺成熟，已广泛应用于机器、仪器制造业。

常见齿轮传动类型4.1渐开线齿轮概述4.1.1渐开线的形成及其特征若一动直线在平面内沿半径为rb的圆作纯滚动时，则动直线上任一点a的轨迹称为半径为rb的圆的渐开线。半径为rb的圆称为基圆，动直线称为发生线。渐开线齿轮的一个轮齿就是由同一基圆形成的两条相反渐开线组成的。4.1渐开线齿轮概述4.1.2直齿圆柱齿轮各部分名称、基本参数和主要尺寸1.直齿圆柱齿轮各部分名称：4.1渐开线齿轮概述2.直齿圆柱齿轮的基本参数

模数和压力角是直齿圆柱齿轮的两个基本参数。（1）模数模数m是周节P与π之比，即m=P/π

则D

=m

z

模数m的数值已标准化，如m=0.1，0.5，1，1.5，2，3等。渐开线齿轮正确啮合的条件：两齿轮的模数和压力角分别相等。在齿形加工中，刀具的模数和压力角的数值也必须与被加工齿轮相同。4.1渐开线齿轮概述（2）压力角

渐开线齿形上任一点K的法向力F与其速度v

k

之间所夹的锐角，称为K点的压力角αk。渐开线上各点的压力角是不相同的。通常所说的压力角是指分度圆上A点处的压力角，用α表示（α=20°）由此可得基圆直径Db和分度圆直径D的关系为：Db=cosα·D=cos20·D≈0.94D4.1渐开线齿轮概述3.直齿圆柱齿轮的主要尺寸

4.1渐开线齿轮概述

4.1.3圆柱齿轮精度简介1.齿轮传动的精度要求齿轮是用来传递运动和动力的，在不同的工作条件下，对精度的要求有所不同。从传递运动方面看，应保证传递运动准确、平稳；从传递动力方面看，应保证传动可靠和灵活。因此，一般齿轮传动的精度要求有以下四个方面：（1）传递运动的准确性

即要求齿轮在一转范围内，产生的最大转角误差应限制在一定的范围内，使齿轮副传动比变化小，以保证传递运动的准确性。4.1渐开线齿轮概述（2）传递运动的平稳性

即要求齿轮在转过一个齿距角的范围内，其最大转角误差应限制在一定范围内，使齿轮副瞬时传动比变化小，以免引起振动和噪音，保证传递运动的平稳性。（3）载荷分布的均匀性即要求在轮齿啮合过程中，工作齿面沿全齿高和全齿长上保持均匀接触，并且接触面积尽可能的大。（4）齿轮副侧隙的合理性

即要求一对齿轮啮合时，在非工作齿面间应留有合理的间隙，否则会出现卡死或烧伤现象。齿轮副侧隙对储藏润滑油、补偿齿轮传动受力后的弹性变形和热变形，以及补偿齿轮及其传动装置的加工误差和安装误差都是必要的。2.齿轮传动精度的具体要求

不同的齿轮，其用途和工作条件不同，对精度的具体要求也不同：（1）传递运动的准确性

仪表、钟表中的传动齿轮、分度齿轮、读数齿轮，应突出准确性要求；（4）齿轮副侧隙的合理性

任何齿轮（3）载荷分布的均匀性

高速动力齿轮，矿山机械、起重机用齿轮对载荷分布的均匀性要求高；（2）传递运动的平稳性

高速动力齿轮（如减速机中的初级齿轮），对平稳性要求高；4.2圆柱齿轮齿形的成形法加工

成形法（也称仿形法）是用与被加工齿轮齿槽形状相同的成形刀具切削轮齿的方法，如铣齿、成形法磨齿。4.2.1铣削直齿圆柱齿轮铣削直齿圆柱齿轮的方法如下图：用盘形齿轮铣刀铣齿轮用指状齿轮铣刀铣齿轮1.盘状齿轮铣刀：齿轮模数m＜8时用，在卧式铣床上使用；2.指状齿轮铣刀：齿轮模数m≥8时用，在立式铣床上使用，可加工直齿轮、斜圆柱齿轮、人字齿轮。

a)盘形齿轮铣刀

b)指状齿轮铣刀成形法齿轮刀具所以，齿轮铣刀与每一种齿数的齿轮是一一对应的，是专用刀具。为了降低加工成本，实际生产中把同一模数的齿轮按齿数分成8组或15组，每组采用同一种刀号的铣刀加工。参见P90表4-2：齿轮铣刀的分号。4.2.2铣齿加工的特点及应用1.铣齿加工的特点（1）成形法铣齿加工的基本特点：铣刀切削部分剖面形状与被铣齿轮槽的剖面形状相符。（2）刀具结构简单，加工成本低，但是加工精度和效率较低。2.铣齿加工的应用

成形法铣齿主要用于单件、小批量生产和修配，用于制造低于8级精度的齿轮，齿面的表面粗糙度Ra值为6.3~3.2μm。成形法铣齿可以加工直齿、斜齿和人字齿圆柱齿轮，也可加工齿条和锥齿轮等。铣齿加工的特点及应用4.3圆柱齿轮齿形的展成法加工

展成法（也叫包络法或范成法）是利用齿轮的啮合原理进行切削的。只需一把刀具就能加工出模数相同而齿数不同的齿轮。如插齿、滚齿、剃齿和展成法磨齿。4.3.1插齿原理及运动

插齿机的工作原理类似一对圆柱齿轮啮合，其中一个齿轮作为工件，另一个齿轮变为齿轮形的插齿刀具，它的模数和压力角与被加工齿轮相同，且在端面磨有前角，齿顶及齿侧均磨有后角。展成法展成法

插齿刀的类型a)盘形b)碗形c)锥柄

插齿刀的类型

插齿需要下列四个运动①插削主运动：指插削刀的上下往复直线运动。②范成运动：也叫分齿运动，插齿刀和齿坯的转速按一对齿轮的速比关系计算，即

③径向切入运动：指插齿刀每往复一次，径向移动的距离。工件应该逐渐地移向插齿刀（或插齿刀移向工件），作径向切入运动。④让刀运动：插齿刀向上运动（空行程）时，为了避免擦伤工件齿面和减少刀具磨损，刀具和工件之间应该让开，使之产生一定间隙，而在插齿刀向下开始工作行程之前，应迅速恢复到原位，以便刀具进行下一次切削。插齿运动插齿运动

1.滚齿原理

滚齿就是用齿轮滚刀在滚齿机上加工齿轮的轮齿，实际上是按一对螺旋齿轮相啮合的原理进行加工的。

4.3.2滚齿原理及运动蜗杆蜗轮啮合一对螺旋齿轮啮合滚齿原理

齿轮滚刀是一个蜗杆形刀具，为了形成切削刃，在垂直于蜗杆螺旋线方向或平行于轴线方向开出容屑槽，形成前刀面，并对滚刀的顶面和侧面进行铲背，铲磨出后角。

齿轮滚刀整体式齿轮滚刀

2.滚齿需要以下三个运动①主运动：指滚齿刀的旋转运动。②范成运动：也叫分齿运动，滚齿刀和齿坯的转速按一对齿轮的速比关系计算，即

③垂直进给运动：为了切出齿全高，滚刀沿被切齿轮的轴线作垂直进给运动。滚齿运动滚齿机加工范围（1）直齿圆柱齿轮（2）斜齿圆柱齿轮（3）蜗轮

附加运动保证刀架沿工件轴线方向移动一个螺旋线导程T时,工件附加转一转。加工斜齿圆柱齿轮时的附加运动滚齿机滚切斜齿圆柱齿轮的传动链滚齿机滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理图（1）插齿和滚齿的加工精度和生产率比成形法高，应用也最广泛。

一般情况下，插齿和滚齿达7~8级（甚至6级）精度，而铣齿只能达到9级精度；4.3.3

插齿和滚齿的特点及应用（4）插齿和滚齿加工齿轮的齿数范围较大，同一模数的插齿刀和滚齿刀可以加工模数相同而齿数不同的齿轮。（3）插齿的生产率高于铣齿，但低于滚齿；（2）插齿的齿面粗糙度较小；

滚齿应用最广，可加工直齿、斜齿圆柱齿轮和蜗轮等，但不能加工内齿轮和相距较近的多联齿轮，而插齿可以加工。4.4圆柱齿轮齿形的精加工

铣齿、滚齿、插齿是齿轮的粗加工方法，精度高于7级或齿形需要淬火处理的齿轮，还要进行精加工。齿轮的精加工方法有剃齿、珩齿、磨齿、研齿等。精度等级加工效率0~2展望级供将来发展用3~5高精度精密齿轮机床上范成加工后精密磨齿0.996~8中等精度高精度齿轮机床上范成加工后磨齿、剃齿0.989较低精度可用任意方法加工0.9610~12低精度可用任意方法加工0.95

4.4.1剃齿剃齿是利用剃齿刀对未淬过火（HRC35以下）的直齿或斜齿圆柱齿轮进行精加工的一种方法，精度可达7~6级，表面粗糙度Ra值可达0.8~0.4μm。1.

剃齿刀剃齿刀实质上是一个高精度的螺旋齿轮，并且在齿侧面上开了许多小容屑槽以形成切削刃。4.4圆柱齿轮齿形的精加工

2.剃齿加工剃齿加工在专门的剃齿机上进行，属于展成法。剃齿刀的轴线与工件轴线夹β角，以便使剃齿刀与工件能够正确啮合。剃齿加工时，由剃齿刀带动工件做旋转运动。剃齿刀与工件的接触点A的速度vA可分解为vAn（切向速度）和

vAt

（剃削速度）。切向速度带动工件旋转，剃削速度使齿轮的齿侧面沿剃齿刀的齿侧面滑移，从工件齿面上切下极薄的切屑。在剃齿过程中，剃齿刀时而正转，时而反转，可剃削工件的双面。4.4.1剃齿剃齿的运动：

1）切削运动即刀与工件的相对滑动，相对滑动速度即为切削速度

2）纵向进给速度（双向）

3）径向进给运动为保证刀具与工件间的无隙啮合，并保证齿面间的工作压力，工作台每双行程后应作径向进给。注：

剃齿刀带动工件旋转，二者形成无侧隙的螺旋齿轮自由啮合运动

剃齿属于自由啮合的展成加工（与插、滚齿不同）

4.4.1剃齿

3.

剃齿加工的应用（1）剃齿可以提高齿形精度和齿向精度，减小齿面粗糙度Ra值。（4）剃齿刀的设计、制造麻烦，价格较高，适用于大批量生产的场合。剃一个齿轮一般需要1～3分钟，每次重磨后可加工约1500个齿轮，每把剃齿刀大约可加工一万个齿轮。（3）剃齿不能修正分齿误差。剃齿前的齿形多用滚齿加工。（2）剃齿广泛用于未淬过火（HRC35以下）的直齿或斜齿圆柱齿轮的精加工，精度可达7~6级，表面粗糙度Ra值可达0.8~0.4μm。剃齿工艺中的几个问题

(1)剃前齿轮的材料

剃前齿轮硬度在22-32HRC范围时，剃齿刀校正误差能力最好，如果齿轮材质不均匀，含杂质过多或韧性过大会引起剃齿刀滑刀或啃刀，最终影响剃齿的齿形及表面粗糙度。

近年来，由于含钴、钼成分较高的高性能高速钢刀具的应用，使剃齿也能进行硬齿面的齿轮精加工。

(2)剃前齿轮的精度

剃齿是齿形的精加工方法，因此剃齿前的齿轮应有较高的精度，通常剃齿后的精度只能比剃齿前提高一级。

(3)剃齿余量

剃齿余量的大小对剃齿质量和生产率均有较大影响。余量不足时，剃前误差及表面缺陷不能全部除去；余量过大，则剃齿效率低，刀具磨损快，剃齿质量反而下降。

(4)剃前齿形加工时的刀具

剃齿时，为了减轻剃齿刀齿顶负荷，避免刀尖折断，剃前在齿跟处挖掉一块。齿顶处希望能有一修缘，这不仅对工作平稳系性有利，而且可使剃齿后的工件沿外圆不产生毛刺。

此外，合理的确定切削用量和正确的操作也十分重要。

4.4.2珩齿

1、珩齿原理及特点

珩齿是热处理后的一种光整加工方法。珩齿的运动关系和所用机床与剃齿相似，珩轮与工件是一对斜齿轮副无侧隙的自由紧密啮合,所不同的是珩齿所用刀具是含有磨料、环氧树脂等原料混合后在铁心上浇铸而成的塑料齿轮。切削是在珩轮与被加工齿轮的“自由啮合”过程中，靠齿面间的压力和相对滑动来进行的。

珩齿的运动与剃齿基本相同，即珩轮带动工件高速正反转；工件沿轴向往复运动及工件的径向进给运动。

所不同的是其径向进给是在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，随后逐渐减少，直至压力消失时珩齿便结束。

珩齿的特点如下：

1)珩齿后表面质量较好

珩齿速度一般是1～3m/s,比普通磨削速度低，磨粒粒度又小，结合处弹性较大，珩齿过程实际上是低速磨削、研磨和抛光的综合过程，齿面不会产生烧伤和裂纹，所以珩齿后齿的表面质量较好。

2)珩齿后的表面粗糙度值减少

珩轮齿面上均匀密布着磨粒，珩齿后齿面切削痕迹很细，磨粒不仅在齿面产生滑动而切削，而且沿渐开线切线方向亦具有切削作用，从而在齿面上产生交叉网纹，使齿面的表面粗糙度值明显减少。

3)珩齿修正误差能力低

珩齿与剃齿的运动关系基本相同，由于珩轮本身有一定的弹性，不会全部复映到齿轮上，所以珩轮本身精度一般都不高，但对珩前齿轮的精度则要求高。

2、珩齿方法

珩齿方法有外啮合珩齿、内啮合珩齿和蜗杆状珩磨轮珩齿三种，如图9-6所示

蜗杆状外啮合珩齿内啮合珩齿珩齿机3、珩齿的应用因为珩齿修正误差能力差，因而珩齿主要用于去除热处理后齿面上的氧化皮及毛刺，可使表面粗糙度

Ra值从1.6um左右降到0.4um以下，为了保证齿轮的精度要求，必须提高珩前的加工精度和减少热处理变形。

珩齿的轴交角常取15度。珩齿余量很小，一般珩前为剃齿时，常取0.01～0.02mm；为磨齿时，取0.003～0.005mm。

珩前加工多采用剃齿。如磨齿后需要进一步降低表面粗糙度值，也可以采用珩齿使齿面的表面粗糙度值

达到0.1um.相关参数选择①②国内外应用比较

在齿轮加工中，珩齿工艺传统上被认为仅是一种对淬硬齿轮进行表面光整加工的方法，主要用于提高齿面光洁度。但近年来在瑞士、德国等工业发达国家，由于采用了高精度齿轮式金刚石修形滚轮对珩磨轮进行精密修形，使珩齿精度大幅度提高，从而使珩齿工艺广泛应用于硬齿面齿轮的最终精加工工序。虽然珩齿工艺具有效率高、成本低、机床结构简单、操作方便等优点，但目前在我国硬齿面齿轮精加工中的应用尚未普及。

补：挤齿（冷挤）

1、挤齿原理

冷挤齿轮是一种齿轮无切削加工新工艺，有一些工厂已用它来代替剃齿，齿轮冷挤过程是挤轮与工件之间在一定压力下按无侧隙啮合的自由对滚过程，是按展成原理的无切削加工，如图所示。挤轮实质上是一个高精度的圆柱齿轮，有的挤轮还有一定的变位量，挤轮与齿轮轴线平行旋转。挤轮宽度大于被挤齿轮宽度，所以在挤齿过程中只需要径向进给，无需轴向进给。挤轮的连续径向进给对工件施加压力，使工件齿廓表层金属产生塑性变形，以修正齿轮误差和提高表面质量。

制造挤轮的材料要有一定的强度和耐磨性，可用铬锰钢或高速钢制造。为了防止工件与挤轮齿面的粘结，在冷挤过程中要加硫化油来润滑，这样既可使冷挤后齿面的表面粗糙度值减少，而且还可以提高挤轮的耐用度

2、挤齿特点

挤齿与剃齿一样，均为齿轮淬火前的齿形精加工，与剃齿相比，挤齿有以下特点

1)生产率高

压力足够时，对中等尺寸的齿轮一般只需5秒左右就可以将齿轮挤到规定尺寸，再精整到20秒左右即成成品；而剃齿需2—4分左右。挤齿余量比剃齿小，而且挤齿前滚齿或插齿的齿面粗糙度要求可比剃齿低一些，因而可以增大滚或插的进给量，使生产率提高30%以上。

2)精度高

挤齿可以使齿轮精度达到6级甚至更高。剃齿机的运动部分多，刚性差，机床调整时间长，而挤齿只有单纯的径向进给，机床传动系统简单，刚性好，机床调整方便且精度稳定。

3)齿面的表面粗糙度值小

挤齿时工件的余量被碾压平整，所以有些表面缺陷和刮伤等容易被填平。挤齿的表面粗糙度值达到0.04-0.1um。

4)挤轮寿命长且成本低

一般挤轮不开槽，结构简单，成本低，而且寿命却比剃齿刀长很多。一般挤轮可以加工上万个齿轮。

5)被挤齿轮使用寿命长

。

6)挤多联齿轮时不受限制。

磨齿在专用的磨齿机上进行，主要是对淬硬齿轮齿面的精加工，可修整齿轮预加工的各项误差，其加工精度较高，一般可达6~3级，齿面的表面粗糙度Ra值可达0.4~0.2μm。

磨齿通常分为成形法磨齿和展成法磨齿两大类。

1.展成法磨齿