机械制造基础 课件 第5章　圆柱齿轮零件的加工

5.1圆柱齿轮零件的工艺特点

01圆柱齿轮传动的精度要求02圆柱齿轮的材料与毛坯03圆柱齿轮的加工工艺过程04圆柱齿轮加工的主要工艺问题

盘类零件零件基本上是扁平形状，有圆形、方形、弧形等各种各样的形状，它们中有均布孔，也有凹凸台，常见的盘类零件有法兰盘、带轮、凸轮、圆柱齿轮等。圆柱齿轮是机械传动中典型的盘类零件之一，通常起支撑和导向作用。其功用是按规定的传动比传递运动和动力。图5-1圆柱齿轮的结构形式a)单圈盘状齿轮

b）双联移滑齿轮

c)三联移滑齿轮

d）套状齿轮

e）内齿轮

f）连轴齿轮

g）扇形齿轮

h）齿条5.1.1圆柱齿轮传动的精度要求1.运动精度要求齿轮传动的传动特点是传动比恒定，即

2.接触精度要求齿轮工作时，要求齿面有一定且均匀的接触面积，并保证有符合要求的接触位置，以齿面载荷分布的均匀性来保证齿轮的使用寿命。3.工作平稳性精度要求

齿轮传动平稳，无冲击、振动和噪声小。这就需要限制齿轮传动时瞬时传动比的变化，即齿轮在一转中多次出现的小周期性转角误差不应超过一定的限度。4.齿侧间隙要求

齿轮传动时，非工作面留有一定的间隙，用以储存润滑油，补偿弹性变形、热变形及齿轮制造和装配误差。5.1.2圆柱齿轮的材料与毛坯

圆柱齿轮常用的材料与热处理齿轮材料预备热处理齿面热处理综合性能适用工作范围中碳结构钢，如45调质、正火表面淬火综合力学性能较好，齿面粗糙度值较大低速、轻载或不重要齿轮中碳合金结构钢，如40Cr调质、正火表面淬火综合力学性能较好，热处理变形小速度较高，受力较大，精度为6级以上的齿轮低碳合金结构钢，如20Cr正火渗碳、碳氮共渗心部有较高韧性、齿面耐磨性较好高速、中载或受冲击载荷形式传动的齿轮铸铁材料，如HT200

切削性能好，成本低，抗弯强度、耐磨性、耐冲击性差受力不大，形状复杂，尺寸大的齿轮非铁金属材料，如HPb59—1

切削性能好，耐蚀性能好，齿面表面粗糙度值较小仪表、仪器中的小模数齿轮

齿轮的毛坯选择取决于齿轮的材料、结构形状、尺寸大小、使用条件及生产批量等因素。对于钢制齿轮，如果尺寸较小且性能要求不高，可直接采用热轧棒料。除此之外，一般都采用锻造毛坯。生产批量较小或尺寸较大的齿轮采用自由锻造，生产批量较大的中小尺寸齿轮采用模锻。对于直径比较大，结构比较复杂的不便于锻造的齿轮，采用铸钢毛坯或焊接组合毛坯。5.1.3圆柱齿轮的加工工艺过程

圆柱齿轮的加工艺可以分为齿坯工艺和齿形工艺两部分。其工艺过程因零件的结构形状、精度要求、生产批量及具体生产条件的不同而不同。一般工艺路线可归纳如下:毛坯制造—毛坏热处理—齿坯加工—中检—齿形粗加工—齿端加工—齿面热处理—精基准修正—齿形精加工—终检。图5-2双联齿轮

图5-2所示为一双联齿轮，材料为40Cr,

精度为7级，中批生产。

表5-2双联齿轮的参数齿号模数/mm齿数齿圈径向圆跳动/mm公法线平均长度/mm公法线长度变动量/mm跨齿数齿形误差/mm齿向误差/mmI3280.03623.150.02830.080.009II3320.03622.980.02830.080.009

表5-3双联齿轮加工工艺过程序号工序内容定位基面序号工序内容定位基面1毛坯锻造

9倒角(I、II齿圈牙角)花键孔和端面2正火

10钳工去毛刺

3粗车外圆和端面(留余量1~1.5mm)，钻镗花键底孔至尺寸外圆和端面11剃齿(z=28，采用螺旋角为15°的剃齿刀)，公法线长度至尺寸上限花键孔和端面4拉花键孔φ28H12孔和端面12剃齿(z=32，采用螺旋角为5°的剃齿刀)，公法线长度至尺寸上限花键孔和端面5精车外圆、端面及槽至尺寸花键孔和端面13齿部高频感应加热淬火至52HRC

6检验

14推孔

7滚齿(z=32，留剃削余量0.06~0.08mm)花键孔和端面15珩齿(z=32)花键孔和端面珩齿(z=28)8插齿(z=28，留剃削余量0.03~0.05mm)花键孔和端面16检验花键孔和端面5.1.4圆柱齿轮加工的主要工艺问题

1.定位基准的选择

设计时，为保证其传动精度，齿轮的设计基准大多与装配基准重合。工艺中应本着基准重合的原则，尽量使定位基准与设计基准、装配基准、测量基准重合，并尽可能在整个工艺过程中保持基准统一。

对于带孔齿轮，一般选齿轮的内孔和一个端面定位，作为基准的内孔，应有较高的加工精度，且基准端面相对内孔的端面圆跳动应符合公差要求。对于小直径连轴齿轮，一般选用轴两端中心孔作为统一的定位基准。对于直径或模数较大的连轴齿轮，一般用装配轴径和圆跳动较小的端面作为定位基准。

2.齿坯加工方案

齿坯加工是齿轮加工工艺的环节，其加工将作为后续齿形加工和检验用的基准，而基准的好坏对齿形加工的质量影响很大。齿轮轴的齿坯工艺与轴加工工艺大体相同。对盘状齿轮一般视批量不同采用不同的加工方案，但必须注意的是，为保证基准端面相对内孔的圆跳动要求，作为基准的内孔和一端面的精加工应尽量在一次安装内完成。

中、小批生产的盘类齿轮，齿坯加工尽量采用通用机床。一般工艺路线为:粗车内、外各部分—精加工内孔及定位端面—精加工其他表面。

大批量生产的盘类齿轮，齿坯加工应尽量选择像拉床、多刀机床、单轴、多轴自动机床，数控机床等这样的高生产率机床。一般工艺路线为:多刀粗车外圆、端面与孔—拉孔—多刀精车外圆、端面及其他表面。

3.热处理工序的安排

齿坯工艺过程中一般预先安排正火或调质等热处理。正火在生产中应用较多，其目的为消除锻造应力，改善材料的加工性能，得到较小的表面粗糙度值。正火一般安排在毛坯锻造后，齿坯加工前。调质处理一般安排在齿坯粗加工之后，其目的是消除锻造和切削应力，提高材料的综合力学性能，为以后淬火时减少变形做好组织准备。

为提高齿面的硬度，增加齿轮的承载能力和耐磨性，根据材料与技术要求，齿形加工一般在滚齿、插齿、剃齿加工之后，珩齿、磨齿加工之前，安排高频感应加热淬火、液体渗碳淬火或氮碳共渗等热处理工序。

4.齿端加工

齿轮的齿端加工有齿端倒圆、倒尖、倒棱等。倒棱可除去齿端锐边、毛刺，避免热处理时因应力集中而产生裂纹。倒圆、倒尖后的齿轮在切挡时容易进入啮合。

齿端加工必须在淬硬前进行，一般安排在滚齿或插齿后，剃齿前。

5.精基准的修正

齿轮淬火后，基准孔往往产生适当的变形，内孔尺寸一般缩小0.05mm左右。为保证齿形精度，对基准孔必须加以修正。如果是表面淬火齿轮，一般采用推孔法修正，其生产率较高；如果是整体表面淬火齿轮，可采用磨孔，磨孔的生产率低，但加工精度高。

6.齿形加工方案

齿形加工是齿轮加工的关键，加工方案的选择，主要依据齿轮的生产批量、精度等级、热处理方法等确定。常用的方案为:1)8级或8级精度以下的调质齿轮采用滚齿—齿端加工的加工方案。淬火齿轮采用滚齿─齿端加工─表面淬火─修内孔的加工方案。应注意，热处理前的齿形加工精度应高一级。

2)6~7级精度不淬火齿轮采用滚齿─齿端加工─剃齿的加工方案。淬火齿轮采用滚齿─齿端加工─剃齿─表面淬火─修基准─珩齿的加工方案。此方案设备简单，生产率高，成本较低。渗碳齿轮采用滚齿─齿端加工─渗碳淬火─修基准一磨齿的加工方案。

3)5级以上精度，淬硬(未淬硬)齿轮均采用磨齿加工，即滚(插)齿─齿端加工─渗碳淬火(表面淬火)─修基准─粗磨齿─精磨齿的加工方案。磨齿加工是目前齿形加工精度最高、表面粗糙度值最小的方法，但磨齿加工成本高，生产率低。课后练习

1.盘类零件的有何工艺特点？2.对圆柱齿轮传动的精度有什么要求？3.圆柱齿轮常采用什么材料？毛坯一般是什么形状的？4.圆柱齿轮加工的主要工艺问题有哪些？5.2圆柱齿轮齿形的加工方法

01成形法02展成法

圆柱齿轮加工的关键是齿形加工。齿形加工包括齿形的切削加工和齿面的磨削加工。按照加工原理，齿形加工方法可以分为成形法和展成法两大类，见表5-4。齿轮加工方法刀具机床精度等级表面粗糙度值Ra/μm适用范围成形法成形铣齿模数铣刀铣床9~103.2~6.3用盘形或指形铣刀加工，分度头分齿，加工精度及生产率均较低拉齿齿轮拉刀拉床8~70.8~1.6精度和生产率较高，但拉刀制造困难，价格高，故仅在大量生产时采用，适宜拉内齿轮成形磨齿砂轮磨齿机5~60.2~0.8适用于大批量生产，宜磨削内齿轮和齿数极少的齿轮

展成法滚齿齿轮滚刀滚齿机6~100.8~1.6生产率较高，通用性强，常用于加工直齿、斜齿的外啮合圆柱齿轮和蜗轮插齿插齿刀插齿机7~90.8~1.6生产率较高，通用性强，适宜于加工内外啮合齿轮(包括阶台齿轮)、扇形齿轮、齿条等剃齿剃齿刀剃齿机5~70.4~0.8生产率高，主要用于滚齿、插齿加工后，淬火前的齿形精加珩齿珩齿轮珩齿机或剃齿机6~70.2~0.4多用于经过剃齿和高频淬火后的齿形加工，宜于成批生产磨齿砂轮磨齿机3~70.2~0.8生产率较低，加工成本较高，用于齿形淬硬后的精密加工，适用于单件小批生产5.2.1成形法

图5-5所示为万能铣床上用盘形齿轮铣刀或指形齿轮铣刀加工齿形，是成形法加工齿轮中应用较为广泛的一种。加工时，将齿坯安装在分度头上，铣完一个齿槽后再用分度头分齿，再铣另一个齿槽，依次铣完所有齿槽。齿形由齿轮铣刀的切削刃形状来保证，轮齿分布的均匀性由分度头来保证。图5-5直齿圆柱齿轮的成形铣削a）

盘形齿轮铣刀铣削

b)

指状齿轮铣

铣齿加工的生产率和加工精度都比较低,通常能加工IT9级以下的齿轮，使用的是普通铣床，刀具也容易制造，所以多用于单件小批生产或修配加工低精度的齿轮。(1)刀具成形法是利用与被加工齿轮的齿槽形状一致的刀具，在齿坯上加工出齿面的方法。常用的成形齿轮刀具有盘形齿轮铣刀和指形齿轮铣刀。

指形齿轮铣刀适于加工大模数的直齿、斜齿齿轮，特别是人字齿轮。盘形齿轮铣刀适于加工m<8mm的齿轮。用这种铣刀铣削齿轮时，齿轮的齿廓精度是由铣刀切削刃的形状来保证的。（2）机床

成形法加工内齿轮一般在普通铣床上进行，而铣削斜齿圆柱齿轮必须在万能铣床上进行。(3)工件的安装

铣削时，工件安装在分度头上，铣刀旋转对工件进行切削加工，工作台作直线进给运动，加工完一个齿槽，分度头将工件转过3600/z

(z为齿数)，再加工另一齿槽，依次加工出所有齿槽。当加工模数大于8mm的齿轮时，采用指状齿轮铣刀铣削加工。5.2.2展成法

展成法是利用一对齿轮啮合或齿轮与齿条啮合的原理，将其中的一个齿轮或齿条做成刀具，另一件是工件，在啮合过程中加工齿形的方法。因此，用展成法加工齿轮时，齿轮表面的渐开线用展成法形成。展成法具有较高的生产效率和加工精度。齿轮加工机床绝大多数采用展成法。

1.滚齿(1)滚齿原理在滚齿过程中，在滚刀按给定的切削速度作旋转运动时，齿坯则按齿轮齿条啮合关系转动(即滚刀转一圈，相当于齿条移动一个或几个齿距，齿坯也相应转过一个或几个齿距)，在齿坯上切出齿槽，形成渐开线齿面，如图5-6a所示。

图5-6滚齿原理（滚刀与被切齿轮的展成运动）

1.滚齿(2)滚齿的基本运动

滚齿时除了滚刀的旅转运动(主运动)、滚刀与齿坯之间的展成运动(也就是连续分齿运动)外，滚刀还需有沿工件轴向(齿宽方向)进给运动。这三个运动构成了滚齿的基本运动，如图5.6a所示。图5-6滚齿原理（滚刀与被切齿轮的展成运动）

滚齿时必须使滚刀的转速和齿坯的转速之间严格地保持如下关系:

1.滚齿(3)滚刀的安装方法

滚齿时还必须使滚刀的齿向与被加工齿轮的齿向一致，所以安装滚刀时，必须有一定的安装角度，如图5-7a所示。

滚切直齿圆柱齿轮时，滚刀的安装角δ=γ(γ为滚刀的导程角)，其滚刀倾斜方向如图5.7a所示。

滚切斜齿圆柱齿轮时，若滚刀与齿坯螺旋方向相同，则滚刀的安装角δ=β-γ(β为齿坯螺旋角)；若滚刀与齿坯螺旋方向相反，则滚刀的安装角δ=β+γ其倾斜方向如图5-7b所示。a）

b）图5-7滚刀的安装角度

1.滚齿（4）滚齿的精度

滚刀的精度等级为AA级、A级、B级和C级，AA级精度最高。滚齿时使用不同精度的滚刀，可分别加工出精度为IT7级，IT8级，IT9级，IT10级的齿轮。滚齿时，为了提高齿面的加工精度和质量，应将粗、精滚齿加工分开。精滚齿的加工余量为0.5~1mm,精滚齿时应采取较高的切削速度和较小的进给量。

(5)滚齿的刀具及生产率

目前，生产中广泛采用的是高速钢滚刀，切削速度一般为30m/min左右，进给量为1~3mm/r。超硬高速钢滚刀出现后，切削速度提高到了60

~

70m/

min；滚刀刀齿采用硬质合金后，其切削速度又提高到了180

~

200m/min，使滚齿加工的生产率得到了大幅度提高。此外，硬质合金滚刀对淬火后的硬齿面齿轮还可进行精加工或半精加工。滚齿既可以用于齿形的粗加工，也可以用于精加工。加工精度等级为IT7级以上的齿轮时，滚齿通常作为剃齿或磨齿等齿形精加工前的粗加工和半精加工工序。滚齿加工所使用的滚刀和滚齿机结构比较简单，易于制造，加工时是连续切削的，具有效率高、质量好的优点，因此，在生产中广泛应用。

2.插齿(1)插齿的基本原理插齿也是一种应用展成原理加工齿轮的方法。插齿刀相当于一个磨出前角(

)

和后角(

),具有切削刃的盘形直齿圆柱齿轮，它具有与被加工齿轮相同的模数和压力角。(2)插齿的基本运动插齿时的主要运动有:主运动、展成运动、径向进给运动和让刀运动，如图5-8所示。

展成运动，插齿刀与齿坯间必须保持一对齿轮正确的啮合关系，即传动比为：

2.插齿

插齿时运动：

1)主运动。插齿刀向下为切削行程，向上为空行程，其上下往复运动总称主运动。切削速度以插齿刀每分钟往复行程的次数来表示。2)展成运动。插齿刀每往复运动一次，

齿坯与刀具在分度圆上所转过的弧长为加工时的圆周进给量。齿坯旋转一周，插齿刀的各个刀齿便能逐渐地将工件的各个齿切出来。

3)径向进给运动。插齿时，齿坯上的轮齿是逐渐被切至全齿深的，因此插齿刀应有径向进给，等到切至全齿深后才不再径向进给。插齿刀的径向进给运动由凸轮机构来控制。4)让刀运动。为避免刀具返回行程时擦伤已加工齿面和减少刀具的磨损，在插齿刀向上运动时，要使工作台带动工件有一个径向让刀运动。但在插齿刀向下作切削运动时，工作台又能很快回到原来的位置，以便使切削工作继续进行。

2.插齿(3)插齿的加工范围

插齿不仅能加工单齿圈圆柱齿轮，而且还能加工间距较小的双联或多联齿轮、内齿轮及齿条等。插齿还能控制圆周进给量，可在0.2

~0.5mm/双行程范围内选用，较小值用于精加工，较大值用于粗加工。

(4)插齿的加工精度

插刀精度分为AA级、A级和B级，插齿时使用不同的刀具可分别加工出IT8

~

IT6级精度的齿轮，齿轮表面粗糙度值为Ra(0.4~1.6)μm。

3.剃齿(1)基本原理

剃齿是由剃齿刀带动工件自由转动，并模拟一对螺旋齿轮做双面无侧隙啮合的过程，剃齿刀与工件的轴线交错成一定角度。剃齿常用于未淬火圆柱齿轮的精加工，生产效率很高，是软齿面精加工最常见的加工方法之一。剃削直齿圆柱齿轮时，要用斜齿剃齿刀，使剃齿刀和被加工齿轮的轴线成100~200的交叉角。有了轴交叉角，在啮合运动中齿面上便有相对滑移存在，这种相对滑移就是剃齿时的切削运动。

3.剃齿

(2)基本运动

剃齿时，应先将被加工齿轮装在心轴上，再把心轴一起安装到机床工作台的两顶尖间，使其可以自由转动，如图5-9所示。剃齿具有以下几个运动:1)装在机床主轴上的剃齿刀作高速正、反转动；被切齿轮由剃齿刀带动作正、反自由旋转。2)被切齿轮由剃齿刀带动沿轴向作往复运动，也就是说齿轮的齿侧面沿剃齿刀的齿侧面作相对滑移。

3)被切齿轮往复运动一次，剃齿刀就作一次径向圆进给运动，以逐渐剃除全部余量，从而获得要求的齿厚。

3.剃齿

(3)加工范围及生产率

剃齿的加工范围较广，可加工内、外啮合的直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮、多联齿轮等。剃齿的生产率很高，加工一个中等模数齿轮通常只需2

~

4min。

(4)加工精度

由于剃齿能修正齿圈径向圆跳动误差、齿形误差、齿距误差以及齿向误差等。因此，经过剃齿的齿轮的工作平稳性和接触精度会有较大的提高，一般能提高一级。同时，剃齿可获得较精细的表面，其表面粗糙度值可达Ra

(0.4~0.8)μm,但齿轮的运动精度提高不多。

3.剃齿

剃齿加工采用的是自由啮合的方法，并不需要严格的传动链，大大简化了剃齿机机构，刀具寿命长，因此，剃齿工艺在成批和大量生产中被广泛应用。

剃齿刀分通用和专用两类。无特殊要求时，应尽量选用通用剃齿刀。剃齿刀的制造精度分A、B、C三级，可分别加工出IT8

~

IT6级精度的齿轮。剃齿刀的螺旋角有5°、10°和15°三种，其中5°、15°两种应用较广，5°的多用于加工斜齿圆柱齿轮和多联齿轮中较小的齿轮，15°的多用于加工直齿圆柱齿轮。

4.珩齿

珩齿是一种用于加工淬硬齿面的齿轮精加工方法，工作时珩磨轮与工件之间的相对运动关系与剃齿相同，所不同的是作为切削工具的珩磨轮是用金刚砂磨料加入环氧树脂等材料作结合剂浇铸或热压而成的塑料齿轮（轮心为铸铁或钢材）。如图5-10所示。珩磨齿面上不做出容屑槽，只是靠磨粒本身进行研削加工。

4.珩齿

珩齿时，珩磨轮与被加工齿轮的轮齿之间无侧隙紧密啮合，在一定的压力作用下，由珩磨轮带动被加工齿轮正反向转动，同时被加工齿轮沿轴向作往复送进运动，从而加工出齿轮的全长和两侧面。

珩齿过程的本质就是低速、磨削、研磨和抛光的综合。珩磨轮转速一般在1000r/min以上，生产率很高，珩磨一个齿轮约需1min,齿加工精度可达IT6级，并能有效地减小齿面表面粗糙度值，达到Ra(0.4~0.8)

μm,减小齿圈径向圆跳动，还能在一定程度上纠正齿向和齿形的局部误差。

珩齿对于提高齿轮工作的平稳性、改善接触精度和减少噪声等极为有利，目前在生产中正逐渐以珩齿代替研齿。

5.磨齿

按照齿轮加工的原理，磨齿也分为成形法和展成法两类，如图5-11所示。

图5-11a所示为成形法磨齿，砂轮的两侧面做成被磨齿轮的齿槽形状，用成形砂轮直接磨出渐开线齿形。由于砂轮与被磨齿轮齿面之间接触面积大，故生产效率高。但采用这种方法需要修整砂轮的渐开线表面，而且磨削面积大，砂轮磨损不均匀，容易烧伤齿面，加工精度也低，因此成形法磨齿应用不多。图5-11b、c所示是应用展成法原理进行磨齿的两种方法，并且都是利用齿轮齿条的啮合原理进行的。图5-11b所示是双锥面砂轮磨齿，其砂轮截面呈锥形，相当于假想齿条的一个齿。图5-11c所示是双叶片碟形砂轮磨齿，两片碟形砂轮倾斜安装后，即构成假想齿条的两个侧面，砂轮的端平面便代表齿条的表面，并且主要是靠砂轮端平面上的一条0.5mm的环形窄边进行磨削的。图5-11磨齿加工原理示意图a）用成形砂轮磨齿

b）用双锥面砂轮磨齿

c）用双叶片蝶形砂轮磨齿

5.磨齿

磨齿加工的主要特点是:加工精度高，一般条件下加工精度可达IT6

~IT4级，由于采用强制啮合方式，不仅修正误差的能力强，而且可以加工表面硬度很高的齿轮。经过磨齿后，齿面精度为IT6

~IT3级，齿面粗糙度值为Ra(0.2~0.8)μm。课后练习

5.圆柱齿轮齿形的加工方法有哪些？原理分别是什么？5.3