齒輪類零件的加工工藝過程分析

齒輪是能互相吻合的有齒的機(jī)械零件，齒輪傳動(dòng)可完成減速、增速、變向等功能。它在機(jī)械傳動(dòng)及整個(gè)機(jī)械領(lǐng)域中應(yīng)用極其廣泛。今天對(duì)齒輪類零件的加工工藝做下歸納總結(jié)。

01、 齒輪的功用、結(jié)構(gòu)

齒輪盡管由于它們?cè)跈C(jī)器中的功用不同而設(shè)計(jì)成不同的形狀和尺寸，但總可劃分為齒圈和輪體兩個(gè)部分。常見的圓柱齒輪有以下幾類（下圖）：盤類齒輪、套類齒輪、內(nèi)齒輪、軸類齒輪、扇形齒輪、齒條。其中盤類齒輪應(yīng)用最廣。

圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)形式

一個(gè)圓柱齒輪可以有一個(gè)或多個(gè)齒圈。普通的單齒圈齒輪工藝性好；而雙聯(lián)或三聯(lián)齒輪的小齒圈往往會(huì)受到臺(tái)肩的影響，限制了某些加工方法的使用，一般只能采用插齒。如果齒輪精度要求高，需要剃齒或磨齒時(shí)，通常將多齒圈齒輪做成單齒圈齒輪的組合結(jié)構(gòu)。

02、 圓柱齒輪的精度要求

齒輪本身的制造精度，對(duì)整個(gè)機(jī)器的工作性能、承載能力及使用壽命都有很大影響。根據(jù)齒輪的使用條件，對(duì)齒輪傳動(dòng)提出以下幾方面的要求：

1. 運(yùn)動(dòng)精度

要求齒輪能準(zhǔn)確地傳遞運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)比恒定，即要求齒輪在一轉(zhuǎn)中，轉(zhuǎn)角誤差不超過一定范圍。

2.工作平穩(wěn)性

要求齒輪傳遞運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，沖擊、振動(dòng)和噪聲要小。這就要求限制齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)瞬時(shí)速比的變化要小，也就是要限制短周期內(nèi)的轉(zhuǎn)角誤差。

3. 接觸精度

齒輪在傳遞動(dòng)力時(shí)，為了不致因載荷分布不均勻使接觸應(yīng)力過大，引起齒面過早磨損，這就要求齒輪工作時(shí)齒面接觸要均勻，并保證有一定的接觸面積和符合要求的接觸位置。

4. 齒側(cè)間隙

要求齒輪傳動(dòng)時(shí)，非工作齒面間留有一定間隙，以儲(chǔ)存潤滑油，補(bǔ)償因溫度、彈性變形所引起的尺寸變化和加工、裝配時(shí)的一些誤差。

03、 齒輪的材料

齒輪應(yīng)按照使用的工作條件選用合適的材料。齒輪材料的選擇對(duì)齒輪的加工性能和使用壽命都有直接的影響。

一般齒輪選用中碳鋼（如45鋼）和低、中碳合金鋼，如20Cr、40Cr、20CrMnTi等。要求較高的重要齒輪可選用38CrMoAlA氮化鋼，非傳力齒輪也可以用鑄鐵、夾布膠木或尼龍等材料。

04、齒輪的熱處理

齒輪加工中根據(jù)不同的目的，安排兩種熱處理工序：

1. 毛坯熱處理

在齒坯加工前后安排預(yù)先熱處理正火或調(diào)質(zhì)，其主要目的是消除鍛造及粗加工引起的殘余應(yīng)力、改善材料的可切削性和提高綜合力學(xué)性能。

2. 齒面熱處理

齒形加工后，為提高齒面的硬度和耐磨性，常進(jìn)行滲碳淬火、高頻感應(yīng)加熱淬火、碳氮共滲和滲氮等熱處理工序。

05、 齒輪毛坯

齒輪的毛坯形式主要有棒料、鍛件和鑄件。棒料用于小尺寸、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且對(duì)強(qiáng)度要求低的齒輪。當(dāng)齒輪要求強(qiáng)度高、耐磨和耐沖擊時(shí)，多用鍛件，直徑大于400～600mm的齒輪，常用鑄造毛坯。

為了減少機(jī)械加工量，對(duì)大尺寸、低精度齒輪，可以直接鑄出輪齒；對(duì)于小尺寸、形狀復(fù)雜的齒輪，可用精密鑄造、壓力鑄造、精密鍛造、粉末冶金、熱軋和冷擠等新工藝制造出具有輪齒的齒坯，以提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、節(jié)約原材料。

06、齒坯的機(jī)械加工方案的選擇

對(duì)于軸齒輪和套筒齒輪的齒坯，其加工過程和一般軸、套基本相似，現(xiàn)主要討論盤類齒輪齒坯的加工過程。齒坯的加工工藝方案主要取決于齒輪的輪體結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)類型。

1. 大批大量生產(chǎn)的齒坯加工

大批大量加工中等尺寸齒坯時(shí)，多采用“鉆一拉一多刀車”的工藝方案。 （1）以毛坯外圓及端面定位進(jìn)行鉆孔或擴(kuò)孔。 （2）拉孔。

（3）以孔定位在多刀半自動(dòng)車床上粗精車外圓、端面、切槽及倒角等。

這種工藝方案由于采用高效機(jī)床可以組成流水線或自動(dòng)線，所以生產(chǎn)效率高。

2. 成批生產(chǎn)的齒坯加工

成批生產(chǎn)齒坯時(shí)，常采用“車一拉一車”的工藝方案

（1）以齒坯外圓或輪毅定位，精車外圓、端面和內(nèi)孔。

（2）以端面支承拉孔（或花鍵孔）。

（3）以孔定位精車外圓及端面等。

這種方案可由臥式車床或轉(zhuǎn)塔車床及拉床實(shí)現(xiàn)。它的特點(diǎn)是加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。

當(dāng)齒坯孔有臺(tái)階或端面有槽時(shí)，可以充分利用轉(zhuǎn)塔車床上的多刀來進(jìn)行多工位加工，在轉(zhuǎn)塔車床上一次完成齒坯的加工。

07、輪齒加工方法

齒輪齒圈的齒形加工是整個(gè)齒輪加工的核心。齒輪加工有許多工序，這些都是為齒形加工服務(wù)的，其目的在于最終獲得符合精度要求的齒輪。

按照加工原理，齒形可分為成形法和展成法。成形法是用與被切齒輪齒槽形狀相符的成形刀具切出齒面的方法，如銑齒、拉齒和成型磨齒等。

展成法是齒輪刀具與工件按齒輪副的嚙合關(guān)系作展成運(yùn)動(dòng)切出齒面的方法，如滾齒、插齒、剃齒、磨齒和珩齒等。

齒形加工方案的選擇，主要取決于齒輪的精度等級(jí)、結(jié)構(gòu)形狀、生產(chǎn)類型及生產(chǎn)條件，對(duì)于不同的精度等級(jí)的齒輪，常用的齒形加工方案如下：

（1）8級(jí)精度以下齒輪

調(diào)質(zhì)齒輪用滾齒或插齒就能滿足要求。對(duì)于淬硬齒輪可采用：滾（插）齒—齒端加工—淬火—校正孔的加工方案。但淬火前齒形加工精度應(yīng)提高一級(jí)。

（2）6~7級(jí)精度齒輪

對(duì)于淬硬齒輪可采用：粗滾齒—精滾齒—齒端加工—精剃齒—表面淬火—校正基準(zhǔn)—珩齒。

（3）5級(jí)精度以上齒輪

一般采用：粗滾齒—精滾齒—齒端加工—淬火—校正基準(zhǔn)—粗磨齒—精磨齒。磨齒是目前齒形加工中精度最高，表面粗糙度值最小的加工方法，最高精度可達(dá)3~4級(jí)。

1. 銑齒

齒輪精度等級(jí)：9級(jí)以下

齒面粗糙度Ra：6.3~3.2μm

適用范圍：?jiǎn)渭夼渖a(chǎn)中，加工低精度的外圓柱齒輪、齒條、錐齒輪、蝸輪

2.拉齒

齒輪精度等級(jí)：7級(jí)

齒面粗糙度Ra：1.6~0.4μm

適用范圍：大批量生產(chǎn)7級(jí)內(nèi)齒輪，外齒輪拉刀制造復(fù)雜，故少用

3.滾齒

齒輪精度等級(jí)：8~7級(jí)

齒面粗糙度Ra：3.2~1.6μm

適用范圍：各種批量生產(chǎn)中，加工中等質(zhì)量外圓柱齒輪及蝸輪

4. 插齒

齒輪精度等級(jí)：8~7級(jí)

齒面粗糙度Ra：1.6μm

適用范圍：各種批量生產(chǎn)中，加工中等質(zhì)量的內(nèi)、外圓柱齒輪、多聯(lián)齒輪及小型齒條

5. 滾（或插）齒—淬火—珩齒

齒輪精度等級(jí)：8~7級(jí)

齒面粗糙度Ra：0.8~0.4μm

適用范圍：用于齒面淬火的齒輪

6. 滾齒—剃齒

齒輪精度等級(jí)：7~6級(jí)

齒面粗糙度Ra：0.8~0.4μm

適用范圍：主要用于大批量生產(chǎn)

7. 滾齒—剃齒—淬火—珩齒

齒輪精度等級(jí)：7~6級(jí)

齒面粗糙度Ra：0.4~0.2μm

適用范圍：主要用于大批量生產(chǎn)

8. 滾（插）齒—淬火—磨齒

齒輪精度等級(jí)：6~3級(jí)

齒面粗糙度Ra：0.4~0.2μm

適用范圍：用于高精度齒輪的齒面加工，生產(chǎn)率低，成本高

9. 滾（插）齒—磨齒

齒輪精度等級(jí)：6~3級(jí)

齒面粗糙度Ra：0.4~0.2μm

適用范圍：用于高精度齒輪的齒面加工，生產(chǎn)率低，成本高

08、齒端的加工

齒輪的齒端加工有倒圓、倒尖、倒棱和去毛刺等方式，下圖所示。倒圓、倒尖后的齒輪在換檔時(shí)容易進(jìn)人嚙合狀態(tài)，減少撞擊現(xiàn)象。倒棱可除去齒端尖邊和毛刺。

a)倒圓 b)倒尖 c)倒棱

齒端加工

下圖是用指狀銑刀對(duì)齒端進(jìn)行倒圓的加工示意圖。倒圓時(shí)，銑刀高速旋轉(zhuǎn)，并沿圓弧作擺動(dòng)，加工完一個(gè)齒后，工件退離銑刀，經(jīng)分度再快速向銑刀靠近加工下一個(gè)齒的齒端。齒端加工必須在齒輪淬火之前進(jìn)行，通常都在滾（插）齒之后，剃齒之前安排齒端加工。

齒端倒圓

09、直齒圓柱齒輪加工工藝過程

高精度齒輪

1.毛坯鍛造

2. 正火熱處理

3. 粗車外形、各處留加工余量2mm

定位基準(zhǔn)：外圓和端面

4.精車各處，內(nèi)孔至Φ84.8H7，總長留磨削余量0.2mm，其余至尺寸

定位基準(zhǔn)：外圓和端面

5. 檢驗(yàn)

6. 滾切齒面，留磨齒余量0.25～0.3mm

定位基準(zhǔn)：內(nèi)孔和端面A

7. 倒角

定位基準(zhǔn)：內(nèi)孔和端面A

8. 鉗工去毛刺

9. 齒面高頻淬火HRC52

10. 插鍵槽

定位基準(zhǔn)：內(nèi)孔和端面A

11. 靠磨大端面A

定位基準(zhǔn)：內(nèi)孔

12. 磨削B面至總長

定位基準(zhǔn)：端面A

13. 磨內(nèi)孔至φ85H5

定位基準(zhǔn)：內(nèi)孔和端面A

14. 齒面磨削

定位基準(zhǔn)：內(nèi)孔和端面A

15. 檢驗(yàn)

10、齒輪加工工藝過程分析

1. 定位基準(zhǔn)的選擇

對(duì)于齒輪定位基準(zhǔn)的選擇常因齒輪的結(jié)構(gòu)形狀不同，而有所差異。帶軸齒輪主要采用頂尖定位，孔徑大時(shí)則采用錐堵。頂尖定位的精度高，且能做到基準(zhǔn)統(tǒng)一。帶孔齒輪在加工齒面時(shí)常采用以下兩種定位、夾緊方式。

（1）采用面向定位端面的夾緊方式。這種方式可使定位基準(zhǔn)、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、裝配基準(zhǔn)和測(cè)量基準(zhǔn)重合，定位精度高，適于批量生產(chǎn)。但對(duì)夾具的制造精度要求較高。

（2）以外圓和端面定位工件和夾具心軸的配合間隙較大，用千分表校正外圓以決定中心的位置，并以端面定位；從另一端面施以夾緊。這種方式因每個(gè)工件都要校正，故生產(chǎn)效率低；它對(duì)齒坯的內(nèi)、外圓同軸度要求高，而對(duì)夾具精度要求不高，故適于單件、小批量生產(chǎn)。

2. 齒輪毛坯的加工

齒面加工前的齒輪毛坯加工，在整個(gè)齒輪加工工藝過程中占有很重要的地位，因?yàn)辇X面加工和檢測(cè)所用的基準(zhǔn)必須在此階段加工出來；無論從提高生產(chǎn)率，還是從保證齒輪的加工質(zhì)量，都必須重視齒輪毛坯的加工。

在齒輪的技術(shù)要求中，應(yīng)注意齒頂圓的尺寸精度要求，因?yàn)辇X厚的檢測(cè)是以齒頂圓為測(cè)量基準(zhǔn)的，齒頂圓精度太低，必然使所測(cè)量出的齒厚值無法正確反映齒側(cè)間隙的大小。

所以，在這一加工過程中應(yīng)注意下列三個(gè)問題：

（1）當(dāng)以齒頂圓直徑作為測(cè)量基準(zhǔn)時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格控制齒頂圓的尺寸精度

（2）保證定位端面和定位孔或外圓相互的垂直度

（3）提高齒輪內(nèi)孔的制造精度，減小與夾具心軸的配合間隙

審核編輯：郭婷