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齒輪是能互相吻合的有齒的機械零件，齒輪傳動可完成減速、增速、變向等功能。它在機械傳動及整個機械領(lǐng)域中應(yīng)用極其廣泛。本文對齒輪類零件的加工工藝做歸納總結(jié)。
+ `7 v: {/ ?+ M- f: ]3 m3 |1、齒輪的功用、結(jié)構(gòu)
$ o' n2 T' I, H1 y, n8 e齒輪盡管由于它們在機器中的功用不同而設(shè)計成不同的形狀和尺寸，但總可劃分為齒圈和輪體兩個部分。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。 . v3 L. k, c' D: s8 M
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一個圓柱齒輪可以有一個或多個齒圈。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受到臺肩的影響，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，通常將多齒圈齒輪做成單齒圈齒輪的組合結(jié)構(gòu)。
5 H: [) R; I0 j2、圓柱齒輪的精度要求
7 ], { }. s- `% _1 {; d3 R齒輪本身的制造精度，對整個機器的工作性能、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，對齒輪傳動提出以下幾方面的要求： 1. 運動精度 要求齒輪能準(zhǔn)確地傳遞運動，傳動比恒定，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 要求齒輪傳遞運動平穩(wěn)，沖擊、振動和噪聲要小。這就要求限制齒輪轉(zhuǎn)動時瞬時速比的變化要小，也就是要限制短周期內(nèi)的轉(zhuǎn)角誤差。 3. 接觸精度 齒輪在傳遞動力時，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 要求齒輪傳動時，非工作齒面間留有一定間隙，以儲存潤滑油，補償因溫度、彈性變形所引起的尺寸變化和加工、裝配時的一些誤差。
" j6 {, G5 i W" d# ^! I. L. |3、齒輪的材料
- _- ~+ q1 p) c) @/ s2 i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。2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。 , i5 ?6 b, z; x# z) k
4、齒輪的熱處理
/ y# ]5 L5 J2 h* b3 M: o$ u8 @. Q$ s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。 # |+ x- V0 u5 M) c. q. ~
5、齒輪毛坯
& \1 U2 u' t) [ \7 g3 q5 n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)簡單且對強度要求低的齒輪。當(dāng)齒輪要求強度高、耐磨和耐沖擊時，多用鍛件，直徑大于400～600mm的齒輪，常用鑄造毛坯。 為了減少機械加工量，對大尺寸、低精度齒輪，可以直接鑄出輪齒；對于小尺寸、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，以提高勞動生產(chǎn)率、節(jié)約原材料。
6 u5 ^6 R( k4 u" x6 H6、齒坯的機械加工方案的選擇 5 A* q k$ p7 s: D* n
對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，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行鉆孔或擴孔。 (2)拉孔。 (3)以孔定位在多刀半自動車床上粗精車外圓、端面、切槽及倒角等。 這種工藝方案由于采用高效機床可以組成流水線或自動線，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，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)塔車床及拉床實現(xiàn)。它的特點是加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率較高。 當(dāng)齒坯孔有臺階或端面有槽時，可以充分利用轉(zhuǎn)塔車床上的多刀來進行多工位加工，在轉(zhuǎn)塔車床上一次完成齒坯的加工。
! d* y" A' j# w5 x8 P7 r& N: K7、輪齒加工方法
, K/ N' I7 E& g* v齒輪齒圈的齒形加工是整個齒輪加工的核心。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)系作展成運動切出齒面的方法，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、結(jié)構(gòu)形狀、生產(chǎn)類型及生產(chǎn)條件，對于不同的精度等級的齒輪，常用的齒形加工方案如下： （1）8級精度以下齒輪 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。 （2）6-7級精度齒輪 對于淬硬齒輪可采用：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3-4級。
/ S5 z: ?" k2 k2 }; g; i1. 銑齒 齒輪精度等級：9級以下 齒面粗糙度Ra：6.3~3.2μm 適用范圍：單件修配生產(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：7級 齒面粗糙度Ra：1.6~0.4μm 適用范圍：大批量生產(chǎn)7級內(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：8~7級 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：8~7級 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：8~7級 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：7~6級 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：7~6級 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：6~3級 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：6~3級 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 3 Y' U5 C! L+ s* q( z
8、齒端的加工 1 o4 S1 h$ y3 J6 \! Z! ]5 w7 t
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容易進人嚙合狀態(tài)，減少撞擊現(xiàn)象。倒棱可除去齒端尖邊和毛刺。 7 M" n( c/ @9 q. l' A9 k( w
a)倒圓 b)倒尖 c)倒棱 下圖是用指狀銑刀對齒端進行倒圓的加工示意圖。倒圓時，銑刀高速旋轉(zhuǎn)，并沿圓弧作擺動，加工完一個齒后，工件退離銑刀，經(jīng)分度再快速向銑刀靠近加工下一個齒的齒端。齒端加工必須在齒輪淬火之前進行，通常都在滾（插）齒之后，剃齒之前安排齒端加工。
9 _' h% |2 \3 p/ u# h2 O9 B e齒端倒圓 7 F# I' u! u( p! `
9、直齒圓柱齒輪加工工藝過程
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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 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 3 X0 O2 i o: h) S4 `$ J2 d/ |
10、齒輪加工工藝過程分析
3 J- D& @8 i% s" r, D% P1. 定位基準(zhǔn)的選擇 對于齒輪定位基準(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常采用以下兩種定位、夾緊方式。 (1)以內(nèi)孔和端面定位 即以工件內(nèi)孔和端面聯(lián)合定位，確定齒輪中心和軸向位置，并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)計基準(zhǔn)、裝配基準(zhǔn)和測量基準(zhǔn)重合，定位精度高，適于批量生產(chǎn)。但對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。這種方式因每個工件都要校正，故生產(chǎn)效率低；它對齒坯的內(nèi)、外圓同軸度要求高，而對夾具精度要求不高，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，在整個齒輪加工工藝過程中占有很重要的地位，因為齒面加工和檢測所用的基準(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，因為齒厚的檢測是以齒頂圓為測量基準(zhǔn)的，齒頂圓精度太低，必然使所測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)注意下列三個問題： (1)當(dāng)以齒頂圓直徑作為測量基準(zhǔn)時，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
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