齒輪與齒輪加工工藝及加工刀具

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齒輪與齒輪加工工藝及加工刀具簡介
 第一節 概述   一、 齒輪的功用與結構特點   齒輪傳動在現代機器和儀器中的應用極為廣泛,其功用是按規定的速比傳遞運動和動力。   齒輪的結構由於使用要求不同而具……
齒輪與齒輪加工工藝及加工刀具正文

 第一節 概述


一、 齒輪的功用與結構特點


齒輪傳動在現代機器和儀器中的應用極為廣泛,其功用是按規定的速比傳遞運動和動力。


齒輪的結構由於使用要求不同而具有各種不同的形狀,但從工藝角度可將齒輪看成是由齒圈和輪體兩部分構成。按照齒圈上輪齒的分佈形式,可分為直齒、斜齒、人字齒等;按照輪體的結構特點,齒輪大致分為盤形齒輪、套筒齒輪、軸齒輪、扇形齒輪和齒條等等,如圖91所示。


在上述各種齒輪中,以盤形齒輪應用最廣。盤形齒輪的內孔多為精度較高的圓柱孔和花鍵孔。其輪緣具有一個或幾個齒圈。單齒圈齒輪的結構工藝性最好,可採用任何一種齒形加工方法加工輪齒;雙聯或三聯等多齒圈齒輪(91bc)。當其輪緣間的軸向距離較小時,小齒圈齒形的加工方法的選擇就受到限制,通常只能選用插齒。如果小齒圈精度要求高,需要精滾或磨齒加工,而軸向距離在設計上又不允許加大時,可將此多齒圈齒輪做成單齒圈齒輪的組合結構,以改善加工的工藝性。


二、齒輪的技術要求


齒輪本身的製造精度,對整個機器的工作性能、承載能力及使用壽命都有很大的影響。根據其使用條件,齒輪傳動應滿足以下幾個方面的要求。


(一)傳遞運動準確性


要求齒輪較準確地傳遞運動,傳動比恆定。即要求齒輪在一轉中的轉角誤差不超過一定範圍。


(二)傳遞運動平穩性


要求齒輪傳遞運動平穩,以減小衝擊、振動和雜訊。即要求限制齒輪轉動時瞬時速比的變化。


(三)載荷分佈均勻性


要求齒輪工作時,齒面接觸要均勻,以使齒輪在傳遞動力時不致因載荷分佈不勻而使接觸應力過大,引起齒面過早磨損。接觸精度除了包括齒面接觸均勻性以外,還包括接觸面積和接觸位置。


(四)傳動側隙的合理性


要求齒輪工作時,非工作齒面間留有一定的間隙,以貯存潤滑油,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。


齒輪的製造精度和齒側間隙主要根據齒輪的用途和工作條件而定。對於分度傳動用的齒輪,主要要求齒輪的運動精度較高;對於高速動力傳動用齒輪,為了減少衝擊和雜訊,對工作平穩性精度有較高要求;對於重載低速傳動用的齒輪,則要求齒面有較高的接觸精度,以保證齒輪不致過早磨損;對於換向傳動和讀數機構用的齒輪,則應嚴格控制齒側間隙,必要時,須消除間隙。


B10095?88中對齒輪及齒輪副規定了12個精度等級,從1~12順次降低。其中1~2級是有待發展的精度等級,3~5級為高精度等級,6~8級為中等精度等級,9級以下為低精度等級。每個精度等級都有三個公差組,分別規定出各項公差和偏差項目,見表9?1


91齒輪公差組

公差組

公差及偏差項目

對傳動性能的影響

  • Fi、△Fp(Fpk)、△Fi、△Fr、△Fw

傳遞運動準確性

  • fI、△ff、△fpt、△fpb、△fI、△fpb

傳動平穩性、雜訊、振動

Fβ、△Fpx

承載均勻性

 


三、齒輪的材料、熱處理和毛坯


(一)齒輪的材料與熱處理


1.材料的選擇


齒輪應按照使用時的工作條件選用合適的材料。齒輪材料的合適與否對齒輪的加工性能和使用壽命都有直接的影響。


一般來說,對於低速重載的傳力齒輪,齒面受壓產生塑性變形和磨損,且輪齒易折斷。應選用機械強度、硬度等綜合力學性能較好的材料,如18CrMnTi;線速度高的傳力齒輪,齒面容易產生疲勞點蝕,所以齒面應有較高的硬度,可用38CrMoAlA氮化鋼;承受衝擊載荷的傳力齒輪,應選用韌性好的材料,如低碳合金鋼18CrMnTi;非傳力齒輪可以選用不淬火鋼,鑄鐵、夾布膠木、尼龍等非金屬材料。一般用途的齒輪均用45鋼等中碳結構鋼和低碳結構鋼如20Cr40Cr20CrMnTi等製成。


2.齒輪的熱處理


齒輪加工中根據不同的目的,安排兩類熱處理工序。


(1)毛坯熱處理在齒坯加工前後安排預備熱處理—正火或調質。其主要目的是消除鍛造及粗加工所引起的殘餘應力,改善材料的切削性能和提高綜合力學性能。


(2)齒面熱處理齒形加工完畢后,為提高齒面的硬度和耐磨性,常進行滲碳淬火,高頻淬火,碳氮共滲和氮化處理等熱處理工序。


(二)齒輪毛坯


齒輪毛坯形式主要有棒料、鍛件和鑄件。棒料用於小尺寸、結構簡單且對強度要求不太高的齒輪。當齒輪強度要求高,並要求耐磨損、耐衝擊時,多用鍛件毛坯。當齒輪的直徑大於Φ400~Φ600時,常用鑄造齒坯。為了減少機械加工量,對大尺寸、低精度的齒輪,可以直接鑄出輪齒;對於小尺寸,形狀複雜的齒輪,可以採用精密鑄造、壓力鑄造、精密鍛造、粉末冶金、熱軋和冷擠等新工藝製造出具有輪齒的齒坯,以提高勞動生產率,節約原材料。


四、齒坯加工


齒形加工之前的齒輪加工稱為齒坯加工,齒坯的內孔(或軸頸)、端面或外圓經常是齒輪加工、測量和裝配的基準,齒坯的精度對齒輪的加工精度有著重要的影響。因此,齒坯加工在整個齒輪加工中佔有重要的地位。


(一)齒坯加工精度


齒坯加工中,主要要求保證的是基準孔(或軸頸)的尺寸精度和形狀精度、基準端面相對於基準孔(或軸頸)的位置精度。不同精度的孔(或軸頸)的齒坯公差以及表面粗糙度等要求分別列於表92、表93和表94中。

92齒坯公差

齒輪精度等級①

5

6

7

8

9

孔尺寸公差

形狀公差

IT5

IT6

IT7

IT8

軸尺寸公差

形狀公差

IT5

IT6

IT7

頂圓直徑②

IT7

IT8

IT8


①當三個公差組的精度等級不同時,按最高精度等級確定公差值。


②當頂圓不作為測量齒厚基準時,尺寸公差按IT11給定,但應小於01mm


93齒輪基準面徑向和端面圓跳動公差(
μm)

分度圓直徑(mm)

精度等級

大於

12

3 4

5 6

7 8

9 12

0

125

28

7

11

18

28

125

400

36

9

14

22

36

400

800

50

12

20

32

50


94齒坯基準面的表面粗糙度參數Ra(
μm)

精度等級

3

4

5

6

7

8

9

10

頸端

端面

頂圓

0.2

0.1

0.2~0.1

0.2

0.2~0.1

0.4~0.2

0.4~0.2

0.2

0.6~0.4

0.8

0.4

0.6~0.3

1.6~0.8

0.8

1.6~0.8

1.6

1.6

3.2~1.6

3.2

1.6

3.2

3.2

1.6

3.2

(二)齒坯加工方案


齒坯加工方案的選擇主要與齒輪的輪體結構、技術要求和生產批量等因素有關。對軸、套筒類齒輪的齒坯,其加工工藝與一般軸、套筒零件的加工工藝相類同。下面主要對盤齒輪的齒坯加工方案作一介紹。


1.中、小批生產的齒坯加工


中小批生產盡量採用通用機床加工。對於圓柱孔齒坯,可採用粗車—精車的加工方案:


1)在卧式車床上粗車齒輪各部分;


2)在一次安裝中精車內孔和基準端面,以保證基準端面對內孔的跳動要求;


3)以內孔在心軸上定位,精車外圓、端面及其它部分。


對於花鍵孔齒坯,採用粗車—拉—精車的加工方案。


2.大批量生產的齒坯加工


大批量生產中,無論花鍵孔或圓柱孔,均採用高生產率的機床(如拉床、多軸自動或多刀半自動車床等),其加工方案如下:

 


1)以外圓定位加工端面和孔(留拉削余量)


2)以端面支承拉孔;


3)以孔在芯軸上定位,在多刀半自動車床上粗車外圓、端面和切槽;


4)不卸下芯軸,在另一台車床上續精車外圓、端面、切槽和倒角,如圖92所示。


第二節 圓柱齒輪齒形加工方法和加工方案


一個齒輪的加工過程是由若干工序組成的。為了獲得符合精度要求的齒輪,整個加工過程都是圍繞著齒形加工工序服務的。齒形加工方法很多,按加工中有無切削,可分為無切削加工和有切削加工兩大類。


無切削加工包括熱軋齒輪、冷軋齒輪、精鍛、粉末冶金等新工藝。無切削加工具有生產率高,材料消耗少、成本低等一系列的優點,目前已推廣使用。但因其加工精度較低,工藝不夠穩定,特別是生產批量小時難以採用,這些缺點限制了它的使用。


齒形的有切削加工,具有良好的加工精度,目前仍是齒形的主要加工方法。按其加工原理可分為成形法和展成法兩種。


成形法的特點是所用刀具的切削刃形狀與被切齒輪輪槽的形狀相同,如圖9-3所示。用成形原理加工齒形的方法有:用齒輪銑刀在銑床上銑齒、用成形砂輪磨齒、用齒輪拉刀拉齒等方法。這些方法由於存在分度誤差及刀具的安裝誤差,所以加工精度較低,一般只能加工出9~10級精度的齒輪。此外,加工過程中需作多次不連續分齒,生產率也很低。因此,主要用於單件小批量生產和修配工作中加工精度不高的齒輪。


展成法是應用齒輪嚙合的原理來進行加工的,用這種方法加工出來的齒形輪廓是刀具切削刃運動軌跡的包絡線。齒數不同的齒輪,只要模數和齒形角相同,都可以用同一把刀具來加工。用展成原理加工齒形的方法有:滾齒、插齒、剃齒、珩齒和磨齒等方法。其中剃齒、珩齒和磨齒屬於齒形的精加工方法。展成法的加工精度和生產率都較高,刀具通用性好,所以在生產中應用十分廣泛。


一、滾齒


(一)滾齒的原理及工藝特點


滾齒是齒形加工方法中生產率較高、應用最廣的一種加工方法。在滾齒機上用齒輪滾刀加工齒輪的原理,相當於一對螺旋齒輪作無側隙強制性的嚙合,見圖9-24所示。滾齒加工的通用性較好,既可加工圓柱齒輪,又能加工蝸輪;既可加工漸開線齒形,又可加工圓弧、擺線等齒形;既可加工大模數齒輪,大直徑齒輪。

滾齒可直接加工8~9級精度齒輪,也可用作7 級以上齒輪的粗加工及半精加工。滾齒可以獲得較高的運動精度,但因滾齒時齒面是由滾刀的刀齒包絡而成,參加切削的刀齒數有限,因而齒面的表面粗糙度較粗。為了提高滾齒的加工精度和齒面質量,宜將粗精滾齒分開。


(二)滾齒加工質量分析


1.
影響傳動精度的加工誤差分析


影響齒輪傳動精度的主要原因是在加工中滾刀和被切齒輪的相對位置和相對運動發生了變化。相對位置的變化(幾何偏心)產生齒輪的徑向誤差;相對運動的變化(運動偏心)產生齒輪的切向誤差。


(1)齒輪的徑向誤差齒輪徑向誤差是指滾齒時,由於齒坯的實際迴轉中心與其基準孔中心不重合,使所切齒輪的輪齒髮生徑向位移而引起的周節累積公差,如圖94所示。



齒輪的徑向誤差一般可通過測量齒圈徑向跳動△Fr反映出來。切齒時產生齒輪徑向誤差的主要原因如下:


①調整夾具時,心軸和機床工作台迴轉中心不重合。


②齒坯基準孔與心軸間有間隙,裝夾時偏向一邊。


③基準端面定位不好,夾緊后內孔相對工作台迴轉中心產生偏心。

(2)齒輪的切向誤差齒輪的切向誤差是指滾齒時,實際齒廓相對理論位置沿圓周方向(切向)發生位移,如圖9-5所示。當齒輪出現切向位移時,可通過測量公法線長度變動公差△Fw來反映。

切齒時產生齒輪切向誤差的主要原因是傳動鏈的傳動誤差造成的。在分齒傳動鏈的各傳動元件中,對傳動誤差影響最大的是工作台下的分度蝸輪。分度蝸輪在製造和安裝中與工作台迴轉中心不重合(運動偏心),使工作台迴轉中發生轉角誤差,並復映給齒輪。其次,影響傳動誤差的另一重要因素是分齒掛輪的製造和安裝誤差,這些誤差也以較大的比例傳遞到工作台上。


2.影響齒輪工作平穩性的加工誤差分析


影響齒輪傳動工作平穩性的主要因素是齒輪的齒形誤差△ff和基節偏差△fpb。齒形誤差會引起每對齒輪嚙合過程中傳動比的瞬時變化;基節偏差會引起一對齒過渡到另一對齒嚙合時傳動比的突變。齒輪傳動由於傳動比瞬時變化和突變而產生雜訊和振動,從而影響工作平穩性精度。
滾齒時,產生齒輪的基節偏差較小,而齒形誤差通常較大。下面分別進行討論。


(1)齒形誤差


齒形誤差主要是由於齒輪滾刀的製造刃磨誤差及滾刀的安裝誤差等原因造成的,因此在滾刀的每一轉中都會反映到齒面上。常見的齒形誤差有如圖9-6所示的各種形式。圖a為齒面出棱、圖b為齒形不對稱、圖c為齒形角誤差、圖d為齒面上的周期性誤差、圖e為齒輪根切。


由於齒輪的齒面偏離了正確的漸開線,使齒輪傳動中瞬時傳動比不穩定,影響齒輪的工作平穩性。

(2)基節極限偏差滾齒時,齒輪的基節極限偏差主要受滾刀基節偏差的影響。滾刀基節的計算式為:


pb0=pn0cosα0=pt0cosλ0cosα0pt0cosα0


式中:pb0??滾刀基節;


pn0??滾刀法向齒距;


pt0??滾刀軸向齒距;


α0??滾刀法向齒形角;


λ0??滾刀分度圓螺旋升角,一般很小,因此cosλ01


由上式可見,為減少基節偏差,滾刀製造時應嚴格控制軸向齒距及齒形角誤差,同時對影響齒形角誤差和軸向齒距誤差的刀齒前刀面的非徑向性誤差也要加以控制。


3.影響齒輪接觸精度的加工誤差分析


齒輪齒面的接觸狀況直接影響齒輪傳動中載荷分佈的均勻性。滾齒時,影響齒高方向的接觸精度的主要原因是齒形公差△ff和基節極限偏差△fpb。影響齒寬方向的接觸精度的主要原因是齒向公差△Fβ。產生齒向公差的主要原因:


1)滾齒機刀架導軌相對於工作台迴轉軸線存在平行度誤差,如9?7所示。


2)齒坯裝夾歪斜
由於心軸、齒坯基準端面跳動及墊圈兩端面不平行等引起的齒坯安裝歪斜,會產生齒向誤差,如圖98所示。


3)滾切斜齒輪時,除上述影響因素外,機床差動掛輪計算的誤差,也會影響齒輪的齒向誤差。


4.提高滾齒生產率的途徑


1)高速滾齒


近年來,我國已開始設計和製造高速滾齒機,同時生產出鋁高速鋼(MO5Al)滾刀。滾齒速度由一般v=30m/min提高到v=100m/min以上,軸向進給量 f=1.38mm/r2.6mm/r,使生產率提高25%


國外用高速鋼滾刀滾齒速度已提高到100 m/min150 m/min;硬質合金滾刀已試驗到400 m/min以上。總之,高速滾齒具有一定的發展前途。


2)採用多頭滾刀可明顯提高生產率,但加工精度較低,齒面粗糙,因而多用於粗加工中。當齒輪加工精度要求較高時,可採用大直徑滾刀,使參加展成運動的刀齒數增加,加工齒面粗糙度較細。


3)改進滾齒加工方法


a.多件加工
將幾個齒坯串裝在心軸上加工,可以減少滾刀對每個齒坯的切入切出時間及裝卸時間。


b.採用徑向切入
滾齒時滾刀切入齒坯的方法有兩種:徑向切入和軸向切入。徑向切入比軸向切入行程短,可節省切入時間,對大直徑滾刀滾齒時尤為突出。


c.採用軸向竄刀和對角滾齒
滾刀參與切削的刀齒負荷不等,磨損不均,當負荷最重的刀齒磨損到一定程度時,應將滾刀沿其軸向移動一段距離(即軸向竄刀)後繼續切削,以提高刀具的使用壽命。


對角滾齒是滾刀在沿齒坯軸向進給的同時,還沿滾刀刀桿軸向連續移動,兩種運動的合成,使齒面形成對角線刀痕,不僅降低了齒面粗糙度,而且使刀齒磨損均勻,提高了刀具的使用壽命和耐用度,如圖99所示。


二、插齒


(一)插齒原理及運動


1.插齒原理


從插齒過程的原理上分析,如圖910所示,插齒刀相當於一對軸線相互平行的圓柱齒輪相嚙合。插齒刀實質上就是一個磨有前後角並具有切削刃的齒輪。


2.插齒的主要運動有:


1)切削運動
插齒刀的上、下往複運動。


2)分齒展成運動
插齒刀與工件之間應保持正確的嚙合關係。插齒刀往複一次,工件相對刀具在分度圓上轉過的弧長為加工時的圓周進給量,故刀具與工件的嚙合過程也就是圓周進給過程。


3)徑向進給運動
插齒時,為逐步切至全齒深,插齒刀應有徑向進給量fr


4)讓刀運動
插齒刀作上下往複運動時,向下是切削行程。為了避免刀具擦傷已加工的齒面並減少刀齒的磨損,在插齒刀向上運動時,工作台帶動工件退出切削區一段距離(徑向)。插齒刀工作行程時,工作台再恢復原位。


()插齒的工藝特點


插齒和滾齒相比,在加工質量,生產率和應用範圍等方面都有其特點。


1.插齒的加工質量

1)插齒的齒形精度比滾齒高
滾齒時,形成齒形包絡線的切線數量只與滾刀容屑槽的數目和基本蝸桿的頭數有關,它不能通過改變加工條件而增減;但插齒時,形成齒形包絡線的切線數量由圓周進給量的大小決定,並可以選擇。此外,製造齒輪滾刀時是近似造型的蝸桿來替代漸開線基本蝸桿,這就有造形誤差。而插齒刀的齒形比較簡單,可通過高精度磨齒獲得精確的漸開線齒形。所以插齒可以得到較高的齒形精度。

2)插齒后齒面的粗糙度比滾齒細
這是因為滾齒時,滾刀在齒向方向上作間斷切削,形成如圖911a所示的魚鱗狀波紋;而插齒時插齒刀沿齒向方向的切削是連續的,如圖911b所示。所以插齒時齒面粗糙度較細。


3)插齒的運動精度比滾齒差
這是因為插齒機的傳動鏈比滾齒機多了一個刀具蝸輪副,即多了一部分傳動誤差。另外,插齒刀的一個刀齒相應切削工件的一個齒槽,因此,插齒刀本身的周節累積誤差必然會反映到工件上。而滾齒時,因為工件的每一個齒槽都是由滾刀相同的23圈刀齒加工出來,故滾刀的齒距累積誤差不影響被加工齒輪的齒距精度,所以滾齒的運動精度比插齒高。


4)插齒的齒向誤差比滾齒大
插齒時的齒向誤差主要決定於插齒機主軸迴轉軸線與工作台迴轉軸線的平行度誤差。由於插齒刀工作時往複運動的頻率高,使得主軸與套筒之間的磨損大,因此插齒的齒向誤差比滾齒大。

所以就加工精度來說,對運動精度要求不高的齒輪,可直接用插齒來進行齒形精加工,而對於運動精度要求較高的齒輪和剃前齒輪(剃齒不能提高運動精度),則用滾齒較為有利。

 2.插齒的生產率
切制模數較大的齒輪時,插齒速度要受到插齒刀主軸往複運動慣性和機床剛性的制約;切削過程又有空程的時間損失,故生產率不如滾齒高。只有在加工小模數、多齒數並且齒寬較窄的齒輪時,插齒的生產率才比滾齒高。.


3.滾插齒的應用範圍:


1)加工帶有台肩的齒輪以及空刀槽很窄的雙聯或多聯齒輪,只能用插齒。這是因為:插齒刀“切出”時只需要很小的空間,而滾齒則滾刀會與大直徑部位發生干涉。


2)加工無空刀槽的人字齒輪,只能用插齒;


3)加工內齒輪,只能用插齒。


4)加工蝸輪,只能用滾齒。


5)加工斜齒圓柱齒輪,兩者都可用。但滾齒比較方便。插制斜齒輪時,插齒機的刀具主軸上須設有螺旋導軌,來提供插齒刀的螺旋運動,並且要使用專門的斜齒插齒刀,所以很不方便。


(三)提高插齒生產率的途徑


1.提高圓周進給量可減少機動時間,但圓周進給量和空行程時的讓刀量成正比,因此,必須解決好刀具的讓刀問題。


2.挖掘機床潛力增加往複行程次數,採用高速插齒。


有的插齒機每分鐘往複行程次數可達12001500/min,最高的可達到2500/min。比常用的提高了34倍,使切削速度大大提高,同時也能減少插齒所需的機動時間。

3.改進刀具參數,提高插齒刀的耐用度,充分發揮插齒刀的切削性能。如採用W18Cr4V插齒刀,切削速度可達到60m/min;加大前角至15°,后角至9°,可提高耐用度3倍;在前刀面磨出11.5 mm寬的平台,也可提高耐用度30%左右。


三、剃齒


()剃齒原理


剃齒加工是根據一對螺旋角不等的螺旋齒輪嚙合的原理,剃齒刀與被切齒輪的軸線空間交叉一個角度,如圖912a所示,剃齒刀為主動輪1,被切齒輪為從動輪2,它們的嚙合為無側隙雙面嚙合的自由展成運動。在嚙合傳動中,由於軸線交叉角“φ”的存在,齒面間沿齒向產生相對滑移,此滑移速度v=(vt2-vt1)即為剃齒加工的切削速度。剃齒刀的齒面開槽而形成刀刃,通過滑移速度將齒輪齒面上的加工余量切除。由於是雙面嚙合,剃齒刀的兩側面都能進行切削加工,但由於兩側面的切削角度不同,一側為銳角,切削能力強;另一側為鈍角,切削能力弱,以擠壓擦光為主,故對剃齒質量有較大影響。為使齒輪兩側獲得同樣的剃削條件,則在剃削過程中,剃齒刀做交替正反轉運動。


剃齒加工需要有以下幾種運動:


1.剃齒刀帶動工件的高速正、反轉運動?基本運動。


2.工件沿軸嚮往復運動-使齒輪全齒寬均能剃出

3.工件每往複一次做徑向進給運動-以切除全部余量。

 綜上所述,剃齒加工的過程是剃齒刀與被切齒輪在輪齒雙面緊密嚙合的自由展成運動中,實現微細切削過程,而實現剃齒的基本條件是軸線存在一個交叉角,當交叉角為零時,切削速度為零,剃齒刀對工件沒有切削作用。


(二)剃齒特點


1.剃齒加工精度一般為67級,表面粗糙度Ra0.80.4μm,用於未淬火齒輪的精加工。


2.剃齒加工的生產率高,加工一個中等尺寸的齒輪一般只需24 min,與磨齒相比較,可提高生產率10倍以上。


3.由於剃齒加工是自由嚙合,機床無展成運動傳動鏈,故機床結構簡單,機床調整容易。


(三)保證剃齒質量應注意的幾個問題


1. 對剃前齒輪的加工要求


1)剃前齒輪材料
要求材料密度均勻,無局部缺陷,韌性不得過大,以免出現滑刀和啃切現象,影響表面粗糙度。剃前齒輪硬度在22 32HRC範圍內較合適。


2)剃前齒輪精度
由於剃齒是“自由嚙合”,無強制的分齒運動,故分齒均勻性無法控制。由於剃前齒圈有徑向誤差,在開始剃齒時,剃齒刀只能與工件上距旋轉中心較遠的齒廓做無側隙嚙合的剃削,而與其它齒則變成有齒側間隙,但此時無剃削作用。連續徑向進給,其它齒逐漸與刀齒作無側隙嚙合。結果齒圈原有的徑向跳動減少了,但齒廓的位置沿切向發生了新的變化,公法線長度變動量增加。故剃齒加工不能修正公法線長度變動量。雖對齒圈徑向跳動有較強的修正能力,但為了避免由於徑向跳動過大而在剃削過程中導致公法線長度的進一步變動,從而要求剃前齒輪的徑向誤差不能過大。除此以外,剃齒對齒輪其它各項誤差均有較強的修正能力。


分析得知,剃齒對第一公差組的誤差修正能力較弱,因此要求齒輪的運動精度在剃前不能低於剃后要求,特別是公法線長度變動量應在剃前保證;其它各項精度可比剃后低一級。


3)剃齒余量
剃齒余量的大小,對加工質量及生產率均有一定影響。余量不足,剃前誤差和齒面缺陷不能全部除去;余量過大,刀具磨損快,剃齒質量反而變壞。表95可供選擇余量時參考。


95剃齒余量
(mm)

模數

剃齒余量

11.75

0.07

23

0.08

3.254

0.09

45

0.10

5.56

0.11

 


2.剃齒刀的選用


剃齒刀的精度分ABC三級,分別加工678級精度的齒輪。剃齒刀分度圓直徑隨模數大小有三種:85 mm180 mm240 mm,其中240 mm 應用最普遍。分度圓螺旋角有5°、10°、15°三種,其中5°和10°兩種應用最廣。15°多用於加工直齒圓柱齒輪;5°多用於加工斜齒輪和多聯齒輪中的小齒輪。在剃削斜齒輪時,軸交叉φ不宜超過10°~20°,不然剃削效果不好。


3.剃后的齒形誤差與剃齒刀齒廓修形


剃齒后的齒輪齒形有時出現節圓附近凹入,如圖913所示,一般在0.03 mm左右。被剃齒輪齒數越少,中凹現象嚴重。


為消除剃后齒面中凹現象,可將剃齒刀齒廓修形,需要通過大量實驗才能最後確定。也可採用專門的剃前滾刀滾齒后,再進行剃齒。

 

 四、珩齒


淬火后的齒輪輪齒表面有氧化皮,影響齒面粗糙度,熱處理的變形也影響齒輪的精度。由於工件已淬硬,除可用磨削加工外,但也可以採用珩齒進行精加工。


珩齒原理與剃齒相似,珩輪與工件類似於一對螺旋齒輪呈無側隙嚙合,利用嚙合處的相對滑動,並在齒面間施加一定的壓力來進行珩齒。


珩齒時的運動和剃齒相同。即珩輪帶動工件高速正、反向轉動,工件沿軸嚮往復運動及工件徑向進給運動。與剃齒不同的是開車后一次徑向進給到預定位置,故開始時齒面壓力較大,隨後逐漸減小,直到壓力消失時珩齒便結束。


珩輪由磨料(通常80#~180#粒度的電剛玉)和環氧樹脂等原料混合后在鐵芯澆鑄而成。珩齒是齒輪熱處理后的一種精加工方法。


與剃齒相比較,珩齒具有以下工藝特點:


1)珩輪結構和磨輪相似,但珩齒速度甚低(通常為13m/s),加之磨粒粒度較細,珩輪彈性較大,故珩齒過程實際上是一種低速磨削、研磨和拋光的綜合過程。


2)珩齒時,齒面間隙沿齒向有相對滑動外,沿齒形方向也存在滑動,因而齒面形成複雜的網紋,提高了齒面質量,其粗糙度可從Ra1.6μm降到Ra0.80.4μm


3)珩輪彈性較大,對珩前齒輪的各項誤差修正作用不強。因此,對珩輪本身的精度要求不高,珩輪誤差一般不會反映到被珩齒輪上。


4)珩輪主要用於去除熱處理后齒面上的氧化皮和毛刺。珩齒余量一般不超過0.025mm,珩輪轉速達到1000 r/min以上,縱向進給量為0.05 0.065mm/r


5)珩輪生產率甚高,一般一分鐘珩一個,通過35次往複即可完成。


五、磨齒


磨齒是目前齒形加工中精度最高的一種方法。它既可磨削未淬硬齒輪,也可磨削淬硬的齒輪。磨齒精度46級,齒面粗糙度為Ra0.8 0.2μm。對齒輪誤差及熱處理變形有較強的修正能力。多用於硬齒面高精度齒輪及插齒刀、剃齒刀等齒輪刀具的精加工。其缺點是生產率低,加工成本高,故適用於單件小批生產。

 


(一)磨齒原理及方法


根據齒面漸開線的形成原理,磨齒方法分為仿形法和展成法兩類。仿形法磨齒是用成形砂輪直接磨出漸開線齒形,目前應用甚少;展成法磨齒是將砂輪工作面製成假想齒條的兩側面,通過與工件的嚙合運動包絡出齒輪的漸開線齒面。


下面介紹幾種常用的磨齒方法:


1.錐面砂輪磨齒

採用這類磨齒方法的有Y7131 Y7132型磨齒機。它們是利用假想齒條與齒輪的強制嚙合關係進行展成加工,如圖914所示

由於齒輪有一定的寬度,為了磨出全部齒面,砂輪還必須沿齒輪軸向作往複運動。軸嚮往復運動和展成運動結合起來使磨粒在齒面上的磨削軌跡,如圖915所示。

2.雙片蝶形砂輪磨齒


916所示雙片蝶形砂輪磨齒。


兩片蝶形砂輪磨齒構成假想齒條的兩個側面。磨齒時砂輪只在原位迴轉(n0);工件作相應的正反轉動(n)和往複移動(v),形成展成運動。為了磨出工件全齒寬,工件還必須沿其軸線方向作慢速進給運動(f)。當一個齒槽的兩側面磨完后,工件快速退出砂輪,經分度后再進入下一個齒槽位置的齒面加工。


上述展成運動可通過圖916b所示的機構實現。通過圖中滑座7和框架2、滾圓盤3及鋼帶4所組成的滾圓盤鋼帶機構,以實現工件正反轉動(n)與往複移動(v)的配合運動。工件慢速進給(f)由工作台1的移動完成。


這種磨齒方法由於產生展成運動的傳動環節少、傳動鏈誤差小(砂輪磨損後有自動補償裝置予以補償)和分齒精度高,故加工精度可達4級。但由於碟形砂輪剛性差,切削深度較小,生產率低,故加工成本較高,適用於單件小批生產中外嚙合直齒和斜齒輪的高精度加工。


(二)提高磨齒精度和磨齒效率的措施


1.提高磨齒精度的措施


1)合理選擇砂輪


砂輪材料選用白剛玉(WA),硬度以軟、中軟為宜。粒度則根據所用砂輪外形和表面粗糙度要求而定,一般在46#~80#的範圍內選取。對蝸桿型砂輪,粒度應選得細一些。因為其展成速度較快,為保證齒面較低的粗糙度,粒度不宜較粗。此外,為保證磨齒精度,砂輪必須經過精確平衡。


2)提高機床精度


主要是提高工件主軸的迴轉精度,如採用高精度軸承,提高分度盤的齒距精度,並減少其安裝誤差等。


3)採用合理的工藝措施


主要有:按工藝規程進行操作;齒輪進行反覆的定性處理和回火處理,以消除因殘餘應力和機械加工而產生的內應力;提高工藝基準的精度,減少孔和軸的配合間隙對工件的偏心影響;隔離振動源,防止外來干擾;磨齒時室溫保持穩定,每磨一批齒輪,其溫差不大於1°C;精細修整砂輪,所用的金剛石必須鋒利,等等。


2.提高磨齒效率的措施


磨齒效率的提高主要是減少走刀次數,縮短行程長度及提高磨削用量等。常用措施如下:


1)磨齒余量要均勻,以便有效地減少走刀次數;


2)縮短展成長度,以便縮短磨齒時間。粗加工時可用無展成磨削;


3)採用大氣孔砂輪,以增大磨削用量。


六、齒輪加工方案選擇


齒輪加工方案的選擇,主要取決於齒輪的精度等級、生產批量和熱處理方法等。下面提出齒輪加工方案選擇時的幾條原則,以供參考:


1.對於8級及8級以下精度的不淬硬齒輪,可用銑齒、滾齒或插齒直接達到加工精度要求。


2.對於8級及8級以下精度的淬硬齒輪,需在淬火前將精度提高一級,其加工方案可採用:滾(插)齒-齒端加工-齒面淬硬-修正內孔。


3.對於6 7級精度的不淬硬齒輪,其齒輪加工方案:滾齒-剃齒。


4.對於6 7級精度的淬硬齒輪,其齒形加工一般有兩種方案:


1)剃-珩磨方案


滾(插)齒-齒端加工-剃齒-齒面淬硬-修正內孔-珩齒。


2)磨齒方案


滾(插)齒-齒端加工-齒面淬硬-修正內孔-磨齒。


剃-珩方案生產率高,廣泛用於7級精度齒輪的成批生產中。磨齒方案生產率低,一般用於6級精度以上的齒輪。


5.對於5級及5級精度以上的齒輪,一般採用磨齒方案。


6.對於大批量生產,用滾(插)齒-冷擠齒的加工方案,可穩定地獲得7級精度齒輪。


第三節 典型齒輪零件加工工藝分析


圓柱齒輪加工工藝過程常因齒輪的結構形狀、精度等級、生產批量及生產條件不同而採用不同的工藝方案。下面列出兩個精度要求不同的齒輪典型工藝過程供分析比較。

  一、普通精度齒輪加工工藝分析


(一)工藝過程分析


917所示為一雙聯齒輪,材料為40Cr,精度為766級,其加工工藝過程見表96


從表中可見,齒輪加工工藝過程大致要經過如下幾個階段:毛坯熱處理、齒坯加工、齒形加工、齒端加工、齒面熱處理、精基準修正及齒形精加工等。

 

齒號

齒號

模數

2

2

基節偏差

±0.016

±0.016

齒數

28

42

齒形公差

0.017

0.018

精度等級

7GK

7JL

齒向公差

0.017

0.017

公法線長度變動量

0.039

0.024

公法線平均長度

21.36 00.05

27.6 00.05

齒圈徑向跳動

0.050

0.042

跨齒數

4

5

96雙聯齒輪加工工藝過程

序號

工序內容

定位基準

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

毛坯鍛造

正火

粗車外圓及端面,留余量1.52mm,鑽鏜花鍵底孔至尺寸φ30H12

拉花鍵孔

鉗工去毛刺

上芯軸,精車外圓,端面及槽至要求

檢驗

滾齒(z42),留剃余量0.070.10 mm

插齒(z28),留剃余量0.0,40.06 mm

倒角(Ⅰ、Ⅱ齒12°牙角)

鉗工去毛刺

剃齒(z42),公法線長度至尺寸上限

剃齒(z28),採用螺旋角度為5°的剃齒刀,剃齒后公法線長度至尺寸上限

齒部高頻淬火:G52

推孔

珩齒

總檢入庫

外圓及端面

φ30H12孔及A

花鍵孔及A

花鍵孔及B

花鍵孔及A

花鍵孔及端面

花鍵孔及A

花鍵孔及A

花鍵孔及A

花鍵孔及A


加工的第一階段是齒坯最初進入機械加工的階段。由於齒輪的傳動精度主要決定於齒形精度和齒距分佈均勻性,而這與切齒時採用的定位基準(孔和端面)的精度有著直接的關係,所以,這個階段主要是為下一階段加工齒形準備精基準,使齒的內孔和端面的精度基本達到規定的技術要求。在這個階段中除了加工出基準外,對於齒形以外的次要表面的加工,也應盡量在這一階段的後期加以完成。


第二階段是齒形的加工。對於不需要淬火的齒輪,一般來說這個階段也就是齒輪的最後加工階段,經過這個階段就應當加工出完全符合圖樣要求的齒輪來。對於需要淬硬的齒輪,必須在這個階段中加工出能滿足齒形的最後精加工所要求的齒形精度,所以這個階段的加工是保證齒輪加工精度的關鍵階段。應予以特別注意。


加工的第三階段是熱處理階段。在這個階段中主要對齒面的淬火處理,使齒面達到規定的硬度要求。


加工的最後階段是齒形的精加工階段。這個階段的目的,在於修正齒輪經過淬火后所引起的齒形變形,進一步提高齒形精度和降低表面粗糙度,使之達到最終的精度要求。在這個階段中首先應對定位基準面(孔和端面)進行修整,因淬火以後齒輪的內孔和端面均會產生變形,如果在淬火后直接採用這樣的孔和端面作為基準進行齒形精加工,是很難達到齒輪精度的要求的。以修整過的基準面定位進行齒形精加工,可以使定位準確可靠,余量分佈也比較均勻,以便達到精加工的目的。


(二)定位基準的確定


定位基準的精度對齒形加工精度有直接的影響。軸類齒輪的齒形加工一般選擇頂尖孔定位,某些大模數的軸類齒輪多選擇齒輪軸頸和一端面定位。盤套類齒輪的齒形加工常採用兩種定位基準。


1)內孔和端面定位
選擇既是設計基準又是測量和裝配基準的內孔作為定位基準,既符合“基準重合”原則,又能使齒形加工等工序基準統一,只要嚴格控制內孔精度,在專用芯軸上定位時不需要找正。故生產率高,廣泛用於成批生產中。


2)外圓和端面定位
齒坯內孔在通用芯軸上安裝,用找正外圓來決定孔中心位置,故要求齒坯外圓對內孔的徑向跳動要小。因找正效率低,一般用於單件小批生產。


(三)齒端加工


如圖918所示,齒輪的齒端加工有倒圓、倒尖、倒棱,和去毛刺等。倒圓、倒尖后的齒輪,沿軸向滑動時容易進入嚙合。倒棱可去除齒端的銳邊,這些銳邊經滲碳淬火后很脆,在齒輪傳動中易崩裂。


用銑刀進行齒端倒圓,如圖919所示。倒圓時,銑刀在高速旋轉的同時沿圓弧作往複擺動(每加工一齒往複擺動一次)。加工完一個齒后工件沿徑向退出,分度后再送進加工下一個齒端。


齒端加工必須安排在齒輪淬火之前,通常多在滾(插)齒之後。

 

 (四)精基準修正


齒輪淬火后基準孔產生變形,為保證齒形精加工質量,對基準孔必須給予修正。


對外徑定心的花鍵孔齒輪,通常用花鍵推刀修正。推孔時要防止歪斜,有的工廠採用加長推刀前引導來防止歪斜,已取得較好效果。


對圓柱孔齒輪的修正,可採用推孔或磨孔,推孔生產率高,常用於未淬硬齒輪;磨孔精度高,但生產率低,對於整體淬火后內孔變形大硬度高的齒輪,或內孔較大、厚度較薄的齒輪,則以磨孔為宜。


磨孔時一般以齒輪分度圓定心,如圖920所示,這樣可使磨孔后的齒圈徑向跳動較小,對以後磨齒或珩齒有利。為提高生產率,有的工廠以金剛鏜代替磨孔也取得了較好的效果。

 


二、高精度齒輪加工工藝特點


(一)高精度齒輪加工工藝路線


921所示為一高精度齒輪,材料為40Cr,精度為655級,其工藝路線見表97

模數

3.5

基節累積誤差

0.045

齒向公差

0.007

齒數

63

基節極限偏差

±0.0065

公法線平均長度

70.1300.05

精度等級

655KM

齒形公差

0.007

跨齒數

7


(二)高精度齒輪加工工藝特點
 


1)定位基準的精度要求較高
由圖921可見,作為定位基準的內孔其尺寸精度標註為φ85H5,基準端面的粗糙度較細,為Ra1.6μm,它對基準孔的跳動為0.014mm,這幾項均比一般精度的齒輪要求為高,因此,在齒坯加工中,除了要注意控制端面與內孔的垂直度外,尚需留一定的余量進行精加工。精加工孔和端面採用磨削,先以齒輪分度圓和端面作為定位基準磨孔,再以孔為定位基準磨端面,控制端面跳動要求,以確保齒形精加工用的精基準的精確度。

97
高精度齒輪加工工藝過程

序號

工序內容

定位基準

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

毛坯鍛造

正火

粗車各部分,留余量1.52mm

精車各部分,內孔至φ84.8H7,總長留加工余量0.2 mm,其餘至尺寸

檢驗

滾齒(齒厚留磨加工余量0.100.15 mm

倒角

鉗工去毛刺

齒部高頻淬火:G52

插鍵槽

磨內孔至φ85H5

靠磨大端A

平面磨B面至總長度尺寸

磨齒

總檢入庫

外圓及端面

外圓及端面

內孔及A

內孔及A

內孔(找正用)及A

分度圓和A面(找正用)

內孔

A

內孔及A

2)齒形精度要求高
圖上標註655級。為滿足齒形精度要求,其加工方案應選擇磨齒方案,即滾(插)齒-齒端加工-高頻淬火-修正基準-磨齒。磨齒精度可達4級,但生產率低。本例齒面熱處理採用高頻淬火,變形較小,故留磨余量可縮小到0.1 mm左右,以提高磨齒效率。

 

第四節
齒輪刀具簡介


用切削加工方法製造齒輪,可以分為成形法和展成法。展成法使用的是齒輪形和齒條形刀具,如插齒刀、齒輪滾刀、剃齒刀等。成形法使用的是成形齒輪刀具,如模數盤銑刀和指狀銑刀,如圖922所示。


一、盤形齒輪銑刀


用模數盤形齒輪銑刀銑削直齒圓柱齒輪時,刀具廓形應與工件端剖面內的齒槽的漸開線廓形相同,如圖922所示。


當被銑削齒輪的模數、壓力角相等,而齒數不同時,其基圓直徑也不同,因而漸開線的形狀(彎曲程度)也不同。因此銑削不同的齒數,應採用不同齒形的銑刀,即不能用一把銑刀銑制同一模數中所有齒數的齒輪齒形,如圖923所示。但為了避免製造數量過多的盤形銑刀,生產上採用刀號的辦法,如表98所示。即用某一刀號的銑刀銑制模數和壓力角相同而齒數不同的一組齒輪。每號銑刀的齒形均按所銑制齒輪範圍中最小齒數的齒形設計的。


9-8盤形銑刀刀號與所加工齒輪的齒數


用盤形銑刀銑制斜齒輪時,銑刀是在齒輪法剖面中進行成形銑削的。選擇刀號時,銑刀模數應依照被切齒輪的法向模數mn和法剖面中的當量齒輪的當量齒數Zv選擇。


Zv=Z/cos3β)


式中β-斜齒輪螺旋角(°);


Zv-當量齒數;


Z-斜齒輪齒數。


二、齒輪滾刀


(一)齒輪滾刀的形成


齒輪滾刀是依照螺旋齒輪副嚙合原理,用展成法切削齒輪的刀具,齒輪滾刀相當於小齒輪,被切齒輪相當於一個大齒輪,如圖924所示。齒輪滾刀是一個螺旋角β0很大而螺紋頭數很少(13個齒),齒很長,並能繞滾刀分度圓柱很多圈的螺旋齒輪,這樣就象螺旋升角γz很小的蝸桿了。為了形成刀刃,在蝸桿端面沿著軸線銑出幾條容屑槽,以形成前面及前角;經鏟齒和鏟磨,形成后刀面及后角,如圖925所示。



 

 

 (二)齒輪滾刀的基本蝸桿
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