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第四节圆柱齿轮加工（一）知识目标1、了解圆柱齿轮零件的概念2、了解圆柱齿轮加工的一般加工方法能力目标掌握圆柱齿轮的加工工艺过程㈠圆柱齿轮的结构特点1、圆柱齿轮分为齿圈和轮体一、概述㈡圆柱齿轮传动的精度要求1、传递运动的准确性作为传动零件的齿轮，要求它能准确地传递运动，即保证主动轮转过一定角度，从动轮按传动比关系准确地转过一个相应的角度。这就要求齿轮在每转一转的过程中，转角误差的最大值不能超过一定的范围。2、传动的平稳性在传动运动过程中，特别是高速转动的齿轮，不希望出现冲击、振动和噪声，这就要求齿轮工作平稳。因此，必须限制齿轮转动瞬时传动比的变化，也就是要限制较小范围内的转角误差。3.载荷分布的均匀性齿轮在传递动力时，为了不致因接触不均匀使接触应力过大，引起齿面过早磨损，就要求齿轮工作时齿面接触均匀，并保证有一定的接触面积和要求的接触位置。4.传动侧隙的合理性在齿轮传动中，互相啮合的一对轮齿的非工作面之间应留有一定的间隙，以便贮存润滑油并使工作齿面形成油膜，减少磨损；同时齿侧间隙还可以补偿由于温度、弹性变形以及齿轮制造和装配所引起的间隙减小，防止卡死。但是齿侧间隙也不能过大，对于要求正反转的传动齿轮，侧隙过大就会引起换向冲击，产生噪声；对于正反转的分度齿轮，侧隙过大就会产生过大的“空程”，使分度精度降低。可见齿轮的工作条件不同，要求的齿侧间隙也不同。根据齿轮传动的工作条件对精度的不同要求，我国制定并颁布了国家标准《渐开线圆柱齿轮精度GB10095—88》，对齿轮和齿轮副规定了12个精度等级，1级精度最高，12级精度最低。1级和2级是有待发展的精度等级；3～5级为高精度级；6～8级为中等精度等级；9～12级为低精度级。㈢精度等级与公差组----自己看精度等级分12级，公差组分为三个公差级按齿轮控制的各项误差对传动性能的主要影响，将齿轮的各项公差与极限偏差分成三个公差组：第Ⅰ公差组主要控制齿轮在一转内回转角的全部误差，它主要影响传递运动准确性；第Ⅱ公差组主要控制齿轮在一个齿距范围内的转角误差，它主要影响传动的工作平稳性；第Ⅲ公差组主要控制具体化的接触痕迹，它影响齿轮受载后载荷分布的均匀性。齿轮副齿侧间隙:独立于齿轮精度外，它是用齿厚极限偏差来控制的，标准规定了14种齿厚极限偏差，代号分别为C、D、E、F、G、H、J、K、L、M、N、P、R、S，从D起其偏差值依次递增。由于齿轮的工作条件不同对三个公差组的要求是不同的。分度机构的齿轮，主要要求传递运动准确。机床主轴箱的高速齿轮，则传动的平稳性就要求高些；对重型设备的低速重载下的传动齿轮，因齿轮受力较大，其载荷分布均匀则要求高些。所以，标准中允许对三个公差组精度选择不一样的等级。但在同一公差组内，各项公差和极限偏差保持相同的精度等级。1、材料：45、20CrMnTi、38CrMoAl根据使用要求和工作条件选取合适的材料，普通齿轮选用中碳钢和中碳合金钢，如40、45、50、40MnB、40Cr、45Cr、42SiMn、35SiMn2MoV等要求高的齿轮可选取20Mn2B、20CrMnTi、30CrMnTi、20Cr等低碳合金钢对于低速轻载的开式传动可选取ZG40、ZG45等铸钢材料或灰口铸铁非传力齿轮可选取尼龙、夹布胶木或塑料二、齿轮的材料、毛坯、热处理结论：中碳钢；合金钢重载、高速、有冲击---渗碳刚2、毛坯：毛坯的选择取决于齿轮的材料、形状、尺寸、使用条件、生产批量等因素常用的毛坯种类有：1）铸铁件：用于受力小、无冲击、低速的齿轮2）棒料：用于尺寸小、结构简单、受力不大的齿轮3）锻坯：用于高速重载齿轮4）铸钢坯：用于结构复杂、尺寸较大不宜锻造的齿轮结论：首选型材----圆钢（小型齿轮）锻造：重要齿轮铸造：大型齿轮3、热处理：⑴毛坯热处理：正火或调质为了消除锻造和粗加工造成的残余应力、改善齿轮材料内部的金相组织和切削加工性能，在齿轮毛坯加工前后通常安排正火或调质等预热处理。⑵齿面热处理：为了提高齿面硬度、增加齿轮的承载能力和耐磨性而进行的齿面高频淬火、渗碳淬火、氮碳共渗和渗氮等热处理工序。一般安排在滚齿、插齿、剃齿之后，珩齿、磨齿之前。结论：锻造后正火或调质型材：调质渗碳钢：渗碳、淬火、低温回火铸造：去应力退火、调质表面淬火----提高齿形硬度。三、圆柱齿轮的机械加工工艺过程及工艺分析㈠圆柱齿轮的机械加工工艺过程毛坯制造→齿坯热处理→齿坯加工→齿形加工→齿圈热处理→齿轮定位表面精加工→齿圈的精整加工技术要求：1、材料：452、热处理：齿部硬度50～55HRC工序号工序名称工序内容定位基准1锻造2正火3车除φ40H7孔留余量，其余各部分车成外圆、端面4齿形加工（滚齿）在滚齿机上将齿形加工好，并留余量端面、中心5热处理齿面淬火后硬度达50～55HRC6磨将φ40H7磨成端面、齿面7磨将齿面磨成端面、中心8检验检查各部分尺寸㈡圆柱齿轮的机械加工工艺过程分析1、定位基准的选择：尽可能与设计基准一致，符合基准重合原则。在齿轮加工的整个过程中，也尽量采用相同的定位基准，即符合基准统一原则。结论：外圆、孔轴线通轴理解；•内外圆同时加工•互为基准反复加工2、齿坯加工：齿形加工前的齿轮加工齿坯加工的主要内容包括：齿坯孔加工、端面和中心孔的加工结论：•主要是外圆、孔加工：•一次装夹同时加工•反复加工•常见加工方法：钻—拉----车（半自动机床）车----拉----车3、齿形加工：是整个齿轮加工的核心用切削加工的方法加工齿轮齿形，若按加工原理的不同，可以分为如下两大类：（1）成形法（也称仿形法）是指用与被切齿轮齿间形状相符的成形刀具，直接切出齿形的加工方法，如铣齿、成形法磨齿等。（2）展成法（也称范成法或包络法）是指利用齿轮刀具与被切齿轮的啮合运动（或称展成运动），切出齿形的加工方法，如插齿、滚齿、剃齿和展成法磨齿等。4、齿端加工：倒圆、倒尖、倒棱和去毛刺5、精基准的修整：对基准孔的修整四、圆柱齿轮的齿形加工方法齿形加工方法的选择应考虑齿轮精度等级、结构、形状、热处理和生产批量等因素。常用的圆柱齿轮形加工方案见表4-6。1、铣齿就是利用成形齿轮铣刀，在万能铣床上加工齿轮齿形的方法。加工时，工件安装在分度头上，用盘形齿轮铣刀（m10~16时）或指形齿轮铣刀（一般m10），对齿轮的齿间进行铣削。当加工完一个齿间后，进行分度，再铣下一个齿间。结论：效率低，精度低；单件小批2、插齿插齿属于展成法加工，用插齿刀在插齿机上加工齿轮的齿形，它是按一对圆柱齿轮相啮合的原理进行加工的。如图所示，相啮合的一对圆柱齿轮，若其中一个是工件，另一个用高速钢制成，并于淬火后轮齿上磨出前角和后角，形成切削刃，再具有必要的切削运动，即可在工件上切出齿形来，后者就是加工齿轮用的插齿刀。结论：主要加工薄齿轮、小型齿轮精度：8～9级3、滚齿滚齿也属于展成法加工，用齿轮滚刀在滚齿机上加工齿轮的轮齿，它是按一对螺旋齿轮相啮合的原理进行加工的。相啮合的一对螺旋齿轮，当其中一个螺旋角很大、齿数很少（一个或几个）时，其轮齿变得很长，形成了蜗杆形。若这个蜗杆用高速钢等刀具材料制成，并在其螺纹的垂直方向开出若干个容屑槽，形成刀齿及切削刃，它就变成了齿轮滚刀。结论：效率高；范围广；主要加工大型齿轮、厚齿轮常见8～9级。插齿、滚齿和铣齿的比较①插齿和滚齿的精度基本相同，且都比铣齿高。插齿刀的制造、刃磨及检验均比滚刀方便，容易制造得较精确，但插齿机的分齿传动链比滚齿机复杂，增加了传动误差。综合两方面，插齿和滚齿的精度基本相同。由于插齿机和滚齿机的结构与传动机构都是按加工齿轮的要求而专门设计和制造的，分齿运动的精度高于万能分度头的分齿精度。插齿刀和齿轮滚刀的精度也比齿轮铣刀的精度高，不存在像齿轮铣刀那样因分组而带来的齿形误差。因此，插齿和滚齿的精度都比铣齿高。一般情况下，插齿和滚齿可获得8~7级精度的齿轮，若采用精密插齿或滚齿，可以得到6级精度的齿轮，而铣齿仅能达到9级精度。②插齿齿面的表面粗糙度Ra值较小。插齿时，插齿刀沿齿宽连续地切下切屑，而在滚齿和铣齿时，轮齿齿宽是由刀具多次断续切削而成，并且在插齿过程中，包络齿形的切线数量比较多，所以插齿的齿面表面粗糙度Ra值较小。③插齿的生产率低于滚齿而高于铣齿。插齿的主运动为往复直线运动，插齿刀有空行程，所以插齿的生产率低于滚齿。此外，插齿和滚齿的分齿运动是在切削过程中连续进行的，省去了铣齿时的单独分度时间，所以插齿和滚齿的生产率都比铣齿高。④插齿刀和齿轮滚刀加工齿轮齿数范围较大。插齿和滚齿都是按展成原理进行加工的，同一模数的插齿刀或齿轮滚刀，可以加工模数相同而齿数不同的齿轮，不像铣齿那样，每个刀号的铣刀，适于加工的齿轮齿数范围较小。在齿轮齿形的加工中，滚齿应用最为广泛，它不但能加工直齿圆柱齿轮，还可以加工螺旋齿轮、蜗轮等，但一般不能加工内齿轮和相距很近的多联齿轮。插齿的应用也比较广，它可以加工直齿和螺旋齿圆柱齿轮，但生产率没有滚齿高，多用于加工用滚刀难以加工的内齿轮、相距较近的多联齿轮或带有台肩的齿轮等。尽管滚齿和插齿所使用的刀具及机床比铣齿复杂、成本高，但由于加工质量好，生产率高，在成批和大量生产中仍可收到很好的经济效果。有时在单件小批生产中，为保证加工质量，也常常采用插齿或滚齿加工。结论：•滚齿：效率高（厚、大）；范围广；运动精度好•插齿：薄、小齿轮；齿形精度高。两者精度：8～9级4、剃齿（1）剃齿原理及运动剃齿是利用一对交错轴斜齿轮啮合原理，在剃齿机上“自由啮合”的展成加工方法。剃齿刀如图所示，其外形很象斜齿圆柱齿轮，齿形精度很高，在轮齿两侧渐开线方向开有很多小槽，以形成切削刃，材料一般为高速钢，经淬火后成为剃齿刀。结论：齿轮精加工安排淬火前进行剃齿刀安装在剃齿机的主轴上，其圆周速度为υ0,工件安装在机床工作台的心轴上，与剃齿刀保持啮合,并由剃齿刀带动旋转，二者间是一种“自由啮合”。为了使剃齿刀和工件的齿向一致，应使剃齿刀的轴线偏斜一角度β0，其数值等于剃齿刀的螺旋角。剃齿刀的圆周速υ0分解为两个分速度：一个是沿工件圆周切线方向的分速度υw，它带动工件旋转，刀具与工件间不象插齿、滚齿那样靠同床传动链强制保持啮合运动，这就是“自由啮合”含义所在；另一个是沿齿轮工件轴线的分速度υ，即剃齿的切削速度，它使啮合齿面间产生相对滑动。正是这种相对滑动，使剃齿刀从工件上切下头发丝状的极细切屑，剃齿由此而得名，从而提高齿形精度和降低齿面粗糙度值。为剃出齿宽，工作台带动工件做往复直线进给。在工作台每一往复行程终了时，剃齿刀对工件还要做径向进给（0.02mm/往复行程~0.04mm/往复行程），以达到所需的齿厚。剃齿过程中，剃齿刀还要时而正转，时而反转，以剃削轮齿的两个侧面。5.珩齿珩齿是在珩齿机上用珩磨轮对淬火后齿轮进行光整加工的方法。珩齿的主要作用是去除淬火后轮齿上的氧化皮、及少量的热变形，以降低齿面粗糙度Ra值。珩齿原理和运动与剃齿相同，只是用珩磨轮代替了剃齿刀。图示的珩磨轮是由磨料和环氧树脂等材料浇铸或热压在钢制轮芯上、具有较高精度的斜齿轮。磨料一般为白色氧化铝，有时也用黑色碳化硅。粒度在80#~120#之间。结论：•齿轮精加工（只提高表面粗糙度，不能提高齿形精度）•加工淬火齿轮珩齿时，珩磨轮高速旋转（1000r/min~2000r/min），同时沿齿向和渐开线方向产生滑动进行切削。珩齿过程具有磨、剃、抛光等综合作用，刀痕复杂、细密，所以齿面粗糙度Ra值可达0.8μm~0.2μm。但珩齿对齿形和齿向精度改善不大，也不能提高分齿精度。因珩齿余量小，约为0.01mm~0.02mm，且多为一次切除，生产率很高，一般珩磨一个齿轮只需1min左右。6.磨齿磨齿在磨齿机上用砂轮对淬火或未淬火的轮齿进行精加工的一种常用方法。按其原理磨齿可分为成形法磨齿和展成法磨齿两种。结论：齿形精加工：精度高（1）成形法磨齿成形法磨齿和成形法铣齿原理相同，其砂轮应修整成与被磨削齿轮的齿槽相吻合的渐开线齿形。用此砂轮对已经滚齿或插齿的齿轮齿槽逐个进行磨削。由于成形砂轮修整不仅复杂，且经渐开线砂轮修整器修整的砂轮廓形具有一定误差，所以成形