一文搞懂齒輪類零件的那些加工工藝

 

發(fā)布日期：[2023/12/14]
 

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。本文對(duì)齒輪類零件的加工工藝做歸納總結(jié)。

1

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(jiàn)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)。

2

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(guò)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(guò)大，引起齒面過(guò)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(rùn)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。

3

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。

4

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。

5

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。

6

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(guò)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(guò)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(lái)進(jìn)行多工位加工，在轉(zhuǎn)塔車床上一次完成齒坯的加工。

7

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

8

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。

齒端加工

a)倒圓 b)倒尖 c)倒棱

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

9

直齒圓柱齒輪加工工藝過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)

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(guò)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)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(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?shī)A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(guò)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(lái)；無(wú)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(wú)法正確反映齒側(cè)間隙的大小。

所以，在這一加工過(guò)程中應(yīng)注意下列三個(gè)問(wèn)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