国家中等职业教育改革发展示范学校 校本教材 典型齿轮零件加工工艺设计 徐玉成

第一章 齿轮加工基础数据 1.1.1 齿轮的种类 1.1齿轮的基础知识 第一章 齿轮加工基础数据 1.1.1 齿轮的种类 1.1齿轮的基础知识 齿轮传动是目前机械传动中应用最广泛、最常见的一种传动形式。齿轮用它的轮齿来传递力矩和运动、变换运动的方向、指示读数及变换机构的位置等。 齿轮按轮齿齿廓曲线，可分为渐开线、摆线、圆弧线、双圆弧线齿轮等。按其外形，可分成圆柱齿轮、锥齿轮、蜗杆蜗轮、鼓形齿轮、非圆齿轮等。按其传动形式，又可分为平行轴传动、相交轴传动及交错轴传动。

1.1.2 齿轮的应用范围和特点

1.2齿轮材料 齿轮是现代机械中应用最广泛的一种机械传动零件。齿轮传动通过轮齿互相啮合来传递空间任意两轴间的运动和动力，并可以改变运动的形式和速度。齿轮传动使用范围广，传动比恒定，效率较高，使用寿命长。在机械零件产品的设计与制造过程中，不仅要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件，使零件经久耐用，而且要求材料有较好的加工工艺性能和经济性，以便提高零件的生产率，降低成本，减少消耗。如果齿轮材料选择不当，则会出现零件的过早损伤，甚至失效。因此如何合理地选择和使用金属材料是一项十分重要的工作。

齿轮材料的选择和齿轮的工作可靠性、使用寿命、工作效率、润滑要求等密切相关。在齿轮传递动力和改变速度的运动过程中，啮合齿面之间同时存在滚动和滑动摩擦，齿面还受到脉动或交变弯曲应力的作用，还有齿面可能发生磨损、胶合及疲劳破坏，因此要求齿轮具有优良的耐磨性能、抗接触疲劳性能和抗弯曲疲劳性能，即要求齿轮材料表面硬度高、强度高、芯部韧性好且硬化层分布合理。在实际选用中还应根据需要和使用条件如负荷、速度、温度、可靠性、质量、精度、价格等因素来确定齿轮选材。

目前，工业制造领域的齿轮选材主要以钢为主，包括各种低碳钢、中碳钢、高碳钢和合金钢。而铝、镁、钛、铜合金、铸铁，甚至塑料和木材等都可用于制作齿轮。通常，为了改善和提高齿轮材料的性能或降低成本，可以采用化学处理、表面强化处理以及复合处理等表面改性技术。  选取齿轮材料要充分考虑材料的经济性、强度和齿轮精度等，不同设备的需求自然也大为不同。就仪器设备、家用器具、玩具等小负荷齿轮而言，可以选择造价低、生产率高的复合塑料齿轮。 而坦克、冷轧机等重负荷执行机械，

则需要材料及加工要求更高的各种金属和合金材料。如果在航空航天工业中应用，则要求更高的可靠性、精度和轻重量，制造成本放在次要位置。

下面就主要几类齿轮材料一一进行分析： 1、钢材 齿轮用钢多为合金钢，少数为碳钢。通常为降低成本，可以对中碳钢和低合金钢进行各种热处理以提高其强度和硬度。表面硬化处理亦可提高合金钢齿轮材料的强度，使其适用于高负载和中等温度使用的工况。而当齿轮的使用条件进一步提高时，往往需要对齿轮进行淬火以提高其强度和硬度。或通过表面渗碳及表面氧化处理事齿轮表面硬化，以提高其抗疲劳性能，改善其抗胶合和抗磨性能。就发展趋势而言，应大力推广使用强度和硬度较高的硬齿面齿轮，并通过优化齿轮选材及润滑方式来延长齿轮的使用寿命。 

2、铸铁 常用的铸铁主要包括：灰铸铁、球墨铸铁、可煅铸铁和合金铸铁等4种。与钢相比较，铸铁的合金成分较低，加工性能更好。铸铁中存在的游离石墨和多孔性结构使齿轮的耐磨性良好、噪音小、成本低，可以广泛应用于各类齿轮传动。由于铸铁具有的良好滑动特性，在许多负荷不大、工作条件不苛刻的涡轮传动中可用铸铁涡轮替换铜合金涡轮。总而言之，铸铁是经济适用的齿轮材料。

3、有色金属 齿轮工业中应用最多的是有色金属为铜和铜合金。其中常用的是锡青铜和铝铁青铜，大多数用于制造涡轮。但含硫添加剂对铜具有腐蚀作用，应尽量慎用。另外，强度较高和机械加工性能较好的铸造铝合金适合制作齿轮或涡轮，但滑动性和抗磨性能稍差，因此仅可用于轻、中负荷和中低转速齿轮。

4、非金属材料 目前，随着材料科学的飞速发展，不少非金属材料也越来越多的应用在齿轮产品的制作上，并且某些性能接近或超过了金属材料。比如，过去在较低负荷下使用的木材齿轮，已逐渐被部分聚合物复合材料成功替代，用于制作轻负荷、中负荷条件下运行的中小型齿轮。高聚合物材料在制作中引入了金属、金属氧化物、纳米微粒、增强纤维等，可以大幅度提高在各种润滑条件下的抗摩擦磨损性能。

特别是某些要求无油润滑、可靠性高、污染小等条件的领域，如家用电器、医疗器械、食品机械和纺织机械等则更适合以聚合物复合材料制作的齿轮。此外，大批量的生产塑料或塑料金属齿轮可以有效降低生产成本，并且更适用于存在污染及多粉尘的不利环境。 

5 、粉末烧结金属 粉末烧结金属是指通过在烧结粉末中引入添加剂（如在铁粉中添加铜粉），以提高其强度的一种制备工艺较先进的材料形式。另外，将金属粉末烧结预成型件加热到锻造温度后还可以对零件进行锻造加工，从而使得相应齿轮的强度和力学性能接近由锻造材料制作的齿轮，而成本明显低于机加工或常规锻造工艺，是用于制作高强度齿轮。

1.3常用齿轮材料热处理方法与其力学   常用齿轮材料及其力学性能

1.4齿轮加工工艺概述 一、盘齿轮加工工艺过程 材料检验——下料——锻造毛坯——齿坯加工——齿形粗加工——齿端倒角——齿形精加工——加工花键、键槽、油孔等——清洗和清理——齿轮精度检查——热处理——清理轮齿——安装基准面的精加工——热处理后齿形精加工——强力喷丸——磷化处理——清洗和清理——成品齿轮配对检验和最终检

二、轴齿轮加工工艺过程 材料检验——下料——锻造毛坯——齿坯加工——齿形粗加工——齿端倒角——齿形精加工——加工花键、键槽、油孔及螺纹等——清洗和清理——齿轮精度检查——热处理——清理轮齿——安装基准面的精加工——热处理后齿形精加工——强力喷丸——清洗和清理——成品齿轮配对检验和最终检

第二章圆柱齿轮加工工艺设计 2.1圆柱齿轮基本齿廓和主要参数 直齿圆柱齿轮各几何要素的名称及代号：

（1）齿顶圆——过齿轮各轮齿顶部的圆，其直径用da表示。 （2）齿根圆——过齿轮各轮齿根部的圆，其直径用df表示 （3）分度圆——齿厚与齿槽宽相等的圆，其直径用d表示。 （4）齿顶高——齿顶圆与分度圆之间的径向距离，用ha表示。 （5）齿根高——齿根圆与分度圆之间的径向距离，用hf表示。 （6）齿 高——齿根圆与齿顶圆之间的径向距离，用h表示。

（7）齿 距——相邻两齿的对应点在分度圆上的弧长，用p表示。 （8）齿 厚——每个轮齿在分度圆上的弧长，用s表示。 （9） 齿 宽——轮齿的宽度，用b表示。 （10）齿槽宽——两轮齿间的槽在分度圆上的弧长，用e表示。 （11）中心距——两啮合齿轮中心之间的距离，用a表示。

直齿圆柱齿轮的基本参数 （1）齿数z ——一个齿轮上的轮齿总数。 （2）模数m ——齿距p与圆周率的比值，即m=p/π。 （3）压力角α

2.2 圆柱齿轮齿形加工方法和加工方案 一个齿轮的加工过程是由若干工序组成的。为了获得符合精度要求的齿轮，整个加工过程都是围绕着齿形加工工序服务的。齿形加工方法很多，按加工中有无切削，可分为无切削加工和有切削加工两大类。 无切削加工包括热轧齿轮、冷轧齿轮、精锻、粉末冶金等新工艺。无切削加工具有生产率高，材料消耗少、成本低等一系列的优点，目前已推广使用。但因其加工精度较低，工艺不够稳定，特别是生产批量小时难以采用，这些缺点限制了它的使用。齿形的有切削加工，具有良好的加工精度，目前仍是齿形的主要加工方法。按其加工原理可分为成形法和展成法两种。

成形法的特点是所用刀具的切削刃形状与被切齿轮轮槽的形状相同，如图2-1所示。用成形原理加工齿形的方法有：用齿轮铣刀在铣床上铣齿、用成形砂轮磨齿、用齿轮拉刀拉齿等方法。这些方法由于存在分度误差及刀具的安装误差，所以加工精度较低，一般只能加工出9~10级精度的齿轮。此外，加工过程中需作多次不连续分齿，生产率也很低。因此，主要用于单件小批量生产和修配工作中加工精度不高的齿轮。

图2-1

展成法是应用齿轮啮合的原理来进行加工的，用这种方法加工出来的齿形轮廓是刀具切削刃运动轨迹的包络线。齿数不同的齿轮，只要模数和齿形角相同，都可以用同一把刀具来加工。用展成原理加工齿形的方法有：滚齿、插齿、剃齿、珩齿和磨齿等方法。其中剃齿、珩齿和磨齿属于齿形的精加工方法。展成法的加工精度和生产率都较高，刀具通用性好，所以在生产中应用十分广泛。

2.2.1、滚齿 （一）滚齿的原理及工艺特点 滚齿是齿形加工方法中生产率较高、应用最广的一种加工方法。在滚齿机上用齿轮滚刀加工齿轮的原理，相当于一对螺旋齿轮作无侧隙强制性的啮合，见图2-2所示。滚齿加工的通用性较好,既可加工圆柱齿轮，又能加工蜗轮；既可加工渐开线齿形，又可加工圆弧、摆线等齿形；既可加工大模数齿轮，大直径齿轮。

滚齿可直接加工8~9级精度齿轮，也可用作7 级以上齿轮的粗加工及半精加工。滚齿可以获得较高的运动精度，但因滚齿时齿面是由滚刀的刀齿包络而成，参加切削的刀齿数有限，因而齿面的表面粗糙度较粗。为了提高滚齿的加工精度和齿面质量，宜将粗精滚齿分开。

（二）滚齿加工质量分析 1.影响传动精度的加工误差分析 影响齿轮传动精度的主要原因是在加工中滚刀和被切齿轮的相对位置和相对运动发生了变化。相对位置的变化(几何偏心)产生齿轮的径向误差；相对运动的变化(运动偏心)产生齿轮的切向误差。

(1)齿轮的径向误差 齿轮径向误差是指滚齿时，由于齿坯的实际回转中心与其基准孔中心不重合，使所切齿轮的轮齿发生径向位移而引起的周节累积公差，如图2—2所示。 图2-2

齿轮的径向误差一般可通过测量齿圈径向跳动△Fr反映出来。切齿时产生齿轮径向误差的主要原因如下： ①调整夹具时，心轴和机床工作台回转中心不重合。 ②齿坯基准孔与心轴间有间隙，装夹时偏向一边。 ③基准端面定位不好，夹紧后内孔相对工作台回转中心产生偏心。 (2)齿轮的切向误差 齿轮的切向误差是指滚齿时，实际齿廓相对理论位置沿圆周方向(切向)发生位移，如图2-3所示。当齿轮出现切向位移时，可通过测量公法线长度变动公差△Fw来反映。

图2-3

切齿时产生齿轮切向误差的主要原因是传动链的传动误差造成的。在分齿传动链的各传动元件中，对传动误差影响最大的是工作台下的分度蜗轮。分度蜗轮在制造和安装中与工作台回转中心不重合（运动偏心），使工作台回转中发生转角误差，并复映给齿轮。其次，影响传动误差的另一重要因素是分齿挂轮的制造和安装误差，这些误差也以较大的比例传递到工作台上。

2.影响齿轮工作平稳性的加工误差分析 影响齿轮传动工作平稳性的主要因素是齿轮的齿形误差△ff和基节偏差△fpb。齿形误差会引起每对齿轮啮合过程中传动比的瞬时变化；基节偏差会引起一对齿过渡到另一对齿啮合时传动比的突变。齿轮传动由于传动比瞬时变化和突变而产生噪声和振动，从而影响工作平稳性精度。滚齿时，产生齿轮的基节偏差较小，而齿形误差通常较大。下面分别进行讨论。

1)齿形误差 齿形误差主要是由于齿轮滚刀的制造刃磨误差及滚刀的安装误差等原因造成的，因此在滚刀的每一转中都会反映到齿面上。常见的齿形误差有如图2-4所示的各种形式。图a为齿面出棱、图b为齿形不对称、图c为齿形角误差、图d为齿面上的周期性误差、图e为齿轮根切。 由于齿轮的齿面偏离了正确的渐开线，使齿轮传动中瞬时传动比不稳定，影响齿轮的工作平稳性。

图2-4

（2)基节极限偏差 滚齿时，齿轮的基节极限偏差主要 受 滚刀基节偏差的影响。滚刀基节的计算式为： 　　pb0=pn0cosα0=pt0cosλ0cosα0≈pt0cosα0 　　式中：pb0――滚刀基节； 　　pn0――滚刀法向齿距； 　　pt0――滚刀轴向齿距； 　　α0――滚刀法向齿形角； 　　λ0――滚刀分度圆螺旋升角，一般很小，因此cosλ0≈1。 由上式可见，为减少基节偏差，滚刀制造时应严格控 制 轴向齿距及齿形角误差，同时对影响齿形角误差和 轴向齿距误差的刀齿前刀面的非径向性误差也要加以控制。

3.影响齿轮接触精度的加工误差分析 齿轮齿面的接触状况直接影响齿轮传动中载荷分布的均匀性。滚齿时，影响齿高方向的接触精度的主要原因是齿形公差△ff和基节极限偏差△fpb。影响齿宽方向的接触精度的主要原因是齿向公差△Fβ。产生齿向公差的主要原因：

（ 1）滚齿机刀架导轨相对于工作台回转轴线存在平行度误差，如2―5所示。 图2-5

图2-6

（2）齿坯装夹歪斜　　由于心轴、齿坯基准端面跳动及垫圈两端面不平行等引起的齿坯安装歪斜，会产生齿向误差，如图9－8所示。 （3）滚切斜齿轮时，除上述影响因素外，机床差动挂轮计算的误差，也会影响齿轮的齿向误差。

4.提高滚齿生产率的途径 （1）高速滚齿 近年来，我国已开始设计和制造高速滚齿机，同时生产出铝高速钢（MO5Al）滚刀。滚齿速度由一般v=30m/min提高到v=100m/min以上，轴向进给量 f=1.38mm/r～2.6mm/r，使生产率提高25%。 国外用高速钢滚刀滚齿速度已提高到100 m/min～150 m/min；硬质合金滚刀已试验到400 m/min以上。总之，高速滚齿具有一定的发展前途。

（2）采用多头滚刀可明显提高生产率，但加工精度较低，齿面粗糙，因而多用于粗加工中。当齿轮加工精度要求较高时，可采用大直径滚刀，使参加展成运动的刀齿数增加，加工齿面粗糙度较细。

（3）改进滚齿加工方法 a．多件加工　　将几个齿坯串装在心轴上加工，可以减少滚刀对每个齿坯的切入切出时间及装卸时间。 b.采用径向切入　　滚齿时滚刀切入齿坯的方法有两种：径向切入和轴向切入。径向切入比轴向切入行程短，可节省切入时间，对大直径滚刀滚齿时尤为突出。 c.采用轴向窜刀和对角滚齿　　滚刀参与切削的刀齿负荷不等，磨损不均，当负荷最重的刀齿磨损到一定程度时，应将滚刀沿其轴向移动一段距离（即轴向窜刀）后继续切削，以提高刀具的使用寿命。

对角滚齿是滚刀在沿齿坯轴向进给的同时，还沿滚刀刀杆轴向连续移动，两种运动的合成，使齿面形成对角线刀痕，不仅降低了齿面粗糙度，而且使刀齿磨损均匀，提高了刀具的使用寿命和耐用度，如图2－7所示。 图2-7

2.2.2插齿 （一）插齿原理及运动 1．插齿原理 从插齿过程的原理上分析，如图2－7所示，插齿刀相当于一对轴线相互平行的圆柱齿轮相啮合。插齿刀实质上就是一个磨有前后角并具有切削刃的齿轮。

图2-7

2．插齿的主要运动有： （1）切削运动：插齿刀的上、下往复运动。 （2）分齿展成运动：插齿刀与工件之间应保持正确的啮合关系。插齿刀往复一次，工件相对刀具在分度圆上转过的弧长为加工时的圆周进给量，故刀具与工件的啮合过程也就是圆周进给过程。 （3）径向进给运动：插齿时，为逐步切至全齿深，插齿刀应有径向进给量fr。 （4）让刀运动：插齿刀作上下往复运动时，向下是切削行程。为了避免刀具擦伤已加工的齿面并减少刀齿的磨损，在插齿刀向上运动时，工作台带动工件退出切削区一段距离（径向）。插齿刀工作行程时，工作台再恢复原位。

(二)插齿的工艺特点 插齿和滚齿相比，在加工质量，生产率和应用范围等方面都有其特点。 1.插齿的加工质量 （1）插齿的齿形精度比滚齿高　　滚齿时，形成齿形包络线的切线数量只与滚刀容屑槽的数目和基本蜗杆的头数有关，它不能通过改变加工条件而增减；但插齿时，形成齿形包络线的切线数量由圆周进给量的大小决定，并可以选择。此外，制造齿轮滚刀时是近似造型的蜗杆来替代渐开线基本蜗杆，这就有造形误差。而插齿刀的齿形比较简单，可通过高精度磨齿获得精确的渐开线齿形。所以插齿可以得到较高的齿形精度。

（2）插齿后齿面的粗糙度比滚齿细　　这是因为滚齿时，滚刀在齿向方向上作间断切削，形成如图2－8a所示的鱼鳞状波纹；而插齿时插齿刀沿齿向方向的切削是连续的，如图2－8b所示。所以插齿时齿面粗糙度较细。 （3）插齿的运动精度比滚齿差　　这是因为插齿机的传动链比滚齿机多了一个刀具蜗轮副，即多了一部分传动误差。另外，插齿刀的一个刀齿相应切削工件的一个齿槽，因此，插齿刀本身的周节累积误差必然会反映到工件上。而滚齿时，因为工件的每一个齿槽都是由滚刀相同的2～3圈刀齿加工出来，故滚刀的齿距累积误差不影响被加工齿轮的齿距精度，所以滚齿的运动精度比插齿高。

（4）插齿的齿向误差比滚齿大　　插齿时的齿向误差主要决定于插齿机主轴回转轴线与工作台回转轴线的平行度误差。由于插齿刀工作时往复运动的频率高，使得主轴与套筒之间的磨损大，因此插齿的齿向误差比滚齿大。 所以就加工精度来说，对运动精度要求不高的齿轮，可直接用插齿来进行齿形精加工，而对于运动精度要求较高的齿轮和剃前齿轮（剃齿不能提高运动精度），则用滚齿较为有利。

图2-8

2．插齿的生产率　　 切制模数较大的齿轮时，插齿速度要受到插齿刀主轴往复运动惯性和机床刚性的制约；切削过程又有空程的时间损失，故生产率不如滚齿高。只有在加工小模数、多齿数并且齿宽较窄的齿轮时，插齿的生产率才比滚齿高。

3．滚插齿的应用范围： （1）加工带有台肩的齿轮以及空刀槽很窄的双联或多联齿轮，只能用插齿。这是因为：插齿刀“切出”时只需要很小的空间，而滚齿则滚刀会与大直径部位发生干涉。 （2）加工无空刀槽的人字齿轮，只能用插齿； （3）加工内齿轮，只能用插齿。 （4）加工蜗轮，只能用滚齿。 （5）加工斜齿圆柱齿轮，两者都可用。但滚齿比较方便。插制斜齿轮时，插齿机的刀具主轴上须设有螺旋导轨，来提供插齿刀的螺旋运动，并且要使用专门的斜齿插齿刀，所以很不方便。

（三）提高插齿生产率的途径 1.提高圆周进给量可减少机动时间，但圆周进给量和空行程时的让刀量成正比，因此，必须解决好刀具的让刀问题。 2.挖掘机床潜力增加往复行程次数，采用高速插齿。 有的插齿机每分钟往复行程次数可达1200～1500次/min，最高的可达到2500次/min。比常用的提高了3～4倍，使切削速度大大提高，同时也能减少插齿所需的机动时间。

3.改进刀具参数，提高插齿刀的耐用度，充分发挥插齿刀的切削性能。如采用W18Cr4V插齿刀，切削速度可达到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1～1.5 mm宽的平台，也可提高耐用度30%左右。

2.2.3剃齿 (一) 剃齿原理 剃齿加工是根据一对螺旋角不等的螺旋齿轮啮合的原理，剃齿刀与被切齿轮的轴线空间交叉一个角度，如图2－9a所示，剃齿刀为主动轮1，被切齿轮为从动轮2，它们的啮合为无侧隙双面啮合的自由展成运动。在啮合传动中，由于轴线交叉角“φ”的存在，齿面间沿齿向产生相对滑移，此滑移速度v切=(vt2-vt1)即为剃齿加工的切削速度。剃齿刀的齿面开槽而形成刀刃，通过滑移速度将齿轮齿面上的加工余量切除。由于是双面啮合，剃齿刀的两侧面都能进行切削加工，但由于两侧面的切削角度不同，一侧为锐角，切削能力强；另一侧为钝角，切削能力弱，以挤压擦光为主，故对剃齿质量有较大影响。为使齿轮两侧获得同样的剃削条件，则在剃削过程中，剃齿刀做交替正反转运动。

剃齿加工需要有以下几种运动： 1.剃齿刀带动工件的高速正、反转运动―基本运动。 2.工件沿轴向往复运动－使齿轮全齿宽均能剃出 3.工件每往复一次做径向进给运动－以切除全部余量。

图2-9

综上所述，剃齿加工的过程是剃齿刀与被切齿轮在轮齿双面紧密啮合的自由展成运动中，实现微细切削过程，而实现剃齿的基本条件是轴线存在一个交叉角，当交叉角为零时，切削速度为零，剃齿刀对工件没有切削作用。

（二）剃齿特点 1.剃齿加工精度一般为6～7级，表面粗糙度Ra为0.8～0.4μm，用于未淬火齿轮的精加工。 2.剃齿加工的生产率高，加工一个中等尺寸的齿轮一般只需2～4 min，与磨齿相比较，可提高生产率10倍以上。 3.由于剃齿加工是自由啮合，机床无展成运动传动链，故机床结构简单，机床调整容易。

（三）保证剃齿质量应注意的几个问题 1. 对剃前齿轮的加工要求 （1）剃前齿轮材料　 要求材料密度均匀，无局部缺陷，韧性不得过大，以免出现滑刀和啃切现象，影响表面粗糙度。剃前齿轮硬度在22 ～32HRC范围内较合适。

（2）剃前齿轮精度　　 由于剃齿是“自由啮合”，无强制的分齿运动，故分齿均匀性无法控制。由于剃前齿圈有径向误差，在开始剃齿时，剃齿刀只能与工件上距旋转中心较远的齿廓做无侧隙啮合的剃削，而与其它齿则变成有齿侧间隙，但此时无剃削作用。连续径向进给，其它齿逐渐与刀齿作无侧隙啮合。结果齿圈原有的径向跳动减少了，但齿廓的位置沿切向发生了新的变化，公法线长度变动量增加。故剃齿加工不能修正公法线长度变动量。虽对齿圈径向跳动有较强的修正能力，但为了避免由于径向跳动过大而在剃削过程中导致公法线长度的进一步变动，从而要求剃前齿轮的径向误差不能过大。除此以外，剃齿对齿轮其它各项误差均有较强的修正能力。

分析得知，剃齿对第一公差组的误差修正能力较弱，因此要求齿轮的运动精度在剃前不能低于剃后要求，特别是公法线长度变动量应在剃前保证；其它各项精度可比剃后低一级。 （3）剃齿余量　　剃齿余量的大小，对加工质量及生产率均有一定影响。余量不足，剃前误差和齿面缺陷不能全部除去；余量过大，刀具磨损快，剃齿质量反而变坏。表2—1可供选择余量时参考。

表2－1剃齿余量(mm)

2.剃齿刀的选用 剃齿刀的精度分A、B、C三级，分别加工6、7、8级精度的齿轮。剃齿刀分度圆直径随模数大小有三种：85 mm、180 mm、240 mm，其中240 mm 应用最普遍。分度圆螺旋角有5°、10°、15°三种，其中5°和10°两种应用最广。15°多用于加工直齿圆柱齿轮；5°多用于加工斜齿轮和多联齿轮中的小齿轮。在剃削斜齿轮时，轴交叉φ不宜超过10°～20°，不然剃削效果不好。

3.剃后的齿形误差与剃齿刀齿廓修形 剃齿后的齿轮齿形有时出现节圆附近凹入，一般在0.03 mm左右。被剃齿轮齿数越少，中凹现象严重。 为消除剃后齿面中凹现象，可将剃齿刀齿廓修形，需要通过大量实验才能最后确定。也可采用专门的剃前滚刀滚齿后，再进行剃齿。

2 .2.4珩齿 淬火后的齿轮轮齿表面有氧化皮，影响齿面粗糙度，热处理的变形也影响齿轮的精度。由于工件已淬硬，除可用磨削加工外，但也可以采用珩齿进行精加工。 珩齿原理与剃齿相似，珩轮与工件类似于一对螺旋齿轮呈无侧隙啮合，利用啮合处的相对滑动，并在齿面间施加一定的压力来进行珩齿。

珩齿时的运动和剃齿相同。即珩轮带动工件高速正、反向转动，工件沿轴向往复运动及工件径向进给运动。与剃齿不同的是开车后一次径向进给到预定位置，故开始时齿面压力较大，随后逐渐减小，直到压力消失时珩齿便结束。 珩轮由磨料（通常80＃～180＃粒度的电刚玉）和环氧树脂等原料混合后在铁芯浇铸而成。珩齿是齿轮热处理后的一种精加工方法。

与剃齿相比较，珩齿具有以下工艺特点： （1）珩轮结构和磨轮相似，但珩齿速度甚低（通常为1～3m/s），加之磨粒粒度较细，珩轮弹性较大，故珩齿过程实际上是一种低速磨削、研磨和抛光的综合过程。 （2）珩齿时，齿面间隙沿齿向有相对滑动外，沿齿形方向也存在滑动，因而齿面形成复杂的网纹，提高了齿面质量，其粗糙度可从Ra1.6μm降到Ra0.8～0.4μm。

（3）珩轮弹性较大，对珩前齿轮的各项误差修正作用不强。因此，对珩轮本身的精度要求不高，珩轮误差一般不会反映到被珩齿轮上。 （4）珩轮主要用于去除热处理后齿面上的氧化皮和毛刺。珩齿余量一般不超过0.025mm，珩轮转速达到1000 r/min以上，纵向进给量为0.05 ～0.065mm/r。 （5）珩轮生产率甚高，一般一分钟珩一个，通过3～5次往复即可完成。

2.2.5磨齿 磨齿是目前齿形加工中精度最高的一种方法。它既可磨削未淬硬齿轮，也可磨削淬硬的齿轮。磨齿精度4～6级，齿面粗糙度为Ra0.8 ～0.2μm。对齿轮误差及热处理变形有较强的修正能力。多用于硬齿面高精度齿轮及插齿刀、剃齿刀等齿轮刀具的精加工。其缺点是生产率低，加工成本高，故适用于单件小批生产。

（一）磨齿原理及方法 根据齿面渐开线的形成原理，磨齿方法分为仿形法和展成法两类。仿形法磨齿是用成形砂轮直接磨出渐开线齿形，目前应用甚少；展成法磨齿是将砂轮工作面制成假想齿条的两侧面，通过与工件的啮合运动包络出齿轮的渐开线齿面。 下面介绍几种常用的磨齿方法：

1.锥面砂轮磨齿 采用这类磨齿方法的有Y7131 和Y7132型磨齿机。它们是利用假想齿条与齿轮的强制啮合关系进行展成加工，如图2－10所示 图2-10

由于齿轮有一定的宽度，为了磨出全部齿面，砂轮还必须沿齿轮轴向作往复运动。轴向往复运动和展成运动结合起来使磨粒在齿面上的磨削轨迹，如图2－11所示。 图2-11

图2－12所示双片蝶形砂轮磨齿。 图2－12 2.双片蝶形砂轮磨齿

两片蝶形砂轮磨齿构成假想齿条的两个侧面。磨齿时砂轮只在原位回转（n0）；工件作相应的正反转动(n)和往复移动（v），形成展成运动。为了磨出工件全齿宽，工件还必须沿其轴线方向作慢速进给运 （f）。当一个齿槽的两侧面磨完后，工件快速退出砂轮，经分度后再进入下一个齿槽位置的齿面加工。

上述展成运动可通过图2－12b所示的机构实现。通过图中滑座7和框架2、滚圆盘3及钢带4所组成的滚圆盘钢带机构，以实现工件正反转动(n)与往复移动（v）的配合运动。工件慢速进给（f）由工作台1的移动完成。 这种磨齿方法由于产生展成运动的传动环节少、传动链误差小（砂轮磨损后有自动补偿装置予以补偿）和分齿精度高，故加工精度可达4级。但由于碟形砂轮刚性差，切削深度较小，生产率低，故加工成本较高，适用于单件小批生产中外啮合直齿和斜齿轮的高精度加工。

（二）提高磨齿精度和磨齿效率的措施 1．提高磨齿精度的措施 （1）合理选择砂轮 砂轮材料选用白刚玉（WA），硬度以软、中软为宜。粒度则根据所用砂轮外形和表面粗糙度要求而定，一般在46＃～80＃的范围内选取。对蜗杆型砂轮，粒度应选得细一些。因为其展成速度较快，为保证齿面较低的粗糙度，粒度不宜较粗。此外，为保证磨齿精度，砂轮必须经过精确平衡。

（2）提高机床精度 主要是提高工件主轴的回转精度，如采用高精度轴承，提高分度盘的齿距精度，并减少其安装误差等。 （3）采用合理的工艺措施 主要有：按工艺规程进行操作；齿轮进行反复的定性处理和回火处理，以消除因残余应力和机械加工而产生的内应力；提高工艺基准的精度，减少孔和轴的配合间隙对工件的偏心影响；隔离振动源，防止外来干扰；磨齿时室温保持稳定，每磨一批齿轮，其温差不大于1°C；精细修整砂轮，所用的金刚石必须锋利，等等。

2．提高磨齿效率的措施 磨齿效率的提高主要是减少走刀次数，缩短行程长度及提高磨削用量等。常用措施如下： （1）磨齿余量要均匀，以便有效地减少走刀次数； （2）缩短展成长度，以便缩短磨齿时间。 粗加工时可用无展成磨削； （3）采用大气孔砂轮，以增大磨削用量。

2.2.6齿轮加工方案选择 齿轮加工方案的选择，主要取决于齿轮的精度等级、生产批量和热处理方法等。下面提出齿轮加工方案选择时的几条原则，以供参考： 1.对于8级及8级以下精度的不淬硬齿轮，可用铣齿、滚齿或插齿直接达到加工精度要求。 2.对于8级及8级以下精度的淬硬齿轮，需在淬火前将精度提高一级，其加工方案可采用：滚（插）齿－齿端加工－齿面淬硬－修正内孔。

3.对于6 ～7级精度的不淬硬齿轮，其齿轮加工方案：滚齿－剃齿。 4.对于6 ～7级精度的淬硬齿轮，其齿形加工一般有两种方案： （1）剃－珩磨方案 滚（插）齿－齿端加工－剃齿－齿面淬硬－修正内孔－珩齿。 （2）磨齿方案 滚（插）齿－齿端加工－齿面淬硬－修正内孔－磨齿。 剃－珩方案生产率高，广泛用于7级精度齿轮的成批生产中。磨齿方案生产率低，一般用于6级精度以上的齿轮。

5.对于5级及5级精度以上的齿轮，一般采用磨齿方案。 6.对于大批量生产，用滚（插）齿－冷挤齿的加工方案，可稳定地获得7级精度齿轮。

2.3圆柱齿轮零件加工工艺分析 圆柱齿轮加工工艺过程常因齿轮的结构形状、精度等级、生产批量及生产条件不同而采用不同的工艺方案。下面列出两个精度要求不同的齿轮典型工艺过程供分析比较。

2.3.1普通精度齿轮加工工艺分析 （一）工艺过程分析 图2－13所示为一双联齿轮，材料为40Cr，精度为7－6－6级，其加工工艺过程见表2－2。 从表中可见，齿轮加工工艺过程大致要经过如下几个阶段：毛坯热处理、齿坯加工、齿形加工、齿端加工、齿面热处理、精基准修正及齿形精加工等。

图2-13

表2－2双联齿轮加工工艺过程 序号 工序内容 定位基准 1 2 3 4 5 6 7 8 毛坯锻造 外圆及端面 正火 30H12孔及A面 粗车外圆及端面，留余量1.5～2mm，钻镗 花键孔及A面 4 花键底孔至尺寸φ30H12 花键孔及B面 5 拉花键孔 6 钳工去毛刺 花键孔及端面 7 上芯轴，精车外圆，端面及槽至要求 8 检验

表2－2双联齿轮加工工艺过程 序号 工 序 内 容 定位基准 9 滚齿（z＝42），留剃余量0.07～0.10 mm 花键孔及A面 10 工 序 内 容 定位基准 9 滚齿（z＝42），留剃余量0.07～0.10 mm 花键孔及A面 10 插齿（z＝28），留剃余量0.0,4～0.06 mm 11 倒角（Ⅰ、Ⅱ齿12°牙角） 12 钳工去毛刺 13 剃齿（z＝42），公法线长度至尺寸上限 14 剃齿（z＝28），采用螺旋角度为5°的剃刀 15 齿刀，剃齿后公法线长度至尺寸上限 齿部高频淬火：G52 推孔 珩齿 总检入库

加工的第一阶段是齿坯最初进入机械加工的阶段。由于齿轮的传动精度主要决定于齿形精度和齿距分布均匀性，而这与切齿时采用的定位基准（孔和端面）的精度有着直接的关系，所以，这个阶段主要是为下一阶段加工齿形准备精基准，使齿的内孔和端面的精度基本达到规定的技术要求。在这个阶段中除了加工出基准外，对于齿形以外的次要表面的加工，也应尽量在这一阶段的后期加以完成。

第二阶段是齿形的加工。对于不需要淬火的齿轮，一般来说这个阶段也就是齿轮的最后加工阶段，经过这个阶段就应当加工出完全符合图样要求的齿轮来。对于需要淬硬的齿轮，必须在这个阶段中加工出能满足齿形的最后精加工所要求的齿形精度，所以这个阶段的加工是保证齿轮加工精度的关键阶段。应予以特别注意。 加工的第三阶段是热处理阶段。在这个阶段中主要对齿面的淬火处理，使齿面达到规定的硬度要求。

加工的最后阶段是齿形的精加工阶段。这个阶段的目的，在于修正齿轮经过淬火后所引起的齿形变形，进一步提高齿形精度和降低表面粗糙度，使之达到最终的精度要求。在这个阶段中首先应对定位基准面（孔和端面）进行修整，因淬火以后齿轮的内孔和端面均会产生变形，如果在淬火后直接采用这样的孔和端面作为基准进行齿形精加工，是很难达到齿轮精度的要求的。以修整过的基准面定位进行齿形精加工，可以使定位准确可靠，余量分布也比较均匀，以便达到精加工的目的。

（二）定位基准的确定 定位基准的精度对齿形加工精度有直接的影响。轴类齿轮的齿形加工一般选择顶尖孔定位，某些大模数的轴类齿轮多选择齿轮轴颈和一端面定位。盘套类齿轮的齿形加工常采用两种定位基准。 （1）内孔和端面定位　　选择既是设计基准又是测量和装配基准的内孔作为定位基准，既符合“基准重合”原则，又能使齿形加工等工序基准统一，只要严格控制内孔精度，在专用芯轴上定位时不需要找正。故生产率高，广泛用于成批生产中。

2）外圆和端面定位　　齿坯内孔在通用芯轴上安装，用找正外圆来决定孔中心位置，故要求齿坯外圆对内孔的径向跳动要小。因找正效率低，一般用于单件小批生产。

三）齿端加工 齿轮的齿端加工有倒圆、倒尖、倒棱，和去毛刺等。倒圆、倒尖后的齿轮，沿轴向滑动时容易进入啮合。倒棱可去除齿端的锐边，这些锐边经渗碳淬火后很脆，在齿轮传动中易崩裂。 用铣刀进行齿端倒圆，倒圆时，铣刀在高速旋转的同时沿圆弧作往复摆动（每加工一齿往复摆动一次）。加工完一个齿后工件沿径向退出，分度后再送进加工下一个齿端。 齿端加工必须安排在齿轮淬火之前，通常多在滚（插）齿之后。

（四）精基准修正 齿轮淬火后基准孔产生变形，为保证齿形精加工质量，对基准孔必须给予修正。 对外径定心的花键孔齿轮，通常用花键推刀修正。推孔时要防止歪斜，有的工厂采用加长推刀前引导来防止歪斜，已取得较好效果。

（四）精基准修正 齿轮淬火后基准孔产生变形，为保证齿形精加工质量，对基准孔必须给予修正。 对外径定心的花键孔齿轮，通常用花键推刀修正。推孔时要防止歪斜，有的工厂采用加长推刀前引导来防止歪斜，已取得较好效果。

对圆柱孔齿轮的修正，可采用推孔或磨孔，推孔生产率高，常用于未淬硬齿轮；磨孔精度高，但生产率低，对于整体淬火后内孔变形大硬度高的齿轮，或内孔较大、厚度较薄的齿轮，则以磨孔为宜。 磨孔时一般以齿轮分度圆定心，如图2－14所示，这样可使磨孔后的齿圈径向跳动较小，对以后磨齿或珩齿有利。为提高生产率，有的工厂以金刚镗代替磨孔也取得了较好的效果。

图2-14

2.3.2、高精度齿轮加工工艺特点 （一）高精度齿轮加工工艺路线 图2－15所示为一高精度齿轮，材料为40Cr，精度为6－5－5级，其工艺路线见表2－3。

表2－3 高精度齿轮加工工艺过程 序号 工序内容 定位基准 1 毛坯锻造 外圆及端面 2 正火 3 粗车各部分，留余量1.5～2mm 表2－3　　高精度齿轮加工工艺过程 序号 工序内容 定位基准 1 毛坯锻造 外圆及端面 2 正火 3 粗车各部分，留余量1.5～2mm 内孔及A面 4 精车各部分，内孔至φ84.8H7,总长 5 留加工余量0.2 mm，其余至尺寸 内孔（找正用）及A面 6 检验 分度圆和A面（找正用） 7 滚齿（齿厚留磨加工余量0.10～0.15 mm） 内孔 8 倒角

表2－3　　高精度齿轮加工工艺过程 序号 工序内容 定位基准 9 钳工去毛刺 10 齿部高频淬火：G52 11 插键槽 12 磨内孔至φ85H5 靠磨大端A面 平面磨B面至总长度尺寸 磨齿 总检入库

（二）高精度齿轮加工工艺特点　 （1）定位基准的精度要求较高　　由图2－15可见，作为定位基准的内孔其尺寸精度标注为φ85H5，基准端面的粗糙度较细，为Ra1.6μm，它对基准孔的跳动为0.014mm，这几项均比一般精度的齿轮要求为高，因此，在齿坯加工中，除了要注意控制端面与内孔的垂直度外，尚需留一定的余量进行精加工。精加工孔和端面采用磨削，先以齿轮分度圆和端面作为定位基准磨孔，再以孔为定位基准磨端面，控制端面跳动要求，以确保齿形精加工用的精基准的精确度。

（2）齿形精度要求高　　图上标注6－5－5级。为满足齿形精度要求，其加工方案应选择磨齿方案，即滚（插）齿－齿端加工－高频淬火－修正基准－磨齿。磨齿精度可达4级，但生产率低。本例齿面热处理采用高频淬火，变形较小，故留磨余量可缩小到0.1 mm左右，以提高磨齿效率。

第三章 锥齿轮加工工艺设计 3.1锥齿轮加工基本参数 第三章 锥齿轮加工工艺设计 3.1锥齿轮加工基本参数 齿轮的种类有很多五花八门。从齿形上分有渐开线齿轮、圆弧齿轮和其他曲线齿轮。从齿向上分有直齿齿轮、斜齿齿轮和圆弧齿齿轮。还有一类比较特殊的齿轮就是我们在下面将要介绍到螺旋锥齿轮。 螺旋锥齿轮目前我们能接触到的主要有两种，一个是圆弧齿锥齿轮（也叫收缩齿锥齿轮），另一个就是延伸外摆线锥齿轮（也叫等高齿锥齿轮）。下面我们主要讨论的是圆弧齿锥齿轮。

首先我们介绍3个名词： 模数 模数是齿轮的一个基本参数，通俗讲模数越大，齿轮的齿距就越大，齿轮的轮齿及各部分尺寸均相应增大。当一个齿轮的齿数为Z，分度圆直径为D，分度圆上的齿距为P时，则其分度圆的周长应为：ΠD=PZ。则该齿轮的分度圆直径为： D=PZ/Π 上式中含有无理数Π，为了设计和制造的方便，我们规定M= P/Π，称M为模数。圆弧齿锥齿轮以大端模数作为齿轮的公称模数。

螺旋角 圆弧齿锥齿轮齿面节线上任意一点的切线与该点向量半径之间的夹角，我们称之为该点的螺旋角。而我们平常所称弧齿锥齿轮的螺旋角实际为该齿轮节线中点的螺旋角(图3-1)。

图3-1

圆弧齿锥齿轮的螺旋方向即为：从齿轮正面对着齿面看，轮齿中点到大端的齿线是顺时针方向的称为右旋齿，轮齿中点到大端的齿线是逆时针方向的称为左旋齿(图3-2)。 我们要记住一对相啮合的弧齿锥齿轮，一定是其螺旋方向相反，而螺旋角的数值相等。螺旋方向的选择一般是使其轴向力的作用方向离开锥顶，使一对齿轮在传动过程中有分离倾向，从而使齿侧间隙增大，轮齿不至于卡住。

图3-2

节线（节面）(图3-3、图3-4) 对于齿轮来说，无论是圆柱齿轮还是圆锥齿轮都可以抽象成两个圆柱体或圆锥体之间的纯滚动。它们的半径由所要求的速度比值决定，此半径所确定的圆称为节圆，所确定的圆锥母线称为节线。 图3-3

图3-4

弧齿锥齿轮啮合属于空间啮合。弧齿锥齿轮传动与直齿圆锥齿轮传动相比，其优点是：承载能力高，啮合平稳，对安装误差的敏感性小及噪音低等。其齿面接触痕迹局限在一定的高度和长度上。在理论上，传动的两个齿轮的齿面是点接触。但是，由于轮齿的弹性变形，两齿面在每一瞬时沿某一小面积接触。

锥齿轮副在传动时相当于一对摩擦锥作纯滚动，这对摩擦锥称为锥齿轮副的节锥，它是锥齿轮副相对运动的瞬时轴绕齿轮轴线旋转而形成的。两个摩擦锥的公切面称为锥齿轮副的节平面。齿轮轴线与节平面的夹角，即节锥的半锥角称为锥齿轮的节锥角。两齿轮轴线之间的夹角称为锥齿轮副的轴交角。节锥母线上任意一点到节锥顶点的距离称为该点的锥距。锥齿轮副两个节锥的顶点是重合的。我们结合图3-5做以说明。两个锥齿轮啮合时，它们的轴线OU和OV相交，它们的节锥沿母线接触而纯滚动（图1-5）。

节锥的锥顶半角φ1和φ2 叫做节锥角。两轴线间的夹角为δ=φ1 +φ2 ，δ角平常一般为90°。锥齿轮大端的端面也是圆锥面，这个圆锥叫做背锥。节锥和背锥的交线是一个圆，叫做节圆，它们的直径为 d1 = mz1； d2 = mz2； 式中m——两齿轮的大端模数； z1——小齿轮的齿数； z2——大齿轮的齿数。

图3-5

两齿轮的传动比为 i12=（ω1/ω2）=（d2/d1）=（z2/z1）=（sinφ2/sinφ1） 当δ=90°时， tgφ1=（d1/d2）=（z1/z2）=1/ i12 φ2 = 90°-φ1 节锥母线OA的长度 Le=（√d12+d22）/2 = m（√Z12+Z22）/2齿圈宽度 b=（1/4 ~ 1/3）Le ； 中点锥距（齿圈中点到锥顶的距离） L=Le-0.5b

在这里，我们要说明一对锥齿轮的平面齿轮齿数zc的意义，在图1-5中，我们可以设想有一个圆形平面，其轴线OC是与两齿轮的轴线OU和OV在同一平面内，并与两齿轮节锥的共同母线OA垂直，其半径等于Le;那么，当两节锥各绕轴线OU和OV旋转而纯滚动时，这个圆形平面也将绕轴线OC旋转而与两节锥一同纯滚动.实际上，这个圆形平面就是一个平面齿轮的节面，而这个平面齿轮能与锥齿轮1或2啮合传动，因此它的大端模数也是m.

若令平面齿轮的齿数为zc ，则 mzc =2 Le zc=√z12+z22 同时可以得到 sinφ1 =(d1/2)/Le= z1 / zc ; sinφ2 =(d2/2)/Le= z2 / zc ;

3.2 弧齿锥齿轮加工方法 3.2.1加工方法 事实上弧齿锥齿轮的加工方法就是两种，即成形法和展成法。齿轮的加工不论是何种机床（滚、插、铣等等），基本都可以归为两类一是成形法，就是利用成型的刀具直接加工出齿轮的齿形的方法，其加工刀具的轴剖面齿形应与被加工齿轮齿槽的形状相同（图3-6）。另一个就是展成法（范成法），是目前齿轮加工中应用得最广泛的方法，它是利用一对齿轮啮合或齿轮与齿条啮合的原理来加工齿轮的，也就是利用包络法展成齿面的原理来加工齿轮齿廓（图3-7）。我们目前所遇到的主要是展成法。

图3-6

图3-7

格里森弧齿锥齿轮有三种基本的加工方法。即：单面法、双面法和固定安装法。 单面法即在一次调整安装下，用单面刀盘切削一个齿面，而另一个齿面在另一次调整安装下切出。 双面法则一个轮齿的两个齿面由一把双面刀盘一次切出。 固定安装法是轮齿的粗切和凹凸面的精切分别由三台机床和三把刀具（粗切刀、外切单面刀及内切单面刀）分别加工。这种方法通常用于大量生产中的小齿轮加工。

一对齿轮副大、小轮的加工，通常是上述三种基本方法的组合。目前各种切削方法名目繁多，有些方法适用于大量生产，有些方法只适用于中小批量生产。而所有这些切削方法都与机床的结构特点有密切的联系。就是说，一种机床只能用一种或几种切削方法加工，反过来说也一样，即一种切削方法只能在一种或几种机床上使用。

但自从坐标轴式数控弧齿锥齿轮铣齿机面市以来，以上这种严重束缚弧齿锥齿轮加工工业发展的现象就不存在了。由于该类型机床结构特点及其加工原理，可以使用所有已知的加工方法，并且还可以使用以前机床根本不能使用的加工方法。使齿面的加工精度及齿面的传动精度都有很大的提高。

3.3弧齿锥齿轮加工原理内容详述 3.3.1平顶齿轮加工原理 加工弧齿锥齿轮，通常是按照虚拟平顶铲形齿轮原理来进行的。所谓平顶铲形齿轮，也是一个锥齿轮，但其齿顶是在一个平面上，此平面垂直于平顶齿轮的轴线，也就是说，其顶锥角等于90°（图3-8）；平顶齿轮的节面仍为锥面，即节锥。所谓按平顶齿轮原理加工齿轮，即在切齿过程中，假想有一个平顶齿轮和机床上的摇台同心，并随着摇台转动而与被切齿轮作无间隙的啮合。

这个虚拟的平顶齿轮的牙齿表面，是由机床摇台上的铣刀盘切削刃在摇台上旋转的轨迹所代替的。即平顶齿轮的牙齿表面，是由刀盘上的刀刃绕刀盘轴线回转而形成的锥面的一部分。这样随着一对齿轮的啮合运动，而使得刀具在齿坯上加工出一个牙齿来。（见3-9） 在调整机床时，应使被切齿轮的节锥面和假想平顶齿轮的节锥面作纯滚动，刀顶旋转平面则和被切齿轮的根锥面相切，因此刀盘轴线垂直于根锥面，机床摇台轴线与被切齿轮轴线成一角度，即为被切齿轮的根锥角。

图3-8

图3-9

对于渐缩齿锥齿轮，根角和节角不相等，即根锥和节锥不平行．当切齿时，刀盘的刀顶端面要切出齿根面，刀盘轴线应垂直于根锥表面。此时，产形齿轮只能是平项齿轮了，即产形齿轮的面角等于90°(图3-10)，渐缩齿锥齿轮的切齿，一般都是根据假想平顶齿轮原理加工的。

假想平顶齿轮的节角和面角也不相等，就是说，节锥与面锥不平行．当刀具切削时，刀顶迥转平面与齿轮根锥表面相切，要使切出的齿形角对称于节线，就必须对刀片的齿形角加以修正。又由于齿的螺旋角关系，在齿长上各点的压力角修正值也各不一样。一般只根据齿面中点的齿形角差值来选取刀号。这时在其他各处压力角还是不一样的，造成轮齿的对角接触，这个问题要由机床的调整加以解决。

通过对加工原理的描述我们再看铣齿机的结构，就会更清楚铣齿机各个功能部件的作用。传统结构铣齿机可把主要功能部件分为两部分。一部分包含有摇台支架、摇台鼓轮、偏心鼓轮和刀盘主轴。该部分用于模拟“产形轮”工作齿面的空间位置和运动如图3-3所示。而另一部分包含有床鞍、回转板、工件箱和工件主轴，其主要用于被加工工件的空间位置的确定和相应的运动。

图3-10

通过图3-10我们可以从另外一个角度来了解弧齿锥齿轮的加工。一对圆锥齿轮啮合滚动，它们的角速度是和齿数成反比的。和圆柱齿轮传动相似，一对圆锥齿轮正确啮合的必要条件是齿面上各对应点的压力角、模数和螺旋角对应相等。用展成法加工圆锥齿轮，相当于一对圆锥齿轮的啮合滚动。其中一个就是被加工齿轮，另一个是圆盘铣刀刀刃作为齿形一部分的假想齿轮，摇台的滚动角速度就是假想齿轮的角速度。这个假想齿轮即“产形齿轮”它是产生工件渐开线齿形的齿轮。

如图3-11所示，虚拟产形齿轮是与机床摇台同轴，其虚拟轮齿表面是通过机床摇台上的铣刀盘刀片切削刃的相对于摇台运动的轨迹表面所代替。在这个过程中，代表虚拟产形齿轮轮齿的刀片切削刃就在被切齿轮的轮坯上逐渐地切出齿形。那么铣刀盘在摇台上的位置是如何确定的呢？如图3-11可知刀盘的工作位置是由两个参数所确定的，即参数R为刀盘中心到摇台中心的距离，我们把它叫做“径向刀位”，它是根据调整卡上的偏心角来调整偏心鼓轮得到的。还有一个参数β为刀盘中心与摇台中心连线与X轴的夹角，我们把它称做“角向刀位”或“刀位极角”，它是根据调整卡上的摇台角来调整摇台鼓轮得到的。只要已知这两个参数，我们就可以确定刀盘在摇台上的位置。

图3-11

既然刀盘的位置已经确定，也就是虚拟产形轮的啮合齿面的空间位置已经确定。那么与之啮合的工件的位置是如何确定的呢？ 我们在加工齿轮之前会有一个调整卡片，这上面有关确定被加工齿轮位置的参数有水平轮位、床位、安装角和垂直轮位。其中水平轮位是通过工件箱沿着工件轴线方向前进后退来进行调整的，床位是通过床鞍沿着摇台轴线前进后退来进行调整的，安装角目前来说就是齿轮的根锥角，它是通过回转板的摆动进行调整的。垂直轮位我们目前还用不到。

对于形成齿形的铣刀盘来说也有左旋和右旋的区别。从刀盘的前面观察，刀盘顺时针方向旋转而参与切削的称为左旋刀盘；逆时针方向旋转而参与切削的称为右旋刀盘。在切齿时为了保证刀盘相对工件的轴向分力沿着将工件压紧的方向，最好选用右旋刀盘加工右旋齿轮，选用左旋刀盘加工左旋齿轮（图3-12）。

图3-12

3.3.2顺铣或逆铣 图3-13是用两种旋向的刀盘，切削同一齿轮的情况。当用左旋刀盘切削左旋齿轮时，切屑厚度从小到大，然后刀片离开工件，铁屑是由薄变厚的。这样刀片在开始切削的一瞬间会产生较大的挤压力，产生很大的热量，加快刀片的磨损，我们叫它为逆铣。当用右旋刀盘切削左旋齿轮时，刀片切削是从大的切削厚度开始，刀片切下来的铁屑由厚变薄，切削力比较小，避免了挤压现象。我们叫它为顺铣。

经验证明：采用顺铣可以提高刀具使用寿命和齿面光洁度。粗切小轮时，采用顺铣可使刀具耐用度提高70~90%，精切小轮时，采用顺铣则可提高齿面光洁度，同时也可延长刀具耐用度30~50%。 结论是：当切齿机加紧力足够大的时候，切削小轮和传动比i<2的大轮用反向切削（即顺铣）是合理的；但切削传动比i>2的大轮时，用反向切削就不合适了。

图3-13

3.3.3弧齿锥齿轮相关影响精度的各种原因及检验 制造精密锥齿轮的条件是；不但要保证齿部加工工序合格，还必须保证锥齿轮轮坯的精度，切齿刀具的精度及寿命，芯轴的刚性及精度，合理的工艺基面选择，齿部淬火变形小，以及控制热处理变形的工艺方法。所以加工出质量优良的精密锥齿轮，必须每道工序保证质量，工艺要经济、合理正确才行。

1、 对接触区形状和位置的要求 弧齿锥齿轮接触区按不同的精度等级在齿长和齿高方向有不同的要求。锥齿轮承载后变形与热处理后的变形均会改变接触区的位置和大小。一般对于收缩齿齿形，轮齿受力后接触区会移向齿的大端，故在切齿后，在无负荷啮合时接触区宜偏向小端，见图3-14。 弧齿锥齿轮经热处理后齿面节线会有变化，螺旋角减小，齿略微伸直，引起接触区位移，小轮凸面和凹面在热处理前后接触区的变化见图3-15。

图3-14承载前后接触区的变化 图3-15热处理前后接触区的变化

2、 提高螺旋锥齿轮制造精度的方法 影响齿轮精度的有关因素有切齿及热处理工序、金属材料、毛坯质量等，现将这些因素简述如下． 1）、切齿工序的误差 切齿过程中应保证齿轮的齿形、齿向、齿距等误差要求在一定范围内，并使齿面光洁度、接触区和噪音达到一定的要求，下面对这些误差加以分析，并提出解决办法：

（1）、齿面接触区不正确 齿面接触区不正确是由两互相啮合齿轮的压力角、螺旋角卤形及齿长曲率不一致造成的。常见典型不良接触区及其消除方法详见前述。 （2）、齿距误差 齿距误差过大有两种情况：一种是在个别轮齿上突然增大或减少齿距，表现为齿侧间隙的突变；另一种是齿距逐渐变化，表现为齿侧间隙的逐渐变小或增大．其超差原因及解决办法如下：

I、切齿机床的摇台蜗杆、蜗轮及分度蜗轮等在使用过程中，由于磨损不均匀或传动系统的间隙过大、都会加剧工件和摇台趣转不 均匀的最大误差，它是引起超差的直接原因； II机床工件主轴和切齿用的夹具精度不眵也是引起齿侧间隙变化量超差的主要原因之一．如果切齿机床工件主轴的摆差很好，而切齿夹具的摆差不好，就会造成切齿夹具的定位孔与机床工件主轴翘转中心的偏心，以及定位端面与机床主轴翘转中心线不垂直．反之，如果切齿夹具的摆差很好，而机床工件主轴的摆羞不好，也会造成同样的结果(如图3-16)；

图3-16

III、齿轮轮坯的误差过大．如端面跳动过大或与夹具配合间隙过大，造成工件与工件主轴姆转中心不同心，从而加大齿距误差； IV、出现间断切齿现象．就是一个轮齿在还没被叨完时中途停过车，有可能加大轮齿相邻的误差； V、工件夹紧不牢，在切齿过程申由于切削力的作用，迫使工件转动； VI、轮坯与夹具配合表面之间，如果由于不小心有铁屑之类的脏东西或有磕碰，也会影响齿距误差超差．

（3）、消除办法 I、保证切齿机及滚动检验机的良好精度状态； II、保证切齿夹具及检验夹具的良好精度状态； III、轮坯的加工精度应合格； IV、轮坯的金相组织应均匀，金属流线应合理； 最后，在加工过程中应保证轮坯的各基准面的清洁和精度，不应有杂物，磕碰及毛刺；

（4）、齿面光洁度不好齿面光洁度不好，将引起齿轮传动噪音的增大，加快轮齿的损坏速度，降低使用寿齿面出棱见图3-17，系在齿面上出现明显的棱状凸起，接触区不能连成一片，呈断续状，多出现在小齿轮上，噪音检验时出现刺耳的尖叫声． 图3-17

3、齿面出棱的主要原因如下： I、切齿机传动系统间隙过大．在切齿时，由于切削力的作用，使摇台、刀盘和工件转动不均匀．特别是当进给量较大时，工件、刀盘和摇台的瞬时速度忽快忽慢引起曲面出棱更为明显． II、进给量较大，而刀盘转数又过低，也会引起齿面出棱．

III、刀片的压力角不一致也是一个原因．由于螺旋锥齿轮铣刀盘上的所有同名刀片都是在一次铲磨中加工的，因此使用时，必须成套使用，以保证刀片的压力角相等．如果把两套或几套刀片混合使用，将造成刀片压力角误差过大而引起齿面出棱． IV、刀片紧固不牢．如刀盘刃磨后调整摆差时，刀片紧固螺钉没有拧紧，使得在切削力的作用下，造成刀片松动，引起齿面出棱．

V、铣刀盘的刀片数缺额过多．在一般情况下，刀片缺额是可以使用的，但是若缺额过多，相当于加大了进给量或降低了刀盘转数，同样会产生齿面出棱． 除上述原因外，如果刀片的摆差很大、刀盘安装不牢，或滚比挂轮架锁紧不牢等等，都可能引起齿面出棱．

解决办法如下： I、对切齿机除定期检修外，还要经常保持其润滑良好，使之减少磨损； II、选用适当的进给量和刀盘转速，可以用优选法试验确定： III、刀片要成套存放，成套安装使用： IV、刀片安装或调整摆差后，要仔细检查刀片是否确实紧固，否则不但会引起齿面出棱，而且还有可能发生打刀事故．

4、齿面出现沟纹和凸起，齿面出现沟纹现象（见图3-18） 刀片刃口出现缺口或凸起，反映到齿面上就会出现沟纹和凸起.有时用眼睛观察不到刃口上有什么问题，而在齿面上却出现明显的沟纹.经过刃磨后，齿面沟纹即立刻消失，这是常见的.所以只要我们对已经磨好的刀具加以精心保护，不让切削刃口碰伤，以免引起齿面沟纹和凸起发生.

图3-18

齿面刀纹粗糙图3-19表示刀纹粗糙的例子，这种现象常由下列因素造成 I、刀片刃磨质量不好．当进给量较大时，切削刃有退火(即刃口表面发黑)现象，我们习惯上把这种现象叫做“磨糊”．由于切削刃硬度降低，造成刀片切削刃迅速磨损． II、刀片切削刃口的(后角)铲背表面光洁度不高，则会造成刃口本身不平(呈锯齿状，如图3-20所示)．刀片切削刃前面的光洁度不高也会产生同样现象．

III、刀片的径向摆差过大，即一个刀盘中的所有同名刀片的切削刃不在同一个圆周上，这样就可能造成，有的刀片不参加切削，而把工作量加在其他几个刀片上，相当于刀片缺额，从而加快刀片的磨损，使齿面光洁度大大降低． IV、进给量和刀盘转数配合不适当，以及冷却不好等都会引起齿面光洁度不好．

图3-20

5、齿面刀纹粗糙可从以下几个方面消除： I、后角铲背面和刀片重新刃磨后的前面的表 面光洁度最低要保持在v8以上． II、刀片的高度和半径两个方向的摆差必须严格地控制在要求的公差范围之内．刀盘刃磨的技术要求详见第三章铣刀盘的刃磨一节． III、进给量和刀盘转速要选择适当．并保证充分的冷却．一般情况下，使用20号机油就司以．

IV、在加工弧齿锥齿轮时，把摇台摆角缩小到最小的限度，可以相应地提高齿面光洁度-在进给量和刀盘转数不变的情况下，摇台摆角大小的变化相当于实际进给速度的变化·在Y 225机床上可用减小跳跃齿数的办法来缩小摇台摆角．摇台摆角最小的限度应该是以能形成完整的齿形为标准． 另外，在热处理以前，采用冷加工的挤齿工序也可以提高齿面光洁度．在热处理以后，采用磨齿和研齿的办法，可以使齿面光洁度达到v7以上。

综上所述考核弧齿锥齿轮精度的主要项目是齿距误差、接触精度和表面光洁度。如何调整弧齿锥齿轮副的接触精度已在前面章节中作了介绍。本章节主要讨论了影响齿距误差和齿面光洁度的原因。由于这两项误差主要涉及到弧齿锥齿轮铣齿机的几何精度和铣刀盘精度。

6、对齿距误差产生的原因总结如下： 检查齿距误差的项目有周节累积差和周节差，车间检查站通常只检查齿圈跳动。产生齿距误差的主要原因有： (1)分度蜗轮副和摇台蜗轮副的精度下降； (2)分度蜗杆的轴向跳动过大； (3)工件箱主轴或铣齿心轴径向跳动与端面跳动过犬} (4)铣齿心轴与锥齿轮的配合间隙过大； (5)刀具主轴配合轴颈的径向跳动与支承端面的端面跳动过大； (6)齿坯端面跳动过大。

7、对齿面光洁度差产生的原因总结如下： (1)刀片的径向跳动都轴向跳动过大； (2)刀片的街形角不一致： (3)刀片刃磨质量不好； (4)工件箱主轴锥孔径向跳动过火; (5)铣齿机传动系统问隙过大; (6)进给量与刀盘转速选择不当； (7)齿坯材料韧性大或硬度低。

第四章 齿轮刀具简介 用切削加工方法制造齿轮，可以分为成形法和展成法。展成法使用的是齿轮形和齿条形刀具，如插齿刀、齿轮滚刀、剃齿刀等。成形法使用的是成形齿轮刀具，如模数盘铣刀和指状铣刀，如图4－1所示。

图4-1

4.1盘形齿轮铣刀 用模数盘形齿轮铣刀铣削直齿圆柱齿轮时，刀具廓形应与工件端剖面内的齿槽的渐开线廓形相同，如图4－1所示。 当被铣削齿轮的模数、压力角相等，而齿数不同时，其基圆直径也不同，因而渐开线的形状（弯曲程度）也不同。因此铣削不同的齿数，应采用不同齿形的铣刀，即不能用一把铣刀铣制同一模数中所有齿数的齿轮齿形，如图4－1所示。但为了避免制造数量过多的盘形铣刀，生产上采用刀号的办法。

即用某一刀号的铣刀铣制模数和压力角相同而齿数不同的一组齿轮，每号铣刀的齿形均按所铣制齿轮范围中最小齿数的齿形设计的。用盘形铣刀铣制斜齿轮时，铣刀是在齿轮法剖面中进行成形铣削的。选择刀号时，铣刀模数应依照被切齿轮的法向模数mn和法剖面中的当量齿轮的当量齿数Zv选择。 　　Zv=Z/（cos3β） 　　式中β－斜齿轮螺旋角（°）； 　　Zv－当量齿数； 　　Z－斜齿轮齿数。

4.2齿轮滚刀 4.2.1齿轮滚刀的形成 齿轮滚刀是依照螺旋齿轮副啮合原理，用展成法切削齿轮的刀具，齿轮滚刀相当于小齿轮，被切齿轮相当于一个大齿轮，如图4－2所示。齿轮滚刀是一个螺旋角β0很大而螺纹头数很少（1～3个齿），齿很长，并能绕滚刀分度圆柱很多圈的螺旋齿轮，这样就象螺旋升角γz很小的蜗杆了。为了形成刀刃，在蜗杆端面沿着轴线铣出几条容屑槽，以形成前面及前角；经铲齿和铲磨，形成后刀面及后角，如图4－2所示。

图4-2

图4-2

4.2.2齿轮滚刀的基本蜗杆 齿轮滚刀的两侧刀刃是前面与侧铲表面的交线，它应当分布在蜗杆螺旋表面上，这个蜗杆称为滚刀的基本蜗杆。基本蜗杆有以下三种: 1．渐开线蜗杆　　渐开线蜗杆的螺纹齿侧面是渐开螺旋面，在与基圆柱相切的任意平面和渐开螺旋面的交线是一条直线，其端剖面是渐开线。渐开线蜗杆轴向剖面与渐开螺旋面的交线是曲线。用这种基本螺杆制造的滚刀，没有齿形设计误差，切削的齿轮精度高。然而制造滚刀困难。

阿基米德蜗杆　阿基米德蜗杆的螺旋齿侧面是阿基米德螺旋面。通过蜗杆轴线剖面与阿基米德蜗螺旋面的交线是直线，其它剖面都是曲线，其端剖面是阿基米德螺旋线。用这种基本蜗杆制成的滚刀，制造与检验滚刀齿形均比渐开线蜗杆简单和方便。但有微量的齿形误差。不过这种误差是在允许的范围之内，为此，生产中大多数精加工滚刀的基本蜗杆均用阿基米德蜗杆代替渐开线蜗杆。 法向直廓蜗杆　法向直廓蜗杆法剖面内的齿形是直线，端剖面为延长渐开线。用这种基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆作滚刀，其齿形设计误差大，故一般作为大模数、多头和粗加工滚刀用。

4.2.3滚刀的齿形误差　 用阿基米德蜗杆代替渐开线基本蜗杆作滚刀，切制的齿轮齿形存在着一定误差，这种误差称为齿形误差。由基本蜗杆的性质可知，渐开线基本蜗杆轴向剖面是曲线齿形，而阿基米德基本蜗杆轴向剖面是直线齿形。为了减少造型误差，应使基本蜗杆的轴向剖面直线齿形与渐开线基本蜗杆轴向剖面的理论齿形在分度圆处相切。阿基米德滚刀基本蜗杆轴向剖面齿形角αx0，应等于渐开线蜗杆轴向剖面齿形的分度圆压力角，如图4－3所示。由斜齿轮法向剖面与轴向剖面齿形角换算关系可得：αx0＝αn/cosγz 式中　αx0－轴向剖面齿形角 　 　αn－渐开线蜗杆法向剖面分度圆压力角； 　　 γz－滚刀基本蜗杆分度圆上螺旋升角。

图4-3

由图4－3可知，造型误差随着螺旋升角γz的减小而减小。此外造型误差还随着滚刀分度圆直径的增加以及滚刀头数的减少而减小。一般造型误差的误差值很小，不会影响滚齿的加工精度。例如m=15mm的零前角齿轮滚刀，当γz＝3°时，造型误差约为7μm，而且误差方向是正，会使被切齿轮的齿顶和齿根多切去一些，相当于对齿轮起了修缘的作用，如图4－3所示。

4 ．2．4齿轮滚刀的合理使用 1.合理使用 按国家标准《高精度齿轮滚刀通用技术条件》的规定，Ⅰ型适用于JB3327－83规定的AAA级滚刀、GB6084－85规定的AA级滚刀；Ⅱ型适用于GB6084－85所规定的AA、A、B、C级四种精度的滚刀。一般情况下，AA级滚刀可加工6～7级齿轮，A 级可加工7～8级齿轮，B级可加工8～9级齿轮，C 级可加工9～10齿轮。

滚刀安装在滚齿机的心轴上，需要用千分表检验滚刀两端凸台的径向圆跳动不大于0.005 mm。如图4－4所示。 2.正确安装 滚刀安装在滚齿机的心轴上，需要用千分表检验滚刀两端凸台的径向圆跳动不大于0.005 mm。如图4－4所示。 图4-4

3.适时窜位 滚刀在滚切齿轮时，通常情况下只有中间几个刀齿切削工件，因此这几个刀齿容易磨损。为使各刀齿磨损均匀，延长滚刀耐用度，可采取当滚刀切削一定数量的齿轮后，用手动或机动方法沿滚刀轴线移动一个或几个齿距，以提高滚刀寿命。

4.及时重磨 滚齿时，当发现齿面粗糙度大于Ra3.2μm以上，或有光斑、声音不正常，或在精切齿时滚刀刀齿后刀面磨损超过0.2～0.5mm，粗切齿超过0.8～1.0 mm时，就应重磨滚刀。对滚刀的重磨必须予以重视，使切削刃仍处于基本蜗杆螺旋面上，如果滚刀重磨不正确，会使滚刀失去原有的精度。 滚刀的刃磨应在专用滚刀刃磨机床上进行。若没有专用刃磨机床时，可在万能工具磨床上装一专用夹具来重磨滚刀。专用夹具使滚刀作螺旋运动，并精密分度。注意不能徒手刃磨。

4.3插齿刀 4.3.1插齿刀的产生齿轮 插齿刀的形状很像齿轮，它的模数和名义齿形角等于被加工齿轮的模数和齿形角，不同的是插齿刀有切削刃和前后角。图4－5所示为直齿插齿刀加工直齿圆柱齿轮的情形。用螺母紧固在机床主轴上的插齿刀随主轴一起往复运动，它的切削刃便在空间形成一个假想齿轮，称为产生齿轮，如图4－5a所示。加工斜齿圆柱齿轮时用的是斜齿插齿刀，如图4－5b所示，除了它的模数和齿形角应和被加工齿轮的相等外，其螺旋角还应和被加工齿轮的螺旋角大小相等，旋向相反。插齿时，插齿刀作主运动和展成运动的同时，还有一个附加的转动，使切削刃在空间形成一个假想的斜齿圆柱齿轮，此时好像一对轴线平行的斜齿圆柱齿轮啮合。

图4-5

4.3.2直齿插齿刀的结构特点 1.插齿刀不同的端剖面是一个连续的变位齿轮。 插齿刀的每一个刀齿都有三个刀刃，一个顶刃和两个侧刃。由图9－29可知，由于插齿刀要有后角，所以仅切削刃处在产生齿轮表面上，顶刃后刀面和侧刃后刀面均缩在铲形齿轮以内。随着插齿刀沿前刀面重磨，直径逐渐缩小，齿厚也逐渐变薄。但要求齿形仍为同一基圆上的渐开线，这样才可以保证通过调节插齿刀与齿轮中心距后，仍能切出正确的渐开线齿形。

为了满足这一要求，插齿刀各端剖面中的齿轮，应为同一基圆具有不同变位系数的齿轮齿形。由图4－6所示，若0－0剖面中具有标准齿形，该剖面称为原始剖面，其变位系数χ＝0。在原始剖面前端各剖面中，变位系数为正值。新插齿刀端剖面内（即Ⅰ－Ⅰ剖面），χ值最大。在原始剖面的后端剖面中，变位系数为负值。使用到最后的插齿刀端剖面内（Ⅱ－Ⅱ），χ值最小。

图4-6

２.插齿刀的齿侧面是渐开螺旋面 为了使插齿刀的每个端剖面齿形成为变位系数不同的齿轮，将齿顶齿根按后角αpa做成圆锥体，并按分度圆柱上螺旋角β0值，将齿左侧磨成右旋渐开螺旋面，将齿右侧磨成左旋渐开螺旋面。这样一来，由渐开螺旋面的性质可知，齿侧表面在端剖面的截形仍是渐开线，并获得相等的两侧刃后角。

３.插齿刀的前角和齿形误差 为了减少齿轮误差，标准插齿刀规定γpa＝5°，αpa＝6°。在制造插齿刀时，将分度圆压力角做得比标准齿形角略大些，以保证插齿刀加工出的齿轮在分度处的压力角为标准值。经过修正后的插齿刀在端面投影的曲线分度圆处的压力角为标准值，齿顶和齿根处略微增大，这样会使被切齿轮在齿顶和齿根处产生微量根切，有利于减少啮合时的噪声。如图4－7所示。

图4-7

　4．插齿刀的分类及选用 插齿刀的类型及应用范围如表4－2所示。 选用插齿刀时，除了根据被切齿轮的种类选定插齿刀的类型，使插齿刀的模数、齿形角和被切齿轮的模数、齿形角相等外，还需根据被切齿轮参数进行必要的校验，以防切齿时发生根切、顶切和过渡曲线干涉等。 插齿刀制成AA、A、B三级精度，分别加工6、7、8级精度的齿轮。

表4—2插齿刀主要类型与规格、用途

表4—2插齿刀主要类型与规格、用途

谢 谢 大 家