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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)。
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齒輪的功用、結(jié)構(gòu)
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。
圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)形式
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)。
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圓柱齒輪的精度要求
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。
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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。
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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。
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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。
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齒坯的機械加工方案的選擇
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。
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輪齒加工方法
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。
1. 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
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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。
齒端加工
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。
齒端倒圓
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直齒圓柱齒輪加工工藝過程
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
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齒輪加工工藝過程分析
1. 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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