齿轮加工机床的工作原理解析

1.齿轮加工方法分类

齿轮的加工方法很多，如铸造、锻造、热扎、冲压和切削加工等。目前，前4种方法的加工精度还不高，精密齿轮主要靠切削加工。

按形成轮齿的原理，齿轮加工方法可分为两大类：成形法和展成法。

1）成形法

成形法用于被加工齿轮齿槽形状相同的成形刀具切削齿轮，即所用刀具的切削刃形状与被切削齿轮的齿槽形状相吻合。例如，在铣床上用盘状模数铣刀或指状模数铣刀铣削齿轮（见图4-2），在刨床或插床上用成形刀具加工齿轮。成形法分为单齿廓成形法和多齿廓成形法。

图4-2　成形法加工齿轮

（a）用盘状模数铣刀铣削齿轮；（b）用指状模数铣刀铣削齿轮

采用单齿廓成形刀具加工齿轮（单齿廓成形法）时，每次只加工一个齿槽，然后用分度装置进行分度，依次加工下一个齿槽，直至全部轮齿加工完毕。这种加工方法的优点是机床较简单，可以利用通用机床加工。缺点是加工齿轮精度低。因为对于同一模数的齿轮，只要齿数不同，齿廓形状就不相同，需采用不同的成形刀具；在实际生产中，为了减少成形刀具的数量，每一种模数通常只配8把，各自适应一定的齿数范围（见表4-1），成形刀具的齿廓曲线是按该范围内最小齿数的齿廓制造的，对其他齿数的齿轮，均存在着不同程度的齿廓误差，另外，在通用机床上加工齿轮时，由于一般分度头的分度精度不高，会引起分齿不均匀，以及每加工一个齿槽，工件都需要分度，同时刀具必须回程一次，所以其加工精度和生产率不高。因此，单齿廓成形法只适用于单件小批及修配业中加工精度不高的齿轮。此外，在重型机器制造工业中制造大型齿轮时，为了使所用刀具及机床的结构比较简单，也常用单齿廓成形法加工齿轮。

表4-1　成形刀具的刀号

在大批量生产中，也可采用多齿廓成形刀具来加工齿轮（多齿廓成形法），如用齿轮拉刀、齿轮推刀（见图4-3）或多齿刀盘等刀具同时加工出齿轮的各个齿槽。

图4-3　用齿轮推刀加工齿轮

用多齿刀盘加工直齿圆柱齿轮时（见图4-4），刀盘3上装有和被切齿轮2齿数相等的成形切刀1，当工件沿轴向垂直向上运动时，刀盘3上的各把切刀同时切削工件各个齿槽。当工件向下作回程运动时，各切刀沿刀盘3径向退出一小段距离，以防止切刀磨损和擦伤工件已加工表面。工件每次回程后，各切刀沿刀盘3径向进给一次，使各切刀逐次切入，直至切出工件全齿高。

图4-4　用多齿刀盘加工直齿圆柱齿轮

1—成形切刀；2—被切齿轮；3—刀盘。

多齿廓成形法可以得到较高的加工精度和生产率，但要求所用刀具有较高的制造精度且结构复杂，同时每套刀具只能加工一种模数和齿数的齿轮，所用机床也必须是特殊结构的，因而成本较高，仅适用于大量生产中。

2）展成法

展成法是利用齿轮的啮合原理加工齿轮的，即把齿轮啮合副（齿条—齿轮、齿轮—齿轮）中的一个转化为刀具，另一个转化为工件，并强制刀具和工件作严格的啮合运动而展成切出齿廓。下面以滚齿加工为例作进一步的说明。

滚齿机上滚齿加工的过程，相当于一对交错轴斜齿轮相互啮合运动的过程［见图4-5（a）］，只是其中一个交错轴斜齿轮的齿数极少，且分度圆上的导程角也很小，所以它便成为蜗杆形状［见图4-5（b）］。再将蜗杆开槽并铲背、淬火、刃磨，便成为齿轮滚刀［见图4-5（c）］。(www.xing528.com)

图4-5　展成法滚齿原理

（a）交错轴斜齿轮传动；（b）蜗杆传动；（c）滚齿加工

一般蜗杆螺纹的法向截面形状近似齿条形状［见图4-6（a）］，因此，当齿轮滚刀按给定的切削速度转动时，它在空间便形成一个以等速v移动着的假想齿条，当这个假想齿条与被切齿轮按一定速比作啮合运动时，便在轮坯上逐渐切出渐开线的齿廓。齿廓的形成是由齿轮滚刀在连续旋转中依次对轮坯切削的数条刀刃线包络而成的［见图4-6（b）］。

用展成法加工齿轮，可以用同一把刀具加工模数相同的齿轮，且加工精度和生产效率也较高，因此各种齿轮加工机床都应用这种加工方法，如滚齿机、插齿机和剃齿机等。此外，多数磨齿机及圆锥齿轮加工机床也是按展成法原理进行加工的。

图4-6　渐开线齿廓的形成

（a）加工示意；（b）一个齿面形成包络线v—假想齿条移动速度；n—被切齿轮转动速度。

2.齿轮加工机床的类型及其用途

齿轮加工机床的种类繁多，按照被加工齿轮种类不同，齿轮加工机床可分为圆柱齿轮加工机床和圆锥齿轮加工机床两大类。

（1）圆柱齿轮加工机床。圆柱齿轮加工机床主要包括滚齿机、插齿机、剃齿机、衍齿机和磨齿机等。

①滚齿机。滚齿机主要用于加工直齿、斜齿圆柱齿轮和蜗杆。

②插齿机。插齿机主要用于加工单联及多联的内、外直齿圆柱齿轮。

③剃齿机。剃齿机主要用于淬火前的直齿和斜齿圆柱齿轮的齿廓精加工。

④衍齿机。衍齿机主要用于对热处理后的直齿和斜齿圆柱齿轮的齿廓精加工。衍齿对齿廓精度改善不大，主要是降低齿面的表面粗糙度值。

⑤磨齿机。磨齿机主要用于淬火后的圆柱齿轮的齿廓精加工。

此外，还有花键轴铣床和车齿机等。

（2）圆锥齿轮（锥齿轮）加工机床。这类机床可分为直齿锥齿轮加工机床和弧齿锥齿轮加工机床两类。

①直齿锥齿轮加工机床有锥齿轮刨齿机、铣齿机和拉齿机等。

②弧齿锥齿轮加工机床有弧齿锥齿轮铣齿机和拉齿机等。

近年来，精密化和数控化的齿轮加工机床迅速发展，各种CNC齿轮机床、加工中心、柔性生产系统等相继问世，使齿轮加工精度和效率显著提高。此外，齿轮刀具制造水平和材料有了很大的改进，使切削速度和刀具寿命普遍提高。