齿形加工精度提高技巧与要求

齿轮是机械产品中应用较多的零件之一，是用来传递运动和动力的主要零件。它的主要部分——轮齿的齿形是一种特定形状的成形面，有摆线形面、渐开线形面等等。最常见的是渐开线形面。渐开线齿轮精度按现行标准规定分为12级，其中1级最高，12级最低，1～2级精度为远景级，目前加工工艺及测量手段尚难达到。在实际应用中，3～5级为高精度等级，如测量齿轮、精密机床和航空发动机的重要齿轮;6～8级为中等精度等级，如内燃机、电气机车、汽车、拖拉机上的重要齿轮;9～12级为低精度等级，如起重机械、农业机械中的一般齿轮。齿轮的结构形式也是多种多样的，常见的有圆柱齿轮、圆锥齿轮及蜗杆蜗轮等，其中以圆柱齿轮应用最广，这里仅介绍渐开线圆柱齿轮齿形的加工工艺。

圆柱齿轮的加工工艺过程一般是:毛坯制造—热处理—齿坯加工—齿形加工—齿部热处理—齿轮定位面的精加工—齿形的精加工。

1.4.1.1　齿轮的技术要求

由于齿轮在使用上的特殊性，除了一般的尺寸精度、形位精度和表面质量的要求外，还有一些特殊的要求。虽然各种机械上齿轮传动的用途不同，要求不一样，但归纳起来有如下四项:

(1)传递运动的准确性。即要求齿轮在一转范围内，最大转角误差不超过一定限度，以保证从动件与主动件协调运动。

(2)传动的平稳性。即要求齿轮传动瞬时传动比的变化不能过大，以免引起冲击，产生振动和噪声，甚至导致整个齿轮被破坏。

(3)载荷分布的均匀性。即要求齿轮啮合时，齿面接触良好，以免引起应力集中，造成齿面局部磨损，影响齿轮的使用寿命。

(4)传动侧隙。即要求齿轮啮合时，非工作齿面间应具有一定的间隙。以便贮存润滑油，补偿因温度变化和弹性变形引起的尺寸变化以及加工和安装误差的影响。否则，齿轮传动在工作中可能卡死或烧伤。

不同齿轮会因用途和工作条件的不同而有不同的具体要求。对于控制系统、分度机构和读数装置中的齿轮传动，主要要求传递运动的准确性和一定的传动平稳性，而对载荷分布的均匀性要求不高，但要求有较小的传动侧隙，以减小反转时的回程误差。

机床和汽车等变速箱中速度较高的齿轮传动，主要要求传动的平稳性。轧钢机和起重机等的低速重载齿轮传动，既要求载荷分布的均匀性，又要求足够大的传动侧隙。汽轮机、减速器等的高速重载齿轮传动，4项精度都要求很高。总之，这4项精度要求，相互间既有一定联系，又有主次之分，有所不同，应根据具体的用途和工作条件来确定。

1.4.1.2　齿形加工方案选择

齿形加工方案的选择，主要取决于齿轮的精度等级、生产批量和齿轮热处理方法等。

8级或8级以下精度齿轮的加工方案:对于不淬硬齿轮用滚齿或插齿就能满足要求;对于淬硬齿轮可采取滚(插)齿—齿端加工—齿面热处理—修正内孔的加工方案。热处理前的齿形加工精度应比图纸要求提高一级。

6～7级精度的齿轮有两种加工方案:①剃—珩齿方案:滚(插)齿—齿端加工—剃齿—表面淬火—修正基准—珩齿;②磨齿方案:滚(插)齿—齿端加工—渗碳淬火—修正基准—磨齿。

剃—珩齿方案生产率高，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级精度以上或虽低于6级但淬火后变形较大的齿轮。

对于5级精度以上的齿轮一般应采取磨齿方案。

1.4.1.3　齿形加工方法

按齿形形成的原理不同，齿形加工可以分为两类方法:一类是成形法，用与被切齿轮齿槽形状相符的成形刀具切出齿形，如铣齿(用盘状模数铣刀或指状模数铣刀)、拉齿和成型磨齿等;另一类是展成法(包络法)，齿轮刀具与工件按齿轮副的啮合关系作展成运动，工件的齿形由刀具的切削刃包络而成，如滚齿、插齿、剃齿、磨齿和珩齿等。

下面主要介绍用展成法加工齿形的几种方法。

1.插齿

(1)插齿的运动。

插齿就是用插齿刀在插齿机上加工齿轮的齿形。插齿的主要运动(见图1-32)有:

图1-32　插齿的运动

①主运动即插齿刀的往复直线运动，常以单位时间内往复行程数来表示，其单位为str/min(或str/s)。

②分齿(展成)运动插齿刀与工件间应保持正确的啮合关系，即当插齿刀的齿数为z0，被切齿轮的齿数为zw，则插齿刀转速n0与被切齿轮转速nw之间，应严格保证如下关系:n0/nw=z0/zw。插齿刀每往复一次，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运动的进给量，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运动fr。当进给到要求的深度时，径向进给停止。

④让刀运动为了避免插齿刀在返回行程中刀齿擦伤已加工齿面，减少刀具的磨损，在插齿刀向上运动时，工作台带动工件从径向退离切削区一段距离;当插齿刀在工作行程时，工件又恢复原位。这一运动称为让刀运动。

当加工斜齿圆柱齿轮时，要使用斜齿插齿刀。插斜齿时除了上述四个运动外，插齿刀在作往复直线运动的同时，还要有一个附加的转动，以便使刀齿切削运动的方向与工件的齿向一致。

(2)插齿的加工循环。

开动插齿机后，插齿刀作上、下切削运动，同时以n0转动。工件以nw转动，工具还可以向工件作径向进给，当切至全齿深时，径向进给自动停止，而刀具、工件继续转动。当工件再转动一周时，则切完所有齿的全部齿形，工件自动退出并停车，完成插削一个齿形的工作循环。

图1-33　滚齿的运动

2.滚齿

(1)滚齿的运动。

滚切直齿圆柱齿轮时的运动如图1-33所示。

①主运动即滚刀旋转，其转速用n0表示。

②分齿(展成)运动即保持滚刀与被切齿轮之间啮合关系的运动。这一运动使滚刀切削刃的切削轨迹连续，包络形成齿轮的渐开线齿形，并连续地进行分度。如果滚刀的头数为k(一般k=1～4)，被切齿轮的齿数为zw，则滚刀转速n0与被切齿轮转速nw之间，应严格保证如下关系:

nw/n0=k/z(https://www.xing528.com)

③轴向进给运动为了在齿轮的全齿宽上切出齿形，滚刀需沿工件轴向作进给运动。工件转一转滚刀移动的距离，称为轴向进给量。

滚切直齿圆柱齿轮时，为了使滚刀螺旋线的方向与被切齿轮的齿向一致，也就是使滚刀螺旋线法向齿距(t法=πm)，与齿轮分度圆上的齿距(t=πm)相等，故滚刀必须扳转一个λ角(滚刀螺旋线升角)。如使用右旋滚刀，被切齿轮转向为逆时针方向;若用左旋滚刀，则被切齿轮转向为顺时针方向。

(2)滚切斜齿圆柱齿轮。

图1-34　滚切直齿、斜齿圆柱齿轮滚刀刀架的调整

滚切斜齿轮与滚切直齿轮主要有两点区别。第一是滚刀安装时扳转的角度不同(见图1-34)。为了使滚刀螺旋线方向与被切齿轮的齿向一致，当用右旋滚刀滚切右旋齿轮时，滚刀扳转的角度应为ω－λ(ω为齿轮的螺旋角，λ为滚刀螺旋线升角);当用右旋滚刀滚切左旋齿轮时，滚刀应扳转的角度为ω+λ。故滚刀扳转的角度与ω、λ的关系可归纳为:“同向相减，异向相加”。第二是被切齿轮需要一个附加的转动(见图1-34(b))。当右旋滚刀滚切右旋齿轮时，取一个齿槽ac来分析，滚刀由a点开始切削，滚刀作轴向进给运动f，最后要到b点，而与齿槽ac不相符合。为了切出斜齿轮的齿槽ac，被切齿轮必须有一个附加转动，使滚刀切到b点时，齿轮上的c点也到达凸点，即齿轮要多转一点(同旋向多转)。当用右旋滚刀滚切左旋齿轮时，情况相反(见图1-34(c))，齿轮要少转一点(异旋向少转)。由于斜齿轮的齿槽是一个螺旋槽，故当滚刀垂直向下送进一个导程工时，被切齿轮应多转或少转一转(参见图1-34(b))。

图1-35　滚切蜗轮的运动

(3)滚切蜗轮。

由图1-35可见，滚切蜗轮时，滚刀应水平放置，滚刀轴线应在蜗轮中心平面内。滚刀的旋转是主运动，分齿运动应保证被切蜗轮的转速nw与滚刀转速n0符合蜗轮、蜗杆的速比关系。即滚刀转一转时，蜗轮应转过k/z转(k为蜗杆头数，z为蜗轮齿数)。径向进给运动由蜗轮或滚刀来实现。滚刀从齿顶部分开始切削，一直切到齿高符合要求为止。单件小批量加工蜗轮，常采用在滚齿机上单齿飞刀切向进刀以展成法来实现。

必须指出，滚切蜗轮用的滚刀，其模数、齿距、斜齿的旋向和螺旋升角又等，必须和该蜗轮相啮合的蜗杆完全一样，才能加工出合格的蜗轮。

(4)滚齿和插齿的比较。

滚齿和插齿一般都能保证7～8级精度。若采用精密插齿或滚齿，可以达到6级精度。但是用滚齿法加工齿轮，可以获得较高的运动精度。这是由于插齿机的传动机构中比滚齿机多了一个传动刀具的蜗轮副，增加了分度传动误差;插齿刀的全部刀齿都参与工作，刀具的齿距累积误差必然要反映到齿轮上。而滚齿不存在这些问题。必须指出，用插齿法加工齿轮的齿形精度比滚齿高，齿面的表面粗糙度值也较小。这是由于插齿刀的制造、刃磨等均比滚刀方便，容易制造得较精确，又没有滚刀齿形的近似造形误差，故插齿的齿形精度较高。插齿时在齿宽方向是连续切削，包络齿面的刀齿数较多(圆周进给量较小)，而使齿面表面粗糙度值较小(Ra为1.6μm)。滚齿的生产率一般比插齿高。由于插齿的主运动为往复直线运动，切削速度受到冲击和惯性力的限制。此外，插齿刀有回程的时间损失。但是，对于模数较小、齿圈较薄的小齿轮，以及扇形齿轮，插齿的生产率比滚齿高，因为滚齿有较大的“切入”时间损失和空程时间损失。

滚齿的通用性比插齿好，用一把滚刀可以加工模数和压力角相同的直齿轮和任意螺旋角的斜齿轮，而插齿则不能。用滚齿法还可以加工蜗轮。但是加工齿圈靠近的多联齿轮，以及按展成法加工内齿轮、人字齿轮、齿条、带凸台的齿轮等，只能用插齿法加工。

3.齿形的精加工

(1)剃齿。

剃齿是齿轮精加工的方法之一。剃齿后的齿轮精度一般可达到6～7级，齿面粗糙度Ra为0.8～0.2μm。剃齿的生产率高，在成批生产中主要用于滚(或插)齿预加工后，淬火前的精加工。

剃齿是利用一对交错轴螺旋齿轮啮合的原理在剃齿机上进行的，如图1-36所示。盘形剃齿刀实质上是一个高精度的螺旋齿轮，每个齿的齿侧沿渐开线方向开槽以形成刀刃(见图1-36(b))。加工时工件2装在工作台上的顶尖间，由装在机床主轴上的剃齿刀1带动工件自由转动。剃齿刀与工件的轴线在空间交叉一个角度φ(见图1-36(a))。当剃齿刀回转时，其圆周速度υ可分解为两个分速度:一个与轮齿方向垂直的法向分速度υn，以带动工件旋转;另一个与轮齿方向平行的齿向分速度υt，使两啮合齿面产生相对滑移。因为剃齿刀的齿面上开有小槽，沿螺旋线齿形形成刀刃(见图1-36(b))，所以剃齿刀在υt和一定压力的作用下，从工件的齿面上剃下很薄的切屑，且在啮合过程中逐渐把余量切除。

剃齿时剃齿刀和齿轮是无侧隙双面啮合，剃齿刀刀齿的两侧面都能进行切削。由截面图1-36(c)可见，按υt方向，刀齿两侧的切削角是不同的，A侧为锐边具有正前角，起切削作用;B侧为钝边具有负前角，起挤压作用。当工件反向时，υt也反向，剃齿刀两侧刀刃的作用变换。齿轮两侧均能得到剃削，故剃削过程需具备以下几种运动:①剃齿刀正反转动——主运动;②工件沿轴向往复进给运动——使齿轮全宽均可剃出;③工件每一往复行程后的径向进给运动——以切除全部余量。

剃齿时由于刀具与工件之间没有强制性运动关系，不能保证分齿均匀，因此剃齿对纠正运动误差的能力较差。但是，剃齿刀的精度高，故工件的基节偏差、齿形误差和齿向误差均能在刀具与工件的相互对滚中得到改善，故剃齿后齿轮的平稳性精度、接触精度都能提高。此外，轮齿表面粗糙度也能减小。

(2)珩齿。

珩齿是对淬硬齿轮进行精加工的方法之一。珩齿目前主要用来切除热处理后齿面上的氧化皮及毛刺。其加工精度很大程度上取决于前工序的加工精度和热处理的变形量。一般能加工6～7级精度齿轮，轮齿表面粗糙度Ra0.8～0.4μm。珩齿的生产率高，在成批、大量生产中得到广泛的应用。

图1-36　剃齿原理示意图

珩齿原理与剃齿相似，珩轮与工件呈一对螺旋齿轮无侧隙的紧密啮合，如图1-37所示。主要区别就是刀具不同，以及珩磨轮的转速比剃齿刀要高。

珩齿所用的刀具(即珩轮)是一个由磨料(通常为80#～180#粒度的刚玉)与环氧树脂等原料混合后在铁芯上浇铸而成的齿形精度较高的斜齿轮(见图1-38(a))。珩轮回转时的圆周速度υ，可分解为法向分速度υn，以带动工件回转;齿向分速度υt，使珩轮与工件产生相对滑移。珩轮上的磨料借助珩轮齿面与工件齿面间的相对滑动速度(υt)磨去工件齿面上的微薄金属。

珩齿的运动和剃齿基本相同，即珩轮带工件高速正反转动;工件沿轴向往复运动以及工件径向进给运动。与剃齿不同的是开车后一次进给到预定位置。因此，珩齿开始时齿面压力较大，随后逐渐减小直至压力消失时珩齿便结束。

珩齿时，珩轮与工件在自由对滚过程中，借齿面间的一定压力和相对滑动，由磨粒来进行切削。由于珩轮的磨削速度较低(1～3m/s)，加之磨料粒度较细，结合剂弹性较大，因此珩磨实际上是一种低速磨削、研磨和抛光的综合过程。珩齿时，齿面间除了沿齿向产生滑动进行切削外，沿渐开线方向的滑动也使磨粒能切削，齿面的刀痕纹路比较复杂而使表面粗糙度显著变小。加上珩齿的切削速度低，齿面不会产生烧伤和裂纹，故齿面质量较好。

图1-37　珩齿原理

图1-38　展成磨齿方法

(3)磨齿。

磨齿是齿形加工中精度最高的一种方法。磨齿精度一般为4～6级，齿面粗糙度Ra为0.8～0.2μm。磨齿对磨前齿轮误差或热处理变形有较强的修正能力，故多用于高精度的硬齿面齿轮、插齿刀和剃齿刀等的精加工，但生产率甚低，加工成本较高。

磨齿有仿形法和展成法两类。生产中常用展成法，是根据齿轮、齿条啮合原理来进行加工的。按砂轮形状的不同，分为以下几种:

①碟形砂轮磨齿(见图1-38(a))两片碟形砂轮倾斜安装，构成假想齿条的两个齿面。磨齿时砂轮高速旋转，工件一面转动一面移动，同时沿轴向作低速进给运动，在磨完工件的两个齿侧表面后，工件快速退离砂轮，再进行分度，继续磨削下两个齿面。磨齿精度为4～5级，生产率较低。

②锥形砂轮磨齿砂轮截面修整成假想齿条的一个齿廓(见图1-38(b))。磨削时，砂轮一面高速旋转，一面沿工件轴向作快速往复运动，工件同时既转动又移动形成齿轮、齿条的啮合运动。在工件的一次左右往复运动过程中，先后磨出齿槽的两个侧面，然后砂轮快速离开工件，工件自动进行分度，再磨削下一个齿槽。加工精度为5～6级，生产率比上一种方法高。

③蜗杆砂轮磨齿用蜗杆砂轮磨齿时的运动与滚齿相同(见图1-38(c))，砂轮制成蜗杆形状，但直径比滚刀大得多。磨齿精度一般为4～5级，由于连续分度和很高的砂轮转速(2000r/min)，生产率比前两种方法都高，但蜗杆砂轮的制造和修整较为困难。