齿轮齿形加工方法详解：渐开线圆柱齿轮的成形和展成法

本节仅介绍渐开线圆柱齿轮齿形的加工方法。在齿轮的齿坯上加工出渐开线齿形的方法很多，目前，用切削加工的方法按其加工原理的不同，可分为成形法和展成法两种。

成形法（又称仿形法）加工齿轮齿形的原理是用与被加工齿轮齿廓形状相符的成形刀具，在齿轮的齿坯上加工出齿形的方法，这种方法制造出来的齿轮精度较低，只能用于低速传动。最常用的方法是铣齿。

铣齿是指利用成形齿轮铣刀，在万能铣床上加工齿形的一种加工方法。当齿轮模数m＜8mm时，一般在卧式铣床上用盘状铣刀铣削，如图8-80（a）所示。当齿轮模数m≥8mm时，用指状铣刀在立式铣床上进行铣削，如图8-80（b）所示。

图8-80 成形法铣削齿轮

铣削时，工件安放在铣床的分度头上，铣刀做旋转运动，工作台作直线进给运动。每加工完一个齿槽后，铣刀沿齿槽方向退回原处，并对工件进行分度，然后再加工下一个齿槽。反复进行上述过程，直至全部齿槽加工结束。

铣制直齿圆柱齿轮时，工件在铣削时不旋转，一个齿槽铣削结束后再进行分度。铣制斜齿轮和螺旋齿轮时，将工作台转动一个角度，使其等于齿轮的螺旋角，工件随工作台做直线运动的同时，还由分度头带动做旋转运动，这两个运动的合成方向应与齿槽方向一致。

（1）生产成本低

在普通铣床上，即可完成齿形加工。齿轮铣刀结构简单，制造容易，因此生产成本低。对于缺乏专用齿轮加工设备的工厂较为方便。

（2）加工精度低

1）齿形误差大 模数相同而齿数不同的齿轮，其齿形渐开线的形状是不同的，齿数越多，渐开线的曲率半径就越大。铣削齿形的精度主要取决于铣刀的齿形精度。从理论上讲，同一个模数不同齿数齿轮的齿槽部应该用轮廓与齿槽形状相符合的铣刀来加工。这样就需要准备许多把铣刀，显然这是极不经济的。在实际生产中将同一模数的齿轮按齿数划分成若干组，每组采用同一个刀号的铣刀来加工，该刀号的铣刀的齿形与该组中最少齿数齿轮的齿槽形状一致。当加工其他齿数的齿轮时，就产生齿形误差。通常把同一模数的铣刀刀号分为8组或15组。表8-5列出了分成8组时各铣刀加工的齿数的范围。

表8-5 齿轮铣刀的编号

2）分度精度低 铣制齿轮时，采用分度头，铣床的分度头属于通用附件，其分度精度不高，所以分度误差较大。

3）表面粗糙度较大 铣削时冲击和振动较大，被加工的齿面是由铣刀的圆弧轨迹连接而成，加工的表面粗糙度大。

（3）生产效率低

铣齿时，由于每铣一个齿间都要重复进行切入、切出、退出和分度的工作，辅助时间和基本工艺时间增加，因此，生产率低。

成形法铣齿一般用于单件小批生产和设备维修中加工精度低于9级、齿面粗糙度Ra值为3.2～6.3μm的齿轮。

展成法（又称范成法）加工齿轮齿形的基本原理是利用一对齿轮的啮合运动来实现的，即一个是具有切削能力的齿轮刀具，另一个是被切的工件，通过专用齿轮加工机床按展成法切制出齿形。滚齿和插齿是展成法加工齿轮中最常见的加工方法。

（1）滚齿的加工过程

滚齿的工作原理相当于蜗杆与蜗轮的啮合原理，如图8-81所示。滚刀的形状相当于一个蜗杆，为了形成刀刃，在垂直于螺旋线的方向开出沟槽，并磨出刀刃，形成切削刃和前、后角，于是就变成滚刀。齿条与同模数的任何齿数的渐开线齿轮都能正确啮合，即滚刀刀齿侧面运动轨迹的包络线为渐开线齿形，在与工件啮合的过程中，形成齿面，如图8-82所示。因此，同一把滚刀可以加工模数、压力角相同而齿数不同的齿轮。

图8-81 滚齿加工示意图

图8-82 滚齿原理

（2）滚齿时滚刀与工件之间的运动

1）主运动 即滚刀的旋转运动。

2）分齿运动 是指滚刀与齿坯之间保持严格速比关系的运动。若工件的齿数为z，则当单头滚刀转一圈时，被切工件应转1/z圈；头数为k的多头滚刀转一圈时，被切工件应转k/z转。(www.xing528.com)

3）轴向进给运动 为了加工出齿轮的全部齿长，滚刀沿被切齿轮的轴向作直线进给运动。

（3）滚齿的工艺特点

1）生产率高 滚齿加工为多刀连续切削，切削速度较快，无辅助时间损失，一般情况下，生产率比铣齿、插齿要高。

2）加工精度高 因展成法滚齿不存在成形法铣齿的那种齿形曲线理论误差，所以分齿精度高。

（4）滚齿加工的应用

滚齿可加工7～8级精度、齿面粗糙度Ra值为1.6～3.2μm的直齿、螺旋齿圆柱齿轮和蜗轮，但不能加工内齿轮和相距很近的多联齿轮。

（1）插齿的工作过程

插齿是指利用插齿刀在插齿机上加工内、外齿轮或齿条等齿面的一种加工方法。插齿是按一对圆柱齿轮相啮合的原理进行加工的，插齿刀相当于一个在轮齿上磨出前角和后角，具有切削刃的齿轮，而齿轮坯则作为另一个齿轮。工作时，就是利用刀具上的切削刃来进行切削的。

（2）插齿运动

插齿时，工件和插齿刀的运动形式如图8-83所示。它共分为以下五个运动。

图8-83 插齿原理

1）主运动 是指插齿刀上下往复的直线运动。向下是切削运动，向上是返回行程。

2）分齿运动 是指插齿刀与齿轮坯之间严格保持一对齿轮副的啮合运动关系（即插齿刀以n₁，工件以n₂的相对运动关系转动）。

3）圆周进给运动 是指分齿运动中插齿刀每上下往复一次其分度圆周所转过的弧长。

4）径向进给运动 是指为了切至全齿深，插齿刀逐渐向齿轮坯中心移动的运动。

5）让刀运动 为了避免插齿刀在空行程中与齿轮坯已加工面摩擦而影响表面质量和减少刀具的磨损，应使齿轮坯让开一段距离；当插齿刀切削行程开始前，齿轮坯又恢复原位。齿轮坯所做的这种短距离往复运动称为让刀运动。

（3）插齿的工艺特点

1）加工精度较高 插齿刀的制造、刃磨和检验均较滚刀简便，易保证制造精度，但插齿的分齿传动链较滚齿机复杂，传动误差较大。插齿的精度高于铣齿，与滚齿差不多。一般可加工IT7以下的齿轮。

2）生产率较低 由于插齿时插齿刀作直线往复运动，速度的提高受到一定的限制，故生产率低于滚齿。

3）表面粗糙度值小 插齿时，插齿刀沿齿宽连续地切下切屑，啮合时载荷分布的均匀性好。在插齿过程中，包络齿形的切线数量比较多，所以插齿的齿面表面粗糙度值小。表面粗糙度Ra值可达1.6μm

（4）插齿加工的应用

插齿可以加工直齿和斜齿圆柱齿轮，但由于它的生产率没有滚齿高，插齿刀的制造也比齿轮滚刀复杂，所以，插齿多用于加工用滚刀难以加工的内齿轮、多联齿轮或带有台肩的齿轮等。