齿面加工概述
一、齿轮概述
齿轮传动广泛应用于机床、汽车、飞机、船舶及精密仪器等行业中，因此，在机械制造中，齿轮生产占有极其重要的位置。其功用是按规定的速比传递运动和动力。
1.圆柱齿轮的结构特点
圆柱齿轮的结构因使用要求不同而有所差异。从工艺角度出发可将其分成齿圈和轮体两部分。按照齿圈上轮齿的分布形式，可以分为直齿、斜齿、人字齿等；按照轮体的结构形式，齿轮可分为盘类齿轮、套类齿轮、轴类齿轮，齿条等。如下图所示。
圆柱齿轮的结构形式直接影响齿轮加工工艺的制订。普通单齿圈齿轮的工艺性最好，可以采用任何一种加工齿形加工方法加工齿轮。双链或三联等多齿圈齿轮的小齿圈的加工受其轮缘间轴向距离的限制，其齿形加工方法的选择就受到限制，加工工艺性教差。
2.圆柱齿轮的技术要求
齿轮的传动精度要求
齿轮制造精度的高低直接影响到机器的工作性能、承载能力、噪声和使用寿命，因此根据齿轮的使用要求，对齿轮传动提出四个方面的精度要求。
①传递运动的准确性即要求齿轮在一转中的转角误差不超过一定范围。使齿轮副传动比变化小，以保证传递运动准确。
②传递运动的平稳性即要求齿轮在一齿转角内的最大转角误差在规定范围内。使齿轮副的瞬时传动比变化小，以保证传动的平稳性，减少振动、冲击和噪声。
③载荷分布的均匀性要求齿轮工作时齿面接触良好，并保证有一定的接触面积和符合要求的接触位置，以保证载荷分布均匀。不至于齿面应力集中，引起齿面过早磨损，从而降低使用寿命。
④传动侧隙的合理性要求啮合轮齿的非工作齿面间留有一定的侧隙，方便于存储润滑油，补偿弹性变形和热变形及齿轮的制造安装误差。
国家标准GB10095—88《渐开线圆柱齿轮精度》对齿轮、齿轮副规定了12个精度等级，其中第一级最高，第12级最低，
标准将齿轮每个精度等级的各项公差与极限偏差分成三个公差组。具体见下表
各公差组对传动性能的主要影响
公差组
公差与极限偏差项目
误差特性
对传动性能的主要影响
Ⅰ
F i ″， F p， F pk ″，F i ″，F i ″， F r，F w
以齿轮一转为周期的误差
传递运动的准确性
Ⅱ
f i ″， f f ， f pt ， f pb ， f i ″， f fβ
在齿轮一转内，多次周期重复出现的误差
传递运动的平稳性、噪声、振动
Ⅲ
F β ″， F b， F px ″
齿向、接触线的误差
载荷分布的均匀性
二、齿轮的材料
齿轮应按照使用时的工作条件选用合适的材料。齿轮材料的选择对齿轮的加工性能和使用寿命都有直接的影响。
速度教高的齿轮传动，齿面容易产生疲劳点蚀，应选择齿面硬度较高而硬层较厚的材料；有冲击载荷的齿轮传动，轮齿容易折断，应选择韧性较好的材料；低速重载的齿轮传动，轮齿容易折断，齿面易磨损，应选择机械强度大，齿面硬度高的材料。
45 钢热处理后有较好的综合机械性能。经过正火或调质可改善金相组织和材料的可切削性，降低加工后的表面粗糙度，并可减少淬火过程中的变形。因为45钢淬透性 差 整体淬火后材料变脆，变形也大，所以一般采用齿面表面淬火，硬度可达HRC52-58。适合于机床行业，7级精度以下的齿轮。
40Cr是中碳合金钢，和45钢相比，少量铬合金的加入可以使金属晶粒细化，提高强度、改善淬透性，减少了淬火时的变形。
使齿轮获得高的齿面硬度而心部又有足够韧性和教高的抗弯曲疲劳强度的方法是渗碳淬火，一般选用低碳合金钢18CrMnTi，它具有良好的切削性能，渗碳时工件的变形小，淬火硬度可达到HRC56-62，残留的奥氏体量也少，多用于汽车，、拖拉机中承载大而有冲击的齿轮。
38CrMoAlA氮化钢经氮化处理后，比渗碳淬火的齿轮具有更高的耐磨性与耐腐蚀性，变形很小，可以不磨齿，多用来作为高速传动中需要耐磨的齿轮材料。
铸铁容易铸成复杂的形状，容易切削，成本低，但其抗弯强度、耐冲击和耐磨性能差。故常用于受力不大、无冲击、低速的齿轮，
有色金属作为齿轮材料的有黄铜HPB59-1青铜QSNP10-1和铝合金LC4。
非金属材料中的夹布胶木、尼龙、塑料也常用于制造齿轮。这些材料具有易加工、传动噪声小、耐磨、减振性好等优点，使用于轻载、需减振、低噪声、润滑条件差的场合。
三、齿轮的热处理
1.齿坯热处理
钢 料齿坯最常用的热处理为正火或调质。正火安排在铸造或锻造之后，切削加工之前。这样可以消除钢件中残留的铸造或锻造内应力，并且使铸造或锻造后组织上的不 均匀性通过重新结晶得到细化而均匀的组织，从而改善了切削性能和表面粗糙度，还可以减少淬火时变形和开裂的倾向。调质同样起到了细化晶粒和均匀组织的作 用，只不过它可以使齿坯韧性更高些，但切削性能差一些。
对于棒料齿坯，正火或调质一般安排在粗车之后，这样可以消除粗车形成的内应力。
2.轮齿热处理
轮齿常用的热处理为高频淬火、渗碳、氮化。
高频淬火可以形成比普通淬火稍高硬度的表层，并保持了心部的强度与韧性。
渗碳可以使齿轮在淬火后表面具有高硬度且耐磨，心部依然保持一定的强度和较高的韧性。
氮化是将论置于氨气中并加热到520-560度，使活性氮原子渗入轮齿表面层，形成硬度很高的氮化物薄层。
在齿轮生产中，热处理质量对齿轮加工精度和表面粗糙度影响很大。往往因热处理质量不稳定，引起齿轮定位基面及齿面变形过大或表面粗糙度太大而大批报废，成为齿轮生产中的关键问题。
3.齿轮毛坯的制造
齿 轮毛坯形式主要有棒料、锻件、铸件。棒料用于小尺寸、结构简单而且对强度要求低的齿轮。锻件多用于齿轮要求强度高、耐冲击和耐磨。当齿轮直径大于 400-600毫米时，常用铸造方法铸造齿坯。为了减少机械加工量，对大尺寸、低精度齿轮，可以直接铸出轮齿；压力铸造，精密铸造、粉末冶金、热扎和冷挤 等新工艺，可制造出具有轮齿的齿坯等新工艺，可制造出具有轮齿的齿坯，以提高劳动生产率，节约原材料。
四、齿坯加工
齿坯加工，在齿轮的整个加工过程中占有重要的位置。齿轮的孔、端面或外圆常作为齿形加工的定位、测量和装配的基准，其加工精度对整个齿轮的精度有着重要的影响。另外，齿坯加工在齿轮加工总工时中占有较大的比例，因此吃皮加工在整个齿轮加工中占有重要的地位。
1.齿坯加工精度
齿 轮在加工、检验和装夹时的径向基准面和轴向基准面应尽量一致。一般情况下，以齿轮孔和端面为齿形加工的基准面，所以齿坯精度中主要是对齿轮孔的尺寸精度和 形状精度、孔和端面的位置精度有较高的要求；当外圆作为测量基准或定位、找正基准时，对齿坯外圆也有较高的要求。具体见下表。
齿坯尺寸和形状
齿坯精度等级
4
5
6
7
8
9
10
孔的尺寸和形状公差
IT4
IT5
IT6
IT7
IT8
轴的尺寸和形状公差
IT4
IT5
IT6
IT7
顶圆直径公差
IT7
IT8
IT9
齿坯基准面径向和端面圆跳动公差
分度园直径/mm
精度等级
大于
到
4
5
6
7
8
9
10
—-
125
7
11
18
28
125
400
9
14
22
36
400
800
12
20
32
50
2.齿坯加工方案
齿坯加工工艺方案主要取决于齿轮的轮体结构，技术要求和生产类型。齿坯加工的主要内容有：齿坯的孔、端面、顶尖孔（轴类齿轮）以及齿圈外圆和端面的加工。对于轴类齿轮和套筒齿轮的齿坯，其加工过程和一般轴、套类基本相同，以下主要讨论盘类齿轮齿坯的加工工艺方案。
3.单件小批生产的齿坯加工
一般齿坯的孔、端面及外圆的粗、精加工都在通用车床上经两次装夹完成，但必须注意将孔和基准端面的精加工在一次装夹内完成，以保证位置精度。
4.成批生产的齿坯加工
成批生产齿坯时，经常采用“车→拉→车”的工艺方案。
①．以齿坯外圆或轮毂定位，粗车外圆、端面和内孔。
②．以端面定位，拉孔。
③．以孔定位，精车外圆及端面等。
5.大批量生产的齿坯加工
大批量生产，应采用高生产率的机床和高效专用夹具加工。在加工中等尺寸齿轮齿坯时，均多采用“钻→拉→多刀车”的工艺方案：
①．以毛坯外圆及端面定位，进行钻孔或扩孔。
②．拉孔
③．以孔定位，在多刀半自动车床上粗、精车外圆、端面、车槽及倒角等。
五、圆柱齿轮齿形加工方法和加工方案
1.概述
齿 形加工方法可分为无屑加工和切削加工两类。无屑加工主要有热扎、冷扎、压铸、注塑、粉末冶金等，无屑加工生产率高，材料消耗小，成本低，但由于受到材料塑 性和加工精度低的影响，目前尚未广泛应用。齿形切削加工加工精度高，应用广，按照加工原理，可分为成形法和展成法。成形法采用与被加工齿轮齿槽形状相同的 刀刃的成形刀具来进行加工，常用的有指状铣刀铣齿、盘形铣刀铣齿、齿轮拉刀拉拉齿和成形砂轮磨齿。展成法的原理是使齿轮刀具和齿坯严格保持一对齿轮啮合的 运动关系来进行加工，象滚齿、插齿、剃齿、珩齿、挤齿和磨齿等。
齿圈上的齿形加工是整个齿轮加工的核心。尽管齿轮加工有许多工序，但都是为齿形加工服务，其目的在于最终获得符合精度要求的齿轮。
2.齿形加工方案的选择
齿形加工方案的选择，主要取决于齿轮的精度等级，结构形状、生产类型和齿轮的热处理方法及生产工厂的现有条件，对于不同精度等级的齿轮，常用的齿形加工方案如下：
①．8级或8级精度以下的齿轮加工方案：
对于不淬硬的齿轮用滚齿或插齿即可满足加工要求；对于淬硬齿轮可采用滚（或插）→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样要求提高一级。
②．6-7级精度的齿轮。对于淬硬齿面的齿轮可以采用滚（插）齿→齿端加工→表面淬火→校正基准→磨齿，这种方案加工精度稳定；也可以采用滚（插）→剃齿或冷挤→表面淬火→校正基准-内啮合珩齿的加工方案，此方案加工精度稳定，生产率高。
③．5 级精度以上的齿轮。一般采用粗滚齿-精滚齿-表面淬火-校正基准—粗磨齿-精磨齿的加工方案。大批量生产时也可采用粗磨齿-精磨齿-表面淬火-校正基准- 磨削外珩自动线的加工方案。这种加工方案的齿轮精度可稳定在5级以上，且齿面加工纹理十分错综复杂，噪声极低，是品质极高的齿轮。
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