圆柱齿轮加工工艺和常用工艺装备

一、 齿轮的功用与结构特点

齿轮传动在现代机器和仪器中的应用极为广泛，其功用是按规定的速比传递运动和动力。

齿轮的结构由于使用要求不同而具有各种不同的形状，但从工艺角度可将齿轮看成是由齿圈和轮体两部分构成。按照齿圈上轮齿的分布形式，可分为直齿、斜齿、人字齿等；按照轮体的结构特点，齿轮大致分为盘形齿轮、套筒齿轮、轴齿轮、扇形齿轮和齿条等等，如图9-1所示。

在上述各种齿轮中，以盘形齿轮应用最广。盘形齿轮的内孔多为精度较高的圆柱孔和花键孔。其轮缘具有一个或几个齿圈。单齿圈齿轮的结构工艺性最好，可采用任何一种齿形加工方法加工轮齿；双联或三联等多齿圈齿轮(图9-1b、c)。当其轮缘间的轴向距离较小时，小齿圈齿形的加工方法的选择就受到限制，通常只能选用插齿。如果小齿圈精度要求高，需要精滚或磨齿加工，而轴向距离在设计上又不允许加大时，可将此多齿圈齿轮做成单齿圈齿轮的组合结构，以改善加工的工艺性。

二、齿轮的技术要求

齿轮本身的制造精度，对整个机器的工作性能、承载能力及使用寿命都有很大的影响。根据其使用条件，齿轮传动应满足以下几个方面的要求。

（一）传递运动准确性

要求齿轮较准确地传递运动，传动比恒定。即要求齿轮在一转中的转角误差不超过一定范围。

（二）传递运动平稳性

要求齿轮传递运动平稳，以减小冲击、振动和噪声。即要求限制齿轮转动时瞬时速比的变化。

（三）载荷分布均匀性

要求齿轮工作时，齿面接触要均匀，以使齿轮在传递动力时不致因载荷分布不匀而使接触应力过大，引起齿面过早磨损。接触精度除了包括齿面接触均匀性以外，还包括接触面积和接触位置。

（四）传动侧隙的合理性

要求齿轮工作时，非工作齿面间留有一定的间隙，以贮存润滑油，补偿因温度、弹性变形所引起的尺寸变化和加工、装配时的一些误差。

齿轮的制造精度和齿侧间隙主要根据齿轮的用途和工作条件而定。对于分度传动用的齿轮，主要要求齿轮的运动精度较高；对于高速动力传动用齿轮，为了减少冲击和噪声，对工作平稳性精度有较高要求；对于重载低速传动用的齿轮，则要求齿面有较高的接触精度，以保证齿轮不致过早磨损；对于换向传动和读数机构用的齿轮，则应严格控制齿侧间隙，必要时，须消除间隙。

B10095?88中对齿轮及齿轮副规定了12个精度等级，从1~12顺次降低。其中1~2级是有待发展的精度等级，3~5级为高精度等级，6~8级为中等精度等级，9级以下为低精度等级。每个精度等级都有三个公差组,分别规定出各项公差和偏差项目，见表9-1。

表9-1 齿轮公差组

三、齿轮的材料、热处理和毛坯

（一）齿轮的材料与热处理

1．材料的选择

齿轮应按照使用时的工作条件选用合适的材料。齿轮材料的合适与否对齿轮的加工性能和使用寿命都有直接的影响。

一般来说，对于低速重载的传力齿轮，齿面受压产生塑性变形和磨损，且轮齿易折断。应选用机械强度、硬度等综合力学性能较好的材料，如18CrMnTi；线速度高的传力齿轮，齿面容易产生疲劳点蚀，所以齿面应有较高的硬度，可用38CrMoAlA氮化钢；承受冲击载荷的传力齿轮，应选用韧性好的材料，如低碳合金钢18CrMnTi；非传力齿轮可以选用不淬火钢，铸铁、夹布胶木、尼龙等非金属材料。一般用途的齿轮均用45钢等中碳结构钢和低碳结构钢如 20Cr、40Cr、20CrMnTi等制成。

2．齿轮的热处理

齿轮加工中根据不同的目的，安排两类热处理工序。

(1)毛坯热处理在齿坯加工前后安排预备热处理—正火或调质。其主要目的是消除锻造及粗加工所引起的残余应力，改善材料的切削性能和提高综合力学性能。

(2)齿面热处理齿形加工完毕后，为提高齿面的硬度和耐磨性，常进行渗碳淬火，高频淬火，碳氮共渗和氮化处理等热处理工序。

（二）齿轮毛坯

齿轮毛坯形式主要有棒料、锻件和铸件。棒料用于小尺寸、结构简单且对强度要求不太高的齿轮。当齿轮强度要求高，并要求耐磨损、耐冲击时，多用锻件毛坯。当齿轮的直径大于Φ400~Φ600时，常用铸造齿坯。为了减少机械加工量，对大尺寸、低精度的齿轮，可以直接铸出轮齿；对于小尺寸，形状复杂的齿轮，可以采用精密铸造、压力铸造、精密锻造、粉末冶金、热轧和冷挤等新工艺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

齿形加工之前的齿轮加工称为齿坯加工，齿坯的内孔(或轴颈)、端面或外圆经常是齿轮加工、测量和装配的基准，齿坯的精度对齿轮的加工精度有着重要的影响。因此，齿坯加工在整个齿轮加工中占有重要的地位。

（一）齿坯加工精度

齿坯加工中，主要要求保证的是基准孔(或轴颈)的尺寸精度和形状精度、基准端面相对于基准孔(或轴颈)的位置精度。不同精度的孔(或轴颈)的齿坯公差以及表面粗糙度等要求分别列于表9-2、表9-3和表9-4中。

表9-2 齿坯公差

①当三个公差组的精度等级不同时，按最高精度等级确定公差值。

②当顶圆不作为测量齿厚基准时，尺寸公差按IT11给定，但应小于0．1mm。

表9-3 齿轮基准面径向和端面圆跳动公差(μm)

表9-4 齿坯基准面的表面粗糙度参数Ra(μm)

（二）齿坯加工方案

齿坯加工方案的选择主要与齿轮的轮体结构、技术要求和生产批量等因素有关。对轴、套筒类齿轮的齿坯，其加工工艺与一般轴、套筒零件的加工工艺相类同。下面主要对盘齿轮的齿坯加工方案作一介绍。

1.中、小批生产的齿坯加工中小批生产尽量采用通用机床加工。对于圆柱孔齿坯，可采用粗车—精车的加工方案：

（1）在卧式车床上粗车齿轮各部分；

（2）在一次安装中精车内孔和基准端面，以保证基准端面对内孔的跳动要求；

（3）以内孔在心轴上定位，精车外圆、端面及其它部分。

对于花键孔齿坯，采用粗车—拉—精车的加工方案。

2.大批量生产的齿坯加工

大批量生产中，无论花键孔或圆柱孔，均采用高生产率的机床(如拉床、多轴自动或多刀半自动车床等)，其加工方案如下：

（1）以外圆定位加工端面和孔(留拉削余量)；

（2）以端面支承拉孔；

（3）以孔在芯轴上定位，在多刀半自动车床上粗车外圆、端面和切槽；

（4）不卸下芯轴，在另一台车床上续精车外圆、端面、切槽和倒角，如图9-2所示。