江南大学网络教育学院齿轮的加工方法Word格式.docx
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4.2工艺过程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11
结束语„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12
参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„13
第一章齿轮转动基础知识
1.1概述
齿轮传动是应用最广泛的传动机构之一。
齿轮传动的主要优点是：
适用的圆周速度和功率范围广；
效率较高，一般=0.94～0.99；
传动比准确；
寿命较长；
工作可靠性较高；
可实现平行轴、任意角相交轴和任意角交错轴之间的传动。
齿轮转动的主要缺点是：
要求较高的制造和安装精度，成本较高；
不适宜远距离两轴之间的传动。
齿轮传动的类型很多，最常见的是：
两轴线相互平行的圆柱齿轮传动，两轴线相交的圆锥齿轮传动，两轴线交错在空间既不平行也不相交的螺旋齿轮传动。
圆柱齿轮传动又可分为直齿圆柱齿轮传动，斜齿圆柱齿轮传动和人字齿圆柱齿传动。
按照轮齿排列在圆柱体的外表面、内表面或平面上，它又可分为外啮合齿轮传动、内啮合齿轮传动和齿轮齿条传动（图a.b.c）。
此外，按照齿轮传动的工作条件又分为开式传动和闭式传动
直齿圆柱齿轮的构造最简单，应用最广泛，本章仅以它为典型，分析齿轮传动的基本原理和设计计算的基本方法
1.2.齿廓啮合的基本定律
对齿轮传动的基本要求是其瞬时角速度之比（传动比）必须保持恒定，否则，当主动轮以等角速度回转时，由于从动轮角速度的变化，而产生惯性力。
这种惯性力不仅影响齿轮的寿命，而且还引起机器的振动和噪音，影响其传动质量。
齿廓啮合基本定律就是研究当齿廓形状符合什么条件时才能满足这个基本要求。
如图
（1）所示出一对齿廓的啮合，两啮合齿轮的齿廓E1和E2在K点相接触。
两轮的角速度分别为w1和w2，vK1为齿廓E1上K点的速度，vK1＝w1×
O1K；
vK2为齿轮E2上K点的速度，vK2=w2×
O2K。
图
（1）一对齿廓的啮合
过K点作两齿廓的公法线nn交连心线于C点，由于两齿廓在啮合过程中不应互相压入或分离，所以vK1和vK2在nn方向的分速度应相等，故ab⊥nn。
过O2作O2z∥nn，与O1K的延长线交于z点,因ΔKab与ΔKO2z的对应边互相垂直，故ΔKO2z～ΔKab，因而：
Kz/O2K=Kb/Ka=vK1/vK2=（w1×
O1K）/（w2×
O2K）
即Kz/O1K=w1/w2又因ΔO1O2z～ΔO1cK，cK∥O2z故Kz/O1K=O2c/O1c
因而得：
w1/w2=O2c/O1c
上式说明两轮的角速度与连心线被齿廓接触点的公法线所分得的两线段成反比。
由此可见，要使两轮的传动比恒定，应使比值O2c/O1c为常数。
因两齿轮中心距O1O2为定长，故欲满足上述要求，必须使c点为连心线上的一个固定点。
此固定点c称为节点。
两轮齿廓不论在任何位置接触，过接触点所作的齿廓公法线都必须通过中心连线的一定点，这就是齿廓啮合基本定律。
凡能满足齿廓啮合基本定律的一对齿廓称为共轭齿廓。
齿廓曲线的选择要求满足齿廓啮合基本定律之外，还必须考虑制造、安装和强度要求。
在机械中，通常采用渐开线齿廓、摆线齿廓和圆弧齿廓等，其中渐开线齿廓应用最广。
本章仅讨论渐开线齿轮传动。
第二章齿轮的发展历史及我国齿轮发展现状
据史料记载，远在公元前400～200年的中国古代就已开始使用齿轮，在我国山西出土的青铜齿轮是迄今已发现的最古老齿轮，作为反映古代科学技术成就的指南车就是以齿轮机构为核心的机械装置。
17世纪末，人们才开始研究能正确传递运动的轮齿形状。
18世纪，欧洲工业革命以后，齿轮传动的应用日益广泛，先是发展摆线齿轮，而后是渐开线齿轮。
一直到20世纪初，渐开线齿轮已在应用中占了优势。
2.1国外齿轮发展情况
早在1694年，法国学PhilippeDeLaHare首先提出渐开线可作为齿形曲线。
1733年，法国人M.Clause提出轮齿接触点的公法线必须通过中心连线上的节点。
一条辅助瞬心线分别沿大轮和小轮的瞬心线（节圆）纯滚动时，与辅助瞬心线固联的辅助齿形在大轮和小轮上所包络形成的两齿廓曲线是彼此共轭的，这就是Camus定理。
它考虑了两齿面的啮合状态，明确建立了现代关于接触点轨迹的概念。
1765年瑞士的L·
Euler提出渐开线齿形解析研究的数学基础，阐明了相啮合的一对齿轮，其齿形曲线的曲率半径和曲率中心位置的关系．后来Savary进一步完成这-方法，成为现在的Euler－Savary方程．对渐开线齿形应用作出贡献的是RobertWillis.他提出中心距变化时，渐开线齿轮具有角速比不变的优点．1873年德国工程师Hoppe提出，对不同齿数的齿轮在压力角改变时的渐开线齿形，从而奠定了现代变位齿轮的思想基础．
19世纪末，展成切齿法的原理及利用此原理切齿的专用机床与刀具的相继出现，使齿轮加工具有较完备的手段后，渐开线齿形更显示出巨大的优越性。
切齿时只要将切齿工具从正常的啮合位置稍作移动，就能用标准刀具在机床上切出相应的变位齿轮、1908年，瑞士MAAG研究了变位方法并制造出展成加工插齿机。
后来，英国bss、美国AGMA、德国DIN相继对齿轮变位提出了多种计算方法。
为了提高动力传动齿轮的使用寿命并减小其尺寸。
除从材料、热处理及结构等方面改进了外圆弧齿形的齿轮获得了发展。
1907年，英国人FrankHumphris最早发表了圆弧齿形．1926年．瑞士人EruestWildhaber取得法面圆弧齿形斜齿轮的专利权。
1955年，苏联的M·
L·
Novikov完成了圆弧齿形齿轮的实用研究并获得列宁勋章。
1970年。
英国Rolls－Royce公司工程师R·
M.·
Studer取得了双圆弧齿轮的美国专利。
这种齿轮现已日益为人们所重视，在生产中发挥了显著效益。
2.2我国齿轮的发展情况
新中国成立后，当时基本上没有生产齿轮的能力，经过第一、二个五年计划的努力。
我国初步形成了一套包括汽车、机床、重型机械。
电站设备、石油化工与通用设备等机械制造能力，同时，齿轮制造业也随着发展起来。
到1963年左右。
我国不仅已能成批生产齿轮，而且一般规格的齿轮机床与刀具、量仪也能由国内制造。
后来，国家新建和改建了一大批齿轮与齿轮箱的专业厂与专业车间。
进一步扩大了齿轮配套的生产能力，到70年代末，已基本上形成我国齿轮制造工业的完整体系。
圆柱齿轮在机械产品中应用广泛，品种、规格繁多。
长期来，在齿形上以采用渐开线齿形为主。
在一般设计中较多采用中碳钢（或中碳合金钢）调质处理的齿轮（也称软齿面齿轮）。
很少采用低碳合金钢经渗碳淬火处理的齿轮（也称硬齿面齿轮）。
在工艺上，对于如汽车、拖拉机工业中大批生产的中、小模数齿轮；
通常采用滚（插）齿一剃（挤）齿一热处理一珩齿工艺。
对于冶金、矿山、起重运输、通用等机械中所用的大、中模数齿轮，一般采用调质处理一滚齿工艺；
对于电站、石油化工、冶金、船用等机械中的高速齿轮多数采用调质处理--滚齿--剃齿工艺，但近年来，滚齿--渗碳--淬火处理一磨齿工艺逐渐发展起来。
1959年以后．针对当时渐开线齿轮齿面接触强度差、工艺水平低、质量差的薄弱环节，我国从苏联引进了圆弧齿轮的科技成果，利用轴向共轭代替端面共轭和利用圆弧齿轮齿面接触强度比较高的特点，代替了不少机械产品的渐开线齿轮，70年代末，在一系列高速与低速传动中成功地应用单圆弧齿轮的基础上，采用双圆弧齿轮代替单圆弧齿轮，使抗弯强度提套40%~60%,工艺上改善了，应用范围获得了进一步扩大。
1970年以来，工业发达国家随着机械产品功率与参数的提高，对齿轮结构尺寸、性能与可靠性要求也提高了，硬齿面齿轮日益发展．目前正在对硬齿面齿轮的设计、工艺、材料热处理、试验等进行一系列研究．我国已经研制出一批较高设计参数的硬齿面齿轮，如应用于压缩机与轧钢机的齿轮功率3000~4500kw，圆周速度140~152m/s，负荷系数180~310N/cm2精度等级4~5级；
已能成批制造用于加工硬齿面的超硬刀具；
国产新系列滚齿机巳能适应加工硬齿面齿轮的需要。
为了进一步提高齿轮的精度水平，我国正在贯彻JB179-83"
渐开线圆柱齿轮精度标准"
，普遍提高了对齿轮量仪的要求。
目前对于中等尺寸以下的中小模数齿轮，各种量仪巳基本配套，大模数齿轮上置式周节测量仪已研制出来；
1968年我国首创了齿轮整体误差测量理论和方法，1970年运用这一方法研制成了截面整体误差测量仪，从而将我国齿轮测量技术发展到动态综合测量的新阶段。
近年来，结合贯彻齿轮精度标准，广泛开展了基础工艺技术的研究试验，如精滚工艺试验、确定经济工艺的技术条件和精度等级；
修磨剃齿刀齿形获得齿轮理想接触区试验；
改变刀具材料实现硬齿面剃齿的试验；
采用负变位剃齿刀消除齿面中凹试验。
"
改变珩齿结构和材料，提高齿面精度质量；
磨齿修缘与齿向修形的试验等等，都大大促进了齿轮精度水平的提高。
汽车、拖拉机、矿山及运输设备等所用的螺旋园锥齿轮，大多采用美国格利森制。
这种齿轮生产批量大，但因切齿计算与调整繁复，生产上难以获得理想的轮齿接触区，制造质量差，使用寿命不高．七十年代以来，在引进国外加工设备与整套电算程序基础上；
开展对螺旋锥齿轮啮合理论的研究消化掌握其程序软件。
在生产上已取得成效。
在要求单级减速比大、传递扭矩大的传动中，大多采用蜗杆副，一般设计为轴向直廓的圆柱蜗杆副。
多数用在传递运动的机床上和功率不大的动力传动中，为改善齿面润滑条件提高承载性能，发展了一种圆弧圆柱蜗杆副。
与此同时，针对大中型重载传动，还发展了直廓环面蜗杆副与平面包络环面蜗杆副。
这些蜗杆减速器均有工厂成批生产。
另外，各种行星式传动发展迅速。
有低速行星齿轮减速器、高速行星齿轮箱，还有摆线针轮减速器、各种少齿差减速器与谐波齿轮减速器等。
目前．我国每年生产各种齿轮减速器已达十多万台。
我国越来越多的人掌握了齿轮啮合原理的分析方法，对复杂曲面的几何计算还提供了各种计算方法，一般能从啮合理论的观点，分析计算各种齿轮的参数。
因而提高了我国齿轮设计的水平。
我国在齿轮材料、热处理技术与齿轮试验技术与测试方法方面也积累了不少的经验。
综上所述，我国齿轮生产已达相当规模。
设计与工艺水乎不断提高，有一批齿轮产品已经接近或达到国际水平，但就总体来讲还有一定差距，需要我们共同努力，狠抓薄弱环节，才能有更大进展
2.3发展趋势
国际上，动力传动齿轮装置正沿着小型化、高速化、标准化方向发展．特殊齿轮的应用、行星齿轮装置的发展、低振动、低噪声齿轮装置的研制是齿轮设计方面的一些特点．为达到齿轮装置小型化目的，可以提高现有渐开线齿轮的承载能力。
各国普遍采用硬齿面技术，提高硬度以缩小装置的尺寸；
也可应用以圆弧齿轮为代表的特殊齿形。
英法合作研制的舰载直升飞机主传动系统采用圆弧齿轮后，使减速器高度大为降低。
随着船舶动力由中速柴油机代替的趋势，在大型船上采用大功率行星齿轮装置确有成效；
现在冶金、矿山、水泥一轧机等大型传动装置中，行星齿轮以其体积小、同轴性好、效率高的优点而应用愈来愈多。
由于机械设备向大型化发展，齿轮的工作参数提高了。
如高速齿轮的传递功率为1000-30000kw。
齿轮圆周速度为20~200m／s（1200-12000r／min），设计工作寿命为5X104-10X104小时；
轧钢机齿轮的圆周速度已由每秒几米提高到20m/s，甚至30～50m/s。
传递扭矩达l00~200t.m,要求使用寿命在20～30年以上。
这些齿轮的精度等级一般在3～8级。
并对平稳性与噪声有较高的要求。
对于高速齿轮在圆周速度超过100m／s时，由于运转中的热效应要求在设计时对产生的热变形进行修正，使齿轮在工作时达到一个正常的啮合状态。
特别对于高速重载齿轮，更要加以考虑。
其次，对于低速重载齿轮如轧钢机齿轮，由于采用硬齿面齿轮后，其齿面负荷系数增加而引起的整个齿轮装置系统的弹性变形变得突出了，所以有时也要对反映到齿面的弹性变形进行修正。
这种对齿轮轮齿修形的技术是目前大功率、高速、重载齿轮制造的一个重要趋势。
在齿轮制造技术方面．重点是进行硬齿面加工，尤其是大型硬齿面齿轮的切切与热处理工艺的发展，如超硬切齿、滚内齿、成形磨齿、大模数齿轮珩齿、弹性砂轮抛光、轮齿修形、以及深层沙碳等新工艺正在生产上不断地试验与应用。
齿轮制造工艺的发展很大程度上表现在精度等级与生产效率的提高．自七十年代以来各种齿轮的制造精度，普遍提高一级左右．有的甚至2～3级．一般低速齿轮精度由过去的8～9级提高到7～8级。
机床齿轮由6～8级提高到4～6级．轧机齿轮由7～8级提高到5～6级。
对于模数不大的中小规格齿轮，由于高性能滚齿机的开发，加上刀具材料的改善，滚齿效率有了显著提高。
采用多头滚刀，在大进给条件下，可达到的切削速度为90m/s。
如用超硬滚刀加工模数3左右的调质钢齿轮，切削过度可达200m／s．
第三章齿轮的种类及应用范围
3.1齿轮的种类
按照齿圈上轮齿的分布形式，可分为直齿，斜齿，人字齿轮；
按照齿圈上轮齿的齿形，可分为渐开线齿轮和摆线齿轮等；
按照轮体的结构特点，齿轮大致分为盘形齿轮，套筒齿轮，内齿轮，轴齿轮，扇形齿轮和齿条等。
以上各种齿轮中，以渐开线齿形直齿盘形圆柱齿轮应用最为广泛。
盘形齿轮的内孔多位精度较高的圆柱孔或花键孔，其轮沿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齿轮；
双联或三联等多齿圈齿轮。
齿轮精密锻造技术源于德国。
早在50年代，由于缺乏足够的齿轮加工机床，德国人开始用闭式热模锻的方法试制锥齿轮。
其中的主要特征是使用了当时很新的电火花加工工艺来制造锻模的型腔。
另外还对锻造工艺过程进行了严格地控制。
在此基础上，齿轮锻造技术进一步应用到螺旋锥齿轮和圆柱齿轮的生产。
但是在圆柱齿轮锻造中，由于金属材料的塑性流动方向与其受力方向垂直，所以其齿形比锥齿轮更难形成。
60年代开始圆柱齿轮的锻造研究，70年代有较大的发展，这主要是受到来自汽车工业降低成本的压力。
到80年代，锻造技术更加成熟，能达到更高的精度和一致性，使锻造生产齿轮能在流水生产线上准确定位，适合于批量生产。
齿轮精密锻造的目的是直接生产出不需要后续切削加工的齿轮。
如果能在室温下进行锻造，则齿轮的形状和尺寸较易控制，也可避免高温带来的误差。
目前已有较多的锥齿轮和小尺寸的圆柱齿轮用这种方法制成。
当整体尺寸适合时，还可以用冷挤压的工艺来制造圆柱直、斜齿轮。
但大部分用于汽车传动的齿轮，其直径、高度比较大，不适合采用挤压工艺。
如用闭式模锻，则需要很高的压力才能使金属材料流动并充满模具型腔，因而此类齿轮需要采用热锻或温锻工艺。
而高温将带来材料的氧化，模具畸
变，影响锻件的精度和表面质量。
用附加的切削加工来修正这些误差难度较大，还要增加成本。
特别是当使用后续磨削工艺来修正齿形上的误差，除增加成本和延长工时外，还存在磨削工艺中齿轮的定位问题。
目前，比较一致认同的工艺途径为热锻、温锻和冷锻的结合。
热锻、温锻可实现高效能和材料的高利用率，冷锻过程则修正热、温锻过程的误差和提高表面质量。
同时，冷处理工艺还能使轮齿表面获得残余压应力，提高齿轮的寿命。
3.2齿轮的应用
空心圆柱坯常用于空心轴对称零件或齿轮的锻造。
图1为一用于圆柱直齿轮的闭式模锻的设计。
图中右侧显示锻造前的情形，左侧显示锻造后的情形。
该模具由上模（冲头），下模（反冲头），芯棒和具有轮廓的型腔构成（如图所示）。
模具型腔部分由弹簧支承，在锻造过程中，冲头随压机滑块一起向下运动，并带动模具型腔向下运动。
由于冲头只需封住型腔上表面，无需压入型腔，因此冲头可作成简单的形状。
该设计中冲头为一阶梯圆柱形状。
反向冲头在锻造过程中保持静止，在锻造后把齿轮顶出型腔。
芯棒此处与冲头连成一体，用来帮助毛坯的定位。
由于型腔在锻造过程中与锻件一起运动，型腔与锻件之间的摩擦力将有助于金属流动，所需载荷也比型腔固定时低。
图1
锻件的形状不仅受高温热膨胀的影响，而且与模具的弹性变形有关，后者与载荷和径向压力有关。
在齿轮锻造中，轮齿的角部最后形成。
正是在此最后填充阶段，载荷急剧上升。
例子显示，冲头最后的013mm的冲程（112%的总变形）会导致增加50%的载荷。
可以从模具设计上加以考虑来减小载荷。
比如引入倒角可使金属易于流入轮齿的上下角部；
由此带来的端部余量可在后续切削工序中容易地去掉。
这样一来，模具的畸变减小，寿命延长，锻件精度提高。
对本文涉及的关于圆柱直齿轮的例子，详细分析了几种可能的模具设计方案：
如把模具型腔固定，对冲头和冲头倒角，并用有限元分析了各种情形下金属的流动、轮齿的形成和锻造载荷的变化。
文中还讨论了磨擦在各种条件下对变形和载荷的影响。
图2是按图1所示设计制造的模具，装配在伯明翰大学机械工程学院的一台1200t的机械压力机上。
上下模具的相对定位是通过两套筒实现的。
通过实践，证实高效率的锻造是可行的。
采用同一模架，对模具型腔作些修改，还完成了圆柱直齿轮和斜齿轮以及复合齿轮的锻造。
图2
第四章齿轮加工方法及工艺过程
4.1加工方法
齿轮轮齿的加工方法很多，如切削、铸造、轧制、冲压等，其中常用的是切削加工方法。
切削加工方法分为成形法和范成法两类。
图3
图4
成形法是在铣床上用具有渐开线齿形的成形铣刀直接切出齿形。
常用的有圆盘铣刀［图1（a）］和指状铣刀［图1（b）］两种。
切齿加工时，铣刀旋转，同时轮坯沿齿轮轴线方向移动。
铣出一个齿槽以后，将轮坯转过360°
/z，再铣第二个齿槽。
其余依此类推。
这种切齿方法简单，不需要专用机床，但生产率低，精度低，故仅适用单件或小批量生产及精度要求不高的齿轮加工。
2．范成法
范成法是利用齿轮的啮合原理进行加工齿轮的一种方法。
这种方法强制刀具同工件（轮坯）相对运动同时进行切削。
它们之间的运动关系同一对齿轮啮合一15样，以此来保证齿形的正确和分齿的均匀。
对于模数m和压力角都相同而齿数不同的齿轮，可以用同一刀具进行加工。
用范成法切齿的常用刀具如下。
1）齿轮插刀齿轮插刀的形状如图2（a）所示，刀具顶部比正常齿高出c*m，以便切出齿顶间隙部分。
插齿时，插刀沿轮坯轴线方向作往复切削运动，同时强迫插刀与轮坯模仿一对齿轮传动那样以一定的传动比转动［图2（b）］，直至全部齿槽切削完毕。
插齿刀的齿廓是精确的渐开线，所以插制的齿轮也是渐开线。
根据正确啮合条件，被切齿轮的模数和压力角必定与插刀的模数和压力角相等，故用同一把插刀切出的齿轮都能正确啮合。
2）齿条插刀图3为利用齿条插刀加工齿轮的情形。
当齿轮插刀的齿数增加到无穷多时，其基圆半径变为无穷大，渐开线齿廓变为直线齿廓，齿轮插刀变为齿条插刀。
图5表示齿条插刀齿廓的形状，其顶部比传动用的齿条高出c*m，以便切出传动时的径向间隙。
因齿条的齿廓为一直线，由图可见，不论在中线上还是在与中线平行的其他任一直线上，它们都具有相同的周节p（m）、相同的模数m和相同的齿廓压力角。
对于齿条刀具，称为刀具角，其大小与齿轮分度圆上的压力角相等。
3）齿轮滚刀以上两种加工方法的原理都是基于齿轮的啮合原理，加工精度较高，但都只能间断切削，生产率较低。
目前广泛采用齿轮滚刀，它能连续切削，生产率较高。
图4（a）（b）分别表示滚刀及其加工齿轮的情况。
滚刀形状很象螺旋，其轴向剖面为具有直线齿形齿廓的齿条。
滚刀转动时就相当于齿条移动，这样便按范成原理切出轮坯的渐开线齿廓。
滚刀除刀旋转外，还沿轮坯的轴向进刀，以便切出整个齿宽。
滚切直齿轮时，因为滚刀的螺旋是倾斜的，为了使刀齿螺旋线方向与被切轮齿方向一致，在安装滚刀时需使其轴线与轮坯端面成一滚刀升角。
图5
4.2工艺过程
1.定位基准的选择两种定位方式
（1）内孔和端面定位
即依靠齿坯内孔与夹具心轴之间的配合决定中心位置，以一个端面作为轴向定位基准，并通过相对的另一端面压紧齿轮坯。
（2）外圆和端面定位
即将齿坯套在夹具心轴上，内孔和心轴配合间隙较大，需要用千分表找正外圆决定中心位置，在进行压紧。
2.齿坯的加工
对于轴齿轮的齿坯，其加工工艺和一般轴类零件基本相同，对于盘，套齿轮的齿坯，其加工工艺和一般盘，套类零件基本相同。
3.热处理的安排
金属热处理是机械制造中的重要工艺之一，与其它加工工艺相比，热处理一般不改变工件的形状和整体的化学成分，而是通过改变工件内部的显微组织，或改变工件表面的化学成分，赋予或改善工件的使用性能。
其特点是改善工件的内在质量，而这一般不是肉眼所能看到的。
4.齿形的加工
齿形方案的选择，主要取决于齿轮精度等级，生产批量和齿轮的热处理方法等。
5.齿端的加工
齿端的加工主要有倒角，倒尖，倒棱和去毛坯。
6.精基准的修正
7.齿轮的检验
结束语
齿轮行业的一些专家对中国齿轮行业未来的发展态势做出了大胆推断：
在影响因素预期不会逆转的条件下，未来10年中国齿轮工业仍将持续快速发展。
其中，2006年到2010年，我国齿轮制造企业将
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