刀具课件

第11章 齿轮刀具齿轮是各种机械产品中应用最为广泛的传动零件。

齿轮加工又是机械制造的重要组成部分。

目前，全世界每年对齿轮的需求量约为100～200亿件，其中80％是直径为30～300 mm 、模数为2～5 mm 的齿轮。

尽管齿轮加工方法种类繁多，但绝大部分齿轮是用各种齿轮刀具在与其相适应的机床上切削出来的，其中又以滚齿应用最为广泛，其次为插齿。

11.1 齿轮刀具的分类11.1.1 按成形法加工的刀具成形法加工齿轮刀具的特点是刀具的齿形或齿形的投影与被切齿轮端面的齿槽形式相同。

这类刀具主要有盘形齿轮铣刀、指形齿轮铣刀、齿轮拉刀和插齿刀等。

前两种刀具结构简单，可在普通铣床上加工，而无需使用结构和调整较为复杂的专门齿轮机床，但它们加工出的齿轮精度一般较低，常用于修配和单件生产。

后两种刀具加工精度和生产率都比较高，但刀具制造复杂，仅适用于大量生产。

1.盘形齿轮铣刀盘形齿轮铣刀是一种廓形与齿齿槽形式状相似的成形铣刀，如图11-1所示。

图11-1 盘形齿轮铣刀由机械原理可知，两个齿轮即使模数和压力角分别相等，如果齿数不同，则它们的基圆就不同，不同的基圆所形成的渐开线齿形也就不同。

如图11-2所示，1、2两条渐开线分别为基圆1O 、2O 所形成的渐开线，其形状不同。

因此，用成形法切制齿轮要得到较高精度，就必须在切制不同模数、不同压力角以及不同齿数的齿轮时，设计与其齿形相同的专门铣刀。

这样做不仅是不经济的，而且在技术和管理上也非常麻烦。

为了减少铣刀的规格和数量，标准盘形齿轮铣刀都需成套制造和供应，即对同一模数的盘形齿轮铣刀，按被切盘形齿轮齿数间隔分为8个刀号或15个刀号，每个刀号表示一种切制一定齿数范围（间隔）盘形齿轮铣刀。

图11-2 齿轮齿数与齿形的关系当模数m ≤8 mm 时，同一模数的盘形齿轮铣刀由8个刀号（8把铣刀）组成一套；当模数m ≥9 mm 时，同一模数的盘形齿轮铣刀由15个刀号（15把铣刀）组成一套。

盘形齿轮铣刀刀号和加工齿数的范围见表11-1。

表11-1 盘形齿轮铣刀刀号和加工齿数的范围的，其优点是使被切齿轮在啮合时不至于相互干涉。

被切齿轮除分度圆齿厚外，其他各直径圆周上的齿厚部有所减薄，其中以齿顶部分的齿形误差为最大。

标准盘形齿轮铣刀加工齿轮的精度较低，一般不超过9级。

在生产中常用加工直齿圆柱齿轮的盘形齿轮铣刀来加工斜齿圆柱齿轮。

此时，铣刀的刃形在理论上既不同于被切齿轮的端平面截形，又不同于其法平面截形。

用盘形齿轮铣刀加工斜齿轮时误差比加工直齿轮大，螺旋角越大，误差也越大。

由于加工时铣刀的模数和齿形角要分别同被切齿轮的法向模数和法向压力角相等，故铣刀刀号应根据斜齿圆柱齿轮法平面的当量齿数z v 来选择，其计算公式为β3v c o s z z =（11-1） 式中，z 为斜齿圆柱齿轮的齿数；β为斜齿圆柱齿轮的分度圆柱上的螺旋角（°）。

2.指形齿轮铣刀如图11-3所示为指形齿轮铣刀。

指形齿轮铣刀一般用于加工大模数（m ＝8～40 mm ）的直齿轮或斜齿圆柱齿轮。

人字齿轮主要也是用指形齿轮铣刀来加工的，且对于两列以上的人字齿轮，指形齿轮铣刀目前是唯一的切削工具。

但需指出，用指形齿轮铣刀加工斜齿圆柱齿轮和人字齿轮时的加工方法不属于成形法。

图11-3 指形齿轮铣刀11.1.2 按展成法加工的刀具这类刀具工作的基本原理是，除了主运动外，刀具与被加工齿轮模拟一对齿轮（或齿条与齿轮）的啮合，它们绕各自的中心线作相对的纯滚动。

工件轮齿的齿形就是在纯滚动过程中刀具在不同位置时的刃形在工件轴线的垂直平面内投影的一族曲线的包络线，如图11-4所示。

反之也可以把刀具的刃形（或它在某一平面内的投影）看做是由工件齿形在纯滚动过程中一系列不同位置包络而成的。

上述的纯滚动称为展成运动。

这种加工齿形的方法称为展成法，又称范成法。

插齿、滚齿和剃齿等都属于这种齿形加工方法。

图11-4 用展成法加工的刀具的齿廓表面展成法切齿可以用一把刀具切出同一模数而齿数不同的齿轮，这是一个很大的优点。

其次，根据展成法切齿，可以模拟齿条与齿轮啮合的基本原理，使用直线齿廓的齿条式工具来制造渐开线齿轮刀具，这就为提高齿轮刀具的制造精度提供了有利条件。

由于加工时能进行连续分度，因而生产率和加工精度较高。

展成法切齿要在专门的齿轮机床上进行，而且机床调整和刀具刃磨都较成形法复杂，故一般用于成批及大量生产中。

常用的展成法齿轮刀具有插齿刀、齿轮滚刀和剃齿刀。

1.插齿刀插齿刀外形呈齿轮状，是一种切制渐开线圆柱齿轮齿形的粗加工和半精加工刀具。

加工的模数范围为0.2～12 mm，其中模数m=0.2～1 mm为小模数段；模数m=1～8 mm为中模数段；模数m＞8 mm为大模数段。

2.齿轮滚刀齿轮滚刀外形呈蜗杆状。

一般地说，它也是一种粗加工和半精加工的切齿刀具，生产率很高。

3.剃齿刀剃齿刀是一种用于未淬硬齿轮的精加工刀具，一般用来改善直齿轮和斜齿渐开线圆柱齿轮的齿形、齿向和齿距（不包括齿距累积误差）的质量和齿面的粗糙度。

如图11-5所示为一种盘齿剃齿刀。

剃齿刀分为A、B两个精度等级，分别用来加工6、7级精度的齿轮，加工的表面粗糙度可达Ra0.4～0.8 μm。

剃齿刀剃削的模数m＝1～8 mm。

剃齿刀的公称分度圆直径有85 mm、180 mm和240 mm三种，可根据剃削齿轮的模数和所使用的机床来选择。

剃齿刀有很高的生产率，加工一个齿轮仅需1～3 min。

（a）剃齿刀（b）剃齿刀刀齿图11-5 盘齿剃齿刀11.2 插齿刀11.2.1 插齿刀的工作原理如图11-6所示为插齿刀的工作情况。

插齿刀本质上是一个具有切削角度和切削刃，且其硬度比被切工件高得多的渐开线圆柱变位齿轮。

插齿刀的工作原理就是在切削过程中，插齿刀同被切工件作为一对渐开线圆柱齿轮作无间隙啮合的相对运动。

在展成过程中工件的齿形逐渐被插齿刀切出，工件的齿形就是插齿刀切削刃在工件端平面内连续投影位置的包络线。

要在工件上切出所要求的渐开线齿形，插齿刀和工件之间必须要完成下列相对运动：（1）插齿刀沿工件齿宽方向的上下往复运动。

通常刀具向下为切削运动，即主运动；向上为退刀运动。

（2）刀具与工件以恒定的传动比做相对滚动，即圆周进给运动，又称为分齿运动或展成运动。

（3）为了在径向切出轮齿的全齿高，刀具还要有一个逐渐向工件切入的径向进给运动，直至全深，该运动才停止，而圆周进给运动一直到齿轮完全切好后才停止。

（4）为了避免插齿刀在退刀时擦伤已加工的齿面，在插齿刀每次向上退刀时，都要使工件有一个后退的让刀运动，以便在切削刃和工件被加工表面间形成一个间隙。

由于插齿刀的工作过程类似于刨削过程，是断续切削，不同于齿轮传动那样连续啮合，故切出的渐开线齿形不是一条光滑曲线，如图11-7所示。

该被切齿轮的齿形，除渐开线EB 部分外，BD部分称为过渡曲线，这条过渡曲线是一条延长外摆线，它是由刀具齿尖角的运动轨迹所形成的。

齿廓的DK部分为刀具顶刃切削出的工件根圆部分。

用斜齿插齿刀切制斜齿圆柱齿轮时，刀具除作相对展成运动外，在它作上下往复运动的同时，还要有一个附加转动。

图11-6 插齿刀的工作情况图11-7 工件齿形曲线的组成11.2.2 插齿刀的分类标准直齿插齿刀主要有盘形插齿刀、碗形插齿刀和锥柄插齿刀三种形式，如图11-8所示。

（a）盘形插齿刀（b）碗形插齿刀（c）锥柄插齿刀图11-8 插齿刀的分类1.盘形插齿刀盘形插齿刀主要用于加工外齿轮和大直径的内齿轮。

这种插齿刀以内孔及内支承面定位，用螺母紧固在机床主轴上。

它的公称分度圆直径有四种，即75 mm（m＝1～4 mm）、100 mm（m＝1～6 mm）、160 mm（m＝6～10 mm）和200 mm （m＝8～12 mm）。

2.碗形插齿刀碗形插齿刀主要用于加工多联齿轮和某些内齿轮。

这种插齿刀以内孔定位，紧固螺母可容纳在刀体内。

它的公称分度圆直径也有四种，即50 mm（m＝1～3.5 mm）、75 mm（m＝1～4 mm）、100 mm（m＝I～6 mm）和125 mm（m＝4～8 mm）。

3.锥柄插齿刀锥柄插齿刀主要用于加工内齿轮。

这种插齿刀用带有内锥的专用接头与机床主轴联接。

它的公称分度圆直径有两种，即25 mm（m＝1～2.75 mm）和38 mm（m＝1～3.75 mm）。

插齿刀一般制成AA、A、B三种精度等级。

在合适的工艺条件下，AA级用于加丁6级精度的齿轮，A级用于加工7级精度的齿轮，B级用于加工8级精度的齿轮。

除标准插齿刀外，还可根据生产需要制造专用插齿刀，如增大前角的粗插齿刀和剃前插齿刀等。

11.2.3 插齿刀的结构作为一个刀具（插齿刀也不例外）应具有一定的前角和后角（特别是应有后角），以及有一定的使用寿命，即重磨后仍可应用。

为了使齿顶和齿侧都有后角，且重磨后仍可使用，应将插齿刀制成一个“变位齿轮”，而且在垂直于插齿刀的轴线的截面内的变位系数各不相同，如图11-9（a）所示。

图中为O—O剖面的变位系数为零（相当于标准齿轮），它称为原b为各剖面与原始剖面的距离，在原始剖面前端（如A—A）的剖面相当于有正变始剖面；位系数的齿轮；原始剖面后端的各个剖面，其变位系数为负值。

由变位齿轮原理可知，正变位时齿顶圆直径较标准值大，所以插齿刀形成了齿顶后角；从插齿刀的运动方向上看，插齿刀的齿厚不同（逐渐小了），从而形成齿侧刃后角。

同理，插齿刀沿前面重磨后齿形仍不变，因为它们都是同—个基圆形成的渐开线。

如图11-9（b）为插齿刀在其分度圆柱面上的截形展开图。

因侧后刀面做成螺旋面，它在分度圆柱面的截形是螺旋线，所以在展开图中这些截形成为直线，即梯形的两条斜边。

为使两侧刃有相等的后角，两个侧后面的分度圆柱螺旋角 应相等，图中0s与'0s分别为原始剖面与各剖面的梯形中位线，可以看出各个剖面上梯形的两条斜边是对称的。

（a）不同端平面中的齿形面的齿形（b）插齿刀在其分度圆柱面上的截形展开图图11-9 插齿刀齿形分析为了顺利地进行切削，插齿刀要磨出—个前角来（一般为5°）。

常用的方法是将插齿刀的前面磨成一个锥面，锥顶在插齿刀的中心线上。

插齿刀有了前角以后，齿形在端面上不再是精确的渐开线，而是发生了畸变。

也就是说，切削刃不是在一个端面上，而是由各个端截面上的点所组成。

而这些点的连线不是正确的渐开线。

前角与后角越大，误差越大。

这一点由如图11-10所示的切削刃投影图，经过分析便不难理解。

为了减少齿形误差，标准插齿刀的前角规定为5°，后角规定为6°（齿顶处），并且在制造插齿刀时将分度圆压力角做得比标准齿形角略大（即为20°10′14.5″），使得齿形在端面中的投影近似于标准渐开线。

图11-10 插齿刀的前角及齿形误差插齿刀的侧刃后角与顶刃后角有一定的几何关系，当顶刃后角为6°时，侧刃后角为2°4′32″，这个数值满足了后角的起码要求。