第3章 常见表面加工方法-4齿轮齿形加工

在同一模数和压力角的条件下，每一齿数应有一把对 应的铣刀，但这样需要制造很多把不同的铣刀，显然这在 实践中是不必要的。 比较合理的办法是把铣刀铣削的齿数按照它们的齿形 曲线接近的情况划分成段，每一段定为一个号数，并以这 段中最小的齿数的齿形作为铣刀的齿形，以避免发生干涉。 实践证明：这种误差的存在对精度要求不高的齿轮来说是 许可的。
d）滚刀
2、滚齿机及滚齿运动 滚齿机如图5-50所示。滚刀6装在刀架5的心轴上，刀架 即可沿立柱２的导轨作垂向进给运动，又可以绕水平轴转 动所需的角度。工件7安装在工作台9的心轴上，心轴上端 可用支撑架8上的顶尖来支撑，以便增加工件的刚性。滚齿 机的主参数是加工工件的最大直径。
图5-50 滚齿机 1—床身 2—立柱 3—电器箱 4—电 动机 5—刀架 6—滚刀 7—工件 8— 支撑架 9—工作台
铣刀刀齿齿形为渐开线。该渐开线基圆直径的大小直接 影响到渐开线的弯曲程度。基圆直径愈小，渐开线弯曲愈大； 基圆直径愈大，渐开线弯曲的小；当基圆直径无穷大时，齿 轮就展成为齿条，渐开线成为一条直线。渐开线的形状与基 圆db 的大小有关，基圆直径大小与模数、齿数和压力角有关， 根据几何关系可知：
db=mz cosα 式中：db 为基圆直径（mm）；m为模数（mm）；z为齿数；α 为压力角（°）。 压力角α 一般为20°标准值，cosα 即为一个常数。
插齿的运动有（图5-54）： ① 主运动。即插齿刀的上下往复直线运动。向下为切削 行程，向上的返回行程是空行程。 ② 分齿运动。指插齿刀与齿坯间强制保持一对齿轮啮合 速比关系的运动，也称为展成运动。
图5-54 插齿运动
③ 径向进给运动。插齿刀逐渐向齿坯中心移动的运动，以切 出全齿高。径向进给量是指插齿刀每往复一次径向移动的距 离。 ④ 让刀运动。为了避免插齿刀在回程时与已加工的齿面摩擦 而影响表面质量和减少刀具的磨损，齿坯应径向让开一段距 离，当切削形成开始前，齿坯又恢复原位，齿坯所作的这种 短距离的往复运动称为让刀运动。
剃齿刀安装在剃齿机的主轴上，其圆周速度为v0 ，工件安装在机床工 作台的心轴上，与剃齿刀保持啮合，并由剃齿刀带动旋转，二者间是一 种“自由啮合”。为了使剃齿刀和工件齿向一致，应使剃齿刀的轴线偏 斜一角度β 0，其数值等于剃齿刀的螺旋角。剃齿刀的圆周速度v0分解为 两个分速度：一个是沿工件圆周切线方向的分速度vω ，它带动工件旋转， 刀具与工件间不象插齿、滚齿那样靠机床传动链强制保持啮合运动，这 就是“自由啮合”含义所在；另一个是沿齿轮工件轴线的分速v，即剃齿 的切削速度，它使啮合齿面间产生相对滑动，正是这种相对滑动，使剃 齿刀从工件齿面上切下头发丝状的极细切屑，剃齿由此而得名，从而提 高齿形精度和降低齿面粗糙度值。
图5-55 剃齿刀与剃齿运动
a）剃齿刀 b）剃齿原理
为剃出齿宽，工作台带动工件做往复直线进 给。在工作台每一往复行程终了时，剃齿刀相对 工件还要做径向进给（0.02mm/往复行程0.04mm/往复行程），以达到所需的齿厚。
剃齿过程中，剃齿刀还要时而正转，时而反 转，以剃削齿轮的两个侧面。
2、剃齿的工艺特点 ① 剃齿质量高。剃齿主要是提高齿形精度和 齿向精度，降低齿面粗糙度值。由于剃齿刀与工 件为“自由啮合”，故剃齿不能修正分齿误差， 而滚齿分齿精度比插齿高，所以剃齿前的齿轮多 用滚齿加工。 ② 生产率高。剃齿是多刃连续切削，剃齿余 量小，一般仅为0.08mm-0.2mm，且剃齿刀与被切 齿轮间无复杂的传动链联系，故剃齿机结构简单， 调整较方便，辅助时间少。
③ 刀具费用高。剃齿刀形状复杂，要求精度 高，所以剃齿刀的制造成本及刃磨费用较高。 ④ 只能剃削硬度低的齿轮。因剃齿刀用高速 钢制造，虽经淬火，也不能加工淬硬的齿轮，只 能加工35HRC以下的直齿和斜齿圆柱齿轮。 剃齿通常用于大批大量生产中的齿轮齿形精加 工，在汽车、拖拉机及机床制造等行业中应用很 广泛。
所以，成形法铣齿一般仅用于单件小批量生产 和修配中，制造低速、低精度的齿轮。
二、滚齿
滚齿是用齿轮滚刀在滚齿机上按展成 法加工齿轮的方法。
1、滚齿原理及滚刀
滚齿过程相当于一对交错轴斜齿轮相啮合的过程，（图a， b）。若将其中一个斜齿轮的齿数减少到1~2个齿，而螺旋角 增加到近90º ，此斜齿轮就相当于渐开线蜗杆。这个蜗杆用高 速工具钢制造，并在垂直于螺旋线方向开出多条沟槽（即容 屑槽），从而形成多排刀齿，蜗杆就变成齿轮滚刀。使滚刀 与齿坯间保持正确的相对运动，切削刃就包络出渐开线齿形， 见图c。
a）插齿刀
b）渐开线齿形的形成
图5-52 插齿刀和包络线
2、插齿机和插齿运动 图5-53所示插齿机主要由床身1、刀架4、横梁5和工作 台8等部件组成。插齿刀2装在刀架的刀轴3上,工件6安装 在工作台的心轴7上。
图5-53 插齿机 1—床身 2—插齿刀 3—刀轴 4—刀架 5—横梁 6—工件 7— 心轴 8—工作台
四、剃齿
1、剃齿原理及运动
剃齿是利用一对交错轴斜齿轮啮合原理，在剃齿机上 “自由啮合”的展成加工方法。
剃齿刀如图5-55a所示，其外形很象斜齿圆柱齿轮，齿形 精度很高，在轮齿两侧沿渐开线方向开有很多小槽，以形成 切削刃，材料一般为高速钢，经淬火后成为剃齿刀。
图5-55 剃齿刀与剃齿运动
a）剃齿刀 b）剃齿原理
③ 插齿刀的数目。插齿与滚齿一样，某一模数、压力角 的插齿刀可加工同模数、压力角而齿数不同的齿轮，刀 具数量比铣齿少。 ④ 插齿的生产率。插齿刀不象滚刀那样连续旋转，而是 作上下往复直线运动，有一定的冲击振动，切削用量提 高受到限制，且有空行程损失，所以插齿生产率一般较 滚齿低。 插齿除能加工一般圆柱齿轮外，还可以加工内齿轮 和相距很近的多联齿轮，但加工斜齿圆柱齿轮不如滚齿 方便。
齿轮齿形加工方法可分为两大类：成形法 和展成法。 成形法（仿形法）是用与被加工齿轮齿槽 法向截面形状相符的成形刀具加工齿形的方法， 常用方法有铣齿、成形法磨齿等。
展成法（范成法或包络法）是利用齿轮刀 具与被切齿轮的啮合运动关系在专用的齿轮加 工机床上切出齿轮齿形的加工方法，常用方法 的有滚齿、插齿等。
齿轮盘铣刀的刀号愈小，所铣的齿数愈少，齿数范围愈小；刀号愈大， 所铣的齿数愈多，齿数范围愈大。 表5-5是8把一套的铣刀号数。表7-6是15把一套的铣刀号数。前者用 于m=1~8mm，后者用于m=9~16mm。选刀时，先按模数决定用哪一套铣 刀，然后再根据齿数从表中查得铣刀号数，再选择与工件同模数的铣刀。 表5-5 8把一套的铣刀号
6
1 2
6 42 ~ 54
71
2
55 ~ 79
7 80 ~ 134
8
所铣齿 轮齿数
wenku.baidu.com12
14
17 ~ 18
21 ~ 22
26 ~ 29~
35 ~ 41
135 ~ +∞
各号铣刀的剖面是按号中齿最少的齿轮的准确齿廓而 设计的。例如2号铣刀来铣制z=14的齿轮时，其齿廓完全正 确，而用来铣制z=16的齿轮时，则是近似的渐开线齿廓。 由于其齿间的材料相对地多切去了一点，故不妨碍其运转。 但若用此刀来铣制z=13的齿轮，则其齿间相对地少切去一 点，在运转中会发生干涉现象。
三、插齿
插齿是用插齿刀在插齿机上按展成法 加工齿轮的方法。
1、插齿原理及插齿刀 插齿是按一对圆柱齿轮相啮合的原理进行加工的。若 将其中一个齿轮的端平面作成内锥面，以形成前角γ o，同 时，使其齿顶圆和齿根圆分别分布在两个同轴线的圆锥面 上，以形成后角α o，经过上述变化并用高速钢制造的这个 齿轮就成为图5-52a所示的插齿刀。插齿刀与齿坯间啮合运 动的同时，使插齿刀作上下往复运动，则切削刃在齿坯上 包络出渐开线的齿形，见图5-52b。
图5-54 插齿运动
3、插齿的工艺特点
插齿与滚齿比较有如下特点： ① 齿面质量高。插齿时，插齿刀沿齿宽方向为连续切 削，而滚齿时滚刀沿齿宽方向是多次断续切出。另外，滚 齿时，因形成齿形包络线的切线数目受容屑槽的限制，一 般不如插齿的包络线密集，所以插齿比滚齿的齿面粗糙度 Ra小。 ② 插齿精度。插齿刀的制造、刃磨、检测较滚刀方便， 易于制造和精确刃磨，齿形精度较滚齿高。但插齿机分齿 传动链比滚齿机要复杂，传动误差较大，故其分齿精度比 滚齿低。所以插、滚齿精度相当。
第四节 齿轮齿形加工
齿轮是机器中传递运动和动力的重要零件。
齿轮具有传动平稳和承载能力大的特点，目前 在机械传动中广泛使用。
齿轮种类很多。常用的齿轮副如图所示。其中直齿和斜齿圆柱齿轮 用于两平行轴间的传动；直齿锥齿轮用于两相交轴间的传动；螺旋圆柱 齿轮用于两交错轴间的传动。其中，直齿圆柱齿轮是最基本的也是应用 最广泛的一种。
图5-48 8把一套的齿轮盘铣刀实物外形
2、铣齿的特点 铣齿可在普通铣床上进行，刀具的制造简单、 刃磨方便，因此设备和刀具的费用较低； 铣齿时，每铣完一个齿槽都要重新退刀、分度、 切入等操作，辅助时间较多，生产率较低；由于铣 刀分号的原因，铣齿只能加工出近似的齿形，齿形 误差较大，另外，分度头有较大的分度误差，使分 齿不均匀。所以，铣齿精度较低。
a）、b）滚齿原理
c）包络线
d）滚刀
图 滚齿原理及滚刀
一般滚刀前角γ o=0°,粗加工时为减小切削变形，提高 生产率，也可以制成γ o=5°~10°的正前角滚刀。铲背是为 保证滚刀重磨后齿形不变，齿高和齿厚也不变，并使滚刀具 有必要的后角，通常后角α o=10°～12°，见图d。
b）滚齿原理 图 滚齿原理及滚刀
刀具 所铣齿轮齿数 1 12~13 2 14~16 3 17~20 4 21~25 5 26~34 6 35~54 7 55~134 8 135~+∞
表5-6 15把一套的铣刀号
刀具 1 1
1 2
13
2
2
1 2
15 ~ 16
3
1 3 2
19 ~ 20
4
1 4 2
23 ~ 25
5
1 5 2
30 ~ 34
图5-46 渐开线齿形
根据齿轮传动的特点和不同用途，对其精度提出以下三 个组别的不同的要求： 1）运动的准确性，或称为第Ⅰ公差组。要求齿轮在一转范 围内，最大的转角误差应限制在一定范围内，以保证传递运 动的准确性。 2）传动的平衡性，或称为第Ⅱ公差组。要求齿轮传动的瞬 时速比变化小，以免引起冲击和噪声。 3）载荷分布的均匀性，或称为第Ⅲ公差组。要求齿轮啮合 时齿面接触良好，以免引起载荷集中，造成齿面局部磨损， 影响齿轮寿期。
一、铣齿
1、铣齿方法 在卧式铣床上，用成形法铣削直齿圆柱齿轮如图5-47所 示，成形铣刀旋转为主运动，工作台的纵向移动为进给运动。 每铣完一个齿槽后，工件退回，按齿数进行分度，再铣下一 个齿槽，重复此过程，直至铣出全部轮齿。
图5-47 成形法铣削直齿圆柱齿轮
成形法铣削齿轮所用的铣刀叫做齿轮盘铣刀。
在滚齿机上要加工出渐开线齿形，滚刀和齿坯间应有以下运动：
① 主运动。指滚刀的旋转运动。 ② 分齿运动。指滚刀与齿坯之间强制保持一对斜齿轮啮合速比关系的 运动。
分齿运动由滚齿机的传动系统来实现，齿坯的分度是连续的。
③ 垂向进给运动。为了切出齿宽，滚刀需沿齿坯轴线方向向下运动， 用齿坯每转一转或每一分钟滚刀沿齿坯轴向移动的距离表示。
图5-50 滚齿机 1—床身 2—立柱 3—电器箱 4—电 动机 5—刀架 6—滚刀 7—工件 8— 支撑架 9—工作台
3、滚齿与铣齿比较有如下特点：
① 滚刀的通用性好。一把滚刀可以加工与其模数、压力角 相同而齿数不同的齿轮，刀具数量比模数铣刀少。 ② 滚齿精度高。滚齿没有铣齿造成的齿形理论误差；滚刀 与齿坯间的分齿啮合运动比铣齿时分度头的分齿精度要高。 ③ 生产率高。滚齿的分齿运动和切削运动是同时进行的， 而铣齿的分度必须停止切削运动。滚齿既用于单件小批生 产中，也适宜大批大量生产类型。 ④ 设备和刀具费用较高。滚齿机为专用齿轮加工机床，其 调整费时。滚刀较齿轮铣刀的制造、刃磨要困难。 滚齿应用范围较广，可加工直齿、斜齿圆柱齿轮和蜗轮 等。但不能加工内齿轮和相距太近的多联齿轮。
a）直齿圆柱齿轮传动 b）斜齿圆柱齿轮传动 c）人字圆柱齿轮传动d）螺旋齿轮传动
e）涡轮蜗杆传动 f）内啮合齿轮传动 g）齿轮齿条传动
h）直齿锥齿轮传动
目前齿轮的齿形曲线大多采用渐开线齿形的齿轮， 如图5-46 所示。这种齿轮具有传动平稳、制造和装配 简单的优点。下面主要介绍渐开线圆柱齿轮的齿形加 工。