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时间: 2024-02-24 12:56:31 | 作者: 安博体育在线登录
齿轮知识 简史圆柱齿轮的切削加工成形法切齿铣齿拉齿磨齿展成法切齿插齿滚齿剃齿珩齿磨齿锥齿轮的切削加工直齿锥齿轮的切齿铣齿刨齿双刀盘铣齿拉铣齿曲线齿锥齿轮的切齿弧齿锥齿轮的铣齿延长外摆线齿锥齿轮的铣齿锥齿轮的研齿和磨齿研齿磨齿齿轮的无屑加工冷轧齿轮冷锻齿轮冲裁齿轮热轧齿轮精密模锻齿轮粉末冶金齿轮━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━了粉末冶金、粉末锻造。 圆柱齿轮的切削加工 切削加工圆柱齿轮齿部的方法（包括直齿、斜齿、人字齿的圆柱齿轮以及齿条和非圆齿轮的齿部切削加工）主要有成形法和展成法两类。成形法切齿...
简史圆柱齿轮的切削加工成形法切齿铣齿拉齿磨齿展成法切齿插齿滚齿剃齿珩齿磨齿锥齿轮的切削加工直齿锥齿轮的切齿铣齿刨齿双刀盘铣齿拉铣齿曲线齿锥齿轮的切齿弧齿锥齿轮的铣齿延长外摆线齿锥齿轮的铣齿锥齿轮的研齿和磨齿研齿磨齿齿轮的无屑加工冷轧齿轮冷锻齿轮冲裁齿轮热轧齿轮精密模锻齿轮粉末冶金齿轮━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━了粉末冶金、粉末锻造。 圆柱齿轮的切削加工 切削加工圆柱齿轮齿部的方法（包括直齿、斜齿、人字齿的圆柱齿轮以及齿条和非圆齿轮的齿部切削加工）主要有成形法和展成法两类。成形法切齿利用与被切齿轮齿槽轮廓相同的成形刀具或成形砂轮，由分度机构将工件分齿逐齿切出，常用的有铣齿、拉齿、磨齿。铣齿利用盘形齿轮铣刀在铣床上加工或利用指形齿轮铣刀（见齿轮加工刀具）在有单齿分度机构的滚齿机上加工（图1）。前者利用分度头分齿，适于加工中、小模数齿轮；后者适于加工模数大于10毫米的齿轮。由于不同模数或齿数的齿轮齿形不同，在理论上，一把成形齿轮铣刀只适用于加工一种模数和齿数的齿轮。但在实际生产中，为减少铣刀数量，通常用一把齿轮铣刀加工同一模数而齿数在一段范围 (例如齿数为12～13、14～16、17～20、......、55～134等)内的齿轮，因此铣齿所得齿形常有较大误差。利用铣齿办法能够加工直齿、斜齿、人字齿圆柱齿轮，也可加工齿条和扇形齿轮等。铣齿的生产率低，加工精度也较低，通常为9级（按JB179-83，下同），但能在万能铣床上进行，刀具制造也较容易，故铣齿仍有应用。 拉齿利用齿轮拉刀拉削内、外圆柱齿轮。拉齿的生产率高，齿面粗糙度小，但刀具制造成本高，故拉齿只适用于大量生产。磨齿通常用于已淬火齿面的精加工。成形法磨齿(图1) 所用砂轮的截形须根据齿轮齿槽的轮廓形状用靠模修整。成形磨齿生产率较高，精度可达5～6级，但对不同齿数或模数的工件要专门修整砂轮，故只适用于大量生产。展成法切齿利用轮廓与被切齿轮轮廓相共轭的刀具（或磨具），并通过轮坯与刀具间的展成运动将齿切出。展成法切齿能用一把刀具（或磨具）加工同一模数中不同齿数的齿轮，在齿轮加工中应用最广，常用的有插齿、滚齿、剃齿、珩齿、磨齿。插齿利用齿轮形插齿刀或齿条形梳齿刀切齿。用插齿刀切齿时，刀具随插齿机主轴作轴向往复运动，同时由机床传动链使插齿刀与工件按一定速比相互旋转保证插齿刀转一齿时工件也转一齿，形成展成运动，齿轮的齿形即被准确地包络出来 (图2)。如果在插齿机主轴上加设螺旋导轨，利用斜齿插齿刀也能加工斜齿轮。如果在插齿机工作台上安装一个插齿条的附件，使工作台的旋转运动变成直线运动，则能插削齿条。插齿能适应较小的空刀距离，适于加工带凸肩的齿轮或空刀槽窄的多联齿轮，同时也便于加工扇形齿轮、内齿轮和非圆齿轮。插齿的加工精度可达6～8级。用梳齿刀切齿的工作原理与用插齿刀切齿基本相同。但梳齿刀不能切内齿，而且由于刀具受长度限制，切完一齿后需要相对于工件作精确的回程运动，影响生产率，机床结构也较复杂，故已很少用梳齿刀切齿。滚齿利用蜗杆形的齿轮滚刀在滚齿机上加工外啮合的直齿、斜齿圆柱齿轮（图3）。滚齿时，滚刀相当于一个螺旋角很大的斜齿轮与被切齿轮作空间交轴啮合，滚刀的旋转形成连续的切削运动。加工直齿轮时，滚刀每转一周，工件齿轮转过的齿数等于滚刀的头数，形成展成运动并包络切出齿形。为了切出全部齿宽，滚刀还沿工件轴向进给。加工斜齿轮时，随着滚刀沿工件的轴向进给，工件还应附加一个与斜齿轮的螺旋角相适应的旋转运动。滚齿的加工精度一般为6～8级，特精滚齿可达4级。滚齿是连续切削，无退刀和空程，故生产率高。当采用高速钢滚刀时，切削速度一般为40米／分左右;采用硬质合金滚刀的高速滚齿，切削速度可达200米／分左右。滚齿不能加工内齿轮和空刀槽较窄的多联齿轮。剃齿利用剃齿刀在剃齿机上对齿轮齿面进行精整加工，常作为滚齿或插齿的后续工序，一般加工余量为0.05～0.1毫米（单面），剃齿后可使齿轮精度大致提高一级，齿面粗糙度达Rɑ1.25～0.32微米。剃齿时，剃齿刀与工件相当于无齿侧间隙的螺旋齿轮空间交轴啮合，并对工件施加径向压力，由剃齿刀带动工件旋转，剃齿刀齿面上的小槽所形成的刃口与工件齿面间相对滑移（滑移速度约25米／分左右），切下极薄的切屑(图4)。剃齿刀与工件在理论上是点接触，为了剃削全齿宽，工件必须作往复运动，每次往复运动后还要有径向进给运动。最后停止进给再往复几次，可减小齿面粗糙度。往复运动方向与工件轴线一致时称为轴向剃齿，其生产率较低。如往复运动方向与工件轴线交叉成一角度，则称为对角线剃齿或切向剃齿（交叉角为90°时），其生产率比轴向剃齿高3～4倍，但设备较复杂。如采取了特殊的双曲面体剃齿刀，还可进行生产率更高的径向剃齿（也称高速剃齿）。如需要把齿部剃成鼓形，则剃齿机的工作台要增加一个摆动机构。 珩齿利用珩轮对已淬火的齿轮齿面精 加工，可使齿面粗糙度小至Rα0.63～0.16微米，并少量纠正热处理变形。珩齿的加工方式与剃齿相同，珩轮形状也与圆柱形剃齿刀相似，但珩轮的金属基体的齿面上浇铸了一层以树脂作为结合剂的磨料。当珩轮与工件齿面啮合转动并作1～2米／秒的相对滑移时，产生一种磨削、研磨和抛光的综合作用将工件齿面珩光。珩齿余量一般为0.01～0.015毫米（单面）。按珩轮与工件啮合方法不一样，珩齿有单面珩齿和双面珩齿两种。单面珩齿时工件与珩轮间有啮合间隙，需装设切向制动器，以便在工件与珩轮的啮合面间加载；双面珩齿时，工件与珩轮间无侧隙，保持恒定的径向压力（或在珩齿过程中逐渐减小）。珩齿可用珩齿机，也可用改装的剃齿机、车床或铣床，所用设备简单，操作便捷，生产率高，但修整齿形的能力低于磨齿。磨齿展成法磨齿有多种方式，但基础原理都是将运动中的砂轮表面作为假想齿条的齿面与被磨齿轮作啮合传动，形成展成运动磨出齿形。常用的方法有4种。①锥面砂轮磨齿:砂轮截面如齿条的截面（图5）。磨齿时，砂轮沿齿长方向作往复运动，工件回转并移动，磨削齿槽的一个侧面；又反向回转并反向移动，磨削齿槽的另一侧面。磨完一个齿槽的两面后，再分度磨下一个齿槽。②碟形双砂轮磨齿：利用两个碟形砂轮端平面上一条环形窄边进行磨削（图6）。磨完两个齿面后进行分度再磨另外两个齿面。为了磨出全齿长，砂轮与工件应沿齿长方向作相对往复运动。③大平面砂轮磨齿：用大直径砂轮的端平面磨削，利用渐开线靠模板得到工件的展成运动(图7)。磨完齿面一侧后，分度再磨下一个齿的同一侧面。全部磨完后工件反向安装再磨另一侧的齿面。④蜗杆砂轮磨齿：工作原理与滚齿相同，但所用蜗杆砂轮的直径比滚刀大得多（图8）。由于磨齿时连续分度，生产率高于其他磨齿方法。对于不同模数的齿轮要换掉不同的砂轮，修整砂轮也很复杂，故这种方式只适于成批生产。 磨齿是最有效的齿形精加工方法，通常用于加工已淬火齿面，对磨前工序误差的纠正能力强，能达到很高的精度，齿面粗糙度可小至Rα0.63～0.16微米。各种磨齿方式的精度和效率如表。 锥齿轮的切削加工 直齿和曲线齿锥齿轮齿部的切削加工有成形法、仿形法和展成法 3种。成形法和仿形法大多数都用在加工直齿锥齿轮。展成法是利用被切齿轮与假想冠轮相啮合的原理加工。假想冠轮有平面冠轮和平顶冠轮两种(图9) 。平面冠轮是节锥角为90°的锥齿轮，即节锥面为一个平面，齿形为直线的齿轮；平顶冠轮是外锥角为90°的锥齿轮，即外锥面为一个平面，其齿形近似于直线。如将刀具刃形做成假想冠轮的齿形，刃口在空间形成的轨迹即相当于冠轮的一个齿面。当被切齿轮与假想冠轮按啮合关系对滚时，刀具的切削运动便能在齿轮上包络切出正确的齿形。按展成法原理可加工各种锥齿轮。 直齿锥齿轮的切齿直齿（包括斜齿）锥齿轮齿部的切削加工主要有铣齿、刨齿、双刀盘铣齿和拉铣齿等。铣齿利用盘形齿轮铣刀或指形齿轮铣刀按成形法铣削锥齿轮时，由于锥齿轮的齿形、齿宽和齿高从大端到小端是逐渐变化的，而铣刀齿厚是按齿槽小端的宽度
的，故须分2～3步才能铣出一个齿槽(图10)，图中k＝齿长×模数／2×节锥长(毫米)。通常先铣出全部齿槽的一个侧面，然后利用轮坯的偏移和转位，再顺次将齿槽的另一侧铣出。同一模数不同齿数的锥齿轮的齿形不同，故一把铣刀只能加工一段齿数范围的锥齿轮。铣齿生产率较低，加工精度为 9级（按JB180-60，下同），适于单件或小批量加工精度要求不高的锥齿轮。刨齿有仿形法和展成法两种。仿形法刨齿是利用一块将被切齿形放大了的靠模板，控制单刃刨刀的刀尖运动轨迹切出齿形 （图11）。展成法刨齿是利用成对刨刀分别刨削轮齿的两个侧面(图12)，刨刀刀刃往复运动的轨迹代表假想冠轮的齿面。刨齿的精度可达7～8级，加工模数范围为 0.3～20毫米，生产率虽低于双刀盘铣齿，但刀具制造简单。刨齿在直齿锥齿轮加工中应用最广。 双刀盘铣齿利用一对直线刃口在凹锥面上的盘铣刀的刀齿互相交错地分别铣削一个齿槽的两个侧面 (图13)， 铣出的齿面略带鼓形。展成运动可由工件单独完成，也可由工件与刀具共同完成。由于成对盘铣刀与工件之间无齿长方向的相对运动，切出齿槽的底部是圆弧形的，故模数和齿长都受到限制。双刀盘铣齿一般用以加工中、小模数(m ≤6毫米) 的锥齿轮。双刀盘铣齿生产率较高，但刀具较复杂，适用于成批生产。拉铣齿利用一把大直径的拉- 铣刀盘在回转一周中，从实体轮坯按成形法完成一个齿槽的粗切和精切。在精切刀齿之后，刀盘上有一段不装刀齿的圆弧空间供工件分齿；也有用两把刀盘分别进行粗切和精切的。拉铣齿的生产率很高，但切出的齿形是近似于渐开线的圆弧曲线，精度较低；且拉-铣刀盘是专用刀具，结构较为复杂，制造困难。拉铣齿常用于大批量生产汽车后桥中的差动齿轮。曲线齿锥齿轮的切齿曲线齿锥齿轮包括格利森齿制的弧齿锥齿轮和厄利康、克林根贝格齿制的延长外摆线齿锥齿轮两种，各有不同的切齿方法。弧齿锥齿轮的铣齿也称格利林切齿法（图14）。用格利森铣刀盘按展成法加工，刀盘各刀齿的旋转轨迹代表假想冠轮（平顶或平面冠轮）的轮齿表面。在机床摇台（一种展成运动机构）与被加工齿轮作相对滚动中完成一个齿槽（或一个齿侧面）的切削，分齿后再切削另一个齿。这种加工方法称为间断展成法。按所用刀具结构和切削轮齿各部分的顺序不同，弧齿锥齿轮切齿有多种方法，常用的有4种。①单刀号单面切削法:利用一把双面铣刀盘分别粗切大轮和小轮的轮齿；再利用同一刀盘的外刀齿精切大轮轮齿的凹面；然后用该刀盘的内刀齿精切大轮轮齿的凸面。小轮轮齿的凹面和凸面的精切也用同一刀盘按大轮的轮齿配切。用这种方法切出的齿轮质量（特别是齿面接触区）较差，生产率也较低。但所用刀具和机床较少（即大、小轮轮齿的粗、精切只用一把刀具在一台机床完成），这种方法适于单件小批生产质量发展要求不高的锥齿轮。②单面-双面切削法:利用一把双面粗切刀盘和一把双面精切刀盘分别承担大轮的粗、精切；另用三把刀盘，其中一把承担小轮的双面粗切，其余两把分别承担小轮凹面和凸面的单面精切。加工时，若只用一台机床，需将上述五把刀盘依次装到机床上铣削大轮或小轮的齿面，这种方法称为单台单面-双面切削法；若用五台机床，则每道工序都在固定的机床上进行，这种方法称为固定安装法，生产率很高，齿面质量（接触区和粗糙度）也较好，适用于大批量生产。③半展成法:当大、小轮齿数之比小于2.5时，大轮可采用端面拉刀盘按成形法切齿，切出的齿廓是直线形的;而小轮轮齿的凹面和凸面需分别按展成法切出，而且要作相应的修正。④双重双面法：大、小轮齿槽两侧面的粗、精切都用双面刀盘切出。若用四台机床和四种刀盘，则生产率比“固定安装法”更高，但接触区不易控制，切出的轮齿质量也较差，这种方法适用于模数小于2.5毫米的弧齿锥齿轮的大批量生产。延长外摆线齿锥齿轮的铣齿有厄利康铣齿法和克林根铣齿法两种。厄利康铣齿法(图15)是用厄利康铣刀盘按展成法连续分齿铣出齿面。铣刀盘的端面有按螺旋线排列的若干组刀齿。铣刀盘旋转时每组刀齿形成假想冠轮的一个齿，铣刀盘的旋转与工件保持一定的速比关系。当第一组刀齿切过一个齿槽后，第二组刀齿即切下一个齿槽，这样连续循环，即可切出全部齿槽。由机床摇台的回转和工件的附加旋转结合而成的展成运动，使工件获得所需齿形。铣齿时，粗、精切一次完成，铣出的齿是等高齿。 克林根铣齿法的工作原理与厄利康铣齿法基本相同，主要不同之处在于所用的端面铣刀盘是由两个刀体（一个装内刀齿、一个装外刀齿）叠合而成的组合刀盘（图16）。刀盘上每一个内刀齿和外刀齿前面都并列着一个粗切刀齿。锥齿轮的研齿和磨齿对淬火后的锥齿轮，为了更好的提高齿面质量和齿形精度，有必要进行研齿或磨齿。研齿一对相配合的锥齿轮副（直齿或曲线齿）的齿面间加入研磨剂在研磨机上对研，主要用来减小齿面粗糙度以降低啮合运转噪声。研齿时需要一些附加运动使两齿轮之间的相互位移不断变动，才能研到全部齿面，提高接触质量。淬火后的锥齿轮经研齿后，齿面粗糙度可减小到R a1.25～0.63微米，齿轮运转噪声可明显降低。研齿的生产率高，研磨一对齿轮副只需要几分钟。但对齿形误差的纠正作用不大。磨齿主要用来消除锥齿轮淬火后的热处理变形，提高齿轮精度和接触质量。直齿锥齿轮的磨齿工作原理与双刀盘铣齿相同，不同之处在于用两片碟形砂轮代替两把铣刀盘，而且是在相邻两齿槽中分别磨削一个齿侧面。弧齿锥齿轮的磨齿工作原理与格利森切齿法相同，但须将端面铣刀盘换成杯形或碗形砂轮进行磨削。淬火锥齿轮经磨削后，精度可达5级，齿面粗糙度可小至Rα0.63～0.32微米。磨齿的生产率低，一般需数分钟才能磨削一齿。对于延长外摆线齿的锥齿轮，由于受刀盘与工件之间旋转速比的限制，不可以进行磨齿。 齿轮的无屑加工利用金属的塑性变形或粉末烧结使齿轮的齿形部分最终成形或提高齿面质量的无屑加工(见少无切削加工)方法，分为工件在常温下来加工的冷态成形和把工件加热到1000℃左右来加工的热态成形两类。前者包括冷轧、冷锻、冲裁等；后者包括热轧、精密模锻、粉末冶金等。无屑加工齿轮可使
利用率从切削加工的40～50％提高到80～95％以上，生产率也可成倍增长，但因受模具强度的限制，一般只能加工模数较小的齿轮或其他带齿零件，同时对精度要求比较高的齿轮，在用无屑加工成形后仍需要利用切削加工最后精整齿形。无屑加工齿轮需要采取了专用的工艺装备，初始投资较大，只有在生产批量较大时(一般达万件以上)才能明显降低生产所带来的成本。冷轧齿轮将齿轮形的轧轮向轮坯径向给，并按一定相互滚动，使轮坯外周产生塑性变形轧出齿形。冷轧可加工圆柱齿轮（直齿或斜齿）、非圆齿轮或带细齿的零件，精度可达8～9级，齿面粗糙度可小至Rα0.63～0.16微米。对模数小于2.5毫米的齿轮，可从轮坏直接轧出齿形。模数大于2.5毫米时，通常先采用切削加工粗切，或铸、锻出齿形，再用冷轧对齿面作精整加工。冷轧一个齿轮的时间只需数十秒（见成形轧制）。冷锻齿轮按轮坯塑性变形和成形力的方法不一样有冷挤（见挤压）和冷镦两种。冷镦是从冷挤发展而来的。冷挤是利用凸模和凹模的相对移动产生挤压力，使坯料在模具的约束下塑性流动而得到齿形，常用于加工模数小于 3毫米的直齿圆柱齿轮、内齿轮、花键轴或花键孔等。冷镦是利用上模的锤击力使坯料在模具中受压缩而横向流动形成齿形，常用于加工锥齿轮。通常需先把坯料头部镦粗，然后再镦锻齿形。冷镦后的齿轮带有飞边，需用切削加工切去。冷锻成形的齿轮尺寸误差可控制在0.05毫米以下，齿面粗糙度可小至Rα3.5～0.3微米。对精度要求比较高的齿轮，可在冷锻成形后再加一道研磨工序精整齿形。冲裁齿轮利用齿轮形的冲压模（凸模和凹模）从板料冲切出齿轮(见冲裁)，适于加工模数小于6毫米、厚度小于10毫米的片齿轮、齿条、棘轮、钟表齿轮和仪表齿轮等。冲裁齿轮的精度可达8级，断面粗糙度可小至Rα0.32～0.16微米。若冲裁时在工件周围采用压料板，并在工件下面设顶料器，使工件在完全压紧的状态下冲切，可防止冲裁齿轮翘曲变形并提高齿轮质量。热轧齿轮工作原理与冷轧相同，但热轧是在工件加热到1000℃以上的热塑状态下进行的。热轧齿轮包括预热、轧制和整形等工序，单件生产时间平均不到1分钟，精度可达8～9级，一般不再精加工就可直接采用。对齿轮精度要求比较高时，可在热轧时预留 0.2毫米加工余量，然后用剃齿机或蜗杆砂轮磨齿机精切齿形。精密模锻齿轮把轮坯在保护气氛炉中加热到1000～1150℃，取出放到锻锤的下模中，用上模锤击数次锻出齿形；也可先粗锻成形，然后精锻齿形(见模锻)。精密模锻适于加工模数小于 4毫米的锥齿轮（直齿或曲线齿）。为减少锻造过程中高温加热的轮坯接触空气而产生氧化皮的机会并提高齿轮精度，自70年代以来，较多采用高速锤进行高速锻造，可使轮坯在热塑性较好的状态下一次锤击成形。精密模锻后的齿轮需先去除飞边，然后以锻出的齿槽作定位基准钻、铰或镗削轴孔，再以轴孔为基准精加工齿轮外径和别的部位。对精度要求比较高的齿轮，可在模锻时预留0.5毫米加工余量，以便最后用机床精切齿形。粉末冶金齿轮将金属粉末原料（一般铁粉占93～98％，铜粉占1.5～4％，石墨占0～0.3％）在模具中压制成形，然后将轮坯在保护气氛炉中以1100～1150℃的温度保温1.5～2.0小时进行烧结。烧结后的齿轮一般不必或很少切削加工。粉末冶金齿轮的精度可达9级左右。用粉末冶金方法可加工各种齿形的齿轮，但制成的齿轮内部一般含有5％以上的孔隙，材料密度为6.9～7.2克／厘米3，机械强度较低。因此，某些锥齿轮的制造常采用粉末锻造的方法，即先用粉末冶金方法制作而成轮坯，再加热至850～950℃进行精密模锻，最后去除飞边。锻后的齿轮，密度可达7.75克／厘米3以上，几无孔隙；精度可达7级左右，齿面粗糙度可小至Rα5～2.5微米。
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《正大邵阳骨伤科医院员工手册办公制度汇编》141页
何傳坤教授（國立自然科學博物館研究員兼人類學組主任） - 博物館研究所
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