齿轮加工方法分析与研究
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摘要：齿轮是工业设备中的基础传动元件，例如每辆汽车中就有18～30个齿部，齿轮的质量直接影响传动的噪声、平稳性及使用寿命。近年来，齿轮技术得到了迅速发展，其发展趋势可概括为：高承载能力、高齿面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高传动效率，这其中离不开齿轮加工方法与工艺的进步。
关键词：齿轮;加工流程;加工方法
1.引言
齿轮制造的关键是齿轮加工技术的设定，根据齿轮的不同用途，在生产中采用不同的加工工艺控制齿轮的承载能力、精度等级和使用寿命。齿轮是工业设备中主要的基础传动元件，例如每辆汽车就有18-30个齿部，齿轮的质量直接影响设备运行的噪声、平稳性及使用寿命。
2.齿轮加工方法分析
通常一个完整的齿轮加工过程一般要经过毛坯的准备、毛坯正火热处理、车削加工、滚齿、插齿、剃齿、再次热处理、磨削加工与修正等过程。
（1）毛坯准备
毛坯的准备尤其是重要齿轮一般通过锻造制坯来完成的，因为锻造能消除金属原材料在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构。同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于非锻造的毛坯。模锻还能节省材料消耗，大幅度提高材料利用率。近年来，楔横轧技术在轴类加工上得到了大范围推广。这项技术特别适合为比较复杂的阶梯轴类制坯，它不仅精度较高、后序加工余量小，而且生产效率高。
（2）正火处理
正火这一工艺的目的是获得适合后序齿轮切削加工的硬度和为最终热处理做组织准备，以有效减少热处理变形。所用齿轮钢的材料通常为20CrMnTi，一般的正火由于受人员、设备和环境的影响比较大，在热处理工艺中，如果处理不当将使得工件冷却速度和冷却的均匀性难以控制，造成硬度散差大，金相组织不均匀，直接影响金属切削加工和最终热处理，使得热变形大而无规律，零件质量无法控制[1] 。为此，采用等温正火工艺。实践证明，采用等温正火有效改变了一般正火的弊端，产品质量稳定可靠。
（3）车削加工
为了满足高精度齿轮加工的定位要求，齿坯的加工全部采用数控车床，使用机械夹紧不重磨车刀，实现了在一次装夹下孔径、端面及外径加工同步完成，既保证了内孔与端面的垂直度要求，又保证了大批量齿坯生产的尺寸离散小。从而提高了齿坯精度，确保了后序齿轮的加工质量。
（4）滚、插齿
加工齿部所用设备仍大量采用普通滚齿机和插齿机，虽然调整维护方便，但生产效率较低，若完成较大产能需要多机同时生产。随着涂层技术的发展，滚刀、插刀刃磨后的再次涂镀非常方便地进行，经过涂镀的刀具能够明显地提高使用寿命，一般能提高90%以上，有效地减少了换刀次数和刃磨时间，效益显著。
滚齿是软齿面圆柱齿轮加工中应用最为广泛的一种切齿方法。目前，通过提高滚齿机刚性，采用高性能高速钢和硬质合金，采用先进的刀具涂层技术，改单头为多头滚刀，用大直径滚刀作径向进给加工以及对角滚齿法等途径，使滚齿生产效率得到了极大的提高。国外采用TI N 涂层的优质高速钢滚刀的滚齿切削速度已达150m/min以上，硬质合金滚刀的实用切削速度已达40m/min以上。
硬齿面滚齿工艺已广泛用于模数为m2-40、齿面硬度为HRC40-64的各种硬齿面圆柱齿轮的半精滚和精滚加工。根据不同的加工条件，齿面的精加工效率可比传统磨齿工艺提高1- 5 倍，成本也明显降低，而且扩大了硬齿面的可加工范围，从工艺上保证了硬齿面齿轮的广泛应用。
（5）剃齿
剃齿能加工5-7 级精度齿轮，生产效率高，以前主要用于齿轮滚插预加工后、淬火前的精加工。轴向剃齿法剃齿刀磨损不均匀，工作台行程长，生产效率不高，但工艺较简单;对角剃齿法剃齿刀磨损较均匀，刀具耐用度得到提高，生产效率较高;切向剃齿法生产效率更高。近年来，国外又研制了径向剃齿法，工件和剃齿刀之间无相对的往复运动，只有径向进刀运动，生产效率在剃齿加工中最高，精度和表面粗糙度也好，但这类剃齿刀的设计和制造较困难。剃齿广泛应用于运动精度要求不高、批量较大的汽车、拖拉机、机床等行业的齿轮加工中，作为热处理前的精加工手段。
（6）磨齿加工
磨齿的加工精度很高，可达4 级以上，但成本较高，生产效率一般都较低（蜗杆砂轮磨齿机除外）。所以，国内只在加工精密齿轮和高精度齿轮时采用，应用远不如国外普及。近年来，由于CBN磨料、齿轮形金刚石修整滚轮的应用以及其它砂轮修整技术的发展，使磨齿技术取得了很大进展。
CNC磨齿机采用普通氧化铝砂轮砂轮齿面经金刚石滚轮修整成为渐开线螺旋面（滚轮齿面）的包络面，磨齿时砂轮齿面经二次包络形成工件齿面，工件齿面为滚轮齿面的复映。对于有修形（国外修形很普遍）要求的齿轮，只需对金刚石滚轮进行相应的修形即可磨出所要求的修形齿轮。该机床磨削一个工件只34s，每磨20-30 个工件需对砂轮修整一次。修整时只要将金刚石滚轮置于工件位置，然后进行类似于磨削工件的循环过程即可实现对砂轮的修整，修整时间约为50s。
国外还开发了其它类型的CBN硬齿面精加工机床，如德国Carl Hurth 公司和日本三菱重工分别生产出ZHS350和HA25CNC 硬齿面精加工机床。这类机床采用圆盘齿轮状CBN 镀层，切削机理类似于剃齿加工，可以加工出所要求的各种齿形和齿向曲线，是一种高效硬齿面精加工方法，可以肯定，这种高效、高精度的硬齿面精加工新方法必将发挥越来越重要的作用[2] 。
（7）热处理
齿轮的热处理有表面淬火，渗碳淬火，渗氮，调质等方式，要结合齿轮的使用要求，选择合理的热处理方式。对于热处理后不再进行磨齿加工的产品，稳定可靠的热处理设备是必不可少的。
（8）磨削加工
该工艺主要是对经过热处理的齿轮内孔、端面、轴的外径等部分进行精加工，以提高尺寸精度和减小形位公差。齿轮加工采用节圆夹具定位夹紧，能有效保证齿部与安装基准的加工精度，获得满意的产品质量。磨削是国外齿轮硬精加工普遍使用的方法，其重要性和影响日益增加。这种加工方法常常为可靠地进行渐开线齿形和齿向所限定的精修提供唯一的手段。
（9）珩齿
淬火后的齿轮轮齿表面有氧化皮，影响齿面粗糙度，热处理的变形也影响齿轮的精度。由于工件已淬硬，除可用磨削加工外，但也可以采用珩齿进行精加工。珩齿原理与剃齿相似，珩轮与工件类似于一对螺旋齿轮呈无侧隙啮合，利用啮合处的相对滑动，并在齿面间施加一定的压力来进行珩齿。
珩齒效果很大程度上取决于前一道工序的加工精度和热处理变形量。另外，无合适的齿轮修整方法，珩齿在整个使用过程中不进行修整，影响了珩齿精度的提高。新的珩齿加工技术主要有蜗杆形珩轮珩齿法和内齿布轮珩齿法两种。
3.结语
齿轮作为一种重要的零部件，对于整个工业体系来说，是必不可少的。随着科技的发展，齿轮制造技术和装备也在进一步发展，高效、高精度、自动化、智能化、信息化及清洁加工是今后齿轮加工技术及装备的发展趋势。齿轮加工正朝着高效、高精度及绿色制造方向发展，齿轮加工机床也同着全数控、功能复合、智能化、自动化及信息化方向发展。中国齿轮加工机床制造商要抓住这一发展趋势，更好地为我国的齿轮加工行业提供高效、复合、智能的装备。
参考文献：
[1] 王政.汽车齿轮加工工艺及发展趋势，MC现代零部件，2010，9：26-27
[2] 安立宝.齿轮加工技术新进展，航空工艺技术：29，35
作者简介：
翟晓，男，供职于沈阳机床股份有限公司齿轮分公司，2008年9月入厂，主要从事齿轮生产与工艺编程工作。
（作者单位：1沈阳机床股份有限公司齿轮分公司;2优尼斯工业服务有限公司沈阳分公司）
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