標準漸開線直齒圓柱齒輪參數化設計及加工工藝分析

趙滿玲

錦州市機電工程學校 121003

標準漸開線直齒圓柱齒輪參數化設計及加工工藝分析

趙滿玲

錦州市機電工程學校 121003

齒輪傳動在現代機器和儀器中的應用極為廣泛，其功用是按規定的速比傳遞運動和動力。本文基于Pro/E軟件實現漸開線直齒圓柱齒輪參數化設計；從齒輪的功用和結構特點出發，提出了直齒圓柱齒輪加工工藝及其注意事項。

漸開線；參數

齒輪是機械傳動中應用極為廣泛的一種機械零件，齒輪的結構由于使用要求不同而具有各種不同的形狀，但從工藝角度可將齒輪看成是由齒圈和輪體兩部分構成。常見的齒形切削加工，按照齒形的形成原理有仿形法和展成法。在各種齒輪中，以盤形齒輪應用最廣。盤形齒輪的內孔多為精度較高的圓柱孔和花鍵孔。其輪緣具有一個或幾個齒圈。單齒圈齒輪的結構工藝性最好，可采用任何一種齒形加工方法加工輪齒；雙聯或三聯等多齒圈齒輪。當其輪緣間的軸向距離較小時，小齒圈齒形的加工方法的選擇就受到限制，通常只能選用插齒。在確定具體加工工藝內容時，著重考慮確定兩項精度:一是齒輪各部分對中心軸線的形狀精度;二是消除經熱處理滲碳淬火后的熱變形對齒輪精度的影響。

1 漸開線直齒圓柱齒輪參數化設計

齒輪設計及機械運動計算機仿真中，因其基本參數較多，幾何尺寸相對復雜而使其建模工作較困難。筆者基于Pro/E采用參數化設計方法創建漸開線直齒圓柱齒輪實體模型。體現參數化除使用尺寸參數控制模型外，還在尺寸之間建立關系式，使它們保持始終相對的大小、位置或約束條件。

1.1 參數設置

設置參數窗口，向模型中添加的參數主要有齒數（z），模數（m），壓力角（angle），齒頂高系數（ha），頂隙系數（c），分度圓直徑（d），基圓直徑（db），齒頂圓直徑（da），齒根圓直徑（df），齒寬（b）。確定具體參數時分度圓直徑，基圓直徑，齒頂圓直徑，齒根圓直徑，齒寬值設置為零，并將通過后面的關系式進行計算。具體示例如表1所示。

表1 模型中添加的參數

1.2 齒輪參數化設計

修改參數時，參數的修改范圍并不是任意的，該設計齒廓曲線是由漸開線和圓弧曲線組成，這樣的齒輪的基圓半徑大于齒根圓半徑。而當齒輪的基圓半徑小于齒根圓半徑時，整個齒廓曲線就全部為漸開線。臨界齒數的計算可以使用公式Z0＝2×(ha+c)/(1-cos(angle))。即當齒輪的齒數大于41時，將z的初始值給定在一個大于41的范圍內，在創建漸開線時，就不用近似圓弧了。參數化設計的齒輪三維實體如圖1所示。

圖1 齒輪三維實體圖

2 齒輪加工工藝分析

需要加工的直齒圓柱齒輪如圖1所示。齒寬30mm，模數m=5，齒數z=25，齒形角20度，材料是45調質剛，8級加工精度，要求經過熱處理后硬度達50HRC。

2.1 工藝方案

在確定工藝基準時，首先應該選定內花鍵的大徑尺寸為加工工藝基準，這是因為內花鍵的加工都是花鍵拉刀拉制而成的，而拉刀的外徑尺寸精度比較高，拉出的花鍵大徑尺寸比較穩定和可靠，完全可以作為齒坯加工的工藝基準，無論是矩形花鍵孔或是漸開線花鍵孔都是一樣。實際具體加工工藝為:

2.1.1 毛坯鍛造成形；

2.1.2 熱處理正火處理；

2.1.3 粗車內孔，粗車內孔尺寸一般設計為裝配基準，在設定內孔粗車尺寸時一般是按花鍵拉刀的前導向尺寸確定，比設計尺寸減小0.5～0.6mm，作為熱處理后的精磨余量；選用拉床定位的端面時應盡量選用大端面，而且要求同內孔一次裝夾車成，保證其垂直精度;齒坯的其余部分可在粗車加工時留有一定余量。

2.1.4 拉花鍵，拉內花鍵用大端面和內孔定位拉制。

2.5 精車，選用內花鍵的大徑尺寸定位，車工專用花鍵微錐心軸一次定位加工。在工件調頭加工時，可隨心軸一起整體調頭加工完成后，再拆卸工件。

2.1.6 滾齒及倒角，滾齒的定位仍使用花鍵大徑和大端為工藝基準，齒厚為粗切加工。

2.1.7 倒角齒廓倒角，齒廓倒角，一般是指齒高的兩端和沿齒長的齒頂2mm×45°倒鈍。

2.1.8 熱處理工藝滲碳淬火。

2.1.9 磨削。

2.2 工藝分析

2.2.1 齒輪的傳動精度主要決定于齒形精度和齒距分布均勻性，齒坯加工階段主要是為下一階段加工齒形準備精基準，使齒的內孔和端面的精度基本達到規定的技術要求。加工出基準外，對于齒形以外的次要表面的加工，也應盡量在這一階段后期完成。定位基準的精度對齒形加工精度有直接的影響，軸類齒輪的齒形加工一般選擇頂尖孔定位；某些大模數的軸類齒輪多選擇齒輪軸頸和一端面定位；盤套類齒輪的齒形加工常采用兩種定位基準。（1）內孔和端面定位。選擇既是設計基準又是測量和裝配基準的內孔作為定位基準，生產率高，被廣泛用于成批生產中。（2）外圓和端面定位。齒坯內孔在通用芯軸上安裝，用找正外圓來決定孔中心位置，所以，要求齒坯外圓對內孔的徑向跳動要小，因找正效率低，一般被用于單件小批生產。

2.2.2 齒形的加工。對于不需要淬火的齒輪，一般來說這個階段也就是齒輪的最后加工階段，經過這個階段就應當加工出完全符合圖樣要求的齒輪來。對于需要淬硬的齒輪，必須在這個階段中加工出能滿足齒形的最后精加工所要求的齒形精度。齒端加工圖2所示，齒輪的齒端加工有倒圓、倒尖、倒棱和去毛刺等。倒圓、倒尖后的齒輪，沿軸向滑動時容易進入嚙合；倒棱可去除齒端的銳邊，這些銳邊經滲碳淬火后很脆，在齒輪傳動中易崩裂。用銑刀進行齒端倒圓，倒圓時，銑刀在高速旋轉的同時沿圓弧作往復擺動（每加工一齒往復擺動一次）。加工完一個齒后工件沿徑向退出，分度后再送進加工下一個齒端。齒端加工必須安排在齒輪淬火之前，通常多在滾（插）齒之后。

圖2 齒端加工示意圖

2.2.3 熱處理階段。主要對齒面的淬火處理，使齒面達到規定的硬度要求。

2.2.4 齒形的精加工。修正齒輪經過淬火后所引起的齒形變形，進一步提高齒形精度和降低表面粗糙度，使之達到最終的精度要求。首先應對定位基準面（孔和端面）進行修整，因淬火以后齒輪的內孔和端面均會產生變形如果在淬火后直接采用這樣的孔和端面作為基準進行齒形精加

工，是很難達到齒輪精度的要求的；而以修整過的基準面定位進行齒形精加工，可以使定位準確可靠，余量分布也比較均勻，便于達到精加工的目的。齒輪淬火后基準孔產生變形，為保證齒形精加工質量，對基準孔必須給予修正。（1）對外徑定心的花鍵孔齒輪，通常用花鍵推刀修正。推孔時要防止歪斜，有的工廠采用加長推刀前引導來防止歪斜，已取得較好效果。（2）對圓柱孔齒輪的修正，可采用推孔或磨孔，推孔生產率高，常用于未淬硬齒輪；磨孔精度高，但生產率低，對于整體淬火后內孔變形大硬度高的齒輪，或內孔較大、厚度較薄的齒輪，則以磨孔為宜。磨孔時一般以齒輪分度圓定心，這樣可使磨孔后的齒圈徑向跳動較小，對以后磨齒

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.03.047