齒輪加工方法分析與研究

翟曉 郭鐸

摘要：齒輪是工業設備中的基礎傳動元件，例如每輛汽車中就有18～30個齒部，齒輪的質量直接影響傳動的噪聲、平穩性及使用壽命。近年來，齒輪技術得到了迅速發展，其發展趨勢可概括為：高承載能力、高齒面硬度、高精度、高速度、高可靠性和高傳動效率，這其中離不開齒輪加工方法與工藝的進步。

關鍵詞：齒輪;加工流程;加工方法

1.引言

齒輪制造的關鍵是齒輪加工技術的設定，根據齒輪的不同用途，在生產中采用不同的加工工藝控制齒輪的承載能力、精度等級和使用壽命。齒輪是工業設備中主要的基礎傳動元件，例如每輛汽車就有18-30個齒部，齒輪的質量直接影響設備運行的噪聲、平穩性及使用壽命。

2.齒輪加工方法分析

通常一個完整的齒輪加工過程一般要經過毛坯的準備、毛坯正火熱處理、車削加工、滾齒、插齒、剃齒、再次熱處理、磨削加工與修正等過程。

（1）毛坯準備

毛坯的準備尤其是重要齒輪一般通過鍛造制坯來完成的，因為鍛造能消除金屬原材料在冶煉過程中產生的鑄態疏松等缺陷，優化微觀組織結構。同時由于保存了完整的金屬流線，鍛件的機械性能一般優于非鍛造的毛坯。模鍛還能節省材料消耗，大幅度提高材料利用率。近年來，楔橫軋技術在軸類加工上得到了大范圍推廣。這項技術特別適合為比較復雜的階梯軸類制坯，它不僅精度較高、后序加工余量小，而且生產效率高。

（2）正火處理

正火這一工藝的目的是獲得適合后序齒輪切削加工的硬度和為最終熱處理做組織準備，以有效減少熱處理變形。所用齒輪鋼的材料通常為20CrMnTi，一般的正火由于受人員、設備和環境的影響比較大，在熱處理工藝中，如果處理不當將使得工件冷卻速度和冷卻的均勻性難以控制，造成硬度散差大，金相組織不均勻，直接影響金屬切削加工和最終熱處理，使得熱變形大而無規律，零件質量無法控制^[1]。為此，采用等溫正火工藝。實踐證明，采用等溫正火有效改變了一般正火的弊端，產品質量穩定可靠。

（3）車削加工

為了滿足高精度齒輪加工的定位要求，齒坯的加工全部采用數控車床，使用機械夾緊不重磨車刀，實現了在一次裝夾下孔徑、端面及外徑加工同步完成，既保證了內孔與端面的垂直度要求，又保證了大批量齒坯生產的尺寸離散小。從而提高了齒坯精度，確保了后序齒輪的加工質量。

（4）滾、插齒

加工齒部所用設備仍大量采用普通滾齒機和插齒機，雖然調整維護方便，但生產效率較低，若完成較大產能需要多機同時生產。隨著涂層技術的發展，滾刀、插刀刃磨后的再次涂鍍非常方便地進行，經過涂鍍的刀具能夠明顯地提高使用壽命，一般能提高90%以上，有效地減少了換刀次數和刃磨時間，效益顯著。

滾齒是軟齒面圓柱齒輪加工中應用最為廣泛的一種切齒方法。目前，通過提高滾齒機剛性，采用高性能高速鋼和硬質合金，采用先進的刀具涂層技術，改單頭為多頭滾刀，用大直徑滾刀作徑向進給加工以及對角滾齒法等途徑，使滾齒生產效率得到了極大的提高。國外采用TI N 涂層的優質高速鋼滾刀的滾齒切削速度已達150m/min以上，硬質合金滾刀的實用切削速度已達40m/min以上。

硬齒面滾齒工藝已廣泛用于模數為m2-40、齒面硬度為HRC40-64的各種硬齒面圓柱齒輪的半精滾和精滾加工。根據不同的加工條件，齒面的精加工效率可比傳統磨齒工藝提高1- 5 倍，成本也明顯降低，而且擴大了硬齒面的可加工范圍，從工藝上保證了硬齒面齒輪的廣泛應用。

（5）剃齒

剃齒能加工5-7 級精度齒輪，生產效率高，以前主要用于齒輪滾插預加工后、淬火前的精加工。軸向剃齒法剃齒刀磨損不均勻，工作臺行程長，生產效率不高，但工藝較簡單;對角剃齒法剃齒刀磨損較均勻，刀具耐用度得到提高，生產效率較高;切向剃齒法生產效率更高。近年來，國外又研制了徑向剃齒法，工件和剃齒刀之間無相對的往復運動，只有徑向進刀運動，生產效率在剃齒加工中最高，精度和表面粗糙度也好，但這類剃齒刀的設計和制造較困難。剃齒廣泛應用于運動精度要求不高、批量較大的汽車、拖拉機、機床等行業的齒輪加工中，作為熱處理前的精加工手段。

（6）磨齒加工

磨齒的加工精度很高，可達4 級以上，但成本較高，生產效率一般都較低（蝸桿砂輪磨齒機除外）。所以，國內只在加工精密齒輪和高精度齒輪時采用，應用遠不如國外普及。近年來，由于CBN磨料、齒輪形金剛石修整滾輪的應用以及其它砂輪修整技術的發展，使磨齒技術取得了很大進展。

CNC磨齒機采用普通氧化鋁砂輪砂輪齒面經金剛石滾輪修整成為漸開線螺旋面（滾輪齒面）的包絡面，磨齒時砂輪齒面經二次包絡形成工件齒面，工件齒面為滾輪齒面的復映。對于有修形（國外修形很普遍）要求的齒輪，只需對金剛石滾輪進行相應的修形即可磨出所要求的修形齒輪。該機床磨削一個工件只34s，每磨20-30 個工件需對砂輪修整一次。修整時只要將金剛石滾輪置于工件位置，然后進行類似于磨削工件的循環過程即可實現對砂輪的修整，修整時間約為50s。

國外還開發了其它類型的CBN硬齒面精加工機床，如德國Carl Hurth 公司和日本三菱重工分別生產出ZHS350和HA25CNC 硬齒面精加工機床。這類機床采用圓盤齒輪狀CBN 鍍層，切削機理類似于剃齒加工，可以加工出所要求的各種齒形和齒向曲線，是一種高效硬齒面精加工方法，可以肯定，這種高效、高精度的硬齒面精加工新方法必將發揮越來越重要的作用^[2]。

（7）熱處理

齒輪的熱處理有表面淬火，滲碳淬火，滲氮，調質等方式，要結合齒輪的使用要求，選擇合理的熱處理方式。對于熱處理后不再進行磨齒加工的產品，穩定可靠的熱處理設備是必不可少的。

（8）磨削加工

該工藝主要是對經過熱處理的齒輪內孔、端面、軸的外徑等部分進行精加工，以提高尺寸精度和減小形位公差。齒輪加工采用節圓夾具定位夾緊，能有效保證齒部與安裝基準的加工精度，獲得滿意的產品質量。磨削是國外齒輪硬精加工普遍使用的方法，其重要性和影響日益增加。這種加工方法常常為可靠地進行漸開線齒形和齒向所限定的精修提供唯一的手段。

（9）珩齒

淬火后的齒輪輪齒表面有氧化皮，影響齒面粗糙度，熱處理的變形也影響齒輪的精度。由于工件已淬硬，除可用磨削加工外，但也可以采用珩齒進行精加工。珩齒原理與剃齒相似，珩輪與工件類似于一對螺旋齒輪呈無側隙嚙合，利用嚙合處的相對滑動，并在齒面間施加一定的壓力來進行珩齒。

珩齒效果很大程度上取決于前一道工序的加工精度和熱處理變形量。另外，無合適的齒輪修整方法，珩齒在整個使用過程中不進行修整，影響了珩齒精度的提高。新的珩齒加工技術主要有蝸桿形珩輪珩齒法和內齒布輪珩齒法兩種。

3.結語

齒輪作為一種重要的零部件，對于整個工業體系來說，是必不可少的。隨著科技的發展，齒輪制造技術和裝備也在進一步發展，高效、高精度、自動化、智能化、信息化及清潔加工是今后齒輪加工技術及裝備的發展趨勢。齒輪加工正朝著高效、高精度及綠色制造方向發展，齒輪加工機床也同著全數控、功能復合、智能化、自動化及信息化方向發展。中國齒輪加工機床制造商要抓住這一發展趨勢，更好地為我國的齒輪加工行業提供高效、復合、智能的裝備。

參考文獻

[1]王政.汽車齒輪加工工藝及發展趨勢，MC現代零部件，2010，9：26-27

[2]安立寶.齒輪加工技術新進展，航空工藝技術：29，35

第一作者：翟曉，男，供職于沈陽機床股份有限公司齒輪分公司，2008年9月入廠，主要從事齒輪生產與工藝編程工作。

（作者單位：1沈陽機床股份有限公司齒輪分公司;2優尼斯工業服務有限公司沈陽分公司）