第4章齿轮齿形加工

第4章齿轮齿形的加工 齿形加工的方法按照加工中有无切屑而分为无屑加工和切屑加工 无屑加工 热轧 冷轧 冷挤 压铸 注塑 粉末冶金等切屑加工 仿形法 成形法 成形铣齿 成形磨齿 拉齿展成法 范成法 滚齿 插齿 剃齿 珩齿 磨齿 4 1渐开线齿轮概述 4 1 1渐开线的形成及其特性 1 BK AB2 渐开线上任意点的法线 一定是基圆的切线 3 任意两条反向渐开线间公法线长度处处相等 4 基圆内无渐开线 5 渐开线的形状只与基圆的大小有关 K A B 4 1 2直齿圆柱齿轮各部分名称 基本参数和主要尺寸 1 直齿圆柱齿轮各部分名称齿顶圆 通过齿轮轮齿顶部的圆称为齿顶圆 齿根圆 通过齿轮轮齿根部的圆称为齿根圆 分度圆 在标准齿轮中 理论齿厚与齿间相等的圆称为分度圆 分度圆齿厚 在分度圆上一个轮齿所占的弧长称为分度圆齿厚 用S表示 分度圆齿间 在分度圆上一个齿槽所占的弧长称为分度圆齿间 用e来表示 周节 从分度圆上相邻两齿对应点之间的弧长称为分度圆周节 齿顶高 从齿顶圆到分度圆的径向距离称为齿顶高 工作齿高 两个齿轮啮合时 两个齿轮的齿顶圆之间的径向距离称为工作齿高 径向间隙 当两个齿轮啮合时 一个齿轮的齿顶圆与另一个齿轮的齿根圆之间的径向距离称为径向间隙 直齿圆柱齿轮各部分名称 2 直齿圆柱齿轮的基本参数 1 模数 2 压力角 渐开线齿形上任一点K的法向力F与其速度vK之间所夹的锐角 3 直齿圆柱齿轮的主要尺寸 4 1 3圆柱齿轮精度简介 1 齿轮传动的精度要求 1 传递运动的准确性 2 传动的平稳性 3 载荷分布的均匀性 4 传动侧隙 圆柱齿轮的加工 4 2圆柱齿轮齿形的成形法加工 成形法加工是指用刀刃形状与被加工齿槽形状相同的刀具 切出齿形的加工方法 成形法加工齿轮主要是指用铣床加工齿轮 4 1 1成形法铣削直齿圆柱齿轮用铣床加工齿轮 指状铣刀 分度头盘状铣刀 按道理 每一个模数 每一个齿数 都应该用相应的刀具 实际中 是一个模数只做8把或15把铣刀 每把铣刀适应一定的齿数范围 因此 加工出来的齿形是近似的 加工精度较低 4 2 2铣齿加工的特点及应用 1 特点刀具简单 生产成本低 加工精度低 生产效率低 2 应用单件小批生产 低于八级精度的齿轮表面粗糙度 Ra值为3 2 6 3 加工直齿 人字齿 齿条和锥齿轮 4 3圆柱齿轮齿形的展成法加工 根据一对齿轮的啮合原理 将啮合副中的一个转化为刀具 另一个转化为毛坯 机床强制刀具和毛坯按啮合时的严格速比关系作相对运动从而展成渐开线齿形 4 3 1插齿原理及运动 插齿机主要用于加工直齿圆柱齿轮 尤其适用于加工在滚齿机上不能加工的内齿轮和多联齿轮 插齿机不能加工蜗轮 插齿机加工原理为一对圆柱齿轮的啮合 其中一个是齿轮形刀具 插齿刀 插齿刀实质上是一个端面磨有前角 齿顶及齿侧磨有后角的齿轮 插齿机同样是按展成法加工圆柱齿轮 1 主运动 插齿刀沿工件轴线所作的直线往复运动 这是一个简单运动 用以切制成轮齿齿面 插斜齿时 用斜齿插刀 插刀主轴是在一个专用的螺旋导轨上移动 这样 上下往复移动时 插刀获得一个附加运动 2 分齿运动 展成运动 插齿刀和工件应保持一对圆柱齿轮的啮合运动关系 这是一个复合运动展成运动可被分解成两部分 插齿刀的旋转运动和工件的旋转运动 有下列关系 3 径向进给运动 插齿刚开始时 插齿刀相对于工件作径向切入运动 直到全齿深为止 然后工件转过一圈 全部轮齿加工完毕 加工完后插齿刀与工件分离 有时 为了提高加工精度 径向切入可分为几次进行 每次进给后 工件需转过一圈 4 让刀运动插齿刀向下的直线运动为工作行程 向上为空行程 空行程时不切削 为了减少刀刃的磨损 机床上还需有让刀运动 使空行程时刀具在径向退离工件 插齿机的传动原理图 1 由于切入运动及让刀运动并不影响加工表面的形成 所以在传动原理图中没有表示出来 2 点8到点11之间的传动链是展成传动链 内联系 确定渐开线成形运动的轨迹 3 点4到点8之间的传动链为圆周进给传动链 外联系 确定渐开线成形运动的速度 由电动机点1至曲柄偏心盘点4之间的传动链是机床的主运动传动链 用以确定插齿刀每分钟往复次数 速度 插齿运动 4 3 2滚齿原理及运动 滚齿机用展成法加工直齿和斜齿圆柱齿轮 它基于螺旋齿轮啮合原理 将其中一个作为滚刀 它的特点是螺旋角 很大 齿数Z很少 类似于蜗杆 开槽和铲削齿背后就形成了滚刀 机床传动链使被加工齿轮和滚刀保持一对螺旋齿轮的啮合关系 再加上滚刀的进给运动 就可完成对工件全部齿形的加工 齿轮滚刀 滚切直齿圆柱齿轮 用滚刀加工直齿圆柱齿轮必须具备以下两个运动 一个是形成渐开线齿廓所需的展成运动 另一个是切出整个齿宽所需的 滚刀沿工件轴线的垂直进给运动 为滚刀的螺旋升角 为滚刀安装角 A 完成滚切直齿圆柱齿轮 需以下传动链 1 主运动滚刀的旋转为主运动 构成展成运动的外联系传动链 电动机 1 2 uv 3 4 滚刀 滚刀的转速可以根据切削速度来确定 2 分齿运动 展成运动 展成运动是形成渐开线齿廓的滚刀与工件之间的啮合运动 它可以分解成两部分 滚刀的旋转运动B11和工件的旋转运动B12 展成运动是个复合运动 因此B11与B12之间构成一条内联系传动链 内联系传动链 该链为 滚刀 4 5 ux 6 7 工件 以保证滚刀与工件间的运动关系为 滚刀转l转 工件转K Z转 Z为工件的齿数 K为滚刀的头数 B11和B12保持严格的速比关系 Z 工件齿数 K 滚刀头数 B11和B12不可分割 速度不能调整 3 垂直进给运动滚刀沿工件轴线作垂直进给 以便切出整个齿宽 A为进给运动 进给量f mm r 以工件每转滚刀垂直进给的距离来表示 A是个简单运动 传动链为 工件 7 8 uf 9 10 刀架升降丝杠 这是一条外联系传动链 称为进给传动链 滚切直齿圆柱齿轮时 共有三条传动链 用展成法形成渐开线 需要一个复合的成形运动 这个运动需要一条内联系传动链 展成运动传动链 和一条外联系传动链 主运动传动链 另外需要一条外联系的进给传动链 以实现垂直进给 1 运动齿形的形成 B11B12齿长的形成 A2 传动滚切链 B11B12速度链 B11电动机 1 2 uv 3 4 滚刀进给链 A工件 7 8 uf 9 10 刀架升降丝杠 滚切斜齿圆柱齿轮 斜齿圆柱齿轮与直齿圆柱齿轮相比 端面齿廓也是渐开线 但齿长方向不是直线 而是螺旋线 加工斜齿圆柱齿轮时 除也需要一个形成渐开线的展成运动外 还需一个形成螺旋线的运动 形成渐开线的展成运动与加工直齿轮相同 但后一个运动则不同 加工直齿轮时的进给运动为直线运动 是简单运动 加工斜齿轮时的进给运动是螺旋运动 是一个复合运动 即进给运动应该是滚刀向下走一个导程 工件应该补转一转 附加运动 滚斜齿轮 滚切斜齿轮时 展成运动传动链与加工直齿轮时相同 形成渐开线齿形 进给运动传动链 产生螺旋运动的外联系传动链 进给运动为复合运动 还需要一条产生螺旋线的内联系传动链 它连接刀架移动A21和工件附加转动B22 以保证刀架直线移动距离为一个螺旋线的导程时 工件附加转动为一转 差动传动链 刀架 12 13 uy 14 15 6 7 ux 8 9 工件工件的实际转动为B12 B22 所以采用合成机构 将两个分别独立的运动B12和B22合成后传给工件 滚齿机即可加工直齿 又可加工斜齿圆柱齿轮 当加工直齿轮时 就将差动传动链断开 1 运动齿形的形成 B11B12齿长的形成 A21B222 传动滚切链 B11B12 B22 差动链 刀架 12 13 uy 14 15 6 7 ux 8 9 工件速度链 B11电动机 1 2 uv 3 4 滚刀进给链 A A21 工件转 1 f T 转 滚刀转Z K转 工件附加运动的方向 f T的正负号 使用右旋滚刀 右旋齿轮左旋齿轮 滚刀的安装 加工直齿轮时 加工斜齿轮时 滚刀安装角 不仅与滚刀的螺旋方向及螺旋升角 有关 而且与被加工齿轮的螺旋方向与螺旋角 有关 当滚刀与齿轮的螺旋线方向相同时 滚刀的安装角 当滚刀与齿轮的螺旋线方向相反时 滚刀的安装角 4 3 3插齿和滚齿的特点和应用 1 插齿和滚齿都能保证7 8级精度 插齿主要用于加工直齿轮 内齿轮 多联齿轮 2 插齿加工的表面粗糙度小 3 插齿的生产效率低 而比铣齿高 4 插齿到和滚齿刀加工齿轮齿数的范围大 滚齿应用最为广泛 能加工直齿 斜齿 蜗轮 4 4圆柱齿轮齿形的精加工 对于精度高于7级或齿形需要淬火处理的齿轮 在齿形的成形加工之后 还要进行精加工 齿形的精加工有剃齿 珩齿和磨齿 4 4 1剃齿剃齿原理是以剃齿刀和工件作为一对轴线交叉的螺旋齿轮 在无侧隙双面啮合过程中 沿齿向产生了相对滑移 剃齿刀的刀刃在被切齿面上剃下很微细的切屑的过程 1 剃齿刀 剃齿刀实际上是一个齿面上沿渐开线齿形方向 开有很多刀刃的高精度螺旋齿轮 2 剃齿加工 剃齿加工是在滚 插齿后常用的一种齿轮精加工方法 剃齿加工在原理上属于一对螺旋齿轮作无侧隙双面啮合 由剃齿刀带动工件作自由转动的过程 夹角 剃齿加工时 将工件装在工作台上的顶尖间 使之自由转动 剃齿刀与工件间应有一定夹角 使剃齿刀与工件的齿向一致 其中 工 刀分别为工件与剃齿刀的分度圆螺旋角 工件与剃齿刀螺旋角同向时取 号 反向时取 号 切削速度 啮合点P处的V刀法 V工法 而V刀切不等于V工切 这就产生了齿面的相对滑移 所以剃齿刀齿面上的小槽刃部具有切削作用 相对滑移的速度即为切削速度 V工切 V刀切 剃齿加工具有三个基本运动 1 剃齿刀的高速回转 正 反转 2 工件沿轴向往复运动 3 剃齿刀的径向进给运动 3 剃齿加工的应用剃齿主要用来加工滚齿和插齿后未经过淬火的圆柱齿轮 精度可达7 6级 表面粗糙度Ra值可达0 8 0 4 m 剃齿可以提高齿形精度和齿向精度 减小表面粗糙度Ra值 剃齿不能修正分齿误差 4 4 2珩齿 珩齿是对热处理后的齿轮进行精加工的一种方法 1 珩磨轮珩轮是含有磨料的塑料螺旋齿轮 珩磨轮按轮齿结构分 可分为带齿芯或不带齿芯两种 模数较小的珩磨轮 不带齿芯 2 珩磨原理 珩齿原理与剃齿完全相同 珩齿时 工件与珩磨轮作无侧隙的紧密啮合 珩轮带动工件旋转 同时工作台作纵向的往复运动 珩轮在与工件自由啮合过程中 靠齿面间的一定压力和相对滑动速度 由磨料进行切削 3 珩齿方式 珩齿加工一般都是在一定压力下进行的 目前采用的珩齿方式有以下几种 定压法 在整个珩齿过程中 珩轮与工件都是在预定压力下保持无侧隙啮合 双面啮合 其压力由控制机构来维持 这种方法修正齿轮误差能力较强 定隙法 珩轮与工件的轮齿之间 保持预定的啮合间隙 单面啮合 工件具有可控制的制动力 使之在一定的阻力下进行珩磨 这种方式不能修正齿轮几何偏心 但可轻微修正热处理变形 变压法 在珩齿加工过程中 珩轮与工件保持无侧隙啮合 并有一定压力 但随着珩磨过程的进行 压力逐渐减小 此法能修正齿轮几何偏心 由于珩齿加工效率高 加工时调整比较方便 珩磨轮成本低 所以是技术经济效果较好的齿轮精加工方法 4 4 3磨齿 磨齿常用于淬硬齿轮轮齿的精加工 磨齿能消除齿轮淬火后的变形 因此加工精度高 精度等级可达6 4级 表面粗糙度Ra值可达0 4 0 2 m 按齿廓的成形方法 磨齿也有成形法和展成法两大类 成形法磨齿磨齿机床应用较少 多数以展成法磨齿 1 展成法磨齿 展成法又可分为连续磨齿和分度磨齿两大类 1 连续磨齿连续磨齿的磨齿机 其工作原理与滚齿机相似 砂轮为蜗杆状 称为蜗杆砂轮磨齿机 蜗杆形砂轮相当于滚刀 砂轮与工件间靠展成运动形成渐开线 工件作轴向直线往复运动 以磨削出整个齿 连续磨削的磨齿机生产率最高 但修整砂轮费时 常用于大批量生产 2 分度磨齿 这类机床使用的砂轮形状有碟形砂轮 大平面砂轮和锥形砂轮三种 它们都是利用齿轮和齿条啮合的原理 以砂轮代替齿条来磨齿 砂轮截面的形状按照齿条的直线齿廓修整 修整方便 加工时 被切齿轮在假想的齿条上作无间隙的啮合滚动 即工件转过一个齿 1 Z转 的同时 其轴心线移动