机械制造技术基础第13讲

第四节平面及复杂曲面加工一、概述二、铣平面1.铣削方式铣平面有端铣和周铣两种方式。按照铣平面时主运动方向与进给运动方向的相对关系，周铣有顺铣和逆铣之分。（1）从切屑截面形状分析逆铣时，刀齿的切削厚度由零逐渐增加，由于切削刃钝圆半径的影响，刀齿在已加工表面上滑擦一段距离后才能真正切入工件，因而刀齿磨损快，加工表面质量较差。顺铣时则无此现象。顺铣时铣刀寿命比逆铣高2~3倍，加工表面质量也比较好，但顺铣不宜铣带硬皮的工件。图3-50顺铣与逆铣逆铣顺铣（2）从工件装夹可靠性分析逆铣时，刀齿对工件的垂直作用力Fv向上，容易使工件的装夹松动；顺铣时，刀齿对工件的垂直作用力Fv向下，使工件压紧在工作台上，加工比较平稳。图3-50顺铣与逆铣逆铣顺铣（3）从工作台丝杠、螺母间隙分析逆铣时，工件承受的水平铣削力FH与进给速度vf的方向相反，铣床工作台丝杠始终与螺母接触。vfvFHFvⅠ图3-51铣削时丝杠和螺母的间隙a）逆铣螺母固定丝杠移动顺铣时，工件承受的水平铣削力FH与进给速度vf相同。由于丝杠螺母间有间隙，铣刀会带动工件和工作台窜动，使铣削进给量不均匀，容易打刀。采用顺铣法加工时必须采取措施消除丝杠与螺母之间的间隙。vfFHFVv图3-51铣削时丝杠和螺母的间隙b）顺铣螺母固定丝杠移动端铣时，铣刀刀齿切入切出工件阶段会受到很大的冲击。由图3-52可知，从减小刀齿切入工件时图3-52对称铣和不对称铣a）对称铣b）不对称铣受到的冲击考虑，图3-52b所示的不对称铣比图3-52a所示的对称铣较为有利。切入角2.铣刀及其几何角度铣刀的种类很多，如图3-53所示。图3-53铣刀的类型圆柱铣刀面铣刀三面刃铣刀图3-53铣刀的类型锯片铣刀立铣刀键槽铣刀图3-53铣刀的类型模具铣刀角度铣刀成形铣刀下面主要介绍圆柱铣刀和面铣刀。（1）圆柱形铣刀的结构刀齿排列在刀体圆周上的铣刀称为圆柱形铣刀。整体圆柱铣刀它的结构形式分为由高速钢制造的整体圆柱形铣刀（图3-53a）和镶焊硬质合金刀片的镶齿圆柱形铣刀（图3-54）。图3-54镶齿圆柱形铣刀螺旋刀齿提高切削平稳性镶齿圆柱铣刀（2）面铣刀的结构面铣刀刀齿排列在刀体端面上，硬质合金面铣刀是加工平面的最主要刀具。焊接夹固式面铣刀的结构如图所示。这种铣刀有两种重磨方式：一种是体内刃磨；另一种是体外刃磨。图3-55焊接夹固式面铣刀将刀片用机械夹固方式固定在刀体上的面铣刀称为机夹可转位面铣刀。图3-56锥柄机夹可转位面铣刀（3）铣刀的几何角度图3-57铣刀的几何角度a）圆柱形铣刀b）面铣刀β3.铣削的工艺特点及应用范围由于铣刀是多刃刀具，刀齿能连续地依次进行切削，且主运动为回转运动，可实现高速切削，故铣平面的生产效率一般都比刨平面高。其加工质量与刨平面相当，经粗铣—精铣后，尺寸精度可达IT9~IT7级，表面粗糙度Ra可达6.3~1.6µm。由于铣平面的生产率高，故在大批大量生产中铣平面已逐渐取代了刨平面。在成批生产中，中小件加工大多采用铣削，大件加工则铣、刨加工兼用，一般都是先粗铣后精刨。而在单件小批生产中，特别是在一些重型机器制造厂中，刨平面仍被广泛采用。另外，因刨平面不能获得足够的切削速度，故有色金属材料的平面加工几乎全部都用铣削。三、复杂曲面加工曲面加工在机械制造中也占一定比例。从表面成形的观点分析，有些曲面在形成原理上与平面相同。但另外还有一类曲面，如螺旋桨的表面，涡轮叶片表面，复杂模具型腔面等，其表面形状比较复杂，不能用基本立体几何要素（例如棱柱、棱锥、球等）描述，通常称之为复杂曲面。复杂曲面的切削加工方法有仿形铣和数控铣两种，使用的刀具一般为头部为圆形的球头铣刀。目前数控铣削已成为复杂曲面切削加工最主要的方法。大型的复杂曲面需要在多轴联动加工中心上加工，加工中心上设有刀库，一般都配备十几把、几十把甚至上百把刀具用来完成不同曲率半径曲面的粗、精加工。第六节圆柱齿轮齿面加工一、概述1.齿轮的结构与分类齿轮是机器中传递运动和转矩的重要零件。齿轮传动的特点是传动准确、传递转矩大、效率高、结构紧凑及可靠耐用，故应用非常广泛。圆柱齿轮按其结构特点可分为五类，见图3-78。图3-78圆柱齿轮的结构类型a）单联齿轮b）多联齿轮c）盘形齿轮d）齿圈e）轴齿轮2.齿轮的主要技术要求（1）传递运动的准确性（2）传递运动的平稳性（3）载荷分布的均匀性（4）齿侧具有间隙为了保证齿轮正常工作，齿轮制造应达到一定的精度标准。相关国家标准将圆柱齿轮的精度规定了13个精度等级，用数字0~12表示其精度高低。齿轮的制造精度和齿侧间隙主要根据传动用途、使用条件、传动功率、圆周速度等性能指标来确定。除了上述各项精度外，还应对齿轮装配基准面的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度等提出要求。3.圆柱齿轮齿面的加工方法圆柱齿轮齿面加工齿面的切削加工齿面无屑加工成形法展成法滚齿插齿剃齿珩齿磨齿研齿预加工——热前精加工热后精加工轧齿（热轧、冷轧）冷挤齿（精轧齿）精密锻造齿轮铣齿拉齿磨齿二、滚齿与插齿1.滚齿加工原理滚齿是应用一对交错轴斜齿圆柱齿轮副啮合原理，使用齿轮滚刀进行切齿的一种加工方法。如图3-79a所示为滚齿的示意图。图3-79滚齿示意图和齿轮滚刀

a)滚齿示意图

1—齿轮滚刀2—被切削齿轮如图3-53b所示为齿轮滚刀的示意图。图3-79滚齿示意图和齿轮滚刀

b)齿轮滚刀

3—切削刃4—容屑槽滚齿时，滚刀与工件两轴线的相对位置，相当于两个螺旋齿轮啮合时的轴线位置，即滚刀安装后，其螺旋线方向应与被切削齿轮齿槽方向一致。为此，需将滚刀轴线与被切齿轮端面（水平面）安装成一定的角度，称为安装角，用

表示。图3-80滚齿时滚刀的安装角

a)切削直齿齿轮b）切削左旋斜齿齿轮c）切削右旋斜齿齿轮如图3-80所示为滚切圆柱齿轮时滚刀的安装角为式中

w—被切削齿轮的螺旋角；

oz—滚刀的导程角。齿轮滚刀与被加工齿轮旋向相同时取“-”号齿轮滚刀与被加工齿轮旋向相反时取“+”号切削直齿齿轮时滚刀的安装角等于其导程角2.滚齿机运动根据滚齿加工原理，滚齿必须具有以下三种基本运动（图3-81a）。图3-81滚齿时的主要运动和齿廓的形成

a)滚齿时的主要运动b)齿廓的形成（1）滚刀的旋转运动（nc）滚刀的旋转运动是滚齿加工的切削运动。图3-81滚齿时的主要运动和齿廓的形成

a)滚齿时的主要运动（2）工件的旋转运动（nw）工件的旋转运动是滚齿加工的分齿运动。滚刀与被切削齿轮间的旋转运动，必须保持一对交错轴斜齿圆柱齿轮副的啮合传动关系，即式中：i—传动比；

nc、nw—分别为滚刀和被切削齿轮的转速；

zw—被切削齿轮的齿数；

zc—滚刀齿（头）数。当滚刀与被加工齿轮作展成运动时，滚刀切削刃连续运动轨迹的包络线便在工件上形成了轮齿齿廓（图3-81b）。图3-81滚齿时的主要运动和齿廓的形成

b)齿廓的形成（3）轴向进给运动（f）为在整个齿宽上切削出渐开线齿面，滚刀应该沿被切削齿轮轴线方向作连续的轴向进给运动。图3-81滚齿时的主要运动和齿廓的形成

a)滚齿时的主要运动在滚切斜齿圆柱齿轮时，除应具有上述三种运动外，还应具有一个附加的旋转运动

nw。3.插齿原理插齿是利用一对平行轴圆柱齿轮副啮合原理，使用插齿刀进行切齿的一种加工方法。图3-82插齿原理和齿廓的形成

a)插齿工作原理b)插齿刀c)插齿时齿廓的形成插齿刀是由假想圆柱齿轮演变而来的。为形成切削刃，在假想圆柱齿轮的外圆柱面和轮齿两侧渐开线齿面磨成锥面形成后角，在假想齿轮下端面制成内凹锥面形成前角，刀齿切削刃为内凹锥面和渐开螺旋面的交线。图3-82插齿原理和齿廓的形成

b)插齿刀插齿时，插齿刀与被切削齿轮间严格保持一对圆柱齿轮的啮合传动关系，插齿刀刀齿的连续运动轨迹包络出被切削齿轮的轮齿齿廓。图3-82插齿原理和齿廓的形成

c)插齿时齿廓的形成4.插齿机运动插削直齿圆柱齿轮时，必须具有以下几种运动：（1）切削运动插齿时插齿刀沿其轴线方向作快速直线往复运动vc，产生切削作用。图3-82插齿原理和齿廓的形成

a)插齿工作原理（2）展成运动插齿刀与工件的旋转运动构成插齿加工的展成运动。插齿刀与被切削齿轮间强制地保持一对圆柱齿轮副的啮合传动关系，即式中：i—传动比；

nc、nw—分别为插齿刀和被切削齿轮的转速；

zc、zw—分别为插齿刀和被切削齿轮的齿数。（3）圆周进给运动插齿刀与被切削齿轮作分齿运动时，在插齿刀每一次往复移动中，在插齿刀与被切削齿轮啮合时的节圆上所转过的弧长。图3-82插齿原理和齿廓的形成

a)插齿工作原理（4）径向进给运动图3-82插齿原理和齿廓的形成

a)插齿工作原理为切削至全齿深，在作分齿运动的同时，插齿刀需沿插齿刀与被切削齿轮中心连线方向作径向进给运动。（5）让刀运动在插齿刀一个往复运动的行程中，由插齿刀或装夹被切削齿轮的工作台完成往复一次让刀。图3-82插齿原理和齿廓的形成

a)插齿工作原理5.滚齿与插齿的比较（1）加工质量比较1）从运动精度（传递运动的准确性）分析，滚齿后轮齿的齿距累积误差比插齿的小。2）从传动平稳性分析，插齿后的齿形误差比滚齿的小。3）从齿面粗糙度分析，插齿后的齿面粗糙度比滚齿小。图3-83滚齿与插齿齿面粗糙度比较

1—滚齿齿面2—插齿齿面综上分析可知，滚齿与插齿比较，滚齿加工的齿轮，其运动精度较高，而齿形误差和齿面粗糙度值较插齿加工的齿轮都较大。滚齿一般可以保证7~9级精度的齿轮，齿面粗糙度达Ra2.5~10µm；而插齿一般可以保证6~9级精度的齿轮，齿面粗糙度达Ra0.5~1.25µm。（2）生产效率比较在切削中等及中等以上模数齿轮时，插齿的生产效率一般没有滚齿高，这是因为插齿的切削运动是往复运动，其插齿速度没有滚齿高；另外，插齿有空行程损失，实际进行切削的行程长度只有插齿刀往复总行程长度的1/3左右。（3）生产应用比较滚齿和插齿都是高精度齿轮的预加工方法，也是精度要求不高的齿轮的最终加工方法。高精度圆柱齿轮齿面的预加工一般都采用滚齿。而插齿加工只是作为滚齿的一个补充，用于不便或不能采用滚齿加工的场合。插齿的灵活性比滚齿好。对于多联齿轮的小齿轮和内齿轮，可以方便地采用插齿加工，而滚齿则不能胜任。附图插削双联齿轮和内齿轮轮齿

a)插削双联齿轮小齿轮b)插削内齿轮三、剃齿1.加工原理剃齿是利用一对交错轴斜齿圆柱齿轮副啮合时沿齿向存在相对滑动而创建的一种齿轮精加工方法。如图3―84a所示。图3-84a剃齿原理

1—剃齿刀2—被剃削齿轮剃齿刀是一高精度的变位斜齿圆柱齿轮。由于在齿面上沿渐开线齿廓方向开有若干条容屑槽，进而形成了剃齿刀的切削刃。由于剃齿刀与被切齿轮啮合时在齿向上有相对滑动发生，剃齿刀的多条切削刃便在被切齿面上剃下一层又薄又细的切屑。如图3―84b所示。图3-84b剃齿原理

1—剃齿刀2—被剃削齿轮剃齿刀被切齿轮2.剃齿机运动（1）剃齿刀的正、反向转动（2）工作台轴向进给运动（3）径向（垂直）进给运动图3-84a剃齿原理

1—剃齿刀2—被剃削齿轮图3-85齿面上啮合点的轨迹3.剃齿的工艺特点与应用