毕业论文：齿轮-发展综述齿轮技术 的研究现状及发 展趋势（定稿）

齿轮技术的研究现状及发展趋势(大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024)TheResearchSituationandDevelopmentTrendofGearT(SchoolofMechanicalEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,116024)KeyWords:GearPrecisionInstrumentGeardriveprocessingtechnology齿轮传动是机械传动中的主要形式之一，由于它具有速比范围大、功率范围广、结构紧凑可靠等优点，已广泛应用于各种机械设备和仪器仪表中，成为现有机械产品中所占比重最大的一种传动。齿轮从发明到现在经历了无数次更新换代，主要向高速、重载、平稳性、体积小、低噪等方向发展。本文将主要介绍齿轮的发展历程，对齿轮的加工技术进行全面综述，并简单预测齿轮的发展趋势。齿轮的发展要追溯到公元前，迄今已有3000年的历史。远古时代人们为了传递动力，发明了齿轮，这一发明实现了转动的传递，在我国汉代发明的指南车上就有齿轮的传动装置，当时的齿轮是用木料制造或用金属铸成的，只能传递轴间的回转运动，不能保证传动平衡性，同时齿轮的承载能力也很小。在国外，机械传动的记载始于古罗马时代，人们在水力碾磨中也用到了木制齿轮传动，但齿轮的齿形是直线形，同样不能保证运动的平稳性，并且木制齿轮的承载能力也受到限制。在瑞典，人们在谷物碾磨中使用石头做成斜齿轮传递动力，虽然比木制齿轮承载能力高，但加工困难。到了14世纪，钟的发明使人们开始研究金属齿轮传动以减小尺寸，以便在钟中得到应用。18世纪初，蒸汽机问世，并被很快运用，这进一步促进了齿轮传动的发展。此外，这一时期水力纺织机械、冶金机械的发明与运用，又促使大功率、高质量的木制、金属的齿轮传动问世。在齿轮材料没有改进的情况下，19世纪末期，人们开始研究齿轮的齿形，并向小型化、长寿命、更可靠的齿轮传动装置发展，促进了对齿轮传动的传动，20世纪60-70年代我国渐开线齿轮主要采用滚齿加工工艺，用这种对齿轮的认识逐渐深入。20世纪40年代，渐开线理论开始出现，到50年代为了提高承载能的表面疲劳强度和可靠性，研究表明渐开线齿轮传动在啮合点是纯滚动，因此其传动平稳触蜗杆以及圆弧齿轮等新型传动装置。80年代，齿轮传动系统中又增加了少啮合理论、局部共轭、失配啮合理论等。90年代国外的产品在技术上普遍经历了一次新的2、满足齿轮材料的工艺性能材料还应注意尽量降低零件的总成本。我们可以从以下几方面考虑：从材料本身价格来考数控技术应用等方面与欧美相比存在较大差距目前国内齿轮加工行业的精加工特别是数控齿机等，美国格里森公司、德国克林贝格公司(含原瑞士奥利康)的螺旋锥齿轮在齿轮加工工艺上，对软齿面和中硬齿面齿轮(300-400HBS),一般工艺方法为调质批量大，要求精度高，采用滚齿或插齿后，再进行剃齿或珩齿。齿面感应淬火的齿轮 (42-52HRC),其工艺为滚齿或插齿形较小，且精度要求在7级和7级以下的齿轮，热处理后可采用珩齿或研齿。要求精度高且重要性。高生产率的超硬刮削技术，高效和高精度的立方氮化硼(CBN)砂轮磨齿等一系列3.2常用齿形加工方法刀具加工精度及适应范围仿形法盘形铣刀加工精度和生产率都较低指形铣刀同上，是大型无槽人字齿轮的主要加工方法拉齿齿轮拉刀生产，尤其是内齿轮加工更是适宜展成法齿轮滚刀插齿和刨齿插齿刀刨齿刀加工精度7-9级，Ra6.3-Ra3.2适用于加工内外啮剃齿刀的精加工形精加工磨齿后的精加工齿轮的加工方法很多，但主要方法有滚齿、插齿(一)滚齿滚齿于1897年即被应用，是目前应用最广的切齿摆线齿轮、链轮、棘轮、蜗轮和包络蜗杆。滚齿精度一般可达DIN4-7级。表面粗糙度Ra3.2-1.6μm。国产滚齿机(Y3180滚刀的切削速度可达100-200m/min,加工齿面硬度最高达300-度可达300m/min滚切齿面硬度最高达HRC62。滚齿是一种高效切齿方法，如德国普发特公1、多头滚刀滚齿一般双头滚刀可提高效率约40%,三头滚刀可提高效率约50%,德国利勃海尔齿轮加工设备有限公司建议滚刀头数可根据模数确定，如m=2.5mm时，滚刀头数2、滚齿机数控化或普通滚齿机安装数显装置80年代国外已制造了全数控3、硬齿面滚齿技术—硬齿面滚齿扩展了滚齿领域，该方法也称刮削齿加工。刮削可作降低成本。刮削作为精加工工序，可达到DIN3962的6级精度，如果与蜗杆珩齿相结合，可获得良好的齿面质量，避免磨削烧伤和裂纹。可比单纯磨齿提高能够控制刀具的崩刃。同时也提供了干式(不用切削油)切削的可能性干式切削优点是不需准备和处理冷却液，不要求油雾处理(由空气排放)的工作，干切屑无污染，零件也没有清4、大型齿轮滚齿—大型齿轮滚齿，由于工件体积大，重量重，装卡不便。所以大型齿为提高生产率，还应用可转位硬质合金镶片滚刀切削速度比高速钢滚刀高5-8倍，不需(二)插齿和梳齿SH-1200型插齿机可加工直径为12m、模数为40mm的齿轮。国产Y51200插齿机能加工直径国天津第一机床厂也研制了YD5132型插齿机硬齿面齿轮插削工艺，亦在试验。如成都工具研究所用AA级硬质合金插齿刀，加工的硬齿面齿轮，加工精度达6-7级(JBI79-83),粗糙度达Ra0.4-0.8μm。一定程度上工淬硬齿轮。Maag公司采用CBN刀片加工淬硬齿轮，精度达到DIN5节线移动来形成展成运动。加工范围大，如SH-75K型梳齿机可加工，m=1-10mm、直径小(三)剃齿最大加工直径已超过6m,剃齿精度已达DIN5级。国产Y41125A剃齿机可加工直径为为了扩展剃齿范围。日本用超硬高速钢剃齿刀加工硬度为450-475HBW的中硬齿面齿轮，并开发了一种直线自动控制剃齿系统。正研究新型蜗杆式剃齿刀，用大模数(m=30mm)齿轮。在硬齿面剃齿方面，国外采用单刃型硬质合金剃齿刀，减轻剃削在剃齿机方面，德国HURTH公司设计了半自动刀具和夹具交换系统，可通过按钮进行剃齿刀的磨削是非常复杂且费时的工作。国外，如德国HURTH公司，研制了电子滚切弧形传动鼓，使剃刀磨床实现内装式PC机进行机床调整计算和坐标调整自动化。国内重庆(四)磨齿度齿轮的主要加工方法。目前碟形砂轮和大平面砂轮磨齿精度可达DIN2级，但效率很低。直径为4m,模数为25mm,适用于少齿数、大模数修形齿、5-6级精度齿轮的批量生产，但1、改进磨削方法如减少磨削次数，压缩展成长度，缩短磨削冲程。为此Magg公司提2、应用立方氮化硼(CBN)砂轮高效磨齿CBN砂轮具有硬度高、耐磨性好、寿命长、精度保持性好、切削性能好、热扩散系数大等优点。因此，用CBN砂轮磨齿轮比用单晶钢使用CBN砂轮，变干磨为高生产、高精度的湿磨。格里生公司用CBN碗形砂轮磨出相当于3、磨齿机采用数控(CNC)技术数控技术使磨齿机操作简便，减少了调整和停机间，如德国Niles公司和Holler公司的CNC锥形砂轮磨齿机、胡尔特(HURTH)公司的数控大平面砂轮磨齿机、德国、美国的数控成形砂轮磨齿机、瑞士、日本的数控蜗磨齿机，意大利SAMPUTENSILI公司的数控成形磨齿4、开拓新的磨削原理和磨齿工艺瑞士赖斯豪尔公司新开发的RZP200型磨齿机采用了环面蜗杆砂轮磨削的连续成形磨齿工艺，其效率是普通磨齿法的5倍。赖斯豪尔公司在RZ30IS数控蜗杆砂轮磨齿机上采用深切缓进磨齿工艺使机床的磨齿效率提高5倍左右，并按需要可磨削各种修形齿轮。此外，还有连续修正缓进给强力磨，金刚石滚轮在磨削时始终与砂轮接触，对砂轮进行整形和修锐。超高速磨削的发展，可进一步提高磨削效率，德国KAPP公司研制的磨床，砂轮转速达60000r/min,线速度达250m/s。德国阿亨工业大学正在研究砂轮线速度为500m/s的超高速磨削技术。3.4齿轮工艺分类齿轮工艺在本节中是指齿轮齿形的加工方法。齿形加工方法很多，根据齿形成形方法分，有成形法、展成法和仿形法。齿轮按其结构形状分，有圆柱齿轮、蜗轮蜗杆、圆锥齿轮和特种齿轮等。它们的加工方法主要有滚齿、铣齿、插齿、梳齿、刨齿、剃齿、珩齿、磨齿和挤齿等。(一)圆柱齿轮加工方法1、滚齿—在滚齿机上用滚刀滚齿，滚刀和被加工齿轮按一定的速比转动，在齿轮的端截面上连续加工出整圈的齿，滚刀沿着齿轮的轴心线方向进给，加工出全齿轮宽度的齿。滚刀相当于一个螺旋角很大的斜齿轮与被切齿轮作空间啮合，滚刀头数z¹相当于斜齿轮齿数；滚齿的啮合关系，也可比作蜗杆副的啮合，滚刀刃位于蜗杆的螺纹表面上，滚刀转一圈，被加工齿轮转z¹/z圈。滚齿机滚齿的滚刀主切削运动、齿形展成、分度、进给及差动等，是连续并同时进行的。加工斜齿轮，滚刀的进给与螺旋导程相关，运动关系是：进给距离等于齿轮的螺旋导程时，差动使齿轮转一圈。一种滚刀可以加工模数相同，齿数、螺旋角和变位量不同的多种齿轮。极小的仪表齿轮和很大的重型矿山齿轮都可以滚齿，生产效率较高，加工齿节距误差较小，质量比较稳定。2、插齿—在插齿机上用插齿刀插齿，插齿刀和被加工齿轮按一定的速比转动，切出整圈齿轮的齿形、插齿刀的切削往复运动，切出全齿轮宽度的齿。在插齿机上插齿，插齿刀与被加工齿轮的转动关系，犹如两个齿轮做无间隙的啮合。插齿分度和齿形展成加工是连续进行的。若插齿刀齿数是z,插齿刀转一转，被加工齿轮转z₁/z转。加工斜齿轮，插齿螺旋运动由螺旋套控制，被加工齿轮的螺旋角β,由螺旋套导程长度L与插齿刀分圆直径d₁决定tanβ=d₁/L,即被加工齿轮螺旋角等于插齿刀的螺旋角。用插齿刀插齿，插齿啮合线长度与加工件齿数和插齿刀齿数z₁有关，一把插齿刀不能满足加工模数相同，齿数和修正系数不同的各种齿轮需要，插齿刀只能在一定的加工齿数范围内通用。插齿是内齿轮、多联齿轮的有效加工方法，广泛用于加工直齿轮，也可加工斜齿轮及人字齿轮，采取措施还可以加工齿条。3、铣齿—铣齿属成形法加工齿轮，刀具的截形与被加工齿轮的齿槽形状相同，刀具沿齿轮的齿槽方向进给，一个齿槽铣完，被加工齿轮分度后，再铣第二个齿槽，齿轮的齿节距由分度控制。铣斜齿轮，铣刀的进给运动配合被加工齿轮转动，运动关系是，进给距离等于被加工齿轮的导程时，被加工齿轮转一转。由于齿轮的齿槽形状与齿轮的齿数、修正量、甚至齿厚公差有关，成形法铣齿难于实现刀具齿形与被加工齿轮齿槽都相同，实际上铣齿大都是近似齿形。大模数的齿轮，铣齿生产效率较高，铣齿广泛用于粗切齿。(1)片(盘状)铣刀铣齿片铣刀铣齿，齿轮的模数大小不受限制。用于大模数、大螺旋角、多齿数的齿轮粗铣齿，比普通滚刀粗切齿，生产效率可显著提高。(2)指形刀铣齿指形刀铣齿，刀具制造比较简便，适用于较大模数的齿轮粗精铣齿。可加5、磨齿—磨齿是齿轮的精加工方法，用砂轮对齿面进行磨削，磨齿可以磨削齿面淬硬(1)锥形砂轮磨齿被加工齿轮相对砂轮按一定速比相互转动和移动，磨出齿轮的齿形，砂(3)大平面砂轮磨齿被加工齿轮相对砂轮按一定速比移动和相互转动，磨出齿轮的一侧齿(4)蜗杆砂轮磨齿砂轮和被加工齿轮按一定的速比转动，在齿轮的端截面上磨出整圈的齿，(5)渐开线包络环面蜗杆砂轮磨齿砂轮和被加工齿轮按一定的速比转动，在齿轮的端截面(6)成形砂轮磨齿与片铣刀铣齿方法基本相同，即以砂轮代替成形铣刀。6、剃齿—在剃齿机上用剃齿刀剃齿，是齿轮精加工的一种方法，剃齿刀相当于齿面上8、珩齿—珩齿是齿轮精加工的一种方法，珩齿与剃齿的方法基本相同，即将剃齿刀换成形状相同的珩磨轮，靠齿面上的相对滑动，进行齿面抛光，被加工齿轮的(二)蜗杆副加工方法1、蜗杆齿加工方法蜗杆有圆柱蜗杆和环面蜗杆。蜗杆的齿形有直纹齿与曲线齿等。加(1)蜗杆车齿各种蜗杆都可以用(成形)车刀车齿，车刀材料有高速钢与硬质合金等，分(2)蜗杆铣齿即用铣刀代替车刀车齿，铣刀种类有片(盘状)铣刀、内齿盘铣刀、指形刀①片(盘状)铣刀铣蜗杆齿，适用于中小模数的蜗杆铣齿，但不是所有齿形的蜗杆都能用铣(3)蜗杆磨齿即以砂轮代替车刀粗加工蜗杆齿面，尤其适用于齿面淬硬的蜗杆。蜗杆磨齿2、蜗轮齿加工方法蜗轮的齿形种类与蜗杆的齿形种类相对应，加工刀具有滚刀、切向(三)锥齿轮加工方法锥齿轮的齿形有直齿(包括斜齿)、弧齿、摆线齿、螺线齿等种类，加工方法有刨齿、刀盘滚切铣齿、片(盘状)铣刀铣齿、指形铣刀铣齿等。1、直齿(包括斜齿)锥齿轮加工(1)刨齿、直齿锥齿轮刨齿有展成法和仿形法两种。展成法刨直齿锥齿轮，用上下两个刨(2)圆拉刀铣齿属成形法，适用于较小模数锥齿轮的大批量生产。一种齿轮需要一种专用转动到缺口处，被加工锥齿轮分度，同时圆拉刀退(3)双刀盘铣齿，用铣刀刃旋转切削，代替刨刀往复切削。生产效率高，适用于中小模数与刀盘直径有关。双刀盘有两种结构形式，第一种刀盘结构形式类似片(盘状)铣刀，第二刀盘切齿，刀刃旋转面与被加工锥齿轮的成形齿面只有一点相切，齿向(4)成形刀具铣齿，铣刀有片(盘状)铣刀和指形铣刀两类，前者适用于中小模数的锥齿(5)磨齿，与双刀盘铣齿中第二种刀盘铣齿方法相同，是用砂轮代替刀盘精加工齿面的一2、弧齿锥齿轮加工(四)特种齿轮加工方法特种齿轮包括非圆齿轮，谐波齿轮和摆线齿轮等。其加工方法都是相应齿轮加工工艺路线可以总结为如下表21下料2锻造：(1)自由锻造：用于品种多，单件小批量生产(2)模锻：主要用于大批量生产铸造：用于铸铁齿轮毛坯生产3齿坯加工轴类齿坯加工：(1)铣两端面(2)打两中心孔(3)精车轴颈、外圆、圆锥和盘类齿轮加工：(1)车端面，镗内孔，粗精加工分两道工序完成(2)车端面，镗内孔，粗精加工在一次装夹中完成(3)拉内孔4加工花键、键槽、根据生产规模，设备情况和精度要求，可以灵活采用多种组合方案；根据不同5根据精度要求，从整体毛坯上切出齿槽，有时在槽侧留出适当的圆柱齿轮：成形铣削、滚齿、插齿等；曲线齿锥齿轮：精锻，专用粗切机铣齿等6齿形精加工(热处理前)圆柱齿轮：滚、插、剃、挤直齿圆锥齿轮：刨齿、双刀盘铣齿、圆拉法拉齿曲线齿锥齿轮：铣齿7齿端倒角去毛刺一般齿轮：去掉齿两边锐边、毛刺8齿轮几何精度不要求热处理的齿轮，本工序为终检，否则为中间检验9根据材料不同，要求不同而异，常用：调质、安装基准面的齿形加工(热处理后)磨齿：用于精度要求较高的圆柱、圆锥齿轮，生产效率低珩齿：用于降低表面粗糙度，降低噪声，生产效率很高，主要用于大批量生产研齿：用于曲线齿锥齿轮，可降低表面粗糙度，降低噪声及改善接触区强力喷丸提高齿轮的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度去除齿面的毛刺、污物圆柱齿轮：按图纸要求检验其几何精度、接触区、噪声防锈和包装入库行星齿轮装置的发展、低振动、低噪声齿轮装置的研制是齿轮设计方面的一些特点.为达到大型传动装置中，行星齿轮以其体积小、同轴性由于机械设备向大型化发展，齿轮的工作参数提高了。如高速齿轮的传递功率为1000-30000kw。齿轮圆周速度为20~200m/s(1200-12000r/min),设计工作寿命为5X104-10X104小时；轧钢机齿轮的圆周速度已由每秒几米提高到20m/s,甚至30～50m/s。/s时由于运转中的热效应要求在设计始对产生的热变形进行修正，使齿轮在工作时达到的技术是目前大功率、高速、重载齿轮制造的一个重要趋势。在齿轮制造技术方面.重点是种齿轮的制造精度，普遍提高一级左右.有的甚至2～3级.一般低速齿轮精度由过去的8～9效率有了显著提高。采用多头滚刀，在大进给且条件下，可达到的切削速度为90m/s。如用超硬滚刀加工模数3左右的调质钢齿轮，切削过度可达200m/s.提高插齿效率，要受到插刚性等新结构后，效率有明显提高。新型插齿机的冲程数可达到2000次/分。在效率和质量上都要提高。一般来说。展成法磨齿用得较普遍.而成形法磨齿则少.MAAG齿机刚性好精度可靠，适合于大进给量加工，效率高。近年来，为提高效率也在改进磨制此外，还有一些新的工艺方法，如美国格利森公司研制的G一T