一文搞懂齒輪類零件的那些加工工藝

齒輪是能互相吻合的有齒的機械零件，齒輪傳動可完成減速、增速、變向等功能。它在機械傳動及整個機械領域中應用極其廣泛。本文對齒輪類零件的加工工藝做歸納總結。

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齒輪的功用、結構

齒輪盡管由于它們在機器中的功用不同而設計成不同的形狀和尺寸，但總可劃分為齒圈和輪體兩個部分。常見的圓柱齒輪有以下幾類(下圖)：盤類齒輪、套類齒輪、內齒輪、軸類齒輪、扇形齒輪、齒條。其中盤類齒輪應用最廣。

圓柱齒輪的結構形式

一個圓柱齒輪可以有一個或多個齒圈。普通的單齒圈齒輪工藝性好；而雙聯或三聯齒輪的小齒圈往往會受到臺肩的影響，限制了某些加工方法的使用，一般只能采用插齒。如果齒輪精度要求高，需要剃齒或磨齒時，通常將多齒圈齒輪做成單齒圈齒輪的組合結構。

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圓柱齒輪的精度要求

齒輪本身的制造精度，對整個機器的工作性能、承載能力及使用壽命都有很大影響。根據齒輪的使用條件，對齒輪傳動提出以下幾方面的要求：

1. 運動精度

要求齒輪能準確地傳遞運動，傳動比恒定，即要求齒輪在一轉中，轉角誤差不超過一定范圍。

2, 工作平穩(wěn)性

要求齒輪傳遞運動平穩(wěn)，沖擊、振動和噪聲要小。這就要求限制齒輪轉動時瞬時速比的變化要小，也就是要限制短周期內的轉角誤差。

3. 接觸精度

齒輪在傳遞動力時，為了不致因載荷分布不均勻使接觸應力過大，引起齒面過早磨損，這就要求齒輪工作時齒面接觸要均勻，并保證有一定的接觸面積和符合要求的接觸位置。

4. 齒側間隙

要求齒輪傳動時，非工作齒面間留有一定間隙，以儲存潤滑油，補償因溫度、彈性變形所引起的尺寸變化和加工、裝配時的一些誤差。

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齒輪的材料

齒輪應按照使用的工作條件選用合適的材料。齒輪材料的選擇對齒輪的加工性能和使用壽命都有直接的影響。

一般齒輪選用中碳鋼(如45鋼)和低、中碳合金鋼，如20Cr、40Cr、20CrMnTi等。要求較高的重要齒輪可選用38CrMoAlA氮化鋼，非傳力齒輪也可以用鑄鐵、夾布膠木或尼龍等材料。

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齒輪的熱處理

齒輪加工中根據不同的目的，安排兩種熱處理工序：

1. 毛坯熱處理

在齒坯加工前后安排預先熱處理正火或調質，其主要目的是消除鍛造及粗加工引起的殘余應力、改善材料的可切削性和提高綜合力學性能。

2. 齒面熱處理

齒形加工后，為提高齒面的硬度和耐磨性，常進行滲碳淬火、高頻感應加熱淬火、碳氮共滲和滲氮等熱處理工序。

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齒輪毛坯

齒輪的毛坯形式主要有棒料、鍛件和鑄件。棒料用于小尺寸、結構簡單且對強度要求低的齒輪。當齒輪要求強度高、耐磨和耐沖擊時，多用鍛件，直徑大于400～600mm的齒輪，常用鑄造毛坯。

為了減少機械加工量，對大尺寸、低精度齒輪，可以直接鑄出輪齒；對于小尺寸、形狀復雜的齒輪，可用精密鑄造、壓力鑄造、精密鍛造、粉末冶金、熱軋和冷擠等新工藝制造出具有輪齒的齒坯，以提高勞動生產率、節(jié)約原材料。

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齒坯的機械加工方案的選擇

對于軸齒輪和套筒齒輪的齒坯，其加工過程和一般軸、套基本相似，現主要討論盤類齒輪齒坯的加工過程。齒坯的加工工藝方案主要取決于齒輪的輪體結構和生產類型。

1. 大批大量生產的齒坯加工

大批大量加工中等尺寸齒坯時，多采用“鉆一拉一多刀車”的工藝方案。

(1)以毛坯外圓及端面定位進行鉆孔或擴孔。

(2)拉孔。

(3)以孔定位在多刀半自動車床上粗精車外圓、端面、切槽及倒角等。

這種工藝方案由于采用高效機床可以組成流水線或自動線，所以生產效率高。

2. 成批生產的齒坯加工

成批生產齒坯時，常采用“車一拉一車”的工藝方案

(1)以齒坯外圓或輪毅定位，精車外圓、端面和內孔。

(2)以端面支承拉孔(或花鍵孔)。

(3)以孔定位精車外圓及端面等。

這種方案可由臥式車床或轉塔車床及拉床實現。它的特點是加工質量穩(wěn)定，生產效率較高。

當齒坯孔有臺階或端面有槽時，可以充分利用轉塔車床上的多刀來進行多工位加工，在轉塔車床上一次完成齒坯的加工。

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輪齒加工方法

齒輪齒圈的齒形加工是整個齒輪加工的核心。齒輪加工有許多工序，這些都是為齒形加工服務的，其目的在于最終獲得符合精度要求的齒輪。

按照加工原理，齒形可分為成形法和展成法。成形法是用與被切齒輪齒槽形狀相符的成形刀具切出齒面的方法，如銑齒、拉齒和成型磨齒等。

展成法是齒輪刀具與工件按齒輪副的嚙合關系作展成運動切出齒面的方法，如滾齒、插齒、剃齒、磨齒和珩齒等。

齒形加工方案的選擇，主要取決于齒輪的精度等級、結構形狀、生產類型及生產條件，對于不同的精度等級的齒輪，常用的齒形加工方案如下：

（1）8級精度以下齒輪

調質齒輪用滾齒或插齒就能滿足要求。對于淬硬齒輪可采用：滾（插）齒—齒端加工—淬火—校正孔的加工方案。但淬火前齒形加工精度應提高一級。

（2）6-7級精度齒輪

對于淬硬齒輪可采用：粗滾齒—精滾齒—齒端加工—精剃齒—表面淬火—校正基準—珩齒。

（3）5級精度以上齒輪

一般采用：粗滾齒—精滾齒—齒端加工—淬火—校正基準—粗磨齒—精磨齒。磨齒是目前齒形加工中精度最高，表面粗糙度值最小的加工方法，最高精度可達3-4級。

1. 銑齒

齒輪精度等級：9級以下

齒面粗糙度Ra：6.3~3.2μm

適用范圍：單件修配生產中，加工低精度的外圓柱齒輪、齒條、錐齒輪、蝸輪

2. 拉齒

齒輪精度等級：7級

齒面粗糙度Ra：1.6~0.4μm

適用范圍：大批量生產7級內齒輪，外齒輪拉刀制造復雜，故少用

3. 滾齒

齒輪精度等級：8~7級

齒面粗糙度Ra：3.2~1.6μm

適用范圍：各種批量生產中，加工中等質量外圓柱齒輪及蝸輪

4. 插齒

齒輪精度等級：8~7級

齒面粗糙度Ra：1.6μm

適用范圍：各種批量生產中，加工中等質量的內、外圓柱齒輪、多聯齒輪及小型齒條

5. 滾（或插）齒—淬火—珩齒

齒輪精度等級：8~7級

齒面粗糙度Ra：0.8~0.4μm

適用范圍：用于齒面淬火的齒輪

6. 滾齒—剃齒

齒輪精度等級：7~6級

齒面粗糙度Ra：0.8~0.4μm

適用范圍：主要用于大批量生產

7. 滾齒—剃齒—淬火—珩齒

齒輪精度等級：7~6級

齒面粗糙度Ra：0.4~0.2μm

適用范圍：主要用于大批量生產

8. 滾（插）齒—淬火—磨齒

齒輪精度等級：6~3級

齒面粗糙度Ra：0.4~0.2μm

適用范圍：用于高精度齒輪的齒面加工，生產率低，成本高

9. 滾（插）齒—磨齒

齒輪精度等級：6~3級

齒面粗糙度Ra：0.4~0.2μm

適用范圍：用于高精度齒輪的齒面加工，生產率低，成本高

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齒端的加工

齒輪的齒端加工有倒圓、倒尖、倒棱和去毛刺等方式，下圖所示。倒圓、倒尖后的齒輪在換檔時容易進人嚙合狀態(tài)，減少撞擊現象。倒棱可除去齒端尖邊和毛刺。

齒端加工

a)倒圓 b)倒尖 c)倒棱

下圖是用指狀銑刀對齒端進行倒圓的加工示意圖。倒圓時，銑刀高速旋轉，并沿圓弧作擺動，加工完一個齒后，工件退離銑刀，經分度再快速向銑刀靠近加工下一個齒的齒端。齒端加工必須在齒輪淬火之前進行，通常都在滾（插）齒之后，剃齒之前安排齒端加工。

齒端倒圓

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直齒圓柱齒輪加工工藝過程

高精度齒輪

1. 毛坯鍛造

2. 正火熱處理

3. 粗車外形、各處留加工余量2mm

定位基準：外圓和端面

4. 精車各處，內孔至Φ84.8H7，總長留磨削余量0.2mm，其余至尺寸

定位基準：外圓和端面

5. 檢驗

6. 滾切齒面，留磨齒余量0.25～0.3mm

定位基準：內孔和端面A

7. 倒角

定位基準：內孔和端面A

8. 鉗工去毛刺

9. 齒面高頻淬火HRC52

10. 插鍵槽

定位基準：內孔和端面A

11. 靠磨大端面A

定位基準：內孔

12. 磨削B面至總長

定位基準：端面A

13. 磨內孔至φ85H5

定位基準：內孔和端面A

14. 齒面磨削

定位基準：內孔和端面A

15. 檢驗

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齒輪加工工藝過程分析

1. 定位基準的選擇

對于齒輪定位基準的選擇常因齒輪的結構形狀不同，而有所差異。帶軸齒輪主要采用頂尖定位，孔徑大時則采用錐堵。頂尖定位的精度高，且能做到基準統一。帶孔齒輪在加工齒面時常采用以下兩種定位、夾緊方式。

(1)以內孔和端面定位 即以工件內孔和端面聯合定位，確定齒輪中心和軸向位置，并采用面向定位端面的夾緊方式。這種方式可使定位基準、設計基準、裝配基準和測量基準重合，定位精度高，適于批量生產。但對夾具的制造精度要求較高。

(2)以外圓和端面定位 工件和夾具心軸的配合間隙較大，用千分表校正外圓以決定中心的位置，并以端面定位；從另一端面施以夾緊。這種方式因每個工件都要校正，故生產效率低；它對齒坯的內、外圓同軸度要求高，而對夾具精度要求不高，故適于單件、小批量生產。

2. 齒輪毛坯的加工

齒面加工前的齒輪毛坯加工，在整個齒輪加工工藝過程中占有很重要的地位，因為齒面加工和檢測所用的基準必須在此階段加工出來；無論從提高生產率，還是從保證齒輪的加工質量，都必須重視齒輪毛坯的加工。

在齒輪的技術要求中，應注意齒頂圓的尺寸精度要求，因為齒厚的檢測是以齒頂圓為測量基準的，齒頂圓精度太低，必然使所測量出的齒厚值無法正確反映齒側間隙的大小。

所以，在這一加工過程中應注意下列三個問題：

(1)當以齒頂圓直徑作為測量基準時，應嚴格控制齒頂圓的尺寸精度

(2)保證定位端面和定位孔或外圓相互的垂直度

(3)提高齒輪內孔的制造精度，減小與夾具心軸的配合間隙