圆柱齿轮零件的加工课件.pptx

1,圆柱齿轮零件的加工,2,1 圆柱齿轮加工概述,1.圆柱齿轮的结构特点齿轮尽管由于它们在机器中的功用不同而设计成不同的形状和尺寸,但总是可以把它们划分为齿圈和轮体两个部分。常见的圆柱齿轮有以下几类(如图4-30所示):盘类齿轮、套类齿轮、内齿轮、轴类齿轮、扇形齿轮、齿条(即齿圈半径无限大的圆拄齿轮)等。其中盘类齿轮应用最广。,3,图4-30圆柱齿轮的结构形式,1 圆柱齿轮加工概述,4,2.圆柱齿轮的精度要求齿轮本身的制造精度,对整个机器的工作性能、承载能力及使用寿命都有很大影响。根据齿轮的使用条件,对齿轮传动提出以下几方面的要求:(1)运动精度。要求齿轮能准确地传递运动,传动比恒定,即要求齿轮在一转中,转角误差不超过一定范围。(2)工作平稳性。要求齿轮传递运动平稳,冲击、振动和噪声要小。这就要求限制齿轮转动时瞬时速比的变化要小,也就是要限制短周期内的转角误差。,1 圆柱齿轮加工概述,5,(3)接触精度。(4)齿侧间隙。要求齿轮传动时,非工作齿面间留有一定间隙,以储存润滑油,补偿因温度、弹性变形所引起的尺寸变化和加工、装配时的一些误差。齿轮的制造精度和齿侧间隙主要根据齿轮的用途和工作条件加以规定。对于分度传动用齿轮,主要的要求是齿轮运动精度,使得传递的运动准确可靠;对于高速动力传动用的齿轮,必须要求工作平稳,没有冲击和噪声;对于重载低速传动用的齿轮,则要求齿的接触精度要好,使啮合齿的接触面积大,不致引起齿面过早的磨损;对于换向传动和读数机构,齿侧间隙应严格控制,必要时还须消除间隙。,1 圆柱齿轮加工概述,6,3.齿轮的材料与热处理1)材料的选择齿轮应按照使用的工作条件选用合适的材料。齿轮材料的选择对齿轮的加工性能和使用寿命都有直接的影响。一般齿轮选用中碳钢(如45钢)和低、中碳合金钢,如20Cr、40Cr、20CrMnTi等。要求较高的重要齿轮可选用38CrMoAlA氮化钢,非传力齿轮也可以用铸铁、夹布胶木或尼龙等材料。,1 圆柱齿轮加工概述,7,2)齿轮的热处理齿轮加工中根据不同的目的,安排两种热处理工序:(1)毛坯热处理。在齿坯加工前后安排预先热处理(正火或调质),其主要目的是消除锻造及粗加工引起的残余应力、改善材料的可切削性和提高综合力学性能。(2)齿面热处理。齿形加工后,为提高齿面的硬度和耐磨性,常进行渗碳淬火、高频感应加热淬火、碳氮共渗和渗氮等热处理工序。,1 圆柱齿轮加工概述,8,4.齿轮毛坯齿轮的毛坯形式主要有棒料、锻件和铸件。棒料用于小尺寸、结构简单且对强度要求低的齿轮。当齿轮要求强度高、耐磨和耐冲击时,多用锻件,直径大于400600mm的齿轮,常用铸造毛坯。为了减少机械加工量,对大尺寸、低精度齿轮,可以直接铸出轮齿;对于小尺寸、形状复杂的齿轮,可用精密铸造、压力铸造、精密锻造、粉末冶金、热轧和冷挤等新工艺制造出具有轮齿的齿坯,以提高劳动生产率、节约原材料。,1 圆柱齿轮加工概述,9,1.齿坯精度齿坯的外圆、端面及孔经常作为齿形加工、测量和装配的基准,所以齿坯的精度对于整个齿轮的精度有着重要的影响。齿坯精度中主要是对齿轮孔的尺寸精度和形状精度、孔和端面的位置精度有较高的要求;对齿坯外圆也有一定的要求。具体要求见表4-5和表4-6。,2 圆柱齿轮齿坯的加工方法,10,表4-5齿坯尺寸和形状公差,2 圆柱齿轮齿坯的加工方法,11,表4-6齿坯基准面径向和端面跳动公差(m),2 圆柱齿轮齿坯的加工方法,12,2.齿坯加工方案的选择1)大批大量生产的齿坯加工大批大量加工中等尺寸齿坯时,多采用“钻-拉-多刀车”的工艺方案:(1)以毛坯外圆及端面定位进行钻孔或扩孔;(2)拉孔;(3)以孔定位在多刀半自动车床上粗精车外圆、端面、切槽及倒角等。这种工艺方案由于采用高效机床可以组成流水线或自动线,所以生产效率高。,2 圆柱齿轮齿坯的加工方法,13,2)成批生产的齿坯加工成批生产齿坯时,常采用“车-拉-车”的工艺方案:(1)以齿坯外圆或轮毂定位,精车外圆、端面和内孔;(2)以端面支承拉孔(或花键孔);(3)以孔定位精车外圆及端面等。这种方案可由卧式车床或转塔车床及拉床实现。它的特点是加工质量稳定,生产效率较高。当齿坯孔有台阶或端面有槽时,可以充分利用转塔车床上的多刀来进行多工位加工,在转塔车床上一次完成齿坯的加工。,2 圆柱齿轮齿坯的加工方法,14,1.滚齿及其质量分析1)滚齿特点滚齿是齿形加工中生产率较高,应用最广的一种加工方法。而且滚齿加工通用性好,可加工圆柱齿轮、蜗轮等,亦可加工渐开线齿形、圆弧齿形、摆线齿形等。滚齿既可加工小模数、小直径齿轮,又可加工大模数、大直径齿轮,加工斜齿也很方便。滚齿可直接加工98级精度齿轮,也可作为7级精度以上齿轮的粗加工和半精加工。滚齿可以获得较高的运动精度。因滚齿时齿面是由滚刀的刀齿包络而成,参加切削的刀齿数有限,故齿面的表面粗糙度值较大。为提高加工精度和齿面质量,宜将粗、精滚齿分开。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,15,2)滚齿加工质量分析(1)影响传动准确性的加工误差分析。影响传动准确性的主要原因是,在加工中滚刀和被加工齿轮的相对位置和相对运动发生了变化。相对位置的变化(几何偏心)产生齿轮径向误差,它以齿圈径向跳动Fr来评定;相对运动的变化(运动偏心)产生齿轮切向误差,它以公法线长度变动FW来评定。现分别加以讨论:,3 圆柱齿轮齿形加工方法,16,图4-31几何偏心引起的径向误差,3 圆柱齿轮齿形加工方法,17,齿轮的径向误差。齿轮的径向误差是指滚齿时,由于齿坯的回转轴线与齿轮工作时的回转轴线不重合(出现几何偏心),使所切齿轮的轮齿发生径向位移而引起的齿距累积误差(如图4-31所示)。图4-31中,O为切齿时的齿坯回转中心,O为齿坯基准孔的几何中心(即齿轮工作时的回转中心),r为滚齿时的分度圆半径，r为以孔轴心O为旋转中心时齿圆的分度圆半径。滚齿时,齿轮的基圆中心与工作台的回转中心重合于O,这样切出的各齿形相对基圆中心O分布是均匀的(如图中实线圆上的P1P2),但齿轮工作时是绕基准孔中心O转动的(假定安装时无偏心),这时各齿形相对分度圆心O分布不均匀了(如图中双点划线圆上的P1P2)。显然这种齿距的变化是由于几何偏心使齿廓径向位移引起的,故又称为齿轮的径向误差。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,18,切齿时产生齿轮径向误差的主要原因是工件出现几何偏心。切齿时,工件有两种装夹方式:外圆定心端面支承和孔定心端面支承。前一种方式按外圆找正不需专用心轴,但要求齿坯外圆的径向圆跳动要小,适用于单件小批生产;后一种方式工件装夹方便,适用于成批以上生产。下面以孔定心端面支承为例(如图4-32所示)来分析出现几何偏心引起径向误差的因素:第一,夹具心轴轴线与工作台回转轴线不重合;第二,工件孔与心轴之间的配合间隙大,装夹时偏向了一边;第三,机床工作台面与工作台回转轴线不垂直,使夹紧后工件孔相对于工作台回转中心产生偏斜(如图4-33所示);第四,工件基准孔与端面不垂直;第五,夹具上、下平面不平行或各定位面未擦干净。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,19,图4-32滚齿夹具,3 圆柱齿轮齿形加工方法,20,图4-33端面定位不好引起几何偏心,3 圆柱齿轮齿形加工方法,21,减小几何偏心的办法:第一,保证齿坯的加工质量,特别注意孔径尺寸精度和基准端面的跳动;第二,保证夹具的制造精度和安装精度。夹具制造时,要注意限位基准对底面的平行度和定心轴颈轴线对底面的垂直度要求。在保证装卸方便的前提下,定心轴颈处定位间隙要尽量小。夹具安装时应尽量使定心轴颈轴线与机床回转中心相重合,夹具安装后应检查图4-34所示的A、B、C、D四处的跳动量,其数值可参考表4-7;第三,改进夹具结构。如设计定位与夹紧分开的夹具。这种结构夹紧时,螺栓的弯曲不会影响齿坯的定位精度(如图4-35所示)。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,22,图4-34夹具安装精度的检查,3 圆柱齿轮齿形加工方法,23,图4-35定位与夹紧分开的夹具,3 圆柱齿轮齿形加工方法,24,表4-7夹具的安装精度,3 圆柱齿轮齿形加工方法,25,齿轮的切向误差。齿轮的切向误差是指滚齿时因滚齿机分齿传动链误差,引起瞬时传动比产生不稳定,使机床工作台不等速旋转,工件回转时快时慢,所切齿轮的轮齿沿切向发生位移所引起的齿距累积误差,如图4-36所示。为清楚起见,图中只画出了8个轮齿。设滚切齿1时齿坯的转角误差为0,当滚切齿2时,理论上齿坯应转过AOB角(即3608),实际上由于存在转角误差,齿坯多转了个角,转过AOC角,即轮齿由双点划线所示位置转到实线所示位置,结果轮齿沿切向发生了位移。同时,其它各齿也会发生类似的切向位移。由于机床工作台的转角误差在一周内是变化的,因而各轮齿的切向位移也就不相等,必然引起齿距累积误差。在齿轮传动时,就会影响传递运动的准确性。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,26,图4-36齿轮的切向误差,3 圆柱齿轮齿形加工方法,27,(2)影响齿轮工作平稳性的加工误差分折。影响齿轮工作平稳性的主要误差是齿形误差、基节偏差等,现分别予以讨论。齿形误差。滚齿后常见的齿形误差,如图4-37所示。其中齿面出棱、齿形不对称和根切可直接看出来;而齿形角误差和周期误差需要通过仪器才能测出。应该指出,图4-37所示的误差是齿形误差的几种单独表现形式,实际齿形误差常是上述几种形式的叠加。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,28,图4-37常见的齿形误差,3 圆柱齿轮齿形加工方法,29,齿面出棱的主要原因。滚齿时齿面有时出棱,其主要原因是:滚刀刀齿沿圆周等分性不好和滚刀安装后存在较大的径向圆跳动及轴向窜动等。由图4-38看出,刀齿存在不等分误差时,各排刀齿相对准确位置有的超前有的滞后,这种超前与滞后使刀齿上的切削刃偏离滚刀基本蜗杆的螺纹表面。因而,在滚切齿轮的过程中,就会出现“过切”和“空切”而产生齿形误差。图4-38(c)是从图4-38(b)中取出三个刀齿位置加以放大的示意图。图中双点划线表示无等分误差时刀齿的位置(和渐开线齿面相切);实线表示有等分误差时,刀齿2因滞后而引起刃口“空切”和刀齿3因超前而引起刃口“过切”的情况。刀齿等分性误差愈大,这种“空切”和“过切”愈严重,齿面出棱愈明显。刀齿等分性误差对不同曲率的渐开线齿形的影响是不同的,齿形曲率愈大(即齿轮基圆愈小)影响愈大,这也就是齿数少的小齿轮为何齿面易出棱的缘故。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,30,图4-38刀齿不等分引起的齿形误差,3 圆柱齿轮齿形加工方法,31,产生齿形角误差的主要原因。齿轮的齿形角误差主要决定于滚刀刀齿的齿形角误差。滚刀刀齿的齿形角误差,由滚刀制造时铲磨刀齿产生的齿形角误差和刃磨刀齿前刀面所产生的非径向性误差及非轴向性误差而引起。刀齿前刀面非径向性误差对齿形误差的影响,如图4-39所示。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,32,图4-39刀齿前刀面非径向性误差对齿形误差的影响,3 圆柱齿轮齿形加工方法,33,精加工所用滚刀的前角通常为0(即刀齿前刀面在径向平面内),刃磨不好时会出现前角(正或负)。由于刀齿侧后面经铲磨后具有侧后角,因此刀齿前角误差必然引起齿形角变化。前角为正时,齿形角变小,切出的齿形齿顶变肥(如图4-39(a)所示);前角为负时,齿形角变大,切出的齿形齿顶变瘦(如图4-39(b)所示)。刀齿前刀面的非轴向性误差,是指直槽滚刀前刀面沿轴向对于孔轴线的平行度误差(如图4-40所示)。这种误差使各刀齿偏离了正确的齿形位置,而且刀齿左右两侧刃偏离值不等,这样既产生轴向齿距偏差,又引起齿形歪斜。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,34,图4-40刀齿前刀面非轴向性误差对齿形误差的影响,3 圆柱齿轮齿形加工方法,35,产生齿形不对称的主要原因。滚齿时,有时出现齿形不对称误差,除了刀齿前刀面非轴向性误差的影响外,主要是滚齿时滚刀对中不好。滚刀对中是指滚齿时滚刀所处的轴向位置应使其一个刀齿(或齿槽)的对称线通过齿坯中心(如图4-41(a)所示)。滚刀对中了,切出的齿形就对称;反之则引起齿形不对称。滚刀包络齿面的刀齿数愈少,工件齿形愈大且齿面曲率愈大时,齿形不对称愈严重。故对于模数较大且齿数较少的齿轮,滚齿前应认真使滚刀对中。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,36,图4-41滚刀对中对齿形的影响,3 圆柱齿轮齿形加工方法,37,产生齿形周期误差的主要原因。滚刀安装后的径向圆跳动和轴向窜动、机床分度蜗轮副中分度蜗杆的径向圆跳动和轴向窜动都是周期性的误差,这些都会使得滚齿时出现齿面凸凹不平的周期误差。减少齿形误差的措施:从以上分析可知,影响齿形误差的主要因素是滚刀的制造误差、安装误差和机床分齿传动链中蜗杆的误差。为了保证齿形精度,除了根据齿轮的精度等级正确地选择滚刀和机床外,还要特别注意滚刀的重磨精度和安装精度。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,38,基节偏差。在滚齿加工时,齿轮的基节应等于滚刀的基节。滚刀的基节:,pb0=pn0cos0=pt0cos0cos0pt0cos0,式中pb0滚刀的基节；pn0一滚刀的法向齿距；pt0滚刀的轴向齿距；0滚刀的法向齿形角；0滚刀的分度圆螺旋升角，一般很小，故cos01。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,39,3）影响齿轮接触精度的加工误差分析 齿轮接触精度受到齿宽方向接触不良和齿高方向接触不良的影响。影响齿高方向接触不良的主要因素是齿形误差ff和基节偏差fpb，影响齿宽方向接触不良的主要因素是齿轮的齿向误差F，此处只分析影响齿向误差F的主要因素。齿向误差F是指在分度圆柱面上，齿宽工作部分范围内，包容实际齿线且距离为最小的两条设计齿线之间的端面距离。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,40,滚齿加工中引起齿向误差的主要因素如下:滚齿机刀架导轨相对工作台回转轴线存在平行度误差时,齿轮会产生齿向误差(如图4-42所示)。由于夹具支承端面与回转轴线的垂直度误差,或齿坯孔与定位端面的垂直度误差(如图4-43所示)等工件的装夹误差均会造成被切齿轮的齿向误差。滚切斜齿轮时,除上述影响因素外,机床差动挂轮的误差,也会影响齿轮的齿向误差。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,41,图4-42滚齿机刀架导轨误差对齿向误差的影响,3 圆柱齿轮齿形加工方法,42,图4-43齿坯安装歪斜对齿向误差的影响,3 圆柱齿轮齿形加工方法,43,2.插齿及与滚齿工艺特点比较1)插齿原理与运动插齿也是生产中普遍应用的一种切齿方法。(1)插齿原理。从插齿过程上分析,插齿刀和工件相当于一对轴线相互平行的圆柱齿轮相啮合,插齿刀就是一个磨有前、后角具有切削刃的高精度齿轮。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,44,(2)插齿的主要运动(如图4-44所示)有:切削运动。插齿刀的上下往复运动。分齿展成运动。插齿刀与工件间应保持正确的啮合关系。插齿刀每往复一次,工件相对刀具在分度圆上转过的弧长为加工时的圆周进给运动,故刀具与工件的啮合过程也就是圆周进给过程。径向进给运动。插齿时,为逐步切至全齿深,插齿刀应有径向进给运动fr。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,45,让刀运动。插齿刀作上下往复运动时,向下是工作过程。为了避免刀具擦伤已加工的齿面并减少刀齿磨损,在插齿刀向上运动时,工作台带动工件沿径向退出切削区一段距离,插齿刀工作行程时,工件恢复原位。在较大规格的插齿机上,让刀运动由插齿刀刀架部件来完成。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,46,图4-44插齿时的运动,3 圆柱齿轮齿形加工方法,47,2)插齿与滚齿工艺特点比较插齿与滚齿同为常用的齿形加工方法,它们的加工精度和生产率也大体相当。但在精度指标、生产率和应用范围等方面又各自有其特点。现分析比较如下:(1)插齿的加工质量。插齿的齿形精度比滚齿高。这是因为插齿刀在制造时,可通过高精度磨齿机获得精确的渐开线齿形。插齿后的齿面粗糙度比滚齿小。其原因是插齿的圆周进给量通常较小,插齿过程中包络齿面的切削刃数较滚齿多,因而插齿后的齿面粗糙度小。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,48,插齿的运动精度比滚齿差。因为在滚齿时,一船只是滚刀某几圈的刀齿参加切削,工件上所有齿槽都是这些刀齿切出的;而插齿时,插齿刀上的各刀齿顺次切削工件各齿槽,因而,插齿刀上的齿距累积误差将直接传给被切齿轮;另外,机床传动链的误差使插齿刀旋转产生的转角误差,也使得插齿后齿轮有较大的运动误差。插齿的齿向误差比滚齿大。插齿的齿向误差主要决定于插齿机主轴往复运动轨迹与工作台回转轴线的平行度误差。插齿刀往复运动频率高,主轴与套筒的磨损大,因此插齿的齿向误差常比滚齿大。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,49,(2)插齿的生产率。切制模数较大的齿轮时,插齿速度要受插齿刀主轴往复运动惯性和机床刚性的制约,切削过程又有空程时间损失,故生产率比滚齿加工要低。但在加工小模数、多联齿、齿宽窄的齿轮时,插齿生产率会比滚齿高。(3)插齿的应用范围。从上面分析可知,插齿适合于加工模数小、齿宽较小、工作平稳性要求较高而运动精度要求不太高的齿轮。尤其适用于加工内齿轮、多联齿轮中的小齿轮、齿条及扇形齿轮等。但加工斜齿轮需用螺旋导轨,不如滚齿方便。,3 圆柱齿轮齿形加工方法,50,齿轮的齿端加工方式有:倒圆、倒尖、倒棱和去毛刺四种方式。经倒圆、倒尖、倒棱后的齿轮(如图4-45所示),沿轴向移动时容易进入啮合。齿端倒圆应用最多,图4-46是用指状铣刀倒圆的原理图。倒圆时,齿轮慢速旋转,指状铣刀在高速度旋转的同时沿齿轮轴向作往复直线运动。齿轮每转过一齿,铣刀往复运动一次,两者在相对运动中即完成齿端倒圆。同时由齿轮的旋转实现连续分齿,生产率较高。齿端加工应安排在齿形淬火之前进行。,4 齿端加工,51,图4-45齿端加工,4 齿端加工,52,图4-46齿端倒圆,4 齿端加工,53,1.齿形加工方案的选择齿形加工方案的选择,主要取决于齿轮的精度等级、结构形状、生产类型和齿轮的热处理方法及生产条件,对于不同精度的齿轮,常用的齿形加工方案如下:(1)8级精度以下齿轮。调质齿轮用滚齿或插齿就能满足要求。对于淬硬齿轮可采用:滚(插)齿-齿端加工-淬火-校正孔的加工方案,但在淬火前齿形加工精度应提高一级。,5 圆柱齿轮加工工艺过程,54,(2)76级精度齿轮。对于淬硬齿面的齿轮可采用:滚(插)齿-齿端加工-剃齿-表面淬火-校正基准-珩齿。这种方案生产率高、设备简单、成本较低,适于成批或大批大量生产齿轮。(3)5级以上精度的齿轮。一般采用:粗滚齿-精滚齿-齿端加工-淬火-校正基准-粗磨齿-精磨齿。磨齿是目前齿形加工中精度最高、表面粗糙度最小的加工方法,最高精度可达43级。,5 圆柱齿轮加工工艺过程,55,2.不同精度等级齿轮加工工艺路线介绍齿轮加工的工艺路线是根据齿轮材质和热处理要求、齿轮结构及尺寸大小、精度要求、生产批量和工厂设备条件而定。一般可以归纳为如下工艺路线:毛坯制造-齿坯热处理-齿坯加工-齿形加工-齿端加工-齿圈热处理-齿轮定位表面精加工-齿圈的精整加工。图4-47为某齿轮简图,表4-8为该齿轮成批生产下的工艺路线。图4-48为一高精度齿轮,表4-9是小批生产该齿轮的工艺路线。,5 圆柱齿轮加工工艺过程,56,图4-47齿轮简图,5 圆柱齿轮加工工艺过程,57,表4-8某齿轮机械加工工艺过程,5 圆柱齿轮加工工艺过程,58,图4-48高精度齿轮,5 圆柱齿轮加工工艺过程,59,表4-9高精度齿轮加工工艺过程,5 圆柱齿轮加工工艺过程,