螺旋齒輪加工工藝研究

龐雄南

摘 要：螺旋齒輪作為機械傳動的重要零件，在整個機械行業中有著非常廣泛的應用。該文主要對螺旋齒輪的加工方法及加工工藝流程加以闡述，并對螺旋齒輪的精密加工工藝加以研究。

關鍵詞：螺旋齒輪；加工工藝；精密加工

中圖分類號：TG61 文獻標志碼：A

0 前言

螺旋齒輪是“螺旋齒圓柱齒輪”的簡稱。螺旋齒輪的齒線為圓柱螺旋線，齒面結線為曲線，用于傳遞既不平行又不相交的定傳動比的兩軸運動，其優點具有齒輪重疊系數大、占用空間小、傳動性平穩、承載能力強、能耗低、噪聲小等，廣泛應用于航天、汽車、大型機械等工業領域，因此螺旋齒輪是現代工業中必不可少的傳動零件。

1 螺旋齒輪的加工方法

1.1 統一刀盤法

為了使萬能機床適應小批量生產，簡化弧齒錐齒輪副的加工方法，提出了統一刀盤法，其最大優點是在加工齒輪時，將刀盤傾斜保證齒輪的剛性，且在刀盤傾斜過程中保持刀盤中心不變，操作簡單。這種方法只適合生產小批量的弧齒錐齒輪、準雙曲面齒輪副和零度齒錐齒輪，不能大批量生產高效精準的螺旋齒輪。

1.2 硬齒面研齒

硬齒面研齒法是傳統的工藝方法，能有效降低齒面的粗糙度，修正齒形與齒向誤差，使齒面咬合良好，生產效率高，但控制由于熱處理引起的徑向跳動、齒形誤差、周節誤差等，硬齒面研齒法效果不是很好。在研齒過程中，由于兩齒之間處于自由擬合狀態，很難保證整個齒面滾動量的均勻性，齒根和齒頂部分相對滾動量較大，而齒節圓處的滾動量較小，在長時間研齒過程中，會降低齒型質量。為保證研齒后的齒面質量，在研齒過程中要自動循環變化齒輪間的安裝距離、偏置距離和軸間角。

1.3 硬齒面磨齒

硬齒面磨齒從原理上可分為展成法和成形法。展成法是刀具在切屑過程中與齒輪做相對展成運動，刀具與齒輪的瞬時速度相等的軌跡做純滾動，兩者間保持一定的速度比，刀具在這種運動中加工出螺旋齒輪的包絡面。成形法是綜合利用CAD技術、數控技術、材料技術等，實現從數模到制造一體化的技術，隨著數控機床的普及，成形法硬齒面磨齒機得到廣泛應用。由于螺旋齒輪主動輪的每個齒槽截面的結構是不同的，因其結構的特殊性，必須采用展成法磨齒。

2 螺旋齒輪加工工藝流程

2.1 螺旋齒輪的粗加工

粗加工是為了除去毛坯件中的加工余量，為后續的半精加工做準備。粗加工的主要方法有截面線法、層切法、等距切屑法和鉆孔法等，層切法是將刀具運動軌跡控制在二維平面內，控制程序少，便于優化刀具運動軌跡，不易出現空刀現象，因此這種方法應用廣泛。在滾齒加工確定齒輪分度圓厚度時，一般應控制磨齒單邊余量在0.2 mm以內，此外對滾齒的跳動量要加以限制，避免因齒面的滲層不均減小齒輪的耐磨性。

2.2 螺旋齒輪的熱處理

齒輪在粗加工后，為了提高齒輪的心部綜合機械性能，一般要進行熱處理，如淬火、氮化、滲碳等，以滿足齒輪的使用要求。在熱處理過程中，齒輪會受溫度的影響熱脹冷縮，產生的熱應力和組織應力會導致齒輪齒面變形，因此在熱處理前要預留加工余量。

齒輪在熱處理過程中，由于淬火溫度高，冷卻時間短，會導致齒輪表面和心部溫差較大，內部組織應力和熱力增加，使齒輪產生變形。熱處理時應對齒輪均勻加熱，采用分段加熱或將升溫控制在150 ℃/h～200 ℃/h，降低齒輪表面和齒輪心部的溫差，最大限度地減小熱應力和組織應力對齒輪的影響，有效控制齒輪變形量。此外應充分回火，消除熱處理應力。

熱處理滲碳過程中，應控制好滲層厚度，通常滲碳控制在1.0 %C～1.2 % C，避免在半精加工中齒面產生起皮脫落現象。滲碳在空冷時，要將齒輪進行風冷處理，加快冷速過程，消除網狀碳化物和鐵素體組織。

2.3 螺旋齒輪的半精加工

螺旋齒輪的半精加工主要是去除熱加工過程中產生的組織應力和齒面、底面余量，為齒輪表面精加工做準備。齒輪齒面屬于復雜曲面，采用球頭刀具對齒槽中2個齒面進行輪廓切屑。由于主動輪采用成形法進行加工，齒輪的齒面為直紋面，為避免出現切屑干涉區域，應事先調整好刀具軸向方向及刀具的大小，為減小切屑量，半精加工時選擇直徑較小的刀具。

在大批量生產中，為了保證齒輪的生產質量，半精加工前按齒輪的大小、側面間隙、接觸位置用測量機進行分類，根據檢查情況對齒輪進行分類調整，根據具體情況修正研磨機加工方法；這種方法還可以檢測齒面是否存在缺陷，如果一對齒輪副中有一個齒輪存在缺陷，在研磨過程中也會影響相鄰的齒輪面，齒輪副在運動的過程中還會影響機床的加工，造成機床夾具損壞。齒輪副研磨后主要存在干涉缺陷，發生在齒頂、齒根部，通常表現為頂根接觸、過長接觸、對角接觸等，只要熟練掌握齒輪工藝原理，控制好制動負載、研磨時間、調整機床側隙，研齒缺陷都能得到很好的控制。

2.4 螺旋齒輪的精加工

螺旋齒輪的精加工的目的是滿足設計圖紙要求，提高齒輪精度，平滑齒輪表面。研齒加工是螺旋齒輪精加工的可靠方法，加工齒輪的硬齒面，消除齒面的殘余應力和熱處理變形，提高齒輪精度，保證研齒接觸區域達到設計要求。研齒循環中的間隙變化量一定要小于半精加工，以防研齒時側間隙量太小。如果在研齒過程中，一對齒輪副中的主動輪或從動輪報廢了，完好的齒輪可以正常與新的齒輪進行研磨，雖然可以研磨成一副新齒輪，但仍需與一副未研磨過的主動輪或從動輪進行匹配。

3 螺旋齒輪精密加工工藝

3.1 范成法精密加工方法

范成法精密加工時刀具的安裝角度大小和方向根據齒輪螺旋角的變化規律發生周期性變化，應用范圍廣泛，加工精度高，表面精度良好。在精密加工過程中，刀具相對于被加工工件做螺旋齒輪擬合運動，滾刀安裝角度的變化與螺旋齒輪螺旋角成線性關系。調整機床時，被加工齒輪的節面與平面齒輪的節面應做純滾動運動，滾刀安裝角的變化規律、螺旋齒輪的漸開線齒廓按被加工齒輪螺旋角的變化規律變化，螺旋齒輪的螺旋角度大小和方向按設計要求發生周期性變化，實現螺旋齒輪的精密加工。由于滾齒的原理是滾刀與螺旋齒輪產生共軛運動關系，因此滾刀的安裝角度必須與螺旋齒輪的螺旋線重合。對于變螺旋齒輪每個齒的螺旋角都不相同，必須保證滾刀的一端球角固定，另一端根據螺旋角變化規律擺動滾刀。

3.2 螺旋齒輪數控精密加工方法

數控精密加工是機床可進行三軸聯動，按聯動軸的數目不同，三軸可同時控制，完成螺旋齒輪的精密加工。由于螺旋齒輪的角度是規律變化的，刀具與工件按相應規律做相對擺動運動，聯動軸數越多，加工齒面形狀越復雜，加工精度越高。數控機床的刀具固定在Z軸，只能沿Z軸做上下運動，因此選擇夾具做擺動運動，為控制精度保證各軸間的同軸度，夾具只能研X軸和Y軸運動。在加工過程中，由于每個齒的螺旋角引起導程值不同，必須通過控制程序控制刀具按照螺旋角的變化規律進行走刀，實現螺旋齒輪的精密加工。

4 結論

該文介紹了幾種螺旋齒輪的加工方法，圍繞螺旋齒輪加工工藝，論述了加工工藝流程，依據螺旋齒輪加工原理，保證刀具與齒輪的螺旋角度成線性變化，并針對范成法和數控精密加工方法提出相關工藝措施，對螺旋齒輪的加工提供了理論指導。

參考文獻

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