大模數少數齒剃齒齒形研究

謝建安

摘 要：大模數齒數少的齒輪，剃齒時由于重合度低，剃齒單嚙區和雙嚙區的存在，容易產生中凹等惡劣齒形，本文介紹了如何通過剃齒刀修形、加工余量、剃齒嚙合點、滾插齒齒形的工藝控制，解決各類剃齒中凹等惡劣齒形問題，降低總成噪音。

關鍵詞：大模數，少齒數，齒形，中凹，控制，噪音

第一部分、剃齒齒形中凹產生的原理及影響

1.問題背景

在汽車和工程機械變速器中，由于傳動速比和扭矩的需要，常會遇見大模數、齒數少的齒輪，甚至為直齒齒輪，此類齒輪由于重合度低，滾齒和剃齒過程切削壓力常會發生變化，特別是剃齒過程剃削壓力的變化，剃齒刀修形不易掌握，導致滾、剃加工時易產生中凹等惡劣齒形（見圖2 某變速器中間軸剃齒中凹齒形），為公認的難剃齒齒輪。

2.剃齒齒形中凹產生的原因及影響

剃齒時，齒頂和齒根處同時有兩個齒被剃削，而分度圓附近節圓處，只有一個齒在剃削。由于剃齒刀與齒輪齒頂和齒根區域有兩處接觸（A、C），與齒輪中部區域只有一處接觸（B），因此，齒輪中部區域的剃削壓力大于齒頂和齒根區域，中部剃去的余量較大，因此，在此區域產生中凹齒形。中凹齒形產生的原理如圖1所示。

對于汽車和工程機械變速器而言，汽車變速器的低速檔齒輪，工程機械變速器齒輪，有較多的大模數、齒數少、直齒齒輪，由于重合度低，嚙合系數小，由于前述原因，按常規工藝制造齒輪，產生中凹齒形較為常見，齒形誤差可達到1μm～3μm，嚴重時可達3μm～5μm，導致齒輪強度降低，總成噪音升高，見圖3某變速器中間軸中凹齒形和總成噪音。為解決中凹齒形問題，為使產品不中凹的過分修形（難以控制：數值不對應，無規律，如S形、頂塌和過大的鼓形量4.5μm～5μm），又會降低重合度，導致噪音較高或異響，見圖4某型號產品剃鼓形齒和總成噪音。

3.為解決中凹齒形，導致重合度降低，導致噪音較高或異響的試驗和統計數據。

圖4是某變速器中間軸倒檔剃齒齒形：嚴重中凹或S形;齒形精度誤差Fα4.5μm～6μm，總成倒檔噪音超標，均值92.7dB，倒檔噪音統計數據如下圖5所示。

低重合度造成噪音較高或異響的試驗：圖4所示的倒檔齒齒形，導致總成異響，拆下倒檔齒輪副，檢測齒輪精度，發現除齒形誤差外，其余精度都在GB/T10095.1-2008 6級精度以內，僅更換齒形如圖6所示倒檔齒：總成異響基本消除，倒檔噪音達標，用于更換的齒輪，除齒形誤差外，倒檔齒初始各項精度與異響總成倒檔齒各項精度相近，該倒檔齒經1萬公里的道路試驗，齒形發生了變化，已基本沒有鼓形，齒形接近理想漸開線，提高了重合度，裝上總成后，異響基本消失，總成噪音降低。

1.剃齒刀修形

剃齒刀修形不合理是造成齒形中凹的因素之一。對于此類問題，在消除中凹的情況下，剃齒刀適當反修形，尋找修形形狀，修形位置，保持齒形不中凹，為保證齒輪嚙合時，有適量的潤滑油，產生潤滑效果，剃齒時，通常要求產品齒形有適當的鼓形量。剃齒刀修形應注意，剃齒刀反修形量不宜過大，否則，齒形產生較大的鼓形量，會破壞重合度，導致總成噪音升高，甚至產生圖4所示的齒形導致的異響（見圖5）。圖7所示為齒輪測量中心P40計量的剃齒刀齒形，圖8所示為該刀所剃產品齒形，可以看出，消除了前述的齒形中凹等問題，齒形完全合格。

2.剃齒余量

剃齒余量不合理也是造成齒形中凹的因素之一。通過研究直齒和少數齒剃齒余量（滾齒M值）對剃齒齒形精度的影響發現，在同樣的剃齒刀修形的情況下，調整剃齒余量（滾齒M值），剃齒齒形會有變化。解決此類問題的方法是：通過試驗，給出合適的滾齒M值，解決剃齒余量對剃削壓力變化導致的齒形不能穩定合格問題。圖9～圖10所示為同樣修形的剃齒刀，調整剃齒余量后的剃齒齒形變化。某型號產品余量調整情況：滾齒M值由59.85±0.03調整至59.77±0.03。圖9為剃齒余量調整前的齒形，圖10為剃齒余量調整后的齒形：齒形完全合格。

3.剃齒切削嚙合起止點

剃齒切削嚙合起止點造成齒形問題的因素之一。研究此類問題對剃齒齒形精度的影響，是通過測量剃齒刀的外徑和齒厚，磨剃齒刀外徑或重新刃磨剃齒刀，改變剃齒刀修形位置，解決由于剃齒嚙合起止點造成的剃削壓力變化，導致的齒形不能穩定合格，而達到齒形合格的。圖11、圖12所示，某型產品調整剃齒嚙合起止點前后的剃齒齒形變化。圖11是其它因素不變的情況下，齒形雖然不是很穩定，但較好的齒形，通過重新調整剃齒嚙合起止點，得到如圖12所示穩定合格的齒形。

4.滾齒和插齒初始齒形

滾、插齒初始齒形也是造成齒形問題的因素之一。由于滾齒和插齒齒形只是工藝過程的初始齒形，產品齒形要達到標準，一般都要通過后續加工來實現，通過研究此類問題發現：初始齒形相對較好，為獲得穩定合格齒形的其它調整就相對容易。滾插齒初始齒形的控制，更主要的是控制齒形傾斜斜率的游離程度，一般情況下，游離越小，剃齒效果越好。

5.解決剃齒齒形中凹等問題的措施效果

對于不同因素導致的剃削壓力變化，最終導致齒形變化（不合格），通過試驗證實，依照前述相應的措施，都能獲得穩定合格的齒形。除齒形合格外，還獲得以下效果：由于剃齒成本較磨齒和珩齒等工序成本低很多，因此，在需要較高精度齒形和較低噪音的變速器總成場合，此類研究成果的應用可顯著降低成本。

參考文獻：

[1]王先逵.《機械制造工藝學》下冊，精密制造.第1版，北京清華大學出版社，1989年，P39～P40.