直齒圓柱齒輪的加工方法探討

張晨 王海濤

摘 要 為了研究直齒圓柱齒輪的加工方法，探討真實工況下的輪齒的失效形式。本文筆者以多年一線工作經驗，在理論結合現場的情況下針對相關業務展開探討，系統介紹了齒面疲勞點蝕失效、齒面磨損失效、齒面塑性變形失效等三種形式。結合現場工作中遇到的加工任務和齒輪加工精度要求，在材料選擇和加工方法層面為同行提供建設性意見。研究得出：鑄鐵經過淬火和打磨處理后的相關元件在潤滑良好的環境下可以承受更大載荷和轉速。

關鍵詞 齒輪材料 加工方法 齒輪傳動

中圖分類號：TG3 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2021）09-0019-02

1 前言

現代工業生產需要多重手段進行動力設備傳遞。而傳統的鏈條傳遞、皮帶傳遞都各有優缺點。但是需要零部件鑒于間隙、變數和多功能性。運用齒輪進行傳遞動力前景較大，工作適應面更廣。而特種設備范疇下不同材料和不同加工方式能獲得不同種類和質量的齒輪。本文針對直齒圓柱齒輪的加工方法展開探討，為同行提供建設性意見。

2 齒輪傳動的特點

齒輪傳動是一種有效而精確的傳動方式，具有傳動比精確，相應傳動比變化區間較大，圓周速度范圍大、相應功率較大技術范疇的機械承載能力高，相關效率和壽命均衡等特點。但是工作過程中需要強制潤滑并且噪聲較大。具體有：適應性廣，發射功率范圍為0.1W至10kW以上;外圍傳輸速度可達300m/s以上;直徑可達25m左右恒速比，齒輪傳動可以保證兩個車輪的瞬時傳動比恒定。效率高齒輪機構的傳動效率一般在95%以上工作可靠，壽命長可在空間任意兩軸之間傳遞運動。齒輪傳動的不足之處是精度要求高，制造安裝成本高，成本不適合長距離兩軸間傳輸[1]。

3 齒輪材料的選擇

不同的工作條件和功能需求對齒輪性能及材質的要求也各不相同。例如，低速和重載條件下的齒輪其傳動必須采用強度和韌性特別好的材料;高速齒輪傳動條件和功能需求必須由齒面硬度較大的材料制成;耐沖擊齒輪傳動裝置應由韌性較好的材料制成。鍛鋼、鑄鋼和鑄鐵是工業生產中使用最多的三種材料。鍛鋼具有高強度和抗沖擊性。熱處理工藝能夠很好地提高其機械的工作性能，提高其使用壽命。常用的鑄鋼有ZG40和ZG45。

4 齒輪輪齒的失效形式

4.1 齒面疲勞點蝕失效形式

齒面疲勞點蝕：不同載荷運行條件下齒面接觸應力受到不穩定波動，其脈動周期導致的齒面接觸點增加或者縮小，在高負荷反復變換下齒輪表面的強度會受到損害，以至于一定范圍和深度的齒裂紋裂紋因為金屬疲勞而產生不穩定裂紋，最終以坑狀凹坑形式逐步展現，會全面損害工件。而當潤滑良好的情況下其點腐蝕和后續的傳動失效會得到規避，但是由于磨粒磨損比點腐蝕發展得更快使用需要進行全方位的預控，例如降低運行負荷。產生原因：發生點蝕后，因為接觸面的不光滑性，其齒形會被破壞，導致傳動效應失穩，在運動和旋轉過程中會發出噪音，最終導致齒輪失去工作機制，而陷入傳動失靈[2]。現場實際作業工況告訴我們，疲勞點蝕經常出現的地方是齒面節線旁邊的齒根位置。其主要原因就是靠近節線的齒面相對滑動速度偏低，潤滑期間油膜不適合形成，摩擦力足夠大，而且節線運行不穩定參與到輪子嚙合中，齒對數為小而接觸應力大，最終導致點蝕。解決措施：（1）設計時必須計算齒面的接觸疲勞抗力;（2）提高齒輪表面的硬度，降低齒輪表面粗糙度;（3）減少動態負載;（4）調整潤滑油粘度避免低粘度導致的滲入裂紋，點蝕增長越快。因此，需要合理選擇潤滑油的粘度，使用粘度較高的潤滑油;（5）采用容積式齒輪傳動，增加整體彎曲半徑[3]。

4.2 齒面磨損失效形式

不同的工作環境對齒輪表面造成的磨損程度也不相同。當鐵屑、沙子、非金屬材料和其他磨料落在齒面之間或由于粗糙齒面的摩擦而產生磨粒磨損。一旦齒面磨損，齒的形狀就會變形，從而引起振動、沖擊和噪音。當磨損嚴重時，牙齒會因較薄的牙齒而斷裂。新的一對齒輪，由于機器表面粗糙，實際上只是負載最大接觸的部分。接觸點處的壓力非常高，所以在操作開始時，磨損率和磨損量都比較大。磨損到一定程度后，摩擦面逐漸變得光滑，壓力減小，磨損率降低，這種磨損就變成磨合。人們故意在新的輕載齒輪上運行，為正常磨損創造條件。磨合后，必須清潔和更換潤滑劑。牙齒磨損有兩種類型：磨粒磨損和磨合磨損。解決方法：（1）對齒輪運行過程中的潤滑條件進行優化，在其運行期間施加減摩添加劑，同時確保潤滑油的清潔;（2）提高齒面硬度;（3）采用封閉式傳動代替敞開式傳動或增加保護裝置以優化密封條件。

4.3 齒面塑性變形失效形式

當在制作齒輪的材質比較軟，并且齒輪在運轉過程中所需要承載的負荷較大的情況下，齒輪表面的油膜就會被很快破壞，從而加大的摩擦力，塑性流動方向與摩擦方向一致作用于牙齒表面和牙齒表面表層的力。材料將在整個摩擦力中發生塑性變形。塑性變形屬于輪齒的永久變形，是輪齒材料在過大應力作用下處于蠕變狀態時，塑性從齒面或齒體流出而形成的。驅動齒輪齒上的摩擦力偏離節線，分別作用于齒尖和齒根，使齒面發生塑性變形后沿通道線形成凹槽。在從動輪齒運轉中產生方向相反的摩擦力，等待塑性變形以后，齒輪表面就會沿著節線形成脊狀。齒面的塑性變形經常發生在使用軟質、低速、重質齒面材料的驅動器中。解決措施：（1）使用高粘度潤滑油;（2）適當增加齒面硬度。

5 齒輪加工的常用方法

齒輪加工是基于機械構架下的材料力學和精度差異，在確保齒輪傳動靈活、潤滑可靠、失效形式可控的基礎上進行全過程多道加工的。

1.滾齒。機械設備的運行需要齒輪大扭矩高負荷的進行功率輸出與傳遞。而滾齒作為這種能高速旋轉且進行無嚙合間隙的齒輪與齒條傳動，現場制作等級可以合適歸并為8-9級精度齒輪加工，鑒于成本考量和加工生產速度所限，也可以在預定情況進行7級以上齒輪粗加工或者半精密加工，在運行過程中需要注意毛刺處理，并且在較高運動精度確定的同時合適使用加工材料。

2.插齒。該種結構多用于低速高扭矩的車床或者特征傳動機構，當加工手段合適并且處于雙聯或者三聯齒輪度量時，其兩輪間由于相對距離較小，加工精度和速度都需要根據不同插齒使用情況和材料硬度做歸并數據分析，非特殊情況下嚴禁使用成形銑或滾齒進行構件的60%以上工作量加工。而后續的生產實踐表面，更加大型的構件還可以運用鍍膜或者局部硬化的方式進行更加經濟的加工。需要注意插齒刀通常有一定弧度和硬度的，所以基于使用環節考慮，單個牙齒的研磨加工前后單位后角產生的刀刃齒輪需要進行長效測定以確保最終加工精度合規。具體插齒制作時要求插齒刀以一定額定速度作上下往復的切削運動，并且強制性要求插齒刀和齒坯之間時刻嚴格保持間開狀態的單一漸開線齒輪的合并嚙合關系，并且嚴格狀態形式。

3.剃齒。剃齒制作精度高，硬度要求大，通過研磨材料礦化硬粉或者合金鋼瞬間淬火硬化技術進行獲得。具體工藝手段通俗來講即為運用已經制作完畢并具備精確等級的高速斜齒輪鋼面進行角度測定后沿著漸開方向線進行開槽并最終完成額定刀刃的制作，在齒輪處硬化后最終成型完成剃齒刀制作。通過數控車床進行滾、插后齒面進行多維額定富裕量的加工齒輪預留，最終使用過程中的定速比嚙合達到最佳。注意要確保加工齒輪齒面上的絕對光滑可以通過剃齒刀的刀刃沿齒寬方向進行低速定額加工齒輪滑動式研磨，以逐漸刮削掉富余量材料。如果遇到材料特殊，還可以用特殊打磨裝置進行精確式打磨，使齒面光潔度達標。

4.珩齒。由于不同齒輪材料不同，其力學和化學性質限定了淬火后的不同程度變形和精度超標。此外金屬材料淬火導致的黑皮殘留和熱膨脹在所難免，初加工的齒輪構件直接進行剃齒刀刮削是不可信的，強行施工只會導致構件應力受損，所以必須進行刀具改良，運用金剛砂磨料和加進環氧樹脂等材料澆鑄或熱壓成斜齒輪或者其他構型工具進行工件預處理，多維導向下的通用工序珩磨輪代替剃齒刀加工淬火完成齒輪硬化，就可以完成珩齒加工。需要注意珩齒工藝下的機床多維運動軌跡和剃齒時完全一樣，只是需要更換不同的刀具完成不同精度的加工。

6 齒輪加工精度要求

齒輪傳動的主要功能是傳遞動力，了解齒輪的用途后，選擇適合用途的齒輪產品。機器工作性能的大小、運行過程中所產生噪音的大小以及機器運行中所能夠承載重力的大小均與齒輪 生產制造精度有關。依據齒輪在不同環境中的功能實現要求，對其建立了四個精度方面的要求：一是齒輪傳動間隙大小的合理性要求。在齒輪的嚙合輪齒面之間的間隙必須符合相應的工作標準要求，合理的間隙;利于潤滑油的儲存，用以彈性變形和熱變形的補償，減小齒輪在生產制造安裝過程中產生誤差;二是齒輪載荷分布的均勻性要求。要想使齒輪在運行過程中保持良好的齒面接觸就一定要保證接觸位置和接觸面積的標準要求，這樣可以很好地保證齒輪載荷分布的均勻性，同時還可以減小齒面磨損，提高齒輪使用年限;三是傳動運動的穩定性要求。要保證齒輪在齒廓角處的最大角度誤差保持在規定的范圍以內。確保瞬時齒輪的副比變化幅度較小，這樣既可以使齒輪運行穩定，還可以降低噪音;四是傳動運動的精度要求。要確保齒輪一轉的角度誤差保持在合理的范圍以內。同時確保齒輪副傳動比較小，保證傳動運動準確。

7 結語

齒輪的加工需要多重施工工藝的配合，將產地和材料進行有機結合，確保源頭可查。齒輪的失效形式也需要根據不同的工況和加工精度科學分析，以最終進行反演式提高齒輪加工質量。

參考文獻：

[1] 夏世升，王廣春，趙國群，等.直齒圓柱齒輪冷精鍛新工藝數值模擬研究[J].熱加工工藝，2003（02）：22-23.

[2] 寇淑清，楊慎華，傅沛福，等.高精度直齒圓柱齒輪冷鍛成形加工方法的研究[J].鍛壓技術，2000，25（05）：10-13.

[3] 席慶坡.直齒圓柱齒輪冷精鍛成形數值模擬及齒形修形研究[D].機械科學研究院，2003.