硬齿面齿轮精加工技术探究

丁明亮

摘 要：随着现代工业的不断发展，全世界硬齿面齿轮的需求量也在不断增加，近年来，硬齿面齿轮的精加工技术也有了新的进展。本文对硬齿面齿轮加工领域的主要工艺，如滚齿、插齿、剃齿、珩齿、磨齿等进行了分析和讨论。

关键词：硬齿面;齿轮;精加工;技术

依据齿面硬度的不同，齿轮可以分为硬齿面齿轮和软齿面齿轮两种。一般来说，齿面布氏硬度超过350的齿轮即为硬齿面齿轮。所以，为满足具体的工作要求，硬齿面齿轮的齿面硬度通常都比较高，加工材质一般采用特种钢材，加工过程有多种工艺可供选择。为了保障加工精度和加工效率，有必要对硬齿面齿轮精加工技术进行研究。

1 硬齿面滚齿工艺

齿轮加工中，传统的磨齿工艺加工效率低、成本高。因此，硬齿面滚齿工艺越来越多地获得了人们的关注。我国近年采用滚齿工艺加工硬齿面齿轮的企业越来越多，例如北京第二机床厂，是我国最早采用滚齿工艺加工硬齿面齿轮的企业之一，加工效率比传统磨齿工艺提升5～8倍。与传统磨齿工艺相比，滚齿工艺的要求更高，需要在切齿技术、刀具、机床等多个方面的密切配合下才能取得良好效果。滚齿加工过程中最常发生的问题是齿形精度不足。产生问题的原因主要有以下几点。一是对于洛氏硬度在60左右的齿面，硬度接近刀具硬度，对滚刀产生严重磨损，影响加工精度。二是滚齿加工是一种不连续的加工过程，易发生自激振动，加上短时间内多次发生的机械冲击，常会造成滚刀崩刃。三是滚齿工艺刀具采用负前角，当切削厚度较小且工件硬度高的时候，加工过程的径向切削力会变得很大，滚齿加工的刀杆和心轴正是刚性薄弱环节，径向切削力变大会造成刀杆和心轴变形较大，使加工精度减小。因此，由于硬齿面重载齿轮工艺复杂，涉及的技术问题多，制造难度大，齿轮的加工水平在某种程度上反映了一个国家的机械制造工业的整体水平，也对齿轮加工方面的研究是国内外机械制造行业共同关注和研究的热点。

2 硬齿面插齿工艺

硬齿面双联齿轮小端齿部的加工一直没有经济有效的工艺方法。由于结构特殊， 小端齿部不能采用传统的磨齿工艺， 特别是受热处理变形的影响， 其精度一直得不到保证， 严重影响齿轮的工作寿命 。有研究人员通过把插齿刀顶刃磨出较大的负前角，使侧刃有较大的刃倾角，形成刮削加工，也取得了一定的加工效果。但是，硬齿面插齿工艺对于加工6级以上精度齿轮难度较大。除了与前已述及的滚齿工艺相类似的原因之外，插齿工艺还存在着插齿速度较低，单次插齿不能满足加工需求、多次插齿又会造成振动，传动链精度不足等许多问题，限制了插齿工艺的应用。国内有企业对硬齿面插齿工艺也作了一些改进，目前实现了插制洛氏硬度达到48的硬齿面7级精度齿轮。主要改进在以下几个方面。一是提高机床的刚度和精度，以及传动链精度;二是采用高精度插齿刀，严格控制刀具的安装偏心;三是提高齿坯和夹具的精度;四是选取合理的进给次数和加工进给量。

3 硬齿面剃齿工艺

剃齿的原理是一对互相交叉构成一定轴交角的齿轮啮合传动，传动时齿面间有相对滑动，在这一对齿轮中的一个齿面上制出许多小槽（梳形齿），梳形齿槽构成剃齿刀的侧刃与顶刃，这些刀刃在齿面相对滑动中，对另一齿面工件进行切削。近年剃齿工艺的较大突破出現在日本，研究人员成功实现了使用剃齿工艺加工洛氏硬度达到60的8级精度齿轮。为使剃齿刀能切入工件的硬齿面，除将剃齿刀上的渐开线螺旋面刃带减至最窄处外，还要把剃齿刀每齿上的刀刃减至l～2个。本来软齿面剃齿的最大优点是刀刃多，有渐开线螺旋面保持稳定啮合，使剃齿效率高，并保证精度。而硬齿合金剃齿刀在结构上的改动，削弱了剃齿的上述2个优点。此外，剃齿的特点是切削厚度很小，而硬质合金的刀刃一般是较钝的，故很难进行剃削加工，因而难于在生产中实际应用。国内近年来也在研究硬齿面剃齿工艺，目前已能剃削48洛氏硬度左右的中硬齿面7级精度齿轮，加工效率很高。综上所述，剃齿加工的过程是剃齿刀与被切齿轮在轮齿双面紧密啮合的自由展成运动中，实现微细切削过程，而实现剃齿的基本条件是轴线存在一个交叉角，当交叉角为零时，切削速度为零，剃齿刀对工件没有切削作用。

4 珩齿工艺

珩齿工艺是当前高精度硬齿面齿轮加工采用最多的方法。淬火后的齿轮轮齿表面有氧化皮，影响齿面粗糙度，热处理的变形也影响齿轮的精度。由于工件已淬硬，除可用磨削加工外，但也可以采用珩齿进行精加工。然而珩齿工艺对于较高精度的齿轮加工也存在较大难度。目前，国内有的企业已珩出6级精度齿轮。德国有企业也是利用珩齿生产6级精度齿轮，采用粗、精2次滚齿，并采用修形剃齿刀剃齿，严格控制热处理变形等一系列措施，以保证珩前精度，并使用修形珩轮进行珩齿。传统上，珩齿工艺采用的是盘形珩轮加工。近年在日本出现了蜗杆珩齿工艺。其原理是使用蜗杆形状的珩轮进行珩齿，与盘形珩轮珩齿相比，蜗杆珩齿的加工精度能够提高1～2级。世界范围内，蜗杆珩齿技术已经取得了数十项专利，在汽车变速箱齿轮等零件的加工上取得了一定程度的应用。我国国内企业今年来也开始重视蜗杆珩齿工艺，国内已有蜗杆珩齿机研发成功并推向市场，可以加工6～7级精度齿轮，生产速度可以达到3～6min/件，较好地满足了生产需求。

近年来，珩齿工艺又出现了新的发展，瑞士生产出内啮合珩齿机，采用内齿圈珩轮加工外齿轮工件，加工效率和加工精度都获得了较大幅度提升。采用硬齿面精密加工齿轮，可以有效提高传动装置承载能力、降低噪音、减小振动、延长使用寿命。关键动力传动装置已普遍采用硬齿面精加工齿轮。对硬齿面齿轮精密加工方法有磨齿、刮齿、研齿、高速干切、珩齿等工艺。随着现代数控齿轮加工机床快速发展，精加工余量大幅减小，精加工前齿轮质量不断提高。加之市场对齿轮综合性能需求的进一步提高，不单纯追求高的精度，同时注重啮合噪音、接触质量、使用寿命、加工成本、能耗等方面。这要求齿轮精加工工艺方案更加绿色、节能环保，珩齿工艺能很好地兼顾这些需求，加之现代数控技术发展赋予珩齿机床新的功能，将为珩齿工艺发展带来更加广阔的市场。

5 磨齿工艺

磨齿是齿轮加工的最后一道工序，是用砂轮作为磨具加工圆柱齿轮或某些齿轮加工刀具齿面的齿轮加工机床。主要用于消除热处理后的变形和提高齿轮精度，磨削后齿的精度可达 6～4级或更高。磨齿的精度关系着齿轮箱精度的最重要因素，而如何提高磨齿加工的精度就成为其中的重中之重。磨齿工艺又可分为展成磨齿和成形磨齿两种。通常情况下，展成磨齿的效率较差，生产成本高，需要的机床设备等更加复杂，因此在生产中的使用不多。而成形磨齿没有上述缺点，但受到砂轮修整的限制，在生产中的应用也不是特别广泛。当前，全球范围内的很多相关企业都在研发能够解決上述问题，形成突破的新型磨齿工艺和磨齿设备。

5.1 展成磨齿

磨齿法的砂轮是由金刚石笔或金刚石滚轮依照标准摸板修正成与齿轮的齿槽形状完全一样，最终依靠成形砂轮来磨削渐开线齿轮的。磨齿法是依靠展成来获得工件齿形的，渐开线齿形的精度依赖于机床展动运动的精度。展成磨削过程是点接触，砂轮易磨损，磨削效率低（蜗杆砂轮磨齿机除外），展成法磨齿机机床主要运动有砂轮的旋转，展成运动，分度运动，轴向进给。展成磨齿法又可细分为使用蝶形砂轮或锥面砂轮的单齿分度法和使用大平面砂轮或蜗杆砂轮的连续展成法。展成磨齿工艺方法中，使用蜗杆砂轮的连续展成法效率最高，一台设备一般一小时可以加工4～5个齿轮，而且精度较好，可以加工5～6级精度齿轮。蜗杆砂轮磨齿机把展成磨齿工艺中常用的机械传动链用同步电动机轴传动链代替，使加工精度获得提升，同时还简化了设备结构，最近还出现了使用电子传动链的数控蜗杆砂轮磨齿机，加工精度和效率更高。蜗杆砂轮磨齿工艺的缺点是蜗杆砂轮修整复杂、设备整体价格比较高，而且不能用于较大尺寸的齿轮加工。

5.2 成形磨齿

为了解决大批量齿轮的高效经济磨齿问题，近年来世界上许多国家又在积极研究成形磨齿工艺。成形磨齿所达到的精度与展成磨齿相媲美，且生产率还要高好多倍（但仍低于蜗杆砂轮磨齿），强力高效磨削应用于成形磨齿，效率还将进一步提高。成形磨齿一般适于5～6级精度齿轮的批量生产，还特别适合于模数大、齿致少、宽度大的齿轮和各种修形齿轮的加工。成形磨齿要解决的一个重要问题是创造通用的成形砂轮修整器，近年来出现了不少这方面的专利和成果。国外成形磨齿机多采用靠模四杆机构修整器;但这种修整器的精度稳定性较差，靠模数量多，调整麻烦。由于准确渐开线修整器结构一般较复杂，影响精度，又发展了许多种近似渐开线修整方法。单金刚石笔修整砂轮时很难解决金刚笔磨损对修整齿形精度的影响;因此又发展了金刚滚轮修整法。由于成形金刚滚轮制造复杂、价格很贵，国外又发展了金刚砂带压轮法。近年来，又出现了数控成形砂轮修整器，但这种装置复杂、昂贵，尚未正式应用于生产。

6 结语

近年来，各种硬齿面精加工在加工精度和加工效率上都取得了一些进展，同时还出现了一些新的硬齿面精加工方法。随着现代工艺的不断发展，硬齿面齿轮的精加工技术也在不断推陈出新，可以期待，未来的硬齿面齿轮精加工将会更多地使用数控技术等新，对当前相关的加工技术加以分析，对于今后相关技术和行业的发展必然会有重要意义。

参考文献：

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