机械专业实习中齿轮加工教学过程探索

孙远韬 郦滢澄 刘广军

［摘 要］ 随着新课程改革的实施和推进，实践教学得到了越来越多的关注。实践教学作为理论联系实际的重要手段，有利于学生掌握科学方法，提高操作能力，对学生专业核心素养的形成和发展起到良好的促进作用。为增强学生对齿轮加工过程的理解，基于齿轮制造加工基本原理介绍了齿形加工的方法和过程，阐述了齿轮测量和无损探伤的主要环节，说明了齿轮箱装配的基本流程。通过实践教学将专业基础理论和工程实际相结合，对实验、实习和课程设计等教学环节进行系统的设计。在教学和实践各个环节的共同作用下，有利于充分培养学生的专业实践能力和工程意识。

［关键词］ 专业实习；齿轮加工；教学过程

［基金项目］ 2022年度同济大学教育教学改革重点项目“思政—技能融合的现代机械工程师专业实习路径探索研究”；2022年度同济大学教育教学改革培育项目“理论与实践融合的教学团队构建”

［作者简介］ 孙远韬（1979—），男，湖北武汉人，工学博士，同济大学机械与能源工程学院副教授，博士生导师，主要从事机械设计及理论研究；郦滢澄（2000—），女，浙江诸暨人，工学学士，同济大学机械与能源工程学院2022级机械设计及理论专业硕士研究生，研究方向为机械设计及理论；刘广军（1979—），男，内蒙古赤峰人，工学博士，同济大学机械与能源工程学院教授，博士生导师，主要从事机械设计及理论研究。

［中图分类号］ G420［文献标识码］ A［文章编号］ 1674-9324（2023）18-0077-04［收稿日期］ 2022-10-18

引言

近年来，各高校都在大力強化实践教学改革，加强实践育人，构建理论与实践、科研与教学、虚拟与现实、线上与线下、学校和企业深度融合的实践体系，注重实践体系的完整性、前瞻性和连贯性，重塑实践环节内涵。

齿轮工业是装备制造业的基础性产业，齿轮作为传递动力的重要机械零件之一，凭借其传动准确、结构紧凑等特点，广泛应用于现代机械设备中［1］。齿轮是利用齿与齿的啮合来进行工作的，由一对模数相同的齿轮相互啮合将动力由一轴传送到另一轴上［2-3］。齿轮生产和加工行业的转型升级，对加快我国制造业高水平发展具有重要的战略意义。对于同济大学机械专业的“机械设计”“机械设计课程设计”等理论课程，需要学生熟悉齿轮传动的类型、特点和应用，掌握齿轮精度等级的选择，了解齿轮传动的失效形式和计算准则，理解齿轮的设计过程和加工原理，了解齿轮传动的发展过程和未来趋势，使学生在综合考虑制造工艺、使用、维护、经济和安全等问题的情况下进行机械设计，培养学生的思维能力和工程意识。同时，对于实际工程而言，齿轮加工是实现产品设计、保障产品功能的重要手段，掌握齿轮零件的加工过程、熟悉各种材料的性能特点及热处理方法，能够运用理论和经验储备解决现场出现的一般工艺问题显得尤为重要。同济大学机械专业针对齿轮制造和加工的复杂流程，进行了深入的专业实习，引导学生全面了解齿轮加工的方法和过程，掌握齿轮检测主要内容和齿轮箱装配的主要流程，将齿轮计算的理论知识与加工对应起来，实现理论认知与实践的统一，有利于学生掌握其最新的发展趋势，提高齿轮的设计能力和加工水平。

一、齿轮加工认知实践内容

理论始终指导着实践，实践不断升华理论，教学从齿轮传动基本原理入手，通过现场实践讲解齿轮加工的基本理论，解构相关齿轮加工的知识，加深学生对齿轮加工过程的认识。同时基于实际工程案例，说明齿轮加工不同形式在不同传动方式中的作用，从而进一步重构齿轮传动的知识体系，实现从齿轮本身设计到加工及其工程应用的全面认知。

为了提高实习过程成效，让学生理解所设计齿轮的主要参数和加工过程，理解产品下线后的检测方法，以及在形成合格产品后如何进行装配，本实习通过企业实习的方式，由学校教师为学生进行理论知识铺垫，引导学生熟悉齿轮传动的主要原理，且通过企业导师示范让学生了解加工过程，并进行部分科目的独立练习和考核。在示范阶段，企业导师首先播放规范操作视频短片，指导学生进行基础加工，使学生对整体有一个清晰的认识。在加工的实践环节中，通过对重要的加工、检测步骤进行实物操作演示，并对每一步拆装过程进行详细讲解，使学生对整个操作流程有了更为具体的了解。接着，学生以小组的形式对齿轮加工和检测过程的问题进行探讨，利用现有理论知识储备，结合实践学习加工和测量工具的操作规范，采用课题互动、小组讨论等一系列方式调动学生的积极性，加深对齿轮设计和制造过程的认识。

二、齿轮加工实践教学过程

齿轮加工实践教学过程主要包含专业技术人员专题讲座、现场操作观摩、教师现场指导和答疑，以及学生撰写实习报告。实习的任务是让学生熟悉齿轮的加工过程，明确齿轮加工过程的标准和规范，了解生产中的技术革新方法，培养分析和解决问题的意识和能力。

在“机械制造工艺学”课程中，学生已经学习了各种切削工艺、热处理技术等，对齿轮加工的基本流程有了简单的认识。齿轮加工是一种采用机械手段，以获得满足一定齿轮结构和精度要求的工艺过程，主要分为四个步骤：首先，在锻造制坯后对齿轮进行正火处理，其目的是获得合适的切削加工硬度，以减少热处理环节产生的变形；其次，需对齿轮进行切削加工以获得满足要求的齿形，目前从原理上主要分为成型法和展成法两大方法；再次，为保证齿轮良好的力学性能，需对齿轮进行热处理，一般采用渗碳淬火，通过渗碳提高工件表面硬度，从而提高其耐磨程度；最后，对热处理后的齿轮进行精车和磨齿，以修正齿轮淬火后所引起的齿形变形，提高尺寸精度，减少形位公差［4］。齿轮的加工由若干工序组成，齿形加工作为最关键的环节，对齿轮的精度等级起着重要作用，因而整个加工过程主要围绕其展开，实习的重点也围绕齿形加工进行。齿形的加工方法主要有滚齿、插齿、铣齿和磨齿四种，其中滚齿和插齿属于展成法加工，铣齿和磨齿则属于成型法加工。

在实习过程中，教师先对齿形加工四种方法的操作过程进行详细讲解。随后，企业导师为学生进行了现场操作演示，并对加工过程中的关键点进行拆解分析。滚齿作为展成法加工齿轮的方法，加工过程中以滚刀的旋转作为主运动，而固定在加工台上的工件也会按一定转速转动来模拟啮合，同时滚刀往上或者往下移动，使得整个齿宽上都能切出齿形。学生在观摩了这一加工过程后，对采用滚刀滚齿模拟蜗轮蜗杆的啮合过程这一环节有了更加深刻的印象。相较于滚齿，插齿加工一般情况下用于插内齿，也有些不易滚齿的外齿轮会用到插齿加工。加工时插齿刀上下往复运动，并且以一定转速转动，以对内齿轮进行插齿加工。此时工件被固定在工作台上，并随着插齿刀的上下运动和转动而转动，用以模拟啮合过程。在完成操作演示后，教师对展成法加工的操作过程进行提问，针对学生的回答，教师对展成法加工的注意点以及优缺点进行总结。接着，教师对成型法齿形加工的操作步骤进行展示。在铣齿加工时，根据齿轮的模数和齿数选择合适的铣刀刀号，径向进刀量等于齿全高。铣好一个齿槽后，用万能分度头进行一次分齿，再铣下一个齿槽，直到加工完所有的齿。磨齿加工时，其刀具与工作台的运动方式与铣齿相同。通过对比四种不同的齿形加工方法，使学生对不同齿形加工方法的加工特点及适用情况有了一定了解。

三、齿轮检测实践教学过程

在完成齿轮加工后，学生对各类齿轮进行观察，通过观察发现：采用同种加工方法加工的齿轮间也存在着微小的差异即加工误差。这些误差对齿轮传动系统的精度和可靠性将产生较大影响。因此，测量、分析以及合理控制齿轮误差在设计和制造过程中显得尤为重要。此外，对于工件生产过程中产生的缺陷问题，多采用无损探伤技术进行检测。利用无损探伤技术，将检测到的质量信息反馈给设计和工艺部门，可以对相关生产工艺进行改进，从而提高生产效率，增加产品的可靠性和安全度。

（一）齿轮误差测量

在先前课程中，学生对加工精度误差有了一定的了解，在齿轮加工过程中，由于各种因素的影响，使得刀具与工件之间正确的相对位置发生偏移，因而加工出的零件不可能与要求完全符合，故需对齿轮进行检测以保证齿轮成品的质量和性能。齿轮检测仪可以检测齿形误差、齿向误差、径跳、公法线等。

教师在操作齿轮测量仪时，对齿向及齿形误差的概念進行了详细阐述。同时针对检测结果，对可能引起齿轮加工误差的原因进行提问。学生通过回忆齿形加工环节的操作步骤，思考可能产生误差的操作步骤。齿形误差产生的原因包括加工时滚刀的齿形误差、刀具的轴向和径向窜动等。齿向误差产生的原因包括刀具和工件的安装误差、加工机床的精度等级，以及热处理过程中形变的影响等。这一环节进一步加深了学生对加工规范的认识，同时对加工精度与加工误差也有了更为直观的理解。

（二）齿轮箱形位公差测量

齿轮箱关注的形位精度有平行度（一对轴承座孔的轴线）、圆柱度（轴承座）、平面度（与端盖配合的端面）等。目前，齿轮箱形位公差测量主要采用三坐标测量仪。在实习过程中，教师先对三坐标测量仪的各部分进行介绍，然后进行操作演示并引导学生分组操作。正式测量前，首先应带领学生检查齿轮箱箱体与探针的摆放是否一致，同时，学生根据箱体特征及测量的要求和方法，规划合理的检测方案［5］。在对被检测的部位进行清洗后，手动操纵三坐标仪，确定与程序中对应的齿轮箱检测原点（基准），如以齿轮箱输入轴与端盖接合端面圆心为原点，并选择相应X轴、Y轴。最后，启动程序，计算机自动检测齿轮箱的各个特征并输出报告。教师在学生操作三坐标检测仪时对重点步骤进行指导，如基准的选择、工件的摆放等。三坐标测量仪的测量精度较高，微小的差错就会对结果产生较大影响。因此学生在测量时，要保证工件放置精度，保证工件实际确定的坐标轴与计算机中工件模型坐标轴有一定的重合精度，否则检测将出现较大误差。例如，振华厂区土壤松软，产生的变形使得三坐标仪检测平台倾斜，工件实际坐标轴与计算机中的坐标轴出现偏差，造成三坐标仪所走路径（若为圆弧）相对工件路径（实为椭圆）不一致，从而使测量产生较大误差［6］。

（三）齿轮无损探伤

齿轮在制造和运行的过程中，由于生产工艺和载荷的影响易产生缺陷，而齿轮检测是保障传动设备稳定运行的重要途径。无损探伤能够在不破坏齿轮结构的前提下，检测齿轮的结构和性能是否满足使用要求。

在实习过程中，教师主要对超声波探伤仪和磁粉探伤机的无损探伤过程进行讲解。企业导师将一个表面有损伤的工件作为样本，为学生演示探伤过程。超声波探伤仪可以探测工件内部损伤，一般在加工前、粗车后热处理前和精车后这三个时段使用。其探测原理是利用超声波的方向性和反射性，使超声波从工件表面向里传播，若工件内部有裂纹、疏松、气孔、夹渣等缺陷，超声波接触到与工件材料不同的介质就会反射回来，并把反射处的深度反馈给仪器。超声波探伤仪显示的读数代表深度，学生通过对比探测开始时和结束时仪器显示屏的示数，判断工件是否存在损伤。

磁粉探伤机需将探伤的工件装夹在操作台上，表面喷上磁粉，给两个圆环通入环形电流，以产生轴向的磁场，而在左右两端的圆盘和工件间的导体圆棒间通入轴向电流，以产生环绕工件的磁场。此时，教师带领学生观察表面磁粉分布情况，若工件表面有缺陷，横向的缺陷会阻断环形磁场，纵向的缺陷会阻断轴向磁场，两种情况下磁粉都会在缺陷处堆积，在适当的光照下可以看到磁粉堆积部位，这样便可以检测工件表面的缺陷，工件表面往里1 mm深度以内的缺陷均可以被探测到。

四、齿轮箱装配实践教学过程

齿轮箱结构设计和装配的合理性是保证箱体质量的前提。在装配实习中，学生需要熟悉齿轮箱的内部具体结构，如齿轮、轴承和键等。在演示环节，教师将齿轮箱摆放在专用的工作台上，同时准备好手锤、内六角扳手等工具。装配时需注意装配次序，先安装较难安装的零件，后安装容易安装的零件；此外，可能存在干涉的零件也需要优先安装。装配过程中需保证各零件装配到位，如齿轮和轴承装配时应与其轴向定位零件的端面贴合，避免由于间隙过大而使工作时载荷分布不均匀，引起应力集中，从而对齿轮的使用寿命产生较大影响。

學生在拿到齿轮箱总图后，应先对箱体结构进行分析，明确各轴传递参数，确定齿轮箱润滑方式及油路结构，从而确定各零件间的配合关系。在明确上述内容后，再对齿轮箱装配的工序步骤进行划分，确定装配所需的各类辅助工件［7］。根据装配图对齿轮箱进行装配，有助于学生建立空间的概念，熟悉各零件及其连接关系，为学生研究各类减速箱的结构和功能打下良好的基础。同时，教师引导学生观察齿轮箱箱体内齿轮的传动和输入、输出轴的转动情况，有利于加深学生对齿轮箱性能的认识。

结语

通过实践教学可以使学生更为直观地了解现实生产过程，将理论课程所学应用于工程实际，直接获得直观真实的技术知识。在齿轮制造和加工的专业实习中，通过教师的现场教学，学生对齿轮齿形的加工方法、齿形测量与无损探伤、齿轮箱形位公差测量与装配过程有了整体清晰的认识。在教学过程中对主要的加工、测量环节进行实物操作演示，并对各步骤进行详细拆分讲解，实现了理论与实践的有机结合，加深了学生对齿轮制造和加工行业的认识，有助于提高学生的实践操作能力和思考能力，同时也使专业课教学更好地适应行业发展，最终实现为国家和社会培养专业型人才的目标。

参考文献

［1］《齿轮制造工艺手册》编委会.齿轮制造工艺手册［M］.2版.北京：机械工业出版社，2017：11.

［2］朱孝录.齿轮传动设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2010：5-13.

［3］马从谦.渐开线行星齿轮传动设计［M］.北京：机械工业出版社，1987：168-177.

［4］王涛.齿轮加工工艺综述［J］.机械管理开发，2011（6）：

103-104.

［5］陆文，张淳.齿轮箱箱体的三坐标测量［J］.中国电梯，2009，20（21）：68-69.

［6］谢华锟，冯刚，傅瑛，等.齿轮精度理论和测量技术的发展［J］.工具技术，2009，43（11）：3-7.

［7］邹俊伟.齿轮箱装配工艺分析［J］.机械工程师，2014（12）：

276-277.

Exploration of the Teaching Process of Gear Machining in Mechanical Practice

SUN Yuan-tao， LI Ying-cheng， LIU Guang-jun

（School of Mechanical Engineering， Tongji University， Shanghai 201804， China）

Abstract： With the promotion of the new curriculum reform， practical teaching has received more and more attention. As a significant means of integrating theory with practice， practical teaching plays an important role in promoting students to master scientific methods and improve their operational ability， and also contributes to the development of students professional core literacy. In order to enhance students understanding of gear processing， based on the basic principle of gear manufacturing and processing， this paper introduces the method and process of gear profile processing， explains the main steps of gear measurement and non-destructive testing， and illustrates the basic process of gearbox assembly. Through practical teaching， the basic theory of the specialty is combined with the engineering practice， and the teaching links such as experiment， practice， and curriculum design are systematically designed. With the combined effect of all links of teaching and practice， it helps to fully cultivate students professional practical ability and engineering awareness.

Key words： professional practice; gear manufacturing; teaching process