弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮加工技术

弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮加工技术
李普华
【摘要】介绍了弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的主要加工技术,归纳分析了各主要加工技术的加工原理、特点以及应用范围.
【期刊名称】《机电工程技术》
【年(卷),期】2010(039)007
【总页数】3页(P134-135,169)
【关键词】弧齿锥齿轮;切齿;干切削;磨齿
【作者】李普华
【作者单位】广东梅州齿轮厂,广东梅州,514016
【正文语种】中文
【中图分类】TH132.41
弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮（以下简称为弧齿锥齿轮）是机械工业中传递相交轴或相错轴回转运动的基础元件，具有重叠系数大，承载能力强、运转平稳、噪声低等优点，广泛应用于汽车、航空、工程机械、机床等行业中，成为现代机械行业中必不可少的传动部件。

弧齿锥齿轮有多种加工方法，其基本原理是利用平顶齿轮或平面齿轮与被切齿轮相啮合的原理加工，主要加工技术如下。

1 切齿加工
1.1 切齿原理
弧齿锥齿轮是在铣齿机上加工的，这种机床是按齿轮啮合原理设计的。

机床上的摇台机构模拟一个假想的齿轮，安装在摇台上的刀盘的切削面是假想齿轮的一个轮齿，当被加工齿轮与假想齿轮以一定的传动比绕各自的轴线旋转时，刀盘就会在齿坯上切出一个齿槽。

齿轮的切削过程就像一对弧齿锥齿轮的啮合过程一样，刀盘的切削面与被加工的轮齿曲面是一对完全共轭的齿面。

1.2 切齿方法
（1）展成法
按展成法加工，刀盘各刀齿旋转轨迹代表假想冠轮（平顶或平面冠轮）轮齿表面，机床摇台与被加工齿轮作相对滚动中完成一个齿槽（或一个齿侧面）的切削。

对
于渐缩齿锥齿轮，一般是根据假想平顶齿轮原理加工，是间断分齿的，对于等高齿锥齿轮，是根据平面齿轮原理加工，是连续分齿的［1］。

（2）成型法
对于从动齿轮，当传动比大于2.5时，由于其齿形接近于直线，为了提高生产效率可以采用成型法加工。

切削加工时没有展成运动，加工出的齿轮齿形与刀具切削刃形状相同。

为了保证齿轮副的正确啮合，相配主动齿轮的齿形要加以相应的修正。

这种加工方法称为半滚切法。

成型法可以用以下三种方法加工从动齿轮。

①用普通铣刀盘加工，齿形为直线形，用于被切齿轮节锥角大于45°的粗切或传动比大于2.5的从动齿轮的精切。

②在专用机床上用圆拉刀盘加工，称为拉齿。

齿形为直线形，适用于传动比大于
2.5的从动齿轮的精切。

③在专用机床上用特殊的圆拉刀盘加工，这种加工方法叫螺旋成型法，是成型法的一种特殊形式。

螺旋成型法与普通拉齿的主要区别：拉齿时刀盘安装轴线垂直于被
切齿轮面锥母线（不是根锥母线），刀盘除具有圆周方向的旋转运动外，还沿其
自身轴向作往复运动，每个刀片通过齿槽的同时，刀盘轴向往复一次，而使刀齿顶刃始终沿着被切齿轮齿根切削而得到渐缩齿［1］。

（3）半滚切法的主动齿轮，可以采取如下两种方法加工：①刀倾法，在有刀倾机构的机床上加工，用机床的刀倾机构使刀盘轴线倾斜改变产形轮的压力角，进行修正主动齿轮齿面，这时的产形轮是锥形产形轮；②变性法，在具有变性机构的机床上加工，在加工过程利用变性机构改变产形轮和主动齿轮之间的瞬时传动比进行修正主动齿轮齿面，这时的产形轮是平面产形轮［1］。

（4）端面滚削法和端面铣削法
端面滚削法，是指在切齿形成轮齿的过程中，刀具和工件除了自身绕轴线旋转外，还保持一个固定的同步回转关系，其加工形式类似圆柱齿轮的滚齿，所以叫端面滚削法。

端面滚削法的特点：产品是采用连续分度法加工，加工产品对象主要是奥利康齿制的延伸外摆线锥齿轮。

这种方法加工大、小齿轮用两台机床就可以完成粗、精切齿，是俗称的“二刀法”。

这种加工方法具有很高的加工效率，缺点是接触区可调性差，齿面粗糙度差，最大的缺点是这种齿轮不能磨齿。

端面铣削法，是指在切齿形成轮齿的过程中，只有刀具在旋转，而工件只是按一定的规律摆动而不是旋转，其加工形式类似于机械加工的铣削，所以叫端面铣削法。

端面铣削法的特点：产品是采用单分度法加工，加工产品对象主要是格里森齿制的弧齿锥齿轮。

这种方法加工大、小齿轮需要五台机床完成粗、精铣齿，是俗称的“五刀法”，也是现在国内批量生产时最普遍采用的固定调整法。

这种加工方法适合于大批量生产，可以磨齿，齿面粗糙度好。

缺点是需要的机床数量多，相对加工效率低，机床调整比较复杂。

2 干切削加工［2］
2.1 干切削的特点
①在无冷却、润滑油剂的作用下，采用很高的切削速度进行加工。

②采用很高的切削速度，缩短刀具与工件间的接触时间，并用快速的方法移去切屑，控制工作区域温度。

③采用特殊的专用刀具，并对刀具表面添加涂层，使刀具满足干式切削条件。

④效率提高、质量提高、成本降低、节约资源、保护环境。

2.2 干切削实施的条件
①干切削用的铣齿机，需要有高的刀盘主轴转速，格里森六轴数控锥齿轮铣齿机最高转速可达2000r／min，现普遍使用的切削速度已接近300m／min。

另外机床还需要有把快速生成的切屑迅速排出的装置，避免切削热引起机床主轴温度升高。

②干切削用的刀具，要具有极高的红硬性和热韧性，而且还必须有良好的耐磨性，耐热冲击和抗粘结性。

这需要选择合适的刀具材料和合适的刀具涂层。

另外，还需设计合适的刀具几何形状。

格里森公司的PENTAC整体式棒状硬质合金刀头就是
干式切削专用刀具。

③干切削的工艺技术，需要注意刀具材料与工件材料的合理匹配，合理控制齿坯硬度值和硬度的均匀性、一致性，选取合理的工艺切削参数等。

2.3 干切削的优势
与“湿切削”相比，干切削具有如下优势：（1）高效率的优势；（2）节能环保的优势；（3）低成本的优势；（4）高精度的优势。

3 磨齿加工
磨齿是格里森弧齿锥齿轮的精加工工艺，一般用于已淬火的齿面加工，主要用来消除齿轮淬火后的热处理变形，提高齿轮精度和接触质量。

传统的机械式磨齿机，只能磨削展成法加工的齿轮（不能磨削使用刀倾机构加工的齿轮）。

机械式磨齿机与机械式铣齿机不同，没有铣齿机的滚比挂轮，也没有摆动
机构，而是采用展成凸轮机构来代替滚比挂轮和摆动机构，机械式磨齿机结构复杂，磨削效率很低，只能在航空、精密机床等一些小批量生产高精度弧齿锥齿轮行业中应用，无法满足汽车后桥齿轮这种大批量生产的要求［3］。

随着数控技术的发展，格里森公司和奥利康公司相继开发出数控磨齿机用于弧齿锥齿轮的磨削加工。

数控磨齿机取消了机床所有的传动链和调整机构，用计算机直接控制各轴的相对运动，可根据需要磨削不同的弧齿锥齿轮。

数控磨齿机具有结构简单、刚性好、无传动链、精度高、程序控制柔性好、调整方便、效率高等优点，因此，它可以满足汽车后桥弧齿锥齿轮的磨削加工需要。

采用扩口杯砂轮或瓦古利机构可以磨削成形法大轮，可以磨削用格里森各种加工方法铣齿的弧齿锥齿轮，当然也能磨削用刀倾法加工的弧齿锥齿轮。

一般的磨齿工艺只能解决齿轮精度问题而无法解决噪声问题，要彻底解决后桥齿轮质量的加工工艺应为“铣齿—热处理—磨齿—研齿”，即在磨齿后通过实施研齿工艺达到降低噪声的目的。

但格里森开发的UNC（万能运动原理）／UNG（临界运动曲线图）磨削技术，可使弧齿锥齿轮磨齿后省去研齿工序，实现较高的经济性和质量水平［4］。

4 数控加工
（1）数控铣（磨）齿机床取消了摇台、偏心机构、刀倾角和复杂的齿轮传动链等，各轴之间的相对运动完全由计算机直接控制，消除了机械误差和人为误差对加工的影响，提高了齿轮加工精度和生产效率。

（2）智能化、程序控制、柔性好。

①格里森公司和奥利康公司推出的CNC切齿
机床，均可在各自的机床上加工格里森和奥利康两种齿制的齿轮，这在传统的机床上是无法实现的。

②实现闭环加工。

在数控的切（磨）齿机床、齿轮测量中心和
齿轮设计分析软件之间通过网络构成闭环系统，使数据信息互通互用。

配以相应的软件，可通过对试切件的测量、分析对铣齿机进行反调，实现快速调出理想接触区
的目的，大大提高了弧齿锥齿轮铣（磨）齿机调整效率［5］。

（3）数控铣齿机床结构简单、刚性好、转速高，为弧齿锥齿轮实施干切削工艺提供了一个非常重要的基本条件。

5 使用非专用机床加工弧齿锥齿轮
在CAM软件的支持下，使用通用五轴加工中心加工弧齿锥齿轮，这项加工技术对加工大模数、硬齿面、宽齿面、高精度弧齿锥齿轮特别有优势。

这项加工技术与传统加工技术形成互补。

6 结论
干切削、磨齿、数控化加工是弧齿锥齿轮加工的发展方向。

参考文献：
［1］北京齿轮厂.螺旋锥齿轮［M］.北京：科学出版社，1974.
［2］郑昌启.螺旋锥齿轮和准双曲面齿轮技术的发展与展望［A］.2009’中国齿轮行业自主创新会议论文集［C］.中国齿轮专业协会，重庆，2009.
［3］曾韬.螺旋锥齿轮设计与加工［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1989. ［4］庄中.格里森弧齿锥齿轮磨齿技术的发展［J］.汽车工艺与材料， 2004 （9）： 11－13， 18.
［5］吴乃云.螺旋锥齿轮加工闭环控制系统的应用［J］.汽车工艺与材料， 2004 （4）： 37， 42.。