汽车变速器齿轮刀具改进设计研究

陈 旻

(三明职业技术学院，福建三明365000)

汽车变速器齿轮刀具改进设计研究

陈 旻

(三明职业技术学院，福建三明365000)

汽车变速器齿轮加工精度在上决定了变速器的性能与质量，为此有必要进行汽车变速器齿轮刀具的工艺研究，本论文重点结合汽车变速器齿轮的加工特点对齿轮加工刀具进行了工艺改进研究，首先分析了齿轮加工工艺及流程，在此基础上系统分析了齿轮加工过程中滚刀轴的受力情况，并针对滚刀轴的受力情况有针对性地探讨了齿轮刀具加工工艺的改善与提高措施，给出了具体的齿轮刀具加工工艺改进措施和方法，对于进一步提高和改进汽车变速器齿轮刀具加工工艺的应用水平具有较好的指导和借鉴意义。

汽车变速器;齿轮刀具;工艺改进

随着汽车工业的飞速发展，汽车制造业也逐渐成为了当前机械设计与机械制造领域内的新的工艺提高点。对于汽车而言，变速器是其核心和心脏，变速器的性能优劣直接影响着汽车的整体质量、功能、寿命及价格，为此必须要加强对汽车变速器的设计研究。汽车变速器主要由齿轮进行传动，因此齿轮啮合的质量在很大程度上决定了变速器的整体质量，而齿轮的加工质量又取决于齿轮刀具的加工工艺设计，因此需要开展齿轮刀具加工工艺方面的设计研究，从而实现对汽车变速器质量的提高与应用。

本论文主要结合汽车齿轮的加工特点，对汽车变速器齿轮刀具的设计进行改进分析设计，以期从中能够找到合理可靠有效的齿轮刀具改进设计方法，并以此和广大同行分享。

1 齿轮加工工艺分析

齿轮的加工工艺，主要由以下几个工艺步骤构成［1，2］。

1.1 滚齿

滚齿是第一道工艺工序，是属于粗加工范畴。滚齿的主要作用是快速的去处较多的金属余量，该工艺追求的是齿距精度，而不是齿形精度，因此经过滚齿之后得到的齿，周节精度较好，但是齿形精度较差，有待于后续工艺的进一步加工，才能够提高齿形精度。对于一些齿形复杂的齿轮加工，在第一步滚齿的时候可以直接采用插齿的方法实现加工。

1.2 剃齿

剃齿是紧接着滚齿之后的第二道工艺步骤，剃齿的主要目的有两个，第一是进一步去处金属余量，修正齿形，第二个作用就是降低齿面的棱度和波纹度，提高齿面的加工精度。剃齿能够实现齿形的一定精度的加工，但是经过剃齿之后齿形的一致性较差，这是由于在剃齿过程中会产生周期性误差，导致各个齿在经过剃齿之后齿形精度得到了改善，但是齿形与齿面的一致性并不会提高，这就说明，剃齿对于齿面和齿形的精加工精度能力是有限的。

1.3 热处理

热处理是齿轮加工的第三个工艺步骤。当经过了滚齿和剃齿之后，齿轮已经基本成形，并且也具有了一定的精度，这个时候需要做的是进一步提高齿的机械特性，比如齿的硬度、刚度和韧性等机械特性，这就需要借助于热处理实现。热处理的本意是为了提高齿的机械特性，但是在实际的加工过程中，热处理也会带来齿精度的降低，这是因为齿在热处理过程中难免会产生变形及其他类型的变化，导致齿形或者齿面精度降低。因此，热处理的基础前提是要能够保证齿的加工精度。

1.4 珩齿

珩齿一般是齿轮加工的最后一道工艺步骤，珩齿的目的是为了进一步修正齿形，从而能够获得更高齿形精度及一致性。珩齿工艺需要对齿形和齿面分别进行光整加工，从而实现对齿向误差、径向误差及其他齿轮参数的加工精度的提高与优化。由于珩齿的根本目的是为了获得较高精度的齿形与齿面，因此珩齿的加工效率是比较低的。

一般在经过上述几个加工工艺与步骤之后，齿轮的齿形、齿面加工基本成形，同时也拥有了一定的强度、硬度和韧性。但是采用传统的齿轮加工方法，其加工精度和齿轮质量在很大程度上取决于齿轮刀具的加工精度与质量，为此必须要提高齿轮刀具的设计制造工艺水平与加工质量。本论文的出发点也正是基于此，试图对应用于汽车变速器上的齿轮加工刀具进行工艺改进与设计，以期能够提高齿轮刀具的设计加工工艺水平，从根本上提高我国齿轮加工精度和工艺水平。

2 变速器齿轮刀具工艺改进设计研究

2.1 滚刀轴受力分析

通过对上面汽车变速器齿轮加工工艺的研究，可以发现滚齿是齿轮加工工艺中最为重要的一道工序，假使滚齿粗糙度过大，则齿面及齿形精度低，会造成啮合过程的振动，降低齿轮的服役寿命。为此，必须加强对滚齿加工工艺的研究。

通过对滚刀在进行滚齿过程中的受力分析可以发现，实际上在某一个瞬时，滚刀轴上所受到的扭矩是相同的，这样就可以进行如下的简化，利用刀轴上的瞬时扭矩来确定作用在该刀轴上的作用力，具体的受力分布规律分析如下。

(1)滚刀加工过程中，越靠后受力的刀齿承受的力矩也就越大，但是纵观滚刀上的全部刀齿，各排刀齿承受的力矩变化幅度并不大;

(2)滚刀在加工一个周期(即滚刀旋转360°)内，滚刀上的刀齿所受的力矩呈现周期性的变化，随着滚齿加工过程的进行，切削负荷的增大，刀齿所受的力矩也逐步增大，然后保持一段高负荷状态，随着滚齿的进行，刀齿所受切削力又逐步呈下降趋势;对于每排刀齿而言，刀齿的受力也随着切入角度的变化而变化，结合前人的研究经验［3］分析得：当切入角度在10°—23°范围内刀齿承受较大的切削负荷作用力，当切入角度在24°—26°范围内刀齿承受的切削负荷作用力又呈逐步减小的趋势，最后切削负荷为零;

(3)滚齿加工过程中会对刀齿产生磨损，而刀齿的磨损取决于刀齿所受的切削负荷分布情况，如果滚齿过程中刀齿受到的切削负荷分布不均，则各排刀齿磨损不具有一致性，如果滚齿过程中刀齿受到的切削负荷分布较为均匀，则各排刀齿磨损近似相一致，滚刀的使用寿命也相对较长，这样使用同一把滚刀加工出来的齿轮在互相啮合的质量较高，进而能够具有较好的啮合平稳度;

综上所述，滚齿加工误差综合作用曲线呈正弦分布，这主要由于滚刀制造时分度圆柱对内孔轴线径向跳动较大，造成安装偏心，或刀轴本身跳动误差大。

2.2 齿轮刀具工艺改进研究

从上面的分析可以看出，齿轮刀具的加工可以从滚齿加工工艺的角度实施工艺改进，具体的工艺改进方法主要有如下几种。

2.2.1 镶齿滚刀

如果被加工的齿轮滚刀模数较大时，可以将齿镶嵌在滚刀上，做成镶齿结构，用于齿轮滚齿的工艺加工。采用镶齿结构滚刀进行滚齿操作，最大的优势在于能够有效的改善滚齿加工后齿轮表面的棱度和波纹度，提高齿形和齿面精度。根据常用的镶齿结构主要可以分为如下两大类型。

(1)镶齿条的齿轮滚刀。镶齿条的齿轮滚刀主要用于中等模数的齿轮加工，镶嵌的齿条两端磨成锥形，装配好之后用磨削之后的前刀面和后刀面加工齿轮表面用于滚齿操作。这种镶嵌齿条的滚刀结构简单，加工制造较为简易，能够实现较高的齿轮表面精度，但是由于是采用磨削之后的齿条进行加工，由此容易造成刃磨不便的现象［4］，因此对于镶嵌齿条的滚刀，一般不可用于高精度齿轮的加工。

(2)镶单个刀齿的齿轮滚刀。针对镶嵌齿条的滚刀在齿轮加工过程中所表现出来的局限性，可以对齿条进行改进，由此产生了镶嵌单个刀齿的齿轮滚刀，这种齿轮滚刀可以加工模数很大的齿轮，同时由于所镶嵌的刀齿宽度精度较高，所以可以实现高精度齿面和齿形的加工。在实际应用加工时，需要将刀齿预先磨好齿形才能够装到刀体上进行加工，所以这种滚刀是专用型而不是通用型，尽管能够获得高精度的齿轮精度，但是刀齿具有互换性，所以在加工不同齿形的齿轮时，需要手动更换刀齿以实现加工的连续。

上述的两种通过镶嵌齿条或者刀齿的方法相较于传统的整体滚刀，能够较大程度的实现齿形和齿面的加工精度的提高与改进。

2.2.2 圆磨齿轮滚刀

圆磨齿轮滚刀在制造时不是采用传统的刀具刃面加工齿形和齿面，而是采用蜗杆磨床磨制齿面，磨制出来的齿面具有较高的表面精度。在实际加工齿轮时，刀刃片先要夹装到刀体上，由蜗杆磨床刃磨成形，随后将刃磨成形的刀刃片装在滚刀的刀体上去加工需要被加工的齿轮，由于刃磨成形后的刀刃片在磨削过程中已经形成了后角，因此无需再采用铲磨的方法来获取齿面和齿形精度，同时由于刀刃片已经刃磨成形，精度较高，因此由此磨制出来的齿形和齿面的精度也相对较高，容易保证在滚刀全齿长上的齿形精度，大大提高了磨削的效率，实现了对齿轮加工中的滚齿加工工艺的改进。

2.2.3 硬质合金滚刀

除了采用镶嵌齿条或刀齿以及磨削磨制齿形的方法外，还可以采用硬质合金滚刀来提高齿形加工的精度。当被加工的齿轮模数较大时，可以采用上述的两种方法，但是当被加工的齿轮模数较小时，就不能再采用焊接刀齿或齿条的方法了，可以采用整体高速或者硬质合金刀条焊接在刀体上进行加工的方法，由于整体高速或者硬质合金刀条在齿轮加工过程具有稳定的热稳定性，变形系数非常之小，也能够实现对齿轮齿形精度和齿面精度的提高与改进。

3 结束语

变速齿轮刀具的工艺性对于汽车变速齿轮的加工精度，质量都有着重要的影响，本论文主要从齿轮加工刀具的工艺性角度对齿轮刀具进行了工艺上的探讨和分析，提出了一些具体的齿轮刀具工艺改进措施，对于进一步提高齿轮刀具的加工质量和加工精度都有着较好的理论和实践上的指导意义。当然，更加先进的齿轮刀具制造工艺和加工工艺设计有赖于广大制造领域内的技术人员的共同努力，才能够最终实现汽车齿轮刀具加工工艺的提高与应用，进而实现我国刀具制造技术的发展与提高。

［1］ 吴宗泽.机械零件设计手册［M〛〛.北京：机械工业出版社，2008.

［2］ 李佩衍，易翔翔，候福深.国外电动汽车发展现状及对我国电动汽车发展的启示［J］.北京工业大学学报，2004(1)：49 －54.

［3］ 王素玉，汪宗泉.剃齿刀修形新方法的试验研究［J］.煤矿机械，2000(4)：45 －47.

［4］ 曾英，朱如鹏，鲁文龙.正交面齿轮啮合点的计算机仿真［J］.南京航空航天大学学报，2000(5)：211 －214.

Design research on Improvement of auto transmission gear cutting tools

CHEN Min
(Sanming Vocational and Technical College，Sanming 365000，China)

The precision of automotive transmission gears fundamentally determines the transmission performance and quality，for which it is necessary to research the technique of the automotive transmission gear tools，and this paper focused on the processing characteristics of the transmission gear cutting tools.Firstly，the technique and processing of manufacturing gear were analyzed，of which on the basis of analysis，the force of the gear hob axis that existed in process was pointed out，and some improvement and enhance measures that aimed at the force of the gear hob axis were discussed in detail，and the specific gear cutting tools and methods of process improvement measures were analyzed finally.All this work is significative for enhancing the automobile transmission gear cutting tools processing and technique.

auto transmission;gear cutting tools;technology improvement

TG 721

A

1009-4881(2011)04-0021-03

10.3969/j.issn.1009-4881.2011.04.006

2011-07-20.

陈旻(1961-)男，工程师、讲师，E-mail：cm1630@126.com.