齿轮制造工艺技术分析与研究

肖 芳 梅自元 钟 维

(格特拉克(江西)传动系统有限公司，江西 南昌 330013)

1 齿轮材料的选取

齿轮材料的选择是至关重要的环节，目前在通用普遍的齿轮才有以下几种：

1.1 钢

钢的性质耐冲击、韧性好，表面经过特定的热处理后大大提升其的硬度，为最适用制造齿轮的材料。

1.2 锻钢

合金钢根据所含金属的成分及性能，可分别使材料的韧性、耐冲击、耐磨及抗胶合的性能等获得提高，也可通过热处理或化学热处理改善材料的力学性能及提高齿面的硬度。所以对于既是高速、重载又要求尺寸小、质量小的航空用齿轮，就都用性能优良的合金钢来制造。

1.3 铸铁

铸钢耐磨性比较好，故用于大型的齿轮。

1.4 非金属

非金属材料可以大大地降低齿轮传动过程中的噪音，但缺陷也比较明显，耐磨性较差，只适用于部分传动齿轮。

2 机械加工工艺

2.1 粗/精车

车削加工的实质就是按照零件图纸的尺寸要求[1]，在确保尺寸质量合格的情况下，保证切削高效性、稳定性、安全性。在进行精车加工的过程中，我们必须了解注意以下几点：刀具的选取、切削路径及参数的设定、产品质量。

2.2 滚齿

滚切齿轮属于展成法，可将看作无啮合间隙的齿轮与齿条传动。当滚齿旋转一周时，相当于齿条在法向移动一个刀齿，滚刀的连续传动，犹如一根无限长的齿条在连续移动。当滚刀与滚齿坯间严格按照齿轮于齿条的传动比强制啮合传动时，滚刀刀齿在一系列位置上的包络线就形成了工件的渐开线齿形。随着滚刀的垂直进给，即可滚切出所需的渐开线齿廓[2]。

2.3 热处理

热处理是指材料在固态下，通过加热、保温和冷却的手段，以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。

2.4 磨齿

利用磨齿机对齿轮的轮齿进行磨削加工的过程叫做磨齿。分为圆柱形齿轮的内齿磨削和外齿磨削；圆柱斜齿轮的内齿磨削和外齿磨削，以及伞齿轮的磨削。磨齿机，是一种齿轮精加工用的金属切削机床。用砂轮作为刀具来磨削已经加工出的齿轮齿面，用以提高齿轮精度和表面光洁度，这种加工方法称为“磨齿”。适用于精加工淬火后硬度较高的钢料齿轮。是一种齿轮精加工用的金属切削机床。用砂轮作为刀具来磨削已经加工出的齿轮齿面，用以提高齿轮精度和表面光洁度，这种加工方法称为“磨齿”[3]。适用于精加工淬火后硬度较高的钢料齿轮。

2.5 磨锥面/磨内孔

通过磨床进行表面或内孔进行加工，也包括珩磨机、超精加工机床、砂带磨床、研磨机和抛光机等设备。

2.6 装配

装配是一个汉语词语，指将零件按规定的技术要求组装起来，并经过调试、检验使之成为合格产品的过程，装配始于装配图纸的设计。产品都是由若干个零件和部件组成的。按照规定的技术要求，将若干个零件接合成部件或将若干个零件和部件接合成产品的劳动过程，称为装配。前者称为部件装配，后者称为总装配。

3 工艺选择

3.1 材料选择

3.1.1 轻载、低速或中速、冲击力小、精度较低的一般齿轮

选用中碳钢，如Q235、Q275、40、45、50、50Mn等钢制造，常用正火或调质等热处理制成软齿面齿轮，正火硬度HBS160～200，一般调质硬度HBS200～280。因硬度适中，精切齿廓可在热处理后进行，工艺简单，成本低。齿面硬度不高则易于磨合，但承载能力也不高。这种齿轮主要用于标准系列减速箱齿轮、冶金机械、中载机械和机床中的一些次要齿轮。

3.1.2 中载、中速、承受一定冲击载荷、运动较为平稳的齿轮

选用中碳钢或合金调质钢，如45、50Mn、40Cr、42SiMn等钢，也可采用55Tid、60Tid等低淬透性钢。其最终热处理采用高频或中频淬火及低温回火，制成硬齿面齿轮，可达齿面硬度HRC50～55，齿轮心部保持正火或调质状态，具有较好的韧性。由于感应加热表面淬火的齿轮变形小，若精度要求不高(如7级以下)，可不必再磨齿。机床中绝大多数齿轮就是这种类型的齿轮。对表面硬化的齿轮，应注意控制硬化层深度及硬化层沿齿廓的合理分布。

3.1.3 重载、高速或中速，且受较大冲击载荷的齿轮

选用低碳合金渗碳钢或碳氮共渗钢，如20Cr、20CrMnTi、20CrNi3、18Cr2Ni4WA、40Cr、30CrMnTi等钢。其热处理采用渗碳、淬火、低温回火，齿轮表面获得HRC58～63的高硬度，因淬透性较高，齿轮心部有较高的强度和韧性。这种齿轮的表面耐磨性、抗疲劳强度和齿根的抗弯强度及心部抗冲击能力都比表面淬火的齿轮高，精度要求较高时，最后一般要安排磨削。它适用于工作条件较为恶劣的汽车、拖拉机的变速箱和后桥齿轮。碳氮共渗与渗碳相比，热处理变形小，生产周期短，力学性能高，而且还应用于中碳钢或中碳合金钢，所以许多齿轮可用碳氮共渗来代替渗碳工艺。内燃机坦克、飞机上的变速齿轮的负载和工作条件比汽车的更重、更恶劣，要求材料的性能更高，应选用含合金元素高的合金渗碳钢，以获得更高的强度和耐磨性。

3.1.4 精密传动齿轮或磨齿有困难的硬齿面齿轮(如内齿轮)

主要要求精度高，热处理变形小，宜采用氮化钢，如35CrMo、38CrMoAlA等钢。热处理采用调质及氮化处理，氮化后齿面硬度高达HV850～1200(相当于HRC65～70)，热稳定性好(在500～550℃仍能保持高硬度)，并有一定的抗蚀性。其缺点是硬化薄，不耐冲击，故不适用于载荷频繁变动的重载齿轮，而多用于载荷平稳、润滑良好的精密传动齿轮或磨齿困难的内齿轮。近年来，由于软氮化和离子氮化工艺的发展，使工艺周期缩短，选用钢种变宽，选用氮化处理的齿轮逐渐广泛。

3.2 车铣加工

3.2.1 车铣设备

数控车床是一种高效的加工设备，可以对齿轮的轴向/径向尺寸进行粗加工与精加工。

3.2.2 刀具类型

在进行数控车削的过程中，我们需要有几大因素需要掌握，刀具的选择、工装的确认、切削参数的设定。其中最重要的环节就是刀具选择。在选择车削刀具的过程中需考虑刀具的材质、加紧方式、刀杆形状、刀片形状、刀片后角、刀杆方向、内切圆直径、刀片切削刃长等。刀具类型一般取决于加工工件区域的不同，加工内孔一般使用镗孔刀。加工工件外圆尺寸一般使用常规外圆车刀；加工槽的过程中一般使用特种成型刀具。

3.2.3 刀具装夹

快速松开的加紧方式可以减少换刀时间，刚性加紧的方式可以减少振动、延长刀具寿命。

3.3 滚齿加工

滚齿设备是一种进行齿轮成型的设备，滚刀是加工过程中的重中之重，常用的加工外啮合支持和斜齿圆柱齿轮的刀具。加工时，滚刀相当于一个螺旋角很大的螺旋齿轮，其齿数即为滚刀的头数，工件相当于另一个螺旋齿轮，彼此按照一对螺旋齿轮空间啮合，以固定的速比旋转，由依次切削的各相邻位置的刀齿齿形。刀转一转﹐齿轮绕本身轴线转过一个齿﹔多头滚刀转一转﹐齿轮转过的齿数与滚刀头数相等。值得说明的一点是用硬质合金制造滚刀﹐可以显著提高切削速度和切齿效率。整体硬质合金滚刀已在钟表和仪器制造工业中广泛地用于加工各种小模数齿轮。

3.4 热处理

对工件表面进行强化的金属热处理工艺。它广泛用于既要求表层具有高的耐磨性、抗疲劳强度和较大的冲击载荷，又要求整体具有良好的塑性和韧性的零件，如曲轴、凸轮轴、传动齿轮等。表面热处理分为表面淬火和化学热处理两大类。

3.4.1 表面淬火

通过不同的热源对工件进行快速加热，当零件表层温度达到临界点以上(此时工件心部温度处于临界点以下)时迅速予以冷却，这样工件表层得到了淬硬组织而心部仍保持原来的组织。为了达到只加热工件表层的目的，要求所用热源具有较高的能量密度。根据加热方法不同，表面淬火可分为感应加热(高频、中频、工频)表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束表面淬火等。工业上应用最多的为感应加热和火焰加热表面淬火。

3.4.2 表面热处理化学热处理

将工件置于含有活性元素的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层或形成某种化合物的覆盖层，以改变表层的组织和化学成分，从而使零件的表面具有特殊的机械或物理化学性能。通常在进行化学渗的前后均需采用其他合适的热处理，以便最大限度地发挥渗层的潜力，并达到工件心部与表层在组织结构、性能等的最佳配合。根据渗入元素的不同，化学热处理可分为渗碳、渗氮、渗硼、渗硅、渗硫、渗铝、渗铬、渗锌、碳氮共渗、铝铬共渗等。

3.5 磨削加工

砂轮一般用于齿轮的磨齿/磨锥面设备上，砂轮通过结合剂将普通磨料固定在一起，并具有一定的强度和耐久性。使用面最广的一种，使用时高速旋转，可对金属或非金属工件的外圆、内圆、平面和各种型面等进行粗磨、半精磨和精磨以及开槽和切断等。

4 齿轮加工具体工艺流程

以下将具体叙述DCT300自动变速箱三五七挡从动齿轮加工工艺流程。

图1 齿轮加工工艺

4.1 选材

选材上选取了20MnCrs5渗碳钢，此材料的优势在于强度与韧性非常高，耐磨性好，淬火后性能表现优异。热处理后效果要强于一般20Cr。多用于中等负载，冲击较小的中小零件，非常适合用于汽车行业使用。但缺陷在于焊接效果不理想，适合整体齿轮。

4.2 精车工艺

精车设备上，选用EMAG车床(Fanuc系统)。刀具方面选用SANDVIK 20×20常规外圆车刀、成型槽刀、及内孔刀杆。刀片选择通用D型号或V型号刀片，槽刀使用PENTA系列成型槽刀片，加工最大转速3500R/MIN、进给速度3.5mm/R。在加工过程中会出现震刀(震纹)、翻边、铁环(线圈)等问题，可以用过更改切削参数进行适当修正。

4.3 滚齿工艺

滚齿设备选用FELSMAT滚齿设备，刀具采用世界顶尖品牌蓝帜滚齿刀杆，通常滚刀转速为≤400r/MIN，进给速度为≤3.5mm/R，可以通过控制产品的压力角，滚齿时切削齿坯的刀具为滚刀，由于滚刀的螺旋升角较大，所以外形象一个蜗杆，滚刀在垂直于螺旋槽方向开槽，形成若干切削刃，其法向剖面具有齿条形状。因此当滚刀连续旋转时，刀齿可视为一个无限长的齿条的移动，同时刀齿由上而下的进行切削，保持齿条(滚刀)和齿坯之间的啮合关系，滚刀就可在齿坯上加工出渐开线齿形。

4.4 热处理工艺(图2)

4.5 硬车工艺

因热处理过后，齿轮表面存在厚实的渗碳层，需使用硬质合金刀具进行车削加工。切削用量选择是否合理，对硬车削影响很大，工件材料硬度越高，其切削速度应越小。硬车削精加工合适的切削速度为50～200m/min，常用范围为100～150m/min。当采用大切深或断续切削时，切速应保持在50～100m/min，通常切深为0.1～0.3mm；当加工表面粗糙度要求高时，可选小的切削深度，进给量通常选择0.025～0.25mm/r，具体根据表面粗糙度数值和生产率要求而定。由于PCBN和陶瓷刀具材料的耐热性和耐磨性好，可选用较高的切削速度和较大的切削深度以及较小的进给量。而切削用量对硬质合金刀具磨损的影响比PCBN刀具要大些，故用硬质合金刀具就不宜选用较高的切削速度和切削深度。

4.6 磨齿工艺

加工过程中要考虑存在加工误差的情况，因为加工方法采用具有刀倾角的渐开线刃单面砂轮盘作为加工刀具以近似等效标准渐开线直齿轮刀具，由于所采用的具有刀倾角的渐开线刃并不能完全与标准渐直齿轮刀具等效，因此在加工过程中将产生加工原理误差，即砂轮盘刀具与标准直尺轮刀具之间的形状误差经过传递在加工后的直齿轮上产生相应齿面误差。加工过程中可以通过合理的选择砂轮刀具锥角和砂轮半价R的值调控鼓形量误差的大小，达到合理规划接触轨迹而提高加工质量。

图2 热处理工艺

4.7 成品示例(图3)

图3 成品示例

5 结语

全球现在对汽车性能的需求和节能减排的需求在不断提高，自动变速箱也呈现高速发展的态势，齿轮更是在其中扮演着十分重要的角色，通过本文的简单介绍，对研究齿轮材料及工艺、齿轮运转平稳性等方面提供指导方向，其对变速箱结构及扭矩控制的原理有更深的研究，为日后变速器的设计和开发提供理论依据。