螺旋齿轮加工工艺研究

庞雄南

摘 要：螺旋齿轮作为机械传动的重要零件，在整个机械行业中有着非常广泛的应用。该文主要对螺旋齿轮的加工方法及加工工艺流程加以阐述，并对螺旋齿轮的精密加工工艺加以研究。

关键词：螺旋齿轮；加工工艺；精密加工

中图分类号：TG61 文献标志码：A

0 前言

螺旋齿轮是“螺旋齿圆柱齿轮”的简称。螺旋齿轮的齿线为圆柱螺旋线，齿面结线为曲线，用于传递既不平行又不相交的定传动比的两轴运动，其优点具有齿轮重叠系数大、占用空间小、传动性平稳、承载能力强、能耗低、噪声小等，广泛应用于航天、汽车、大型机械等工业领域，因此螺旋齿轮是现代工业中必不可少的传动零件。

1 螺旋齿轮的加工方法

1.1 统一刀盘法

为了使万能机床适应小批量生产，简化弧齿锥齿轮副的加工方法，提出了统一刀盘法，其最大优点是在加工齿轮时，将刀盘倾斜保证齿轮的刚性，且在刀盘倾斜过程中保持刀盘中心不变，操作简单。这种方法只适合生产小批量的弧齿锥齿轮、准双曲面齿轮副和零度齿锥齿轮，不能大批量生产高效精准的螺旋齿轮。

1.2 硬齿面研齿

硬齿面研齿法是传统的工艺方法，能有效降低齿面的粗糙度，修正齿形与齿向误差，使齿面咬合良好，生产效率高，但控制由于热处理引起的径向跳动、齿形误差、周节误差等，硬齿面研齿法效果不是很好。在研齿过程中，由于两齿之间处于自由拟合状态，很难保证整个齿面滚动量的均匀性，齿根和齿顶部分相对滚动量较大，而齿节圆处的滚动量较小，在长时间研齿过程中，会降低齿型质量。为保证研齿后的齿面质量，在研齿过程中要自动循环变化齿轮间的安装距离、偏置距离和轴间角。

1.3 硬齿面磨齿

硬齿面磨齿从原理上可分为展成法和成形法。展成法是刀具在切屑过程中与齿轮做相对展成运动，刀具与齿轮的瞬时速度相等的轨迹做纯滚动，两者间保持一定的速度比，刀具在这种运动中加工出螺旋齿轮的包络面。成形法是综合利用CAD技术、数控技术、材料技术等，实现从数模到制造一体化的技术，随着数控机床的普及，成形法硬齿面磨齿机得到广泛应用。由于螺旋齿轮主动轮的每个齿槽截面的结构是不同的，因其结构的特殊性，必须采用展成法磨齿。

2 螺旋齿轮加工工艺流程

2.1 螺旋齿轮的粗加工

粗加工是为了除去毛坯件中的加工余量，为后续的半精加工做准备。粗加工的主要方法有截面线法、层切法、等距切屑法和钻孔法等，层切法是将刀具运动轨迹控制在二维平面内，控制程序少，便于优化刀具运动轨迹，不易出现空刀现象，因此这种方法应用广泛。在滚齿加工确定齿轮分度圆厚度时，一般应控制磨齿单边余量在0.2 mm以内，此外对滚齿的跳动量要加以限制，避免因齿面的渗层不均减小齿轮的耐磨性。

2.2 螺旋齿轮的热处理

齿轮在粗加工后，为了提高齿轮的心部综合机械性能，一般要进行热处理，如淬火、氮化、渗碳等，以满足齿轮的使用要求。在热处理过程中，齿轮会受温度的影响热胀冷缩，产生的热应力和组织应力会导致齿轮齿面变形，因此在热处理前要预留加工余量。

齿轮在热处理过程中，由于淬火温度高，冷却时间短，会导致齿轮表面和心部温差较大，内部组织应力和热力增加，使齿轮产生变形。热处理时应对齿轮均匀加热，采用分段加热或将升温控制在150 ℃/h～200 ℃/h，降低齿轮表面和齿轮心部的温差，最大限度地减小热应力和组织应力对齿轮的影响，有效控制齿轮变形量。此外应充分回火，消除热处理应力。

热处理渗碳过程中，应控制好渗层厚度，通常渗碳控制在1.0 %C～1.2 % C，避免在半精加工中齿面产生起皮脱落现象。渗碳在空冷时，要将齿轮进行风冷处理，加快冷速过程，消除网状碳化物和铁素体组织。

2.3 螺旋齿轮的半精加工

螺旋齿轮的半精加工主要是去除热加工过程中产生的组织应力和齿面、底面余量，为齿轮表面精加工做准备。齿轮齿面属于复杂曲面，采用球头刀具对齿槽中2个齿面进行轮廓切屑。由于主动轮采用成形法进行加工，齿轮的齿面为直纹面，为避免出现切屑干涉区域，应事先调整好刀具轴向方向及刀具的大小，为减小切屑量，半精加工时选择直径较小的刀具。

在大批量生产中，为了保证齿轮的生产质量，半精加工前按齿轮的大小、侧面间隙、接触位置用测量机进行分类，根据检查情况对齿轮进行分类调整，根据具体情况修正研磨机加工方法；这种方法还可以检测齿面是否存在缺陷，如果一对齿轮副中有一个齿轮存在缺陷，在研磨过程中也会影响相邻的齿轮面，齿轮副在运动的过程中还会影响机床的加工，造成机床夹具损坏。齿轮副研磨后主要存在干涉缺陷，发生在齿顶、齿根部，通常表现为顶根接触、过长接触、对角接触等，只要熟练掌握齿轮工艺原理，控制好制动负载、研磨时间、调整机床侧隙，研齿缺陷都能得到很好的控制。

2.4 螺旋齿轮的精加工

螺旋齿轮的精加工的目的是满足设计图纸要求，提高齿轮精度，平滑齿轮表面。研齿加工是螺旋齿轮精加工的可靠方法，加工齿轮的硬齿面，消除齿面的残余应力和热处理变形，提高齿轮精度，保证研齿接触区域达到设计要求。研齿循环中的间隙变化量一定要小于半精加工，以防研齿时侧间隙量太小。如果在研齿过程中，一对齿轮副中的主动轮或从动轮报废了，完好的齿轮可以正常与新的齿轮进行研磨，虽然可以研磨成一副新齿轮，但仍需与一副未研磨过的主动轮或从动轮进行匹配。

3 螺旋齿轮精密加工工艺

3.1 范成法精密加工方法

范成法精密加工时刀具的安装角度大小和方向根据齿轮螺旋角的变化规律发生周期性变化，应用范围广泛，加工精度高，表面精度良好。在精密加工过程中，刀具相对于被加工工件做螺旋齿轮拟合运动，滚刀安装角度的变化与螺旋齿轮螺旋角成线性关系。调整机床时，被加工齿轮的节面与平面齿轮的节面应做纯滚动运动，滚刀安装角的变化规律、螺旋齿轮的渐开线齿廓按被加工齿轮螺旋角的变化规律变化，螺旋齿轮的螺旋角度大小和方向按设计要求发生周期性变化，实现螺旋齿轮的精密加工。由于滚齿的原理是滚刀与螺旋齿轮产生共轭运动关系，因此滚刀的安装角度必须与螺旋齿轮的螺旋线重合。对于变螺旋齿轮每个齿的螺旋角都不相同，必须保证滚刀的一端球角固定，另一端根据螺旋角变化规律摆动滚刀。

3.2 螺旋齿轮数控精密加工方法

数控精密加工是机床可进行三轴联动，按联动轴的数目不同，三轴可同时控制，完成螺旋齿轮的精密加工。由于螺旋齿轮的角度是规律变化的，刀具与工件按相应规律做相对摆动运动，联动轴数越多，加工齿面形状越复杂，加工精度越高。数控机床的刀具固定在Z轴，只能沿Z轴做上下运动，因此选择夹具做摆动运动，为控制精度保证各轴间的同轴度，夹具只能研X轴和Y轴运动。在加工过程中，由于每个齿的螺旋角引起导程值不同，必须通过控制程序控制刀具按照螺旋角的变化规律进行走刀，实现螺旋齿轮的精密加工。

4 结论

该文介绍了几种螺旋齿轮的加工方法，围绕螺旋齿轮加工工艺，论述了加工工艺流程，依据螺旋齿轮加工原理，保证刀具与齿轮的螺旋角度成线性变化，并针对范成法和数控精密加工方法提出相关工艺措施，对螺旋齿轮的加工提供了理论指导。

参考文献

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