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史上最全的齿轮加工方法，看看你知道几种？
来源：www.ynyuanhui.com 发布时间：2020年12月01日
硬齿面精加工在加工精度和加工效率上取得了一些进步，昆明齿轮数控加工厂家研究出了一些新的工艺方法，下面简单介绍下国内外硬齿面的滚齿、插齿、剃齿、珩齿以及磨齿的最新工艺方法及装备。
1.硬齿面滚齿工艺
由于磨齿效率低、成本高，近年来，国外开始研究硬齿面滚齿工艺，采用硬质合金滚刀可以提高加工效率，目前在日本、德国等生产中已有应用。国内近年来也在积极研究硬齿面滚齿工艺，并取得了一些进展，一些工厂生产中已有应用。
国内一些厂家已采用硬齿面滚齿工艺代替粗磨齿，加工效率比锥面砂轮磨齿机约高５～６倍。硬齿面滚齿工艺要求滚齿机床刚度好、精度高，只有在切齿技术、刀具及机床等几个方面的正确配合下，使切齿过程达到最 佳状态，硬齿面滚齿的精度才能达到７级。硬齿面滚齿存在的最大问题是齿形精度较低，加工精度不稳定。其主要原因是：
１）用硬质合金滚刀来加工６０ＨＲＣ左右的硬齿面，刀具与工件的硬度相差很小，滚刀易磨损，直接影响齿形精度；
２）由于滚齿是一种断续切削过程，滚齿过程伴随着强迫及自激振动、力和热的冲击，常常容易造成硬质合金滚刀崩刃；
３）由于硬质合金滚刀采用负前角，而切削厚度小，工件硬度又高，使得径向切削力很大。从工艺系统分析，滚齿机的刚度虽较强，但刀杆和心轴却是２个刚性薄弱环节，径向的变形对精度影响很大。
2.硬齿面插齿工艺
国外有的公司将硬质合金插齿刀顶刃磨出较大的负前角，使侧刃有较大的刃倾角，形成刮削加工，也取得了初步成果。不过，要想用硬齿合金插齿刀插制６级精度齿轮是非常困难的。除了存在和硬质合金滚刀、滚齿相类似的问题外，还存在着插齿速度无法增加到与硬质合金刀具相适应的最 佳切削速度，往复插齿运动造成振动、插齿机传动链精度不达标等许多问题，使之未能在生产实际中应用。
国内一些工厂在普通插齿工艺基础上，对硬齿面插齿工艺也作了一些研究。目前，可插制４８ＨＲＣ左右的中硬齿面７级精度齿轮，主要采取了以下措施：１）提高机床的刚度和精度，提高传动链精度；２）采用高精度插齿刀（ＡＡ级插齿刀），严格控制刀具的安装偏心；３）提高齿坯和夹具的精度；４）选取合理的进给次数和加工进给量等。
3.硬齿面剃齿工艺
近年来，日本试验成功用硬质台金剃齿刀加工８级精度、硬度为６０ＨＲＣ的齿轮。为使剃齿刀能切入工件的硬齿面，除将剃齿刀上的渐开线螺旋面刃带减至最窄处外，还要把剃齿刀每齿上的刀刃减至ｌ～２个。本来软齿面剃齿的最大优点是刀刃多，有渐开线螺旋面保持稳定啮合，使剃齿效率高，并保证精度。而硬齿合金剃齿刀在结构上的改动，削弱了剃齿的上述２个优点。此外，剃齿的特点是切削厚度很小，而硬质合金的刀刃一般是较钝的，故很难进行剃削加工；因而难于在生产中实际应用。
国内近年来也在研究硬齿面剃齿工艺，目前已能剃削４８ＨＲＣ左右的中硬齿面７级精度齿轮，加工效率很高，其主要采取了以下措施：
１）选择剃削性能好的刀具材料做剃齿刀；
２）提高剃齿刀的制造精度，并采用修形剃齿刀或负变位剃齿刀，不仅减小或消除了剃齿齿形的中凹现象，还能剃削鼓形齿轮；
３）提高热处理前、后齿坯的加工精度，严格控制热处理淬火变形；
４）精细调整机床，提高机床刚度，选择合理的剃削用量等。
4.珩齿工艺
珩齿是目前高精度硬齿面齿轮加工的主要方法；但是，要把珩齿精度提高到６级，是比较困难的。目前，国内有的工厂已珩出６级精度齿轮。德国的工厂也是利用珩齿生产６级精度齿轮，采用粗、精２次滚齿，并采用修形剃齿刀剃齿，严格控制热处理变形等一系列措施，以保证珩前精度，并使用修形珩轮进行珩齿。
普通珩齿工艺采用的盘形珩轮加工效率很高，１～２ｍｉｎ就能加工１个齿轮。近年来，日本提出新的珩齿方法———蜗杆珩齿工艺，推出新型蜗杆珩齿机。蜗杆珩齿的工作原理是采用蜗杆形状的珩轮对齿轮齿面进行珩齿，与珩前精度比较，可提高１～２级精度。目前，蜗杆珩齿技术在日本、美国、英国和瑞士等国已有十几项专利发表，多用于汽车变速箱齿轮的制造。国内近年来对蜗杆珩齿工艺组织攻关，进行了很多研究，已由南京第二机床厂和长江机床厂生产蜗杆珩齿机，并开始在生产中应用，精度可达到６～７级，平均生产速度为３～６ｍｉｎ／件。一般蜗杆珩轮采用普通磨料，又分为软珩和硬珩２种蜗杆珩轮。近年来试验研究采用电镀金刚石蜗杆珩轮和电镀ＣＢＮ（立方氮化硼）蜗杆珩轮的珩齿工艺。
国外近年来还发展了内啮合自由珩齿工艺，瑞士已生产出内啮合珩齿机。这种工艺采用内齿圈珩轮加工外齿轮工件，平均单件工时为１～２ｍｉｎ，珩后精度可提高２级，一般可达６～７级。如果提高珩前精度，将能珩出更高精度的齿轮。
5.磨齿工艺
磨齿分为展成磨齿和成形磨齿２大类。一般说来，展成磨齿的效率较低（蜗杆砂轮磨齿除外），磨齿费用较高，机床复杂，价格昂贵，限制了其在生产中的广泛应用，仅在少数精密机械及工具行业使用。而成形磨齿具有机床简单、效率较高、成本较低等优点，但由于过去成形磨齿砂轮修整问题未得到很好解决，也妨碍了成形磨齿工艺在生产中的应用。现在世界各国都在积极研究高精度、高效率、多功能、性能稳定的新型磨齿加工方法和磨齿机。
5.1展成磨齿
展成磨齿法又可分为单齿分度展成磨齿法和连续展成磨齿法，如图１所示。
图１展成法齿轮磨削方法分类
瑞士Ｍａａｇ磨齿机采用碟形砂轮磨齿，除继续保持高精度的优势外，在结构和磨削方法上有所改进，效率有所提高。为提高加工效率，Ｍａａｇ公司在磨削方法上由ＨＳＳ系列磨齿机的１５°／２０°的普通磨削法发展到０°磨削法，采用ＢＣ机构磨修形齿轮，形成了新的ＳＤ系列。后来Ｍａａｇ公司在０°磨削法的基础上，又发展了Ｋ磨削法，效率又有所提高。尽管这样，Ｍａａｇ磨齿机的效率仍然很低，磨１个齿轮常常要耗费几个小时，成本很高，尤其是大规格磨齿机效率更低。
锥面砂轮磨齿机传动链长，而且渐开线齿面是逐点包络出来的，影响加工精度及稳定性，单件工时一般为０．６～３ｈ；但锥面砂轮磨齿机通用性好，在生产中应用得较广。世界上生产锥面砂轮磨齿机声誉较高的是德国的Ｈｏｆｌｅｒ公司和Ｎｉｌｅｓ公司。这２家公司已发展了直径为３５００ｍｍ的磨齿机系列产品。
大平面砂轮磨齿机传动链短，结构比较简单，加工精度也较高；但加工效率很低，多用来加工剃齿刀和插齿刀等齿轮刀具以及精度较高的齿轮。各国相关厂家都在生产这种磨齿机，但多年来在结构和性能上没有太大的发展。
在各种磨齿方法中，蜗杆砂轮磨齿机的效率最高，一般１０多分钟就能磨１个齿轮，适于５～６级齿数＞８ｍｍ或直径＞６００ｍｍ）的加工，还有待于解决。
近年来，日本还出现了采用电镀ＣＢＮ（立方氮化硼）蜗杆砂轮的数控蜗杆砂轮磨齿机，砂轮不用修整可连续加工几万个齿轮，用废后换新砂轮，加工效率很高，１ｍｉｎ左右就能磨１个齿轮，并能磨修形齿轮。目前，我国各种形式的展成磨齿机都已有生产，但产品尺寸系列还不够齐全。
5.2成形磨齿
为了解决大批量齿轮的高效经济磨齿问题，近年来世界上许多国家（如前面提到的瑞士Ｍａａｇ公司以及德国、日本、英国、美国等）又在积极研究成形磨齿工艺。成形磨齿所达到的精度与展成磨齿相媲美，且生产率还要高好多倍（但仍低于蜗杆砂轮磨齿），强力高效磨削应用于成形磨齿，效率还将进一步提高。成形磨齿一般适于５～６级精度齿轮的批量生产，还特别适合于模数大、齿致少、宽度大的齿轮和各种修形齿轮的加工。
成形磨齿要解决的第１个问题是创造通用的成形砂轮修整器，为此近年来发表了不少这方面的专利和成果，如图２所示。国外成形磨齿机多采用靠模四杆机构修整器；但这种修整器的精度稳定性较差，靠模数量多，调整麻烦。由于准确渐开线修整器结构一般较复杂，影响精度，又发展了许多种近似渐开线修整方法。单金刚石笔修整砂轮时很难解决金刚笔磨损对修整齿形精度的影响；因此又发展了金刚滚轮修整法。由于成形金刚滚轮制造复杂、价格很贵，国外又发展了金刚砂带压轮法。近年来，国内外又研制出了数控成形砂轮修整器，采用三坐标闭环系统，以保证精度并能自动调节补偿金刚石笔磨损；但这种装置复杂、昂贵，尚未正式应用于生产。
图２成形磨齿砂轮修整方法分类
硬齿面齿轮精加工技术的未来发展
随着数控技术的出现，硬齿面齿轮的精加工设备在机床的成形运动设计方面，原有的形成齿轮渐开线轮廓的内联系传动链是通过机械机构实现的。数控技术使得机床的每个运动都加入一个伺服电动机，通过数控机床的ＣＮＣ系统，向每个伺服电动机发送脉冲指令，每个伺服电动机得到指令后，通过电动机旋转带动滚珠丝杠实现机床运动，这样就消除了原有的、形成齿轮渐开线轮廓的、内联系传动链的机械机构误差，使机床运动精度得到提高。新的数控滚齿机、插齿机、剃齿机以及磨齿机将得到广泛应用。
1.硬齿面滚齿工艺
由于磨齿效率低、成本高，近年来，国外开始研究硬齿面滚齿工艺，采用硬质合金滚刀可以提高加工效率，目前在日本、德国等生产中已有应用。国内近年来也在积极研究硬齿面滚齿工艺，并取得了一些进展，一些工厂生产中已有应用。
１）用硬质合金滚刀来加工６０ＨＲＣ左右的硬齿面，刀具与工件的硬度相差很小，滚刀易磨损，直接影响齿形精度；
２）由于滚齿是一种断续切削过程，滚齿过程伴随着强迫及自激振动、力和热的冲击，常常容易造成硬质合金滚刀崩刃；
３）由于硬质合金滚刀采用负前角，而切削厚度小，工件硬度又高，使得径向切削力很大。从工艺系统分析，滚齿机的刚度虽较强，但刀杆和心轴却是２个刚性薄弱环节，径向的变形对精度影响很大。
2.硬齿面插齿工艺
国外有的公司将硬质合金插齿刀顶刃磨出较大的负前角，使侧刃有较大的刃倾角，形成刮削加工，也取得了初步成果。不过，要想用硬齿合金插齿刀插制６级精度齿轮是非常困难的。除了存在和硬质合金滚刀、滚齿相类似的问题外，还存在着插齿速度无法增加到与硬质合金刀具相适应的最 佳切削速度，往复插齿运动造成振动、插齿机传动链精度不达标等许多问题，使之未能在生产实际中应用。
3.硬齿面剃齿工艺
近年来，日本试验成功用硬质台金剃齿刀加工８级精度、硬度为６０ＨＲＣ的齿轮。为使剃齿刀能切入工件的硬齿面，除将剃齿刀上的渐开线螺旋面刃带减至最窄处外，还要把剃齿刀每齿上的刀刃减至ｌ～２个。本来软齿面剃齿的最大优点是刀刃多，有渐开线螺旋面保持稳定啮合，使剃齿效率高，并保证精度。而硬齿合金剃齿刀在结构上的改动，削弱了剃齿的上述２个优点。此外，剃齿的特点是切削厚度很小，而硬质合金的刀刃一般是较钝的，故很难进行剃削加工；因而难于在生产中实际应用。
１）选择剃削性能好的刀具材料做剃齿刀；
２）提高剃齿刀的制造精度，并采用修形剃齿刀或负变位剃齿刀，不仅减小或消除了剃齿齿形的中凹现象，还能剃削鼓形齿轮；
３）提高热处理前、后齿坯的加工精度，严格控制热处理淬火变形；
４）精细调整机床，提高机床刚度，选择合理的剃削用量等。
4.珩齿工艺
珩齿是目前高精度硬齿面齿轮加工的主要方法；但是，要把珩齿精度提高到６级，是比较困难的。目前，国内有的工厂已珩出６级精度齿轮。德国的工厂也是利用珩齿生产６级精度齿轮，采用粗、精２次滚齿，并采用修形剃齿刀剃齿，严格控制热处理变形等一系列措施，以保证珩前精度，并使用修形珩轮进行珩齿。
国外近年来还发展了内啮合自由珩齿工艺，瑞士已生产出内啮合珩齿机。这种工艺采用内齿圈珩轮加工外齿轮工件，平均单件工时为１～２ｍｉｎ，珩后精度可提高２级，一般可达６～７级。如果提高珩前精度，将能珩出更高精度的齿轮。
5.磨齿工艺
磨齿分为展成磨齿和成形磨齿２大类。一般说来，展成磨齿的效率较低（蜗杆砂轮磨齿除外），磨齿费用较高，机床复杂，价格昂贵，限制了其在生产中的广泛应用，仅在少数精密机械及工具行业使用。而成形磨齿具有机床简单、效率较高、成本较低等优点，但由于过去成形磨齿砂轮修整问题未得到很好解决，也妨碍了成形磨齿工艺在生产中的应用。现在世界各国都在积极研究高精度、高效率、多功能、性能稳定的新型磨齿加工方法和磨齿机。
展成磨齿法又可分为单齿分度展成磨齿法和连续展成磨齿法，如图１所示。
瑞士Ｍａａｇ磨齿机采用碟形砂轮磨齿，除继续保持高精度的优势外，在结构和磨削方法上有所改进，效率有所提高。为提高加工效率，Ｍａａｇ公司在磨削方法上由ＨＳＳ系列磨齿机的１５°／２０°的普通磨削法发展到０°磨削法，采用ＢＣ机构磨修形齿轮，形成了新的ＳＤ系列。后来Ｍａａｇ公司在０°磨削法的基础上，又发展了Ｋ磨削法，效率又有所提高。尽管这样，Ｍａａｇ磨齿机的效率仍然很低，磨１个齿轮常常要耗费几个小时，成本很高，尤其是大规格磨齿机效率更低。
锥面砂轮磨齿机传动链长，而且渐开线齿面是逐点包络出来的，影响加工精度及稳定性，单件工时一般为０．６～３ｈ；但锥面砂轮磨齿机通用性好，在生产中应用得较广。世界上生产锥面砂轮磨齿机声誉较高的是德国的Ｈｏｆｌｅｒ公司和Ｎｉｌｅｓ公司。这２家公司已发展了直径为３５００ｍｍ的磨齿机系列产品。
大平面砂轮磨齿机传动链短，结构比较简单，加工精度也较高；但加工效率很低，多用来加工剃齿刀和插齿刀等齿轮刀具以及精度较高的齿轮。各国相关厂家都在生产这种磨齿机，但多年来在结构和性能上没有太大的发展。
在各种磨齿方法中，蜗杆砂轮磨齿机的效率最高，一般１０多分钟就能磨１个齿轮，适于５～６级齿数＞８ｍｍ或直径＞６００ｍｍ）的加工，还有待于解决。
近年来，日本还出现了采用电镀ＣＢＮ（立方氮化硼）蜗杆砂轮的数控蜗杆砂轮磨齿机，砂轮不用修整可连续加工几万个齿轮，用废后换新砂轮，加工效率很高，１ｍｉｎ左右就能磨１个齿轮，并能磨修形齿轮。目前，我国各种形式的展成磨齿机都已有生产，但产品尺寸系列还不够齐全。
5.2成形磨齿
为了解决大批量齿轮的高效经济磨齿问题，近年来世界上许多国家（如前面提到的瑞士Ｍａａｇ公司以及德国、日本、英国、美国等）又在积极研究成形磨齿工艺。成形磨齿所达到的精度与展成磨齿相媲美，且生产率还要高好多倍（但仍低于蜗杆砂轮磨齿），强力高效磨削应用于成形磨齿，效率还将进一步提高。成形磨齿一般适于５～６级精度齿轮的批量生产，还特别适合于模数大、齿致少、宽度大的齿轮和各种修形齿轮的加工。
成形磨齿要解决的第１个问题是创造通用的成形砂轮修整器，为此近年来发表了不少这方面的专利和成果，如图２所示。国外成形磨齿机多采用靠模四杆机构修整器；但这种修整器的精度稳定性较差，靠模数量多，调整麻烦。由于准确渐开线修整器结构一般较复杂，影响精度，又发展了许多种近似渐开线修整方法。单金刚石笔修整砂轮时很难解决金刚笔磨损对修整齿形精度的影响；因此又发展了金刚滚轮修整法。由于成形金刚滚轮制造复杂、价格很贵，国外又发展了金刚砂带压轮法。近年来，国内外又研制出了数控成形砂轮修整器，采用三坐标闭环系统，以保证精度并能自动调节补偿金刚石笔磨损；但这种装置复杂、昂贵，尚未正式应用于生产。
图２成形磨齿砂轮修整方法分类
随着数控技术的出现，硬齿面齿轮的精加工设备在机床的成形运动设计方面，原有的形成齿轮渐开线轮廓的内联系传动链是通过机械机构实现的。数控技术使得机床的每个运动都加入一个伺服电动机，通过数控机床的ＣＮＣ系统，向每个伺服电动机发送脉冲指令，每个伺服电动机得到指令后，通过电动机旋转带动滚珠丝杠实现机床运动，这样就消除了原有的、形成齿轮渐开线轮廓的、内联系传动链的机械机构误差，使机床运动精度得到提高。新的数控滚齿机、插齿机、剃齿机以及磨齿机将得到广泛应用。
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