硬齿面齿轮 硬齿面齿轮精加工技术的现状与展望

硬齿面精加工在精度和效率方面取得了一些进展，出现了一些新的工艺方法。介绍了国内外硬齿面滚齿、插齿、剃齿、珩磨和磨削的最新工艺方法和设备，特别是磨削成形和磨削加工方法的现状，并指出了硬齿面精加工方法的发展方向。

近年来，各种硬齿面加工的精度和效率都取得了一定的进步，出现了一些新的硬齿面加工方法。

硬齿面滚齿技术

由于磨齿效率低、成本高，近年来国外对硬齿面滚齿技术进行了研究，采用硬质合金滚刀可以提高加工效率，在日本和德国已应用于生产。近年来，我国对硬齿面滚齿加工技术进行了积极的研究，取得了一定的进展，并在一些工厂得到了应用。

北京第二机床厂、济南第一机床厂等一些厂家，采用硬齿面滚齿技术代替粗磨，加工效率比圆锥砂轮磨床高5 ~ 6倍左右。硬齿面滚齿工艺要求滚齿机具有良好的刚性和高精度。只有切削工艺、刀具、机床的正确配合，切削过程才能达到最佳状态，硬齿面滚齿精度才能达到7级。硬齿面滚齿最大的问题是齿形精度低，加工精度不稳定。主要原因是:

1)60°左右的硬齿面用硬质合金滚刀加工，刀具与工件的硬度差很小，滚刀容易磨损，直接影响齿形精度；

2)由于滚齿是一个断续切削过程，滚齿过程伴随着受迫自激振动、力和热冲击，往往导致硬质合金滚刀崩刃；

3)由于硬质合金滚刀采用负前角，切削厚度小，工件硬度高，使得径向切削力很大。从工艺系统分析，虽然滚齿机刚性强，但刀杆和芯轴是刚性上的两个薄弱环节，径向变形对精度影响很大。

硬齿面齿轮成形技术

国外一些公司用大负前角磨削硬质合金插齿刀顶刃，使侧刃倾角大，形成刮削加工，也取得了初步效果。然而，用硬齿面合金插齿刀插齿6级精密齿轮是非常困难的。除了类似硬质合金滚刀和滚齿的问题外，还有很多问题，如插齿刀速度不能提高到适合硬质合金刀具的最佳切削速度，插齿刀往复运动引起振动，插齿刀传动链精度不达标，无法在生产实践中应用。

在普通插齿技术的基础上，国内一些工厂也对硬齿面插齿技术进行了一些研究。目前可插入中硬齿面约48 HRC的7级精密齿轮，主要采取以下措施:1)提高机床的刚度和精度，提高传动链的精度；2)采用高精度插齿刀(AA插齿刀)，严格控制刀具安装偏心；3)提高齿坯和夹具的精度；4)选择合理的投料次数和加工投料量等。

硬齿面剃齿技术

近年来，日本实验成功地用硬质合金剃齿刀加工出了8级精度、60 HRC硬度的齿轮。为了使剃齿刀切入工件的硬齿面，除了将剃齿刀上的渐开线螺旋面刃带缩小到最窄的位置外，还需要将剃齿刀每个齿上的刀片数减少到l ~ 2。本来软齿面剃齿最大的优点就是刀片多，渐开线螺旋面保持稳定啮合，使得剃齿效率高，保证精度。然而，硬齿面合金剃齿刀的结构变化削弱了上述两个优点。另外，剃齿的特点是切削厚度小，而硬质合金的切削刃一般比较钝，所以很难剃齿；因此，很难在生产中应用。

近年来，我国对硬齿面剃齿技术进行了研究。目前已能剃削中硬齿面约48 HRC的7级精密齿轮，加工效率很高。已经采取了以下措施:

1)选择剃须性能好的刀具材料作为剃须刀具；

2)提高剃齿刀的制造精度，采用改进型剃齿刀或负位移剃齿刀，既减少或消除了剃齿刀齿廓凹陷现象，又剃去了鼓形齿轮；

3)提高热处理前后齿坯的加工精度，严格控制热处理的淬火变形；

4)机床微调、提高机床刚度、选择合理的剃齿用量等。

齿轮珩磨工艺

珩齿是目前加工高精度硬齿面齿轮的主要方法。然而，很难将珩磨精度提高到6级。目前国内部分工厂已经珩磨6级精密齿轮。德国工厂还采用珩齿生产6级精度齿轮，采用粗、精两次滚齿，采用改装剃齿刀剃齿、严格控制热处理变形等一系列措施。，以保证珩磨前的精度，并使用改装的珩齿轮进行珩齿。

普通珩齿工艺中使用的圆盘珩轮加工效率高，1 ~ 2 min即可加工一个齿轮。近年来，日本提出了一种新的珩齿方法——蜗轮珩齿技术，并引进了一种新型的蜗轮珩磨机。蜗杆珩磨的工作原理是用蜗杆形珩磨轮珩磨齿轮齿面，比珩磨前的精度提高1 ~ 2级。目前，日本、美国、英国、瑞士已经公布了十几项专利，多用于汽车变速箱齿轮的制造。近年来，国内对蜗杆珩磨技术的组织进行了大量的研究。蜗轮珩磨机由南京第二机床厂和长江机床厂生产，并已在生产中得到应用。精度可达6-7级，平均生产速度为3-6分钟/件。一般来说，蜗杆珩磨轮使用的是普通磨料，分为软珩磨和硬珩磨两种。近年来，对电镀金刚石蜗杆珩磨轮和电镀立方氮化硼蜗杆珩磨轮的珩齿工艺进行了实验研究。

近年来，内啮合自由珩齿技术在国外得到了发展，瑞士生产了内啮合珩磨机。该工艺采用内珩轮加工外齿轮工件，平均每件工时1 ~ 2 min。珩磨后精度可提高2级，一般可达6 ~ 7级。如果珩磨前的精度提高，就会珩磨精度更高的齿轮。

磨齿过程

磨齿可分为生成磨齿和成型磨齿。一般来说，展成磨齿效率低(蜗轮磨削除外)，磨齿成本高，机床复杂昂贵，限制了其在生产中的广泛应用，仅用于少数精密机械工具行业。成形磨齿具有机床简单、效率高、成本低等优点。然而，成形砂轮的修整问题在过去并没有得到很好的解决，这也阻碍了成形磨齿技术在生产中的应用。如今，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方法和磨齿机。

5.1生成磨齿

展成磨削法可分为单齿分度展成磨削法和连续展成磨削法，如图1所示。

图1展成法磨齿方法分类

瑞士MAAG磨齿机采用碟形砂轮磨齿，既保持了精度高的优点，又改进了结构和磨削方法，提高了效率。为了提高加工效率，MAAG将高速钢系列磨齿机的15/20普通磨削法发展为0磨削法，并采用BC机构磨削修复齿轮，形成了新的SD系列。后来MAAG在0磨法的基础上发展了K磨法，效率提高了。尽管如此，MAAG磨齿机的效率仍然很低，往往需要几个小时才能磨出一个齿轮，成本很高，尤其是大型磨齿机的效率更低。

圆锥砂轮磨齿机传动链长，渐开线齿面逐点缠绕，影响加工精度和稳定性。单件工作时间一般为0.6 ~ 3小时；但锥齿轮磨齿机通用性好，在生产中应用广泛。在世界上，德国的霍夫勒公司和奈尔斯公司在生产锥齿轮磨床方面享有很高的声誉。两家公司开发了一系列直径为3500毫米的磨齿机。

大型平面砂轮磨齿机传动链短，结构简单，加工精度高；但加工效率很低，多用于加工剃齿刀、插齿刀等齿轮刀具和高精度齿轮。这种磨齿机是世界各地的相关厂家生产的，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，蜗杆砂轮磨齿机效率最高，可在10分钟以上磨出一个齿轮，适合加工齿数> 8 mm或直径> 600 mm的5 ~ 6个牌号，有待解决。

近年来，日本出现了一种采用电镀立方氮化硼蜗轮的数控蜗轮磨床。不用修整砂轮就可以连续加工几万个齿轮，加工效率非常高。一个齿轮大概一分钟就可以磨好，齿轮就可以磨修了。目前国内已生产出各种形式的展成磨齿机，但产品尺寸系列不够齐全。

5.2形成磨齿

近年来，世界上许多国家(如瑞士的马格公司、德国、日本、英国、美国等。)都在积极研究成形磨齿工艺，以解决高效经济的磨齿问题。成型磨齿的精度堪比生成磨齿，生产率高很多倍(但仍低于蜗轮磨齿)。当采用强有力的高效磨削来形成磨齿时，效率将进一步提高。成形磨齿一般适用于5-6级精度齿轮的大批量生产，特别适用于加工大模数、少齿数、大宽度齿轮和各种变位齿轮。

成形磨齿首先要解决的问题是创造一种通用的成形砂轮修整器，这方面近年来已经有很多专利和成果发表，如图2所示。国外成形磨齿机大多采用仿形四杆机构修剪器。但是这种修整器精度稳定性差，模板数量多，调整麻烦。由于精密渐开线修剪器结构复杂，影响了精度，所以发展了许多近似渐开线的修剪器方法。单金刚石笔修整砂轮时，金刚石笔磨损对修整齿形精度的影响难以解决；所以才有了金刚辊修整法。由于成型金刚石滚轮制造复杂、价格昂贵，国外已开发出砂带滚轮法。近年来，国内外开发了数控成形砂轮修整器，采用三坐标闭环系统保证精度，自动调整补偿金刚石笔磨损；但是这种装置复杂昂贵，还没有正式投入生产。

图2成形砂轮修整方法的分类

硬齿面齿轮精加工技术的未来发展

随着数控技术的出现，在机床的成形运动设计中，原有的形成齿轮渐开线齿形的内传动链是通过机械机构实现的。数控技术使机床的每个运动都加入一个伺服电机，并通过数控机床的数控系统向每个伺服电机发出脉冲指令。每个伺服电机得到指令后，通过电机的转动带动滚珠丝杠实现机床运动，消除了原有的形成齿轮渐开线齿形并与传动链连接的机械机构误差，提高了机床的运动精度。新型数控滚齿机、插齿机、剃齿机和磨齿机将得到广泛应用。

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