齿轮剃齿过程及问题分析

摘要：齿轮传动是机械传动中常见的一种，其要长期平稳运行，需要保证各项参数满足设计要求，这就需要加工过程中对每项尺寸偏差进行监控。本文通过对齿轮剃齿过程进行分析，提出合理的加工参数及问题解决办法。

关键词：齿轮 剃齿 传动

以汽车变速器齿轮为例，齿轮的加工过程主要为粗车―精车―滚齿―倒棱―剃齿―渗碳淬火、回火―抛丸―珩齿―齿轮分选，部分齿轮由热后磨齿替代热前剃齿工序。由于普通珩齿对于齿面加工量较小，约为0.003mm，因此，剃齿工序是齿轮各项偏差的最终保证。

1、剃齿原理

剃齿工作原理是交错轴斜齿轮副作无侧隙啮合时，由于啮合点的速度方向不一致，而产生相对滑动，剃齿刀切削刃在齿轮齿面上切除一层金属。

剃齿刀与工件的啮合如图1所示，根据速度分解可知，垂直于螺旋角方向两者速度是一致的，因此，在螺旋角切向速度之差即为剃齿切削速度：

V=vwt-vot

=πdnsin（∑）/cosβw（mm/min）

式中d---剃齿刀啮合节点直径（mm）；

n---剃齿刀转速（r/min）；

βw---齿轮的螺旋角（°）；

β0----剃齿刀螺旋角（°）；

∑---轴交角，∑=βw±β0，当剃齿刀与工件螺旋方向相同时用“+”号，相反时用“-”号。

由公式可知，若刀具与工件螺旋角相同，则切削速度为0，此时，无法进行剃齿。

剃齿刀具与工件啮合时为点接触，加工时若无轴向移动，则当被剃齿轮为直齿时，在齿面上的接触点轨迹为齿轮渐开线，与齿轮端面平行。当被剃齿轮为斜齿时，齿面接触点轨迹为倾斜于端面的曲线。

根据刀具或工件的进给方向不同，剃齿分为轴向剃齿、对角剃齿、切向剃齿、径向剃齿四种不同的剃齿方法。以下主用以径向剃齿来分析剃齿过程中各种偏差的控制。

2、剃齿过程控制

2.1余量控制

为保证加工齿轮的精度，需要对其中的各项偏差做出相应的要求，以便保证正常啮合。以剃齿作为齿面加工的最终工序时，需要将前一道工序的偏差在合理范围内，同时，给予剃齿留出合理加工余量，保证齿轮偏差合格。若余量过小可能使齿面无法完全加工，余量过大，则刀具异常磨损，寿命降低，无法满足产品的经济性。经过我们长时间的摸索，得出了合理的剃齿量要求（右表），既可以保证齿形合格又能保证刀具寿命。

以汽车变速器中一档从动齿轮为例，产品齿数39，法相模数2.4，法向压力角19°，螺旋角32°，OBD（外齿跨棒距）要求为116.371±0.05，根据以上参数计算齿厚为3.35mm。由于热处理后OBD变形量为+0.08mm，我们要求剃齿OBD为116.291 ±0.025，计算齿厚为3.32，同时，压缩OBD公差防止热变形的不稳定。根据经验，单边剃量0.03±0.005，因此要求滚齿齿厚为3.38±0.01，计算OBD为116.461±0.025，具体见表2。

表中各项偏差要求是根据实际的热变形情况进行分析，得出剃齿要求，从而推导出滚齿要求。

为保证在一定的余量内能加工出合格齿形，需要滚齿刀与剃齿刀的合理搭配，滚齿工件渐开线起始点基本与剃齿要求一致，滚齿挖根要求0.05±0.02mm。若滚齿渐开线起始点过高，则剃齿无法完全剃出全齿面，在齿轮有效啮合范围内有挖根存在，导致啮合时出现突跳，有啮合噪音。

2.2进给控制

由于剃齿时主动受力面剃量较另一面大，导致加工齿轮齿形会产生不对称，尤其是反映在齿根挖根部位，非受力面渐开线起始点会高于受力面。因此，径向剃齿的齿轮正反转均需有剃量，这样才可保证加工后左右齿面齿形对称，径向进给速度一般为0.001-0.002mm/r。

刀具退刀时，为了修整弹性变形需光刀，一般为退刀0.01-0.05mm处进行。时间根据齿轮模数设定，约为4-10S，随模数增大 而递增。

上图为具体的剃齿过程：

0-1：快速接近工件

1-2：刀具正传剃齿

T1：刀具正传光刀时间

3-4：刀具反转剃齿

T2：刀具反转光刀时间

5-6：刀具退刀修整弹性变形量

T3：刀具反转光刀时间

7-8：快速退刀

剃齿过程中的3步光刀时间可根据齿轮的模数进行设定，模数1-2时，T1、T2、T3分别为2、2、4；模数2-3时，时间设定为3、3、6；模数3以上时，时间设定为5、5、10。

3、剃齿夹具

剃齿过程中工件的装夹是心轴张紧内孔，以端面进行定位。因此心轴设计的合理性及精度是影响齿轮偏差的一项重要指标。经过试验，我们设计出一种可变外径式涨套（图3）来替代普通心轴，原理是通过设备顶紧两端的30°内锥面，使涨套涨开，同时，可实现两端不同涨量，解决了工件内孔加工锥度而导致的定位偏问题。

涨套的主要尺寸为两端内锥面及外径相对于内孔的跳动，要求在0.005之内。

4、偏差分析

剃齿过程中的偏差主要有齿廓齿向综合偏差、形状偏差、倾斜偏差、鼓形量以及齿距偏差。各偏差超差原因及措施见表3.

结论

剃齿是齿轮的精加工过程，因此，为保证其精度，需要对剃齿前的工序进行控制，保证齿轮端面及径向跳动满足剃齿要求。另外，对于汽车行业来讲，由于加工过程为流水作业，剃齿刀需要规定其强制换刀寿命，防止刀具磨损而带来的批量质量事故；同时，操作人员每天需要对剃齿机做设备点检，检查设备压力、及运行情况，排除隐患。