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1、,机械产品质量检验,直齿圆柱齿轮,材控121宁选明 廖天舜 张锦锋,1,2,目录,直齿圆柱齿轮的制造,直齿圆柱齿轮的试验,制造篇,1,直齿圆柱齿轮制造发展,公元前400-200年的手工制作阶段，18世纪后的机械仿形阶段，19世纪后的机械范成加工阶段以及20世纪80年代至今的数控技术加工阶段。,齿轮加工技术在发展的过程中涌现了一些新工艺：磨料流光整加工工艺，磨-珩联合工艺。相信在不久的将来，齿轮加工技术必定会朝着数控化、智能化、高速化、集成化、环保化的方向发展。,制造篇,2,制造步骤,标准直齿圆柱齿轮外啮合几何尺寸计算制造选材绘制结构设计及齿轮零件图齿坯进入机械加工齿形的加工热处理阶段齿形的精加
2、工阶段,制造篇,1,标准直齿圆柱齿轮外啮合几何尺寸计算,制造篇,2,制造选材,应使齿面具有足够的硬度和耐磨性，齿心具有足够的韧性，以防止齿面的各种失效，同时应具有良好的冷、热加工的工艺性，以达到齿轮的各种技术要求。常用的齿轮材料为各种牌号的优质碳素结构钢、合金结构钢、铸钢、铸铁和非金属材料等。一般多采用锻件或轧制钢材。当齿轮结构尺寸较大，轮坯不易锻造时，可采用铸钢。开式低速传动时，可采用灰铸铁或球墨铸铁。低速重载的齿轮易产生齿面塑性变形，轮齿也易折断，宜选用综合性能较好的钢材。高速齿轮易产生齿面点蚀，宜选用齿面硬度高的材料。受冲击载荷的齿轮，宜选用韧性好的材料。对高速、轻载而又要求低噪声的齿轮
3、传动，也可采用非金属材料、如夹布胶木、尼龙等。,制造篇,3,绘制结构设计及齿轮零件图,齿轮的结构形式主要与齿轮的尺寸大小、毛坯材料、加工工艺、使用要求及经济性等因素有关。进行齿轮结构设计时，通常是先按齿轮动的直径大小选定合适的结构形式，再由经验公式确定有关尺寸，绘制零件工作图。,（1）齿轮轴如果圆柱齿轮齿根圆到键槽底面的径向距离e 2mt(锥齿轮e1.6m时），则可将齿轮与轴做成一体称为齿轮轴(2)腹板式齿轮因齿轮的齿顶圆直径da=200500mm，采用腹板式结构，这种齿轮通常用锻钢制造，,制造篇,4,齿坯机械加工,由于齿轮的传动精度主要决定于齿形精度和齿距分布均匀性，而这与切齿时采用的定位基
4、准（孔和端面）的精度有着直接的关系，所以，这个阶段主要是为下一阶段加工齿形准备精基准，使齿的内孔和端面的精度基本达到规定的技术要求。在这个阶段中除了加工出基准外，对于齿形以外的次要表面的加工，也应尽量在这一阶段的后期加以完成。主要步骤：锻造制坯、正火、车削加工,制造篇,4,齿坯机械加工,锻造制坯：热模锻仍然是汽车齿轮件广泛使用的毛坯锻造工艺。正火：获得适合后序齿轮切削加工的硬度和为最终热处理做组织准备，以有效减少热处理变形车削加工：为了满足高精度齿轮加工的定位要求，齿坯的加工全部采用数控车床，提高齿坯精度确保了后序齿轮的加工质量,制造篇,5,齿形的加工,对于不需要淬火的齿轮，一般来说这个阶段也
5、就是齿轮的最后加工阶段，经过这个阶段就应当加工出完全符合图样要求的齿轮来。对于需要淬硬的齿轮，必须在这个阶段中加工出能满足齿形的最后精加工所要求的齿形精度，所以这个阶段的加工是保证齿轮加工精度的关键阶段。应予以特别注意。主要步骤：滚、插齿、剃齿,制造篇,5,齿形的加工,滚、插齿：加工齿部所用设备仍大量采用普通滚齿机和插齿机，若完成较大产能需要多机同时生产。效率低，但滚刀、插刀经过涂镀后能够明显地提高使用寿命，一般能提高90%以上，有效地减少了换刀次数和刃磨时间，效益显着。剃齿：径向剃齿技术以其效率高，设计齿形、齿向的修形要求易于实现等优势被广泛应用于大批量汽车齿轮生产中。引进于意大利，在这项技
6、术上已经应用成熟，加工质量稳定可靠。,制造篇,6,热处理阶段,这个阶段中主要对齿面的淬火处理，使齿面达到规定的硬度要求。消除锻造及粗加工所引起的残余应力，改善材料的切削性能和提高综合力学性能。齿面热处理齿形加工完毕后，为提高齿面的硬度和耐磨性，常进行渗碳淬火，高频淬火，碳氮共渗和氮化处理等热处理工序。以保证其良好的力学性能。,制造篇,7,齿形的精加工阶段,这个阶段的目的，在于修正齿轮经过淬火后所引起的齿形变形，进一步提高齿形精度和降低表面粗糙度，使之达到最终的精度要求。在这个阶段中首先应对定位基准面（孔和端面）进行修整，因淬火以后齿轮的内孔和端面均会产生变形，以修整过的基准面定位进行齿形精加工
7、，可以使定位准确可靠，余量分布也比较均匀，以便达到精加工的目的。主要方法：磨削加工对经过热处理的齿轮内孔、端面、轴的外径等部分进行精加工以提高尺寸精度和减小形位公差。,制造篇,8,加工注意事项,定位基准定位基准的精度对齿形加工精度有直接的影响。轴类齿轮的齿形加工一般选择顶尖孔定位，某些大模数的轴类齿轮多选择齿轮轴颈和一端面定位。盘套类齿轮的齿形加工常采用两种定位基准。1）内孔和端面定位选择既是设计基准又是测量和装配基准的内孔作为定位基准，既符合“基准重合”原则，又能使齿形加工等工序基准统一，只要严格控制内孔精度，在专用芯轴上定位时不需要找正。故生产率高，广泛用于成批生产中。2）外圆和端面定位齿
8、坯内孔在通用芯轴上安装，用找正外圆来决定孔中心位置，故要求齿坯外圆对内孔的径向跳动要小。因找正效率低，一般用于单件小批生产齿形误差会引起每对齿轮啮合过程中传动比的瞬时变化；基节偏差会引起一对齿过渡到另一对齿啮合时传动比的突变。齿轮传动由于传动比瞬时变化和突变而产生噪声和振动，从而影响工作平稳性精度。,制造篇,9,齿轮加工方案选择,。,制造篇,10,齿轮加工-滚齿加工,滚齿是目前应用最广的切齿方法，在滚齿机上用齿轮滚刀加工齿轮的原理，相当于一对螺旋齿轮作无侧隙强制性的啮合,形似蜗杆，经刃磨后形成一排排齿条刀齿。滚齿加工的通用性较好,既可加工圆柱齿轮，又能加工蜗轮；既可加工渐开线齿形，又可加工圆弧
9、、摆线等齿形；既可加工大模数齿轮，大直径齿轮。滚齿可直接加工89级精度齿轮，也可用作7 级以上齿轮的粗加工及半精加工。齿面粗糙度Ra值为1.6m。滚齿可以获得较高的运动精度。滚切直齿圆柱齿轮时有以下运动：1）主运动 滚刀的旋转运动。2）展成运动 是保证滚齿刀和被切齿轮的转速必须符合所模拟的一对齿轮的啮合运动关系。即滚刀转一转，工件转K/Z转。其中：K是滚刀的头数，Z为齿轮齿数。3）垂直进给运动 要切出齿轮的全齿宽，滚刀须沿工件轴向作垂直进给运动。,制造篇,11,齿轮加工其他方法,滚制：齿轮的滚制加工有利用成形法与展成法。利用展成法的滚制是利用齿条与小齿轮、小齿轮与大齿轮、内齿轮与小齿轮的啮合；
10、将淬火硬化的齿条形工具、小齿轮形工具、内齿轮形工具按压于齿轮轮坯，使轮坯滚动，借塑性变形加工成齿形。利用成形法的滚制是用对应于滚制齿轮的齿轮形状的成形滚制刀具，藉特殊的滚轧加工成形齿形。热间锻造：热间锻造的主要对象为直齿伞齿轮、螺旋伞齿轮及正齿轮，通常为以非铁合金为材料的齿轮，可不计加热之际发生的氧化皮时，热间锻造的精度及表面粗糙度不亚于机械加工。高速锻造：1957年由美国General Dynamics公司开发冷间锻造：主要有利用锻粗或锻头法扩大齿坯尺寸的成形与减少齿坯断面的挤出成形。冲剪：玩具等不大要求精度的小型板齿轮常用冲剪法作成。普通铸造：超大型齿轮不得不用铸造放来加工。直接将熔融的金
11、属注入铸模中，凝固后取出，直接使用或机械加工后使用。精密铸造法：有毂模法、石膏模法等。还有粉末冶金法、射出成形法等齿轮加工方法。,制造篇,12,齿轮加工总结,齿轮加工工艺过程大致要经过如下几个阶段：毛坯热处理、齿坯加工、齿形加工、齿端加工、齿面热处理、精基准修正及齿形精加工等。齿轮的齿端加工有倒圆、倒尖、倒棱，和去毛刺等倒圆、倒尖后的齿轮，沿轴向滑动时容易进入啮合。倒棱可去除齿端的锐边，这些锐边经渗碳淬火后很脆，在齿轮传动中易崩裂。用铣刀进行齿端倒圆，倒圆时，铣刀在高速旋转的同时沿圆弧作往复摆（每加工一齿往复摆动一次）。加工完一个齿后工件沿径向退出，分度后再送进加工下一个齿端。齿端加工必须安排
12、在齿轮淬火之前，通常多在滚（插）齿之后。,试验篇,1,通用齿轮传动装置型式试验的内容,本标准适用于转速小于 3000 r/min 的各种具有单独箱体的通用动力闭式齿轮传动装置。大功率齿轮装置的试验允许用工业应用试验代替。成批生产的齿轮装置，其基本性能应进行周期性测试，每次随机抽样不少于 2 台。,齿轮装置基本性能试验清洁度检验；加载试验；传动效率测试；温升测试；噪声测试；振动测试齿轮装置耐久性试验 疲劳寿命试验；超负荷试验。,试验篇,2,空气传播噪声的试验规范,齿轮系统噪声发生的原因主要有以下几个方面：（1）齿轮设计方面参数选择不当，重合度过小，齿廓修形不当或没有修形，齿轮箱结构不合理等。（2
13、）齿轮加工方面基节误差和齿形误差过大，齿侧间隙过大，表面粗糙度过大等。（3）轮系及齿轮箱方面装配偏心，接触精度低，轴的平行度差，轴，轴承支承的刚度不足，轴承的回转精度不高及间隙不当等。（4）其他方面输入扭矩、负载扭矩的波动，轴系的扭振，电动机及其他传动副的平衡情况等。,试验篇,3,改善齿轮传动噪音及振动的方法,从设计上合理选择齿轮参数不产生传动干涉的情况下尽可能的提高齿轮传动的重合度，有利于平稳传动和减少传动噪音及振动。增大模数m可减小轮齿的动态激励，从而降低噪声。齿宽b变化会引起噪声改变。齿宽大的齿轮噪声也低。齿轮辐板的厚度h对噪音的大小也有影响。旋转速度越大也越大。一般要求增速传动时i2；
14、减速传动时i1/4.超过此范围单级传动应改为双级传动。单级传动的噪声比双级传动的噪声大；增速传动的噪声比减速传动的噪声大。从制造上改善工艺箱体结构设计及外部增加吸收噪音材料选择合理的加工及装配精度选择合理的润滑脂,试验篇,4,齿轮装置的机械振动测定,齿轮装置的振动有两种测量方式，一种是测量箱体的振动，另一种是测量轴的振动。联合使用轴振动测量和箱体振动测量以获得齿轮装置轴的绝对运动量也常常是一种比较有效的方法。试验时齿轮装置应以额定速度运转，如装置用于变速工况，试验应在速度范围内的算术平均值速度处进行。试验时齿轮装置应按设计给定的方向运转，如果齿轮装置为可逆运转，则在两个方向都应进行试验试验时齿
15、轮装置可加载运转也可空载运转，由制造厂与用户协商决定。试验时齿轮装置应按设计要求进行润滑。测量时机器应在设计温度范围内运转。,试验篇,5,齿轮装置的机械振动测定方法,轴振动测量推荐采用非接触式传感器，测量仪器必须能够读出振动位移的峰值。轴的振动位移应相对于箱体进行测量，传感器应安装在尽可能靠近轴承的地方并且固定在箱体刚性较好的部位。应测量每根轴三个相互垂直方向上的振动，其中的一个方向必须与被测轴线平行，测点的数量和安装位置由用户和制造商协商决定。箱体振动测量应选用压电式加速度传感器，测量仪器应是具有准确的均方根整流特性的电动式仪器，应在箱体轴承座处测量箱体的振动。测量必须在三个正交方向上进行，
16、三个方向中的两个必须位于与齿轮回转轴线相垂直的平面内，这个平面最好是水平平面或垂直平面。,试验篇,5,齿轮装置的机械振动测定方法,注：DR：位移评价值，m.当频率在050Hz范围内时，评价值等于评价曲线的位移量。从50Hz起，曲线每十倍频程下降10dB,试验篇,6,本标准适用于钢、铸铁制造的渐开线圆柱齿轮由齿面点蚀损伤而失效的试验。其它金属齿轮的接触疲劳强度试验可参照使用。齿轮接触疲劳强度试验按下述规定的试验条件和试验齿轮进行上，使用功率流封闭式结构的齿轮试验机，此可确定试验齿轮的接触疲劳极限应力Hlim。齿轮接触疲劳强度试验是以齿面点蚀损伤程度作为接触疲劳失效的判据。,齿轮接触/弯曲疲劳强度
17、试验方法,试验篇,7,齿轮接触疲劳强度计算,a.单齿点蚀面积率RS=AS/ASW（1）式中：RS单齿点蚀面积率，%；AS试验齿轮单个齿面上点蚀面积之和，mm2；ASW试验齿轮单个齿面的工作表面积，mm2。,b.齿轮副点蚀面积率RT=A1T/A1TW+A2T/A2TW（2）式中：RT齿轮副点蚀面积率，%；A1T试验齿轮副主动轮全部点蚀面积之和，mm2；A2T试验齿轮副被动轮全部点蚀面积之和，mm2；A1TW试验齿轮副主动轮各齿工作表面积之和，mm2；A2TW试验齿轮副被动轮各齿工作表面积之和，mm2.,失效判别准则非表面硬化齿轮，点蚀一般总是在所有齿面上出现。当试验齿轮副的硬度相等或相近时，它们
18、的点蚀损伤极限为：RT=2%当试验齿轮齿轮副点蚀面积率达到点蚀损伤极限时，即判定该齿面失效。表面硬化齿轮，包括渗碳、渗氮、碳氮共渗、火焰或感应淬火的齿轮，点蚀一般在少数齿上出现。它们的点蚀损伤极限为：RS=4%或RT=0.5%当试验齿轮点蚀面积率达到时，即判定该齿面失效。,试验篇,加载试验,齿轮装置在额定转速下按其额定转矩的 25、50、75、100逐档运转各 30min。加载试验时，每 10min 记录一次时间、油温、转速、转矩。对于双向工作或未注明旋转方向的齿轮装置应进行正、反两向试验；对于单向工作的齿轮装置可单向试验，其旋转方向必须与工作方向相同。对变速齿轮装置和多级输出齿轮装置应按有关
19、的行业标准进行试验。在施加各档转矩时，齿轮装置应保证运转正常，无渗漏油及其他异常现象。,9,8,额定转速变转矩试验,输入转速为齿轮装置的额定转速；运转达到热平衡后 10min 开始测量转速、转矩；输出转矩从 0 开始以额定值的 10递增直至 100，逐档加载测试 记录各档的转速、转矩、效率，作出转矩效率曲线。额定转矩变转速试验 输入转矩为齿轮装置的额定转矩的 40、50、60、80、100进行测试；,试验篇,温升试验,测量齿轮装置的润滑油温升和轴承温升。在额定转速、额定转矩下，试验台连续运转，观察并记录温升情况。试验时间为齿轮装置开始运转到热平衡后 30min 止。,超负荷试验,超负荷试验在额定转速下，按额定转矩的 110和 120分别进行台架试验。加载次序额定转矩的百分比 110 120 加载稳定运转试验时间10min齿轮装置型式试验结束后其完好的指标为：a.轮齿及主要机件无折断、裂纹，轮齿无塑性变形；b.齿轮齿面无胶合；c.齿面磨损量，齿面点蚀面积，不超过技术文件规定值。,10,11,
