陈敬楠
北京奔驰汽车有限公司
摘要：齿轮在动力传动方面起着重要的作用,采用先进制造技术进行齿轮的加工一直成为热门研究话题。齿轮在工业发展中的地位一直比较突出，被公认为是工业化的一种象征。从这个角度来看，关注齿轮的先进加工技术和发展趋势具有极其重要的意义。
关键词：齿轮；加工技术；滚齿
齿轮生产分为成形和机加工生产过程。 成形过程包括齿轮的铸造，烧结，精密锻造和轧制。 虽然铸造主要仅用于塑料齿轮或超大型齿轮，但齿轮的烧结在批量生产中越来越多地被使用。 通过粉末冶金过程，同时使齿轮预齿。 成型工艺通常主要用于生产半成品。 在进行成形加工后，通常应通过机加工工艺来提高型材和侧面的质量。
因此，可以在齿轮的制造中使用相继的多个加工操作。 在此过程中，我们考虑的最重要的事情是以下几点：使用哪种材料，齿轮是哪种类型以及我们希望齿轮的质量水平。 基于这些考虑，齿轮加工的基本思想分为以下步骤：
1.有齿或无齿的坯料预成型；2.毛坯退火（如果需要），如铸钢或锻钢一样；3.通过机械加工将齿轮毛坯模制成所需尺寸；4.通过机械加工生产轮齿或精加工预制轮齿；5.硬化齿轮的所有表面（尤其是轮齿）；6.通过去剃齿，磨齿等方式精加工完成制齿（如果需要）。7.检查完成的齿轮。
如今，齿轮生产需要高精度机床具有复杂的多轴联动功能。 由于齿轮型状和齿轮的常见类型多种多样，齿轮工件呈现出复杂的几何多样性。 在满足经济性的情况下，某些齿轮类型只能通过某些特定的齿轮切割方法在齿轮切割机上生产。 轧制过程是目前最常见的过程。齿轮加工中的轧制过程有几种类型：刨削，滚齿，整形等。
1.滚齿
滚齿是在通过滚动过程，铣削加工成型齿轮。但是与铣削过程相比，滚齿是一个连续的滚轧过程。滚刀的外型完全贴合齿轮外圆渐开线。在滚齿过程中，滚刀和工件同时旋转。切削运动由旋转滚刀执行。为了制造正齿轮，滚刀与工件在工件轴线的方向上彼此相对，并且在进行滚动运动的同时进行位移。
该方法的运动学可以通过在蜗轮上滚动蜗杆来描述。 蜗杆相当于滚刀，蜗轮相当于工件。滚刀和工件的旋转是根据加工齿轮的齿数与刀具上的螺纹数之比来同步的。这导致切削速度与工件速度的比率固定。 在该过程中，滚动运动与进给运动叠加成切削运动。
在滚齿过程中，刀具在工件上滚动。工件与刀具接合时绕其自身的轴旋转。该啮合中，滚刀和中间齿轮啮合。一部分能量仅用于滚动运动，而另一部分则用于切割齿隙。因此，刀具沿工件的平移方向执行纯滚动运动，并沿工件的旋转方向执行切削运动。执行切削运动的方式可因方法而异。
2.旋风铣
旋风铣是铣削的一种变体，它带有一个圆形的刀架，该刀架包围着工件和内部旋转的切削刀具。工件的轴线相对于刀架轴线倾斜了对应的倾斜角。工件则位于环中的偏移处。
（1）旋转过程
作为螺纹加工的机械加工工艺，涡旋可用于制造具有高表面质量要求的精密螺纹主轴，螺钉，螺杆元件以及螺杆转子等零件。在这种情况下，安装在刀架上的内部切削刀具绕着相对缓慢旋转的工件高速旋转。刀架相对于工件旋转轴倾斜一个倾
斜角β0，该倾斜角对应于要生产的螺纹的螺距。
由此产生的工件几何形状由切削刀具轮廓和过程运动学确定。在具有两个不平行轴（例如旋转）的过程中，工件可以通过迭代运动的方式成型。
加工成型后工件的几何形状符合切削刀具轮廓运动生成的轨迹。因此，切削刀具轮廓不仅可以从目标工件的几何形状中得出，还必须通过考虑过程运动学来确定。 在某些过程设置中，轨迹运动会导致工件的根切。如果在工艺设计的早期发现根切，则可以通过更改切削刀具轮廓或工艺参数来补偿。刀具轮廓可以通过不同的数值和分析方法来确定。基于目标工件几何形状和加工运动的数字模型会在时空域内离散。其中一种方法是将工件几何形状和切削刀具平面的相交点垂直投影到切削刀具平面上，并进行有限数量的相对运动。
（2）切削过程
切削过程中，刀具的切削刃会循环性地移出与工件的啮合，使得切削一次又一次中断。相比之下，在普通车削过程中切削过程是不会中断的。在车削过程中，易延展的材料通常会产生很长的切屑，以致无法使用切屑输送机清除。因此，间断性的切削在这方面不存在问题，有着很大的优势。
由于刀片围绕工件旋转一圈，因此它们的轨迹与工件半径相似。刀具中心靠近工件中心，而不是螺纹铣削时位于外部。值得注意的是，在螺纹铣削过程中，与工件根圆的偏差明显大于旋风铣。
与工件根圆的最大偏差称为切削峰高y。 可以根据公式1计算：
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刀具切削刃的直径是刀具切削刃尖端切削路径的直径。 进给角ξ表示两个切削刃的入口之间的夹角。而且我们可以很容易地发现旋风过程中的切削峰高比螺纹铣削过程中的低得多，也就是说加工成型的工件外形会更加圆滑。
（3）前角和后角的影响
前角γ表示前刀面与刀具参考平面之间的角度。后角α表示自由表面与切割平面之间或与工件表面的切线之间的角度。有效后角取决于刀具相对于工件轴或工件中心的相对位置。它们之间有三种相对位置：下方③，中间①和上方②。如果刀尖在工件轴线上方，则有效后角减小一个校正角。如果刀尖在工件轴下方，则有效后角会增加一个校正角。
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当刀尖绕位置③工件轴线时，有效后角大于中间位置的后角α。后角越大，切削刃中的热量就越积聚。这也会削弱切割楔形（断裂的风险）。即使这样，完美选择间隙角也不是什么大问题。但是，当刀尖位于工件轴上方的位置②时，有效后角将小于中间位置后角α。 如果有效角太小，可能会导致刀具与工件之间发生碰撞。 但是，如果刀具挤压工件，则会涉及刀具的加热和较大的侧面磨损。这样会导致加工表面受损。因此，应避免使用此位置。
（4）旋转刀具
旋转刀具的切削刃可以径向或切向布置。在径向布置中，存在的缺点是，刀片必须在径向上严格地对准。切削刃的尖端必须正好位于刀具切削刃的圆上。除非固定轮盘的直径非常大，否则它会在加工过程中与工件接触碰撞。
（5）旋风铣分类
由于在旋风铣过程中，工件的目标包络线仅在一个点上与刀具轨迹重合，因此该加工方法将产生接近理想圆的多面体形状。最终的工件表面可以描述为多边形尖端和目标圆之间连线的凸多边形。
①同向旋风铣
刀具和工件通常在相同的旋转方向上同步旋转。该切屑型状具有两个逗号形的末端，而相对较厚的末端首先产生。同步加工中刀具轨迹与工件外形越接近，切屑越长。否则，切削刃容易弹起。
每个逗号型切屑都是在工件边缘上通过刀具经过圆形轨迹切割后产生的，具体取决于刀具和工件的旋转轴之间的距离以及刀具盘的直径。 在切削过程中，切屑的厚度快速地增加，并在工件根圆直径处达到最大值。 达到最大值后，切屑的横截面会稳定地减小到零。
②反向旋风铣
当刀具与工件以相反的方向进行加工时，切屑开始时产生的切屑比最终形成的切屑要薄，切屑首先压入材料中，然后进行切屑去除。尽管过程很平缓，但起初切削力非常小。然后，它会越来越大，直到切削完成为止。在切出第一刀之后，在反向旋风铣时，刀具会设置在旋转期间已经加工的每个点上。因此，在该加工方法中加工硬化工件表面的表现要比在相同方向上的旋风铣更有优势。