談小齒輪的制造與裝配

程志敏

摘要：小齒輪的制造方法很多，文章結(jié)合作者多年的實際工作經(jīng)驗，提出了一種改進的小齒輪加工制造、裝配方法，僅供相關(guān)技術(shù)人員參考。

關(guān)鍵詞：小齒輪軸；齒輪制造；齒輪裝配

中圖分類號：TH132文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-2374（2009）07-0013-02

在各種傳動機構(gòu)中，齒輪傳動是最為常用的，因此，要使減速器小型化，有必要實現(xiàn)齒輪的小型化。下面主要介紹小齒輪的制造方法，同時介紹一種小齒輪的技術(shù)改進方法。

一、小型齒輪的制造方法

（一）滾刀滾削加工

通常的做法是采用滾刀在滾齒機上切制齒輪。小型齒輪滾齒加工時，滾刀的齒形必須進行微加工。因為齒形小，除滾刀齒形誤差外，滾刀的孔徑跳動、端面跳動、周節(jié)等誤差都將對小型齒輪的精度有很大的影響，而加工用的滾齒機、工件主軸、刀具主軸、工件分度機構(gòu)及工件夾具等諸多方面的精度、剛度以及滾刀和工件的安裝精度，等等，都會影響小型齒輪的制造精度，因此，有必要提高制造系統(tǒng)總的綜合精度。在此基礎(chǔ)上，再選擇易切削的材料，就可較容易地實現(xiàn)批量生產(chǎn)模數(shù)相同、品種不同的小型齒輪。

（二）注射成型塑料齒輪

用注射成型法加工而成的塑料齒輪，由于能在短時間內(nèi)實現(xiàn)大批量生產(chǎn)，因此多用于辦公室機器、家用電器等較輕載荷下使用的齒輪。近年來，在注射成型技術(shù)不斷提高、注塑材料性能不斷改進的同時，注塑成型齒輪的精度也大幅提高，注塑齒輪用模具的精度和注射成型技術(shù)均為影響注射成型法的重要因素。

在制作模具時，主要采用線切割和電火花加工。但由于所使用的線徑、成型電極的放電間隙等因素的影響，限制了小型齒輪模具精度的提高。此外，模具也可采用電鑄方法制造。電鑄所用的基準(zhǔn)齒輪，采用切削或磨削加工可提高其精度?；鶞?zhǔn)件齒輪可電鍍加厚。通過化學(xué)溶解，由陽（凸）的基準(zhǔn)件得到陰（凹）的模具。因基準(zhǔn)件齒輪的精度高、電鍍處理不會產(chǎn)生變形等原因，因此有可能制作出精度較高的小型齒輪模具。由于采用基準(zhǔn)件，借助化學(xué)溶解法，可以加工出形狀復(fù)雜的模具來，除直齒輪、斜齒輪外，錐齒輪、端面齒輪、蝸桿、蝸輪等各種不同類型的模具都能制造。使用高精度模具，使塑料小型齒輪的大規(guī)模生產(chǎn)成為可能。但由于其齒形小、受力容易變形等原因，在大載荷傳動且傳動精度要求高的場合，采用強度大的金屬齒輪更為有利。

（三）金屬燒結(jié)制作法

采用模具中高壓成型技術(shù)，金屬粉末進行高溫?zé)Y(jié)固化而成的燒結(jié)金屬齒輪（粉末冶金齒輪），其機械強度比塑料齒輪高，在中等載荷條件下使用。模具成型法適于大批量生產(chǎn)。但模具成形后，經(jīng)過高溫?zé)Y(jié)，變形很大，因此要達(dá)到必要的精度，在燒結(jié)后齒輪還要進行精加工。由于齒形微小，小型齒輪的精加工比較困難，加之金屬粉末的金屬顆粒較大，從而限制了其形狀精度和表面光潔度的提高。成型模具若采用上文注射成型塑料齒輪

中所提列的基準(zhǔn)齒輪電極電解加工方法，其加工出的齒輪精度就有可能提高。

二、小型齒輪的試制

如果將某電動工具所用的行星齒輪系中的主動中心輪的形狀設(shè)計成如圖1所示，則可減輕整機的凈質(zhì)量。由于中心輪模數(shù)m=1mm，齒數(shù)z=7，其外圓尺寸很小，因此只能將齒輪與軸設(shè)計成一個整體。

齒輪軸的加工方法雖然很多，但無論是滾齒還是銑齒均難以加工出滿足圖1所要求的齒輪軸。為此，有必要將該齒輪軸分解制造，然后組裝成一個整體，這樣既改善了行星輪系關(guān)鍵零件的制造工藝性能，又能使結(jié)構(gòu)緊湊，減輕整機凈質(zhì)量。

（一）齒輪軸的結(jié)構(gòu)改進

圖1中零件制造的關(guān)鍵在于齒輪段的加工。在22mm長度上，齒輪輪齒沿軸向必須完整。即使在外徑突然增大為25mm的軸肩端面處，輪齒齒形也必須保持不變，否則不利于齒輪的嚙合。這一整體結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有技術(shù)條件下是難以制造的。為此設(shè)想將齒輪與軸分離，分別加工后再過盈裝配。由于齒輪頂圓與軸段孔之間不是整圓配合，須在兩者之間增加一個齒圈過渡連接件，裝配結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中，齒輪和齒圈都是獨立完整的零件，加工起來非常容易。

（二）齒輪參數(shù)的選擇

與圖2小齒輪配合的行星輪齒數(shù)為29，兩者中心距a=18mm。眾所周知，用范成法加工齒數(shù)為7的齒輪必須變位，而且最小變位系數(shù)xmin=-0.588，否則會出現(xiàn)嚴(yán)重根切現(xiàn)象。但是另一方面，當(dāng)變位系數(shù)取為x=0.588時，該齒輪的齒頂會被切出，因而會破壞正確嚙合條件。

設(shè)兩齒輪嚙合時的齒頂間隙為0.25m（m為模數(shù)），且相互嚙合的該對齒輪采用零傳動變位，則借助文獻(xiàn)[1]中公式可求小齒輪齒頂圓齒厚：

Sa1= S1ra1/r1-2ra1（invαa1-invα） （1）

式中，Sa1為小齒輪齒頂圓齒厚；ra1為小齒輪齒頂圓半徑，且ra1=a-0.25m-rn；r1為小齒輪分度圓半徑；S1為小齒輪分度圓周上齒厚，且S1=0.5πm+2x1mtanα；αal為小齒輪齒頂圓壓力角，且cosαal=r1cosα/αal ；rn為行星輪的齒根圓半徑。現(xiàn)將按式（1）所求得各種變位系數(shù)條件下的Sa1值見表1：表1 齒頂圓周上齒厚與變位系數(shù)對應(yīng)關(guān)系

綜合考慮的結(jié)果以取變位系數(shù)x1=0.43為宜，由此可求出小齒輪的相關(guān)尺寸見表2：

由表2可知，經(jīng)正變位加工的齒輪，其齒根圓有所加大，整個齒輪的強度有所提高。

（三）小齒輪和齒圈的線切割加工

對于模數(shù)m=1，齒數(shù)z=7的小齒輪，無論用滾齒還是銑齒都比較困難。因為除刀具難以解決外，裝夾也成問題。在筆者所能獲得的加工條件下，線切割是最好的方法。用線切割加工齒輪時，須先在線切割加工機床的計算機上鍵入所需加工的齒輪參數(shù)，計算機即按照范成法原理自動繪出相應(yīng)齒形，并顯示在屏幕上，當(dāng)加工程序自動生成后，即可根據(jù)程序切制輪齒。

從理論上說，線切割加工齒輪，完全可不遵循范成法原理。只要能在計算機中繪制出不根切的漸開線齒形，即使齒數(shù)再少，也不會發(fā)生根切。但是，筆者實驗室現(xiàn)有的FS250C7型線切割機床根據(jù)所提供的軟件系統(tǒng)預(yù)先畫出的齒廓曲線都是按照范成法原理生成的，因此線切割加工齒輪在z<17時，不變位就會根切。

筆者采用厚度δ=40mm的40Cr小塊坯料，裝夾后，從其一角切入。鍵入的參數(shù)為：m=1，z=7，x=0.43，h*=1，c*=0.25。由于鉬絲直徑為0.18mm，電火花放電間隙為0.02mm，為此輸入外補償值為0.1。

該坯料事先經(jīng)硬調(diào)質(zhì)處理，雖然硬度較高，但絲毫不影響線切割的效率和效果。一個齒頂圓直徑為Φ9.86mm，寬度為40mm的完整齒輪即可較快加工出來。

接著輸入m=1，z=7，x=0.43，h*=1，c *=0.25和內(nèi)補償值0.1，裝夾一塊厚度為18mm的45鋼板，從其一角開始，切制出一個內(nèi)齒輪圈。鉬絲從外向里切入，切制出內(nèi)齒圈后再從原路退回即切出Φ15 mm的外圓，如此加工可保證內(nèi)齒圈與外圓的同心。

三、齒輪軸的組裝

在齒輪和齒圈切制之前，已在車床上加工了圖2中的軸，將齒輪裝入齒圈，待齒輪軸在100℃熱油中浸泡6分鐘左右并取出后，即將齒圈齒輪組裝入。由于齒圈有一約0.2mm的切口，熱裝冷卻后，過盈量會使切口收緊，而緊緊箍住齒輪，齒輪、齒圈和軸便成為一個整體。整個輪系裝配后，轉(zhuǎn)動主動輪輕快自如，完全能滿足使用要求。齒輪圈和齒輪軸本體間的過盈量亦完全能滿足力矩傳遞的要求。

四、結(jié)語

線切割法加工小模數(shù)少齒數(shù)齒輪時，裝夾方便，并且自動化程度高。由于直接從毛坯外進絲，可免去穿絲手續(xù)。由于線切割法不受材料硬度影響，因而所加工出來的小齒輪可具有初始硬度，切制后無須熱處理。線切割控制尺寸十分方便，在加工出圖2中的軸本體后，根據(jù)孔的尺寸再切制齒圈，可確保裝配的過盈量。切制齒輪和齒圈時，所輸入的齒輪參數(shù)完全相同，唯一不同的是補償值0.1有內(nèi)外之別。切制齒輪為外補償，切制齒圈用內(nèi)補償，從而兩者配合后無間隙。此外，加工齒圈時不穿絲，導(dǎo)致齒圈出現(xiàn)一寬度為0.2mm的切口，該切口有利于保證齒輪軸裝配后的整體性。這一方法可在多種場合下推廣。

參考文獻(xiàn)

[1]孫桓，陳作模．機械原理（第六版）[M]．北京：高等教育出版社，2001．

[2]羅慶生，韓寶玲．精密小模數(shù)少齒數(shù)齒輪齒形的設(shè)計與加工[J]．機械傳動，2000，24（4）．