汽車變速器齒輪刀具改進設(shè)計研究

陳 旻

(三明職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建三明365000)

汽車變速器齒輪刀具改進設(shè)計研究

陳 旻

(三明職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建三明365000)

汽車變速器齒輪加工精度在上決定了變速器的性能與質(zhì)量，為此有必要進行汽車變速器齒輪刀具的工藝研究，本論文重點結(jié)合汽車變速器齒輪的加工特點對齒輪加工刀具進行了工藝改進研究，首先分析了齒輪加工工藝及流程，在此基礎(chǔ)上系統(tǒng)分析了齒輪加工過程中滾刀軸的受力情況，并針對滾刀軸的受力情況有針對性地探討了齒輪刀具加工工藝的改善與提高措施，給出了具體的齒輪刀具加工工藝改進措施和方法，對于進一步提高和改進汽車變速器齒輪刀具加工工藝的應(yīng)用水平具有較好的指導(dǎo)和借鑒意義。

汽車變速器;齒輪刀具;工藝改進

隨著汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，汽車制造業(yè)也逐漸成為了當前機械設(shè)計與機械制造領(lǐng)域內(nèi)的新的工藝提高點。對于汽車而言，變速器是其核心和心臟，變速器的性能優(yōu)劣直接影響著汽車的整體質(zhì)量、功能、壽命及價格，為此必須要加強對汽車變速器的設(shè)計研究。汽車變速器主要由齒輪進行傳動，因此齒輪嚙合的質(zhì)量在很大程度上決定了變速器的整體質(zhì)量，而齒輪的加工質(zhì)量又取決于齒輪刀具的加工工藝設(shè)計，因此需要開展齒輪刀具加工工藝方面的設(shè)計研究，從而實現(xiàn)對汽車變速器質(zhì)量的提高與應(yīng)用。

本論文主要結(jié)合汽車齒輪的加工特點，對汽車變速器齒輪刀具的設(shè)計進行改進分析設(shè)計，以期從中能夠找到合理可靠有效的齒輪刀具改進設(shè)計方法，并以此和廣大同行分享。

1 齒輪加工工藝分析

齒輪的加工工藝，主要由以下幾個工藝步驟構(gòu)成［1，2］。

1.1 滾齒

滾齒是第一道工藝工序，是屬于粗加工范疇。滾齒的主要作用是快速的去處較多的金屬余量，該工藝追求的是齒距精度，而不是齒形精度，因此經(jīng)過滾齒之后得到的齒，周節(jié)精度較好，但是齒形精度較差，有待于后續(xù)工藝的進一步加工，才能夠提高齒形精度。對于一些齒形復(fù)雜的齒輪加工，在第一步滾齒的時候可以直接采用插齒的方法實現(xiàn)加工。

1.2 剃齒

剃齒是緊接著滾齒之后的第二道工藝步驟，剃齒的主要目的有兩個，第一是進一步去處金屬余量，修正齒形，第二個作用就是降低齒面的棱度和波紋度，提高齒面的加工精度。剃齒能夠?qū)崿F(xiàn)齒形的一定精度的加工，但是經(jīng)過剃齒之后齒形的一致性較差，這是由于在剃齒過程中會產(chǎn)生周期性誤差，導(dǎo)致各個齒在經(jīng)過剃齒之后齒形精度得到了改善，但是齒形與齒面的一致性并不會提高，這就說明，剃齒對于齒面和齒形的精加工精度能力是有限的。

1.3 熱處理

熱處理是齒輪加工的第三個工藝步驟。當經(jīng)過了滾齒和剃齒之后，齒輪已經(jīng)基本成形，并且也具有了一定的精度，這個時候需要做的是進一步提高齒的機械特性，比如齒的硬度、剛度和韌性等機械特性，這就需要借助于熱處理實現(xiàn)。熱處理的本意是為了提高齒的機械特性，但是在實際的加工過程中，熱處理也會帶來齒精度的降低，這是因為齒在熱處理過程中難免會產(chǎn)生變形及其他類型的變化，導(dǎo)致齒形或者齒面精度降低。因此，熱處理的基礎(chǔ)前提是要能夠保證齒的加工精度。

1.4 珩齒

珩齒一般是齒輪加工的最后一道工藝步驟，珩齒的目的是為了進一步修正齒形，從而能夠獲得更高齒形精度及一致性。珩齒工藝需要對齒形和齒面分別進行光整加工，從而實現(xiàn)對齒向誤差、徑向誤差及其他齒輪參數(shù)的加工精度的提高與優(yōu)化。由于珩齒的根本目的是為了獲得較高精度的齒形與齒面，因此珩齒的加工效率是比較低的。

一般在經(jīng)過上述幾個加工工藝與步驟之后，齒輪的齒形、齒面加工基本成形，同時也擁有了一定的強度、硬度和韌性。但是采用傳統(tǒng)的齒輪加工方法，其加工精度和齒輪質(zhì)量在很大程度上取決于齒輪刀具的加工精度與質(zhì)量，為此必須要提高齒輪刀具的設(shè)計制造工藝水平與加工質(zhì)量。本論文的出發(fā)點也正是基于此，試圖對應(yīng)用于汽車變速器上的齒輪加工刀具進行工藝改進與設(shè)計，以期能夠提高齒輪刀具的設(shè)計加工工藝水平，從根本上提高我國齒輪加工精度和工藝水平。

2 變速器齒輪刀具工藝改進設(shè)計研究

2.1 滾刀軸受力分析

通過對上面汽車變速器齒輪加工工藝的研究，可以發(fā)現(xiàn)滾齒是齒輪加工工藝中最為重要的一道工序，假使?jié)L齒粗糙度過大，則齒面及齒形精度低，會造成嚙合過程的振動，降低齒輪的服役壽命。為此，必須加強對滾齒加工工藝的研究。

通過對滾刀在進行滾齒過程中的受力分析可以發(fā)現(xiàn)，實際上在某一個瞬時，滾刀軸上所受到的扭矩是相同的，這樣就可以進行如下的簡化，利用刀軸上的瞬時扭矩來確定作用在該刀軸上的作用力，具體的受力分布規(guī)律分析如下。

(1)滾刀加工過程中，越靠后受力的刀齒承受的力矩也就越大，但是縱觀滾刀上的全部刀齒，各排刀齒承受的力矩變化幅度并不大;

(2)滾刀在加工一個周期(即滾刀旋轉(zhuǎn)360°)內(nèi)，滾刀上的刀齒所受的力矩呈現(xiàn)周期性的變化，隨著滾齒加工過程的進行，切削負荷的增大，刀齒所受的力矩也逐步增大，然后保持一段高負荷狀態(tài)，隨著滾齒的進行，刀齒所受切削力又逐步呈下降趨勢;對于每排刀齒而言，刀齒的受力也隨著切入角度的變化而變化，結(jié)合前人的研究經(jīng)驗［3］分析得：當切入角度在10°—23°范圍內(nèi)刀齒承受較大的切削負荷作用力，當切入角度在24°—26°范圍內(nèi)刀齒承受的切削負荷作用力又呈逐步減小的趨勢，最后切削負荷為零;

(3)滾齒加工過程中會對刀齒產(chǎn)生磨損，而刀齒的磨損取決于刀齒所受的切削負荷分布情況，如果滾齒過程中刀齒受到的切削負荷分布不均，則各排刀齒磨損不具有一致性，如果滾齒過程中刀齒受到的切削負荷分布較為均勻，則各排刀齒磨損近似相一致，滾刀的使用壽命也相對較長，這樣使用同一把滾刀加工出來的齒輪在互相嚙合的質(zhì)量較高，進而能夠具有較好的嚙合平穩(wěn)度;

綜上所述，滾齒加工誤差綜合作用曲線呈正弦分布，這主要由于滾刀制造時分度圓柱對內(nèi)孔軸線徑向跳動較大，造成安裝偏心，或刀軸本身跳動誤差大。

2.2 齒輪刀具工藝改進研究

從上面的分析可以看出，齒輪刀具的加工可以從滾齒加工工藝的角度實施工藝改進，具體的工藝改進方法主要有如下幾種。

2.2.1 鑲齒滾刀

如果被加工的齒輪滾刀模數(shù)較大時，可以將齒鑲嵌在滾刀上，做成鑲齒結(jié)構(gòu)，用于齒輪滾齒的工藝加工。采用鑲齒結(jié)構(gòu)滾刀進行滾齒操作，最大的優(yōu)勢在于能夠有效的改善滾齒加工后齒輪表面的棱度和波紋度，提高齒形和齒面精度。根據(jù)常用的鑲齒結(jié)構(gòu)主要可以分為如下兩大類型。

(1)鑲齒條的齒輪滾刀。鑲齒條的齒輪滾刀主要用于中等模數(shù)的齒輪加工，鑲嵌的齒條兩端磨成錐形，裝配好之后用磨削之后的前刀面和后刀面加工齒輪表面用于滾齒操作。這種鑲嵌齒條的滾刀結(jié)構(gòu)簡單，加工制造較為簡易，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的齒輪表面精度，但是由于是采用磨削之后的齒條進行加工，由此容易造成刃磨不便的現(xiàn)象［4］，因此對于鑲嵌齒條的滾刀，一般不可用于高精度齒輪的加工。

(2)鑲單個刀齒的齒輪滾刀。針對鑲嵌齒條的滾刀在齒輪加工過程中所表現(xiàn)出來的局限性，可以對齒條進行改進，由此產(chǎn)生了鑲嵌單個刀齒的齒輪滾刀，這種齒輪滾刀可以加工模數(shù)很大的齒輪，同時由于所鑲嵌的刀齒寬度精度較高，所以可以實現(xiàn)高精度齒面和齒形的加工。在實際應(yīng)用加工時，需要將刀齒預(yù)先磨好齒形才能夠裝到刀體上進行加工，所以這種滾刀是專用型而不是通用型，盡管能夠獲得高精度的齒輪精度，但是刀齒具有互換性，所以在加工不同齒形的齒輪時，需要手動更換刀齒以實現(xiàn)加工的連續(xù)。

上述的兩種通過鑲嵌齒條或者刀齒的方法相較于傳統(tǒng)的整體滾刀，能夠較大程度的實現(xiàn)齒形和齒面的加工精度的提高與改進。

2.2.2 圓磨齒輪滾刀

圓磨齒輪滾刀在制造時不是采用傳統(tǒng)的刀具刃面加工齒形和齒面，而是采用蝸桿磨床磨制齒面，磨制出來的齒面具有較高的表面精度。在實際加工齒輪時，刀刃片先要夾裝到刀體上，由蝸桿磨床刃磨成形，隨后將刃磨成形的刀刃片裝在滾刀的刀體上去加工需要被加工的齒輪，由于刃磨成形后的刀刃片在磨削過程中已經(jīng)形成了后角，因此無需再采用鏟磨的方法來獲取齒面和齒形精度，同時由于刀刃片已經(jīng)刃磨成形，精度較高，因此由此磨制出來的齒形和齒面的精度也相對較高，容易保證在滾刀全齒長上的齒形精度，大大提高了磨削的效率，實現(xiàn)了對齒輪加工中的滾齒加工工藝的改進。

2.2.3 硬質(zhì)合金滾刀

除了采用鑲嵌齒條或刀齒以及磨削磨制齒形的方法外，還可以采用硬質(zhì)合金滾刀來提高齒形加工的精度。當被加工的齒輪模數(shù)較大時，可以采用上述的兩種方法，但是當被加工的齒輪模數(shù)較小時，就不能再采用焊接刀齒或齒條的方法了，可以采用整體高速或者硬質(zhì)合金刀條焊接在刀體上進行加工的方法，由于整體高速或者硬質(zhì)合金刀條在齒輪加工過程具有穩(wěn)定的熱穩(wěn)定性，變形系數(shù)非常之小，也能夠?qū)崿F(xiàn)對齒輪齒形精度和齒面精度的提高與改進。

3 結(jié)束語

變速齒輪刀具的工藝性對于汽車變速齒輪的加工精度，質(zhì)量都有著重要的影響，本論文主要從齒輪加工刀具的工藝性角度對齒輪刀具進行了工藝上的探討和分析，提出了一些具體的齒輪刀具工藝改進措施，對于進一步提高齒輪刀具的加工質(zhì)量和加工精度都有著較好的理論和實踐上的指導(dǎo)意義。當然，更加先進的齒輪刀具制造工藝和加工工藝設(shè)計有賴于廣大制造領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員的共同努力，才能夠最終實現(xiàn)汽車齒輪刀具加工工藝的提高與應(yīng)用，進而實現(xiàn)我國刀具制造技術(shù)的發(fā)展與提高。

［1］ 吳宗澤.機械零件設(shè)計手冊［M??.北京：機械工業(yè)出版社，2008.

［2］ 李佩衍，易翔翔，候福深.國外電動汽車發(fā)展現(xiàn)狀及對我國電動汽車發(fā)展的啟示［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004(1)：49 －54.

［3］ 王素玉，汪宗泉.剃齒刀修形新方法的試驗研究［J］.煤礦機械，2000(4)：45 －47.

［4］ 曾英，朱如鵬，魯文龍.正交面齒輪嚙合點的計算機仿真［J］.南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2000(5)：211 －214.

Design research on Improvement of auto transmission gear cutting tools

CHEN Min
(Sanming Vocational and Technical College，Sanming 365000，China)

The precision of automotive transmission gears fundamentally determines the transmission performance and quality，for which it is necessary to research the technique of the automotive transmission gear tools，and this paper focused on the processing characteristics of the transmission gear cutting tools.Firstly，the technique and processing of manufacturing gear were analyzed，of which on the basis of analysis，the force of the gear hob axis that existed in process was pointed out，and some improvement and enhance measures that aimed at the force of the gear hob axis were discussed in detail，and the specific gear cutting tools and methods of process improvement measures were analyzed finally.All this work is significative for enhancing the automobile transmission gear cutting tools processing and technique.

auto transmission;gear cutting tools;technology improvement

TG 721

A

1009-4881(2011)04-0021-03

10.3969/j.issn.1009-4881.2011.04.006

2011-07-20.

陳旻(1961-)男，工程師、講師，E-mail：cm1630@126.com.