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齿轮是机械传动装置中的重要组成部分,主要传递力矩,承受弯曲和冲击等载荷。

一、为了确保传动系统的寿命和运转稳定性，齿轮需具有以下几个要求

1.能够抵抗运转过程中的磨损；

2.对于承受交变载荷和冲击载荷的齿轮，基体需有足够的抗弯曲强度和韧性，以免发生变形或断裂；

3.需要有良好的成型工艺性，无论是注塑加工，还是机械加工，优良的加工性都是非常重要的；

4.对降低噪音的需求，最近10几年，无论是金属齿轮还是塑料齿轮，对齿轮传动降噪的应用场景越来越多，要求也越来越高。

齿轮制造技术是获得优质齿轮的关键之一，齿轮加工的工艺，因齿轮结构形状、精度等级、生产条件可采用不同的方案，目前来讲主要有两大类：注塑和机械加工，今天我们主要探讨后者。

齿轮的机械加工概括起来有齿坯加工、齿形加工、热处理和热处理后精加工四个阶段。齿坯加工必须保证加工基准面精度。热处理直接决定齿轮的内在质量，齿形加工和热处理后的精加工是制造的关键，也反映着齿轮制造的水平。

二、齿轮的机械加工方法

目前齿轮的加工工艺过程包括以下过程：齿轮毛坯加工、齿面加工、热处理工艺及齿面的精加工。齿轮的毛坯件主要是锻件、棒料或铸件，其中锻件使用最多。对毛坯件首先进行正火处理，改善其切削加工型，便于切削；然后进行粗加工，按照齿轮设计要求，先将毛坯加工成大致形状，保留较多余量；再进行半精加工，车、滚、插齿，使齿轮基本成型；之后对齿轮进行热处理，改善齿轮的力学性能，按照使用要求和所用材料的不同，有调质、渗碳淬火、齿面高频感应加热淬火等；最后对齿轮进行精加工，精修基准、精加工齿形。

三、齿轮机械加工的重要步骤——齿面加工

针对齿面加工的方法很多，主要有滚齿、插齿、剃齿、磨齿、铣齿、刨齿、梳齿、挤齿、研齿和珩齿等，其中使用最多的是前四种方法：滚齿、插齿、剃齿和磨齿。

1、插齿

插齿特别适合于加工内齿轮和多联齿轮。采用特殊刀具和附件后，还可加工无声链轮、棘轮、内外花键、齿形皮带轮、扇形齿轮、非完整齿齿轮、特殊齿形结合子、齿条、端面齿轮和锥度齿轮等。

目前先进插齿技术有：

(a)多刀头插齿技术；

(b)微机数控插齿机；

(c)硬齿面齿轮插削技术。

2、剃齿

剃齿加工是根据一对螺旋角不等的螺旋齿轮啮合的原理，剃齿刀与被切齿轮的轴线空间交叉一个角度，它们的啮合为无侧隙双面啮合的自由展成运动。剃齿是一种高效齿轮精加工方法，和磨齿相比，剃齿具有效率高、成本低、齿面无烧伤和裂纹等优点。所以在成批生产的汽车、拖拉机和机床等齿轮加工中，得到广泛应用。对角剃齿法和径向剃齿法还可用于带台肩齿轮的精加工。

3、磨齿

磨齿是获得高精度齿轮最有效和可靠的方法。发达国家都用硬齿面齿轮，磨齿成为高精度齿轮的主要加工方法。目前碟形砂轮和大平面砂轮磨齿精度可达DIN2级，但效率很低。蜗杆砂轮磨齿精度达DIN3~4级，效率高，适用于中、小模数齿轮磨齿，但砂轮修正较为复杂。磨齿的主要问题是效率低、成本高，尤其是大尺寸的齿轮。所以提高磨齿效率，降低费用是当前的主要研究方向。

近年来磨齿方面的新技术有：

(a)双面磨削法；

(b)立方氮化硼砂轮高效磨齿；

(c)连续成型磨齿技术和超高速磨削技术。

4、铣齿

铣齿属成形法加工齿轮，刀具的截形与被加工齿轮的齿槽形状相同，刀具沿齿轮的齿槽方向进给，一个齿槽铣完，被加工齿轮分度后，再铣第二个齿槽，齿轮的齿节距由分度控制。由于齿轮的齿槽形状与齿轮的齿数、修正量、甚至齿厚公差有关，成形法铣齿难于实现刀具齿形与被加工齿轮齿槽都相同，实际上铣齿大都是近似齿形。大模数的齿轮，铣齿生产效率较高，铣齿广泛用于粗切齿。

5、刨齿

刨齿一般是用刨齿刀加工直齿圆柱齿轮、锥齿轮或齿条等的齿面。刨刀有两个运动：一是刨刀的直线切削往复运动；二是刨刀随摇台的平面回转运动，刀具与被加工锥齿轮的运动关系，相当于一个平顶或平面齿轮的齿与被加工锥齿轮的啮合。刀具展成切齿循环一次，加工出一个齿，被加工锥齿轮分度后，加工第二个齿。

6、梳齿

梳齿是用齿条刀插削圆柱齿轮。特点是加工精度高，可达DIN5级。由于刀具结构简单、制造刃磨方便，精度高、刃磨次数多，便于采用硬质合金刀片和立方氮化硼刀片加工淬硬齿轮。

四、齿轮机械加工的精加工方法

目前工业应用的齿轮精加工方式主要是剃齿、磨齿、挤齿、研齿和珩齿。

剃齿是在剃齿机上用剃齿刀剃齿，是齿轮精加工的一种方法，剃齿刀相当于齿面上开了很多刃的斜齿轮。它带动被加工齿轮相对转动，如同交错轴齿轮啮合，靠齿面上的相对滑动，剃齿刀切去齿面上很薄的一层金属，完成齿轮的精加工，剃齿机溜板的调整保证齿轮的齿向加工正确。剃齿精度受剃前齿加工的精度限制。剃齿生产效率较高，适用于滚齿、插齿后的软齿面精加工。

磨齿则是用砂轮对齿面进行磨削，磨齿可以磨削齿面淬硬的齿轮，消除热处理变形，提高齿轮精度。

磨齿根据使用的砂轮不同，又分为： 

（1）锥形砂轮磨齿；

（2）蝶形砂轮磨齿；

（3）大平面砂轮磨齿；

（4）蜗杆砂轮磨齿；

（5）渐开线包络环面蜗杆砂轮磨齿；

（6）成型砂轮磨齿。

挤齿和珩齿都是齿轮精加工的方法。挤齿是利用挤压轮对被加工齿轮的齿面进行挤压，提高齿轮的表面质量，主要适用于滚齿、插齿后的软齿面齿轮精加工。而珩齿则与剃齿的方法基本相同，即将剃齿刀换成形状相同的珩磨轮，靠与齿面的相对滑动对齿面进行抛光，被加工齿轮的齿面软硬均可。

五、齿轮齿形的机械加工方法中，为什么滚齿会是最常见的？

滚切齿轮可看作无啮合间隙的齿轮与齿条传动。当滚齿旋转一周时，相当于齿条在法向移动一个刀齿。滚齿是目前应用最广的切齿方法，可加工渐开线齿轮、圆弧齿轮、摆线齿轮、链轮、棘轮、蜗轮和包络蜗杆，精度一般可达到DIN4~7级。滚齿不仅适用于单件小批量生产和也适用于齿形的大批量加工，目前滚齿的先进技术有多头滚刀滚齿、硬齿面滚齿技术、大型齿轮滚齿技术、高速滚齿技术等。

六、滚齿夹持技术

滚齿是作为一种常用的齿轮加工方法，其切削过程为断续切削并伴随着强迫及自激冲击力，因此，滚齿加工对夹具的自身刚性及夹紧力有着极大的要求。一般在普通滚齿机上能加工出7/8级精度齿轮，在精度很高的滚齿机上，采用精密滚刀，可以加工出4/5级精度的齿轮，在保证机床自身及滚刀精度的同时，还应提高齿轮工件与工装夹具之间的装夹精度。

齿轮精度主要有运动精度、平稳性精度和接触精度。滚齿加工中用控制公法线长度变动和齿圈径跳来保证运动精度，用控制齿形误差和基节偏差来保证工作平稳性精度，用控制齿向误差来保证接触精度。

滚齿加工中易出现的几种误差及其原因分析：

（1）齿圈径向跳动误差（即几何偏心）在安装零件时，零件的回转中心与工作台的回转中心安装不重合或偏差太大而引起齿圈径向跳动误差，或因滚齿机顶尖和滚齿心轴顶尖孔制造不良，使定位面接触不好造成偏心。

（2）公法线长度误差（即运动偏心） 这个误差主要是滚齿机工作台蜗杆副回转精度不均匀造成的，还有滚齿机工作台圆形导轨磨损、分度蜗轮与圆形导轨不同轴造成的，再者分齿挂轮齿面有严重磕碰或挂轮时咬合太松或太紧也会影响公法线变动超差。

（3）齿形误差分析 齿形误差主要是滚刀齿形决定的，滚刀刃磨质量不好容易出现齿形误差。同时滚刀在安装中产生的径向跳动、轴向窜动（即安装误差）也对齿形误差有影响。

（4）齿向误差分析 引起齿向误差的主要原因是机床、刀架、夹具的垂直进给方向与零件轴线有偏移，或滚齿机上尾座顶尖中心与工作台回转中心不一致。另外滚齿夹具和齿坯制造、安装、调整精度低也会引起齿向误差。齿轮的齿向误差来自于机床、齿坯、夹具的误差。

（5）齿面粗糙度分析 引起齿面粗糙度差的主要原因有以下几方面：机床、刀具、工件系统整体刚性不足、间隙大；滚刀和工件相对位置发生变化；滚刀刃磨不当、零件材质不均匀；切削参数选择不合适等。

所以滚齿加工过程中各种误差的产生来源，主要是所加工零件本身的精度、机床夹具、刀具以及整个工艺系统的精度、加工过程中的调整等。

七、塑料齿轮与金属齿轮最大的差别

塑料齿轮与金属齿轮最大的差别在于，材料的物性与制造工艺的不同。因此，塑料齿轮的结构设计应该与材料物性和注塑工艺相适应，扬长避短地充分利用和发挥这类非金属材料的特性。

1、塑料齿轮壁厚的基本要求

塑料齿轮的结构设计与任何塑料功能件一样，都会面临一个共同的问题，即塑料件的收缩，而塑料齿轮比一般注塑件在尺寸控制这块，要求会高会更精密。而壁厚在塑料齿轮不同部位的变化控制，是管理尺寸的要点之一。在设计塑胶齿轮时，建议低收缩率的材料（比如PA12+15%玻纤，P OM+30%玻纤等）的壁厚变化应小于25%，建议高收缩率的材料（比如非增强POM，非增强PA66等）的壁厚变化应小于15%。因为塑胶齿轮的壁厚变化较大时，最大的问题是较厚的部分没有较薄的部分冷凝快、收缩多，这样就会导致塑件弯曲变形和尺寸超差。

我们来举个例子说明，可能可以帮助理解。图1所示是一款双联塑胶齿轮，在壁厚设计和内角倒圆的设计是两个重要的点。

图1(a)为各部位的壁厚差异较大和内角处没有倒圆的不良设计方案；

图2(b)为不良设计方案注塑成型的塑料齿轮，出现有轮缘凹陷，内孔口部相内翘曲；

图3(c)则为较好的结构设计方案，该方案有以下优点：

（1）、齿轮各部位齿厚基本一致；

（2）、齿轮腹板的结构和位置合理；

2、塑料齿轮的两壁交汇处应避免出现尖角

当塑胶齿轮的两壁交汇成一个内角时，就会出现应力集中和塑胶熔体流动不畅等现象。当将此处型腔两成型面交汇处做成倒圆时，即可改善塑胶熔体流动的途径，又可使塑胶齿轮获得比较均匀的壁厚，还可规避应力集中。通常内角倒圆的半径为壁厚的25～75%。但需要注意的是，较大的倒圆半径会使塑胶齿轮倒圆处的半径变大。当内角处确定了一个半径，我们就可以确定一个外角的半径。

如图2，塑胶齿轮的内角倒圆半径为壁厚的50%，那么外角的倒圆半径可取为150%。

3、塑胶齿轮壁上的加强筋

小维建议齿宽较厚、形状复杂的塑料齿轮，考虑设置加强筋，图3是一个示例，您可以参考一下。

设置加强筋有几个好处：

（1）、增强齿轮的刚性和提高尺寸的稳定性；

（2）、控制注入型腔塑胶熔体的流程；

（3）、减轻齿轮的重量和节省原材料，降低成本。

通常塑胶齿轮的加强筋建议不要超过壁厚的2.5～3倍。尽管较高的凸筋会增强齿轮的刚性，但也可能会给塑胶熔体的填充和排气造成困难。因此，也许您也许可以考虑用两条矮筋来代替一条高筋的设计方案。加强筋的厚度，建议取为齿轮壁厚的50%～75%。加强筋合理的厚度有助于控制加强筋与壁厚结合处的收缩，结合处应有圆角，最小圆角半径可取为壁厚的25%。取较大的圆角半径将会增加接合处的厚度，会在塑件设置加强筋处的另一侧表面形成凹陷。当需要使用多条加强筋时，筋与筋之间的距离不应小于两倍壁厚。因为加强筋之间的间距太小，可能会造成塑件的凸筋处很难冷凝，并产生较大的残余内应力。

4、齿轮的轮缘－轮毂

最简单塑料齿轮的基体结构是片状齿轮。这种齿轮，由于没有壁厚变化，从理论上讲将不会有不均匀的收缩。 这类齿轮的厚度一般不要超过6mm,当齿轮厚度大于4.5mm时，应设计成腹板和轮毂－轮缘式的基体结构，将有利于增强动力的传递。

当设计带轮缘－轮毂的塑料齿轮时，必须对齿轮基体结构各个部位的厚度作周密考虑。轮齿的厚度和齿高由齿轮强度要求所决定，齿轮的各个部位按照塑件设计的基本准则，应满足模塑成型的工艺要求。因此，对于任何其他设计准则，毫无疑问也要作出一些相应的妥协与调整，尽量做到满足基本准则要求。

如果将轮齿视为轮缘上的突起部分，则轮缘（或轮毂）的厚度如图4所示，可取为齿厚s的1.25~3倍，而腹板和轮毂至少应和轮缘一样厚。由于轮缘－轮毂设置在腹板上，为了便于塑胶熔体更好的填充和提高齿轮结构的强度，腹板的厚度应该比轮缘更厚一些，但腹板的厚度仍然不应超过轮缘的1.25~3倍。为了便于塑胶熔体的填充和减少应力集中出现，应对塑胶齿轮基体结构上的所有内角进行倒圆处理，倒圆的半径可以设为壁厚的50%~75%。

为了减轻塑件重量和降低成本，在塑料齿轮的腹板上传统设计有孔洞的做法应该避免。因为会在塑件孔洞周围的表面形成皱纹，并如图5所示。

在齿圈上将出现高、低收缩区，使得齿轮齿顶圆直径偏差和不圆度变大。这种不良的齿轮基体结构设计，不但会削弱齿轮的强度，还会造成注塑成型齿轮的径向综合误差超差，进而引起传动轮系的啮合噪声增大等不良缺陷。

与上相同的原因，在腹板上的加强筋的设置也会影响齿轮的精度。因此，除了为适应动力传动的需要，应尽量避免。如果必须设置，就应该在齿轮的两侧设置，如图6所示，刚好对称错开的加强筋，尽量降低塑件高、低收缩区的影响。

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