谈小齿轮的制造与装配

程志敏

摘要：小齿轮的制造方法很多，文章结合作者多年的实际工作经验，提出了一种改进的小齿轮加工制造、装配方法，仅供相关技术人员参考。

关键词：小齿轮轴；齿轮制造；齿轮装配

中图分类号：TH132文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）07-0013-02

在各种传动机构中，齿轮传动是最为常用的，因此，要使减速器小型化，有必要实现齿轮的小型化。下面主要介绍小齿轮的制造方法，同时介绍一种小齿轮的技术改进方法。

一、小型齿轮的制造方法

（一）滚刀滚削加工

通常的做法是采用滚刀在滚齿机上切制齿轮。小型齿轮滚齿加工时，滚刀的齿形必须进行微加工。因为齿形小，除滚刀齿形误差外，滚刀的孔径跳动、端面跳动、周节等误差都将对小型齿轮的精度有很大的影响，而加工用的滚齿机、工件主轴、刀具主轴、工件分度机构及工件夹具等诸多方面的精度、刚度以及滚刀和工件的安装精度，等等，都会影响小型齿轮的制造精度，因此，有必要提高制造系统总的综合精度。在此基础上，再选择易切削的材料，就可较容易地实现批量生产模数相同、品种不同的小型齿轮。

（二）注射成型塑料齿轮

用注射成型法加工而成的塑料齿轮，由于能在短时间内实现大批量生产，因此多用于办公室机器、家用电器等较轻载荷下使用的齿轮。近年来，在注射成型技术不断提高、注塑材料性能不断改进的同时，注塑成型齿轮的精度也大幅提高，注塑齿轮用模具的精度和注射成型技术均为影响注射成型法的重要因素。

在制作模具时，主要采用线切割和电火花加工。但由于所使用的线径、成型电极的放电间隙等因素的影响，限制了小型齿轮模具精度的提高。此外，模具也可采用电铸方法制造。电铸所用的基准齿轮，采用切削或磨削加工可提高其精度。基准件齿轮可电镀加厚。通过化学溶解，由阳（凸）的基准件得到阴（凹）的模具。因基准件齿轮的精度高、电镀处理不会产生变形等原因，因此有可能制作出精度较高的小型齿轮模具。由于采用基准件，借助化学溶解法，可以加工出形状复杂的模具来，除直齿轮、斜齿轮外，锥齿轮、端面齿轮、蜗杆、蜗轮等各种不同类型的模具都能制造。使用高精度模具，使塑料小型齿轮的大规模生产成为可能。但由于其齿形小、受力容易变形等原因，在大载荷传动且传动精度要求高的场合，采用强度大的金属齿轮更为有利。

（三）金属烧结制作法

采用模具中高压成型技术，金属粉末进行高温烧结固化而成的烧结金属齿轮（粉末冶金齿轮），其机械强度比塑料齿轮高，在中等载荷条件下使用。模具成型法适于大批量生产。但模具成形后，经过高温烧结，变形很大，因此要达到必要的精度，在烧结后齿轮还要进行精加工。由于齿形微小，小型齿轮的精加工比较困难，加之金属粉末的金属颗粒较大，从而限制了其形状精度和表面光洁度的提高。成型模具若采用上文注射成型塑料齿轮

中所提列的基准齿轮电极电解加工方法，其加工出的齿轮精度就有可能提高。

二、小型齿轮的试制

如果将某电动工具所用的行星齿轮系中的主动中心轮的形状设计成如图1所示，则可减轻整机的净质量。由于中心轮模数m=1mm，齿数z=7，其外圆尺寸很小，因此只能将齿轮与轴设计成一个整体。

齿轮轴的加工方法虽然很多，但无论是滚齿还是铣齿均难以加工出满足图1所要求的齿轮轴。为此，有必要将该齿轮轴分解制造，然后组装成一个整体，这样既改善了行星轮系关键零件的制造工艺性能，又能使结构紧凑，减轻整机净质量。

（一）齿轮轴的结构改进

图1中零件制造的关键在于齿轮段的加工。在22mm长度上，齿轮轮齿沿轴向必须完整。即使在外径突然增大为25mm的轴肩端面处，轮齿齿形也必须保持不变，否则不利于齿轮的啮合。这一整体结构在现有技术条件下是难以制造的。为此设想将齿轮与轴分离，分别加工后再过盈装配。由于齿轮顶圆与轴段孔之间不是整圆配合，须在两者之间增加一个齿圈过渡连接件，装配结构如图2所示。图中，齿轮和齿圈都是独立完整的零件，加工起来非常容易。

（二）齿轮参数的选择

与图2小齿轮配合的行星轮齿数为29，两者中心距a=18mm。众所周知，用范成法加工齿数为7的齿轮必须变位，而且最小变位系数xmin=-0.588，否则会出现严重根切现象。但是另一方面，当变位系数取为x=0.588时，该齿轮的齿顶会被切出，因而会破坏正确啮合条件。

设两齿轮啮合时的齿顶间隙为0.25m（m为模数），且相互啮合的该对齿轮采用零传动变位，则借助文献[1]中公式可求小齿轮齿顶圆齿厚：

Sa1= S1ra1/r1-2ra1（invαa1-invα） （1）

式中，Sa1为小齿轮齿顶圆齿厚；ra1为小齿轮齿顶圆半径，且ra1=a-0.25m-rn；r1为小齿轮分度圆半径；S1为小齿轮分度圆周上齿厚，且S1=0.5πm+2x1mtanα；αal为小齿轮齿顶圆压力角，且cosαal=r1cosα/αal ；rn为行星轮的齿根圆半径。现将按式（1）所求得各种变位系数条件下的Sa1值见表1：表1 齿顶圆周上齿厚与变位系数对应关系

综合考虑的结果以取变位系数x1=0.43为宜，由此可求出小齿轮的相关尺寸见表2：

由表2可知，经正变位加工的齿轮，其齿根圆有所加大，整个齿轮的强度有所提高。

（三）小齿轮和齿圈的线切割加工

对于模数m=1，齿数z=7的小齿轮，无论用滚齿还是铣齿都比较困难。因为除刀具难以解决外，装夹也成问题。在笔者所能获得的加工条件下，线切割是最好的方法。用线切割加工齿轮时，须先在线切割加工机床的计算机上键入所需加工的齿轮参数，计算机即按照范成法原理自动绘出相应齿形，并显示在屏幕上，当加工程序自动生成后，即可根据程序切制轮齿。

从理论上说，线切割加工齿轮，完全可不遵循范成法原理。只要能在计算机中绘制出不根切的渐开线齿形，即使齿数再少，也不会发生根切。但是，笔者实验室现有的FS250C7型线切割机床根据所提供的软件系统预先画出的齿廓曲线都是按照范成法原理生成的，因此线切割加工齿轮在z<17时，不变位就会根切。

笔者采用厚度δ=40mm的40Cr小块坯料，装夹后，从其一角切入。键入的参数为：m=1，z=7，x=0.43，h*=1，c*=0.25。由于钼丝直径为0.18mm，电火花放电间隙为0.02mm，为此输入外补偿值为0.1。

该坯料事先经硬调质处理，虽然硬度较高，但丝毫不影响线切割的效率和效果。一个齿顶圆直径为Φ9.86mm，宽度为40mm的完整齿轮即可较快加工出来。

接着输入m=1，z=7，x=0.43，h*=1，c *=0.25和内补偿值0.1，装夹一块厚度为18mm的45钢板，从其一角开始，切制出一个内齿轮圈。钼丝从外向里切入，切制出内齿圈后再从原路退回即切出Φ15 mm的外圆，如此加工可保证内齿圈与外圆的同心。

三、齿轮轴的组装

在齿轮和齿圈切制之前，已在车床上加工了图2中的轴，将齿轮装入齿圈，待齿轮轴在100℃热油中浸泡6分钟左右并取出后，即将齿圈齿轮组装入。由于齿圈有一约0.2mm的切口，热装冷却后，过盈量会使切口收紧，而紧紧箍住齿轮，齿轮、齿圈和轴便成为一个整体。整个轮系装配后，转动主动轮轻快自如，完全能满足使用要求。齿轮圈和齿轮轴本体间的过盈量亦完全能满足力矩传递的要求。

四、结语

线切割法加工小模数少齿数齿轮时，装夹方便，并且自动化程度高。由于直接从毛坯外进丝，可免去穿丝手续。由于线切割法不受材料硬度影响，因而所加工出来的小齿轮可具有初始硬度，切制后无须热处理。线切割控制尺寸十分方便，在加工出图2中的轴本体后，根据孔的尺寸再切制齿圈，可确保装配的过盈量。切制齿轮和齿圈时，所输入的齿轮参数完全相同，唯一不同的是补偿值0.1有内外之别。切制齿轮为外补偿，切制齿圈用内补偿，从而两者配合后无间隙。此外，加工齿圈时不穿丝，导致齿圈出现一宽度为0.2mm的切口，该切口有利于保证齿轮轴装配后的整体性。这一方法可在多种场合下推广。

参考文献

[1]孙桓，陈作模．机械原理（第六版）[M]．北京：高等教育出版社，2001．

[2]罗庆生，韩宝玲．精密小模数少齿数齿轮齿形的设计与加工[J]．机械传动，2000，24（4）．