大模数少数齿剃齿齿形研究

谢建安

摘 要：大模数齿数少的齿轮，剃齿时由于重合度低，剃齿单啮区和双啮区的存在，容易产生中凹等恶劣齿形，本文介绍了如何通过剃齿刀修形、加工余量、剃齿啮合点、滚插齿齿形的工艺控制，解决各类剃齿中凹等恶劣齿形问题，降低总成噪音。

关键词：大模数，少齿数，齿形，中凹，控制，噪音

第一部分、剃齿齿形中凹产生的原理及影响

1.问题背景

在汽车和工程机械变速器中，由于传动速比和扭矩的需要，常会遇见大模数、齿数少的齿轮，甚至为直齿齿轮，此类齿轮由于重合度低，滚齿和剃齿过程切削压力常会发生变化，特别是剃齿过程剃削压力的变化，剃齿刀修形不易掌握，导致滚、剃加工时易产生中凹等恶劣齿形（见图2 某变速器中间轴剃齿中凹齿形），为公认的难剃齿齿轮。

2.剃齿齿形中凹产生的原因及影响

剃齿时，齿顶和齿根处同时有两个齿被剃削，而分度圆附近节圆处，只有一个齿在剃削。由于剃齿刀与齿轮齿顶和齿根区域有两处接触（A、C），与齿轮中部区域只有一处接触（B），因此，齿轮中部区域的剃削压力大于齿顶和齿根区域，中部剃去的余量较大，因此，在此区域产生中凹齿形。中凹齿形产生的原理如图1所示。

对于汽车和工程机械变速器而言，汽车变速器的低速档齿轮，工程机械变速器齿轮，有较多的大模数、齿数少、直齿齿轮，由于重合度低，啮合系数小，由于前述原因，按常规工艺制造齿轮，产生中凹齿形较为常见，齿形误差可达到1μm～3μm，严重时可达3μm～5μm，导致齿轮强度降低，总成噪音升高，见图3某变速器中间轴中凹齿形和总成噪音。为解决中凹齿形问题，为使产品不中凹的过分修形（难以控制：数值不对应，无规律，如S形、顶塌和过大的鼓形量4.5μm～5μm），又会降低重合度，导致噪音较高或异响，见图4某型号产品剃鼓形齿和总成噪音。

3.为解决中凹齿形，导致重合度降低，导致噪音较高或异响的试验和统计数据。

图4是某变速器中间轴倒档剃齿齿形：严重中凹或S形;齿形精度误差Fα4.5μm～6μm，总成倒档噪音超标，均值92.7dB，倒档噪音统计数据如下图5所示。

低重合度造成噪音较高或异响的试验：图4所示的倒档齿齿形，导致总成异响，拆下倒档齿轮副，检测齿轮精度，发现除齿形误差外，其余精度都在GB/T10095.1-2008 6级精度以内，仅更换齿形如图6所示倒档齿：总成异响基本消除，倒档噪音达标，用于更换的齿轮，除齿形误差外，倒档齿初始各项精度与异响总成倒档齿各项精度相近，该倒档齿经1万公里的道路试验，齿形发生了变化，已基本没有鼓形，齿形接近理想渐开线，提高了重合度，装上总成后，异响基本消失，总成噪音降低。

1.剃齿刀修形

剃齿刀修形不合理是造成齿形中凹的因素之一。对于此类问题，在消除中凹的情况下，剃齿刀适当反修形，寻找修形形状，修形位置，保持齿形不中凹，为保证齿轮啮合时，有适量的润滑油，产生润滑效果，剃齿时，通常要求产品齿形有适当的鼓形量。剃齿刀修形应注意，剃齿刀反修形量不宜过大，否则，齿形产生较大的鼓形量，会破坏重合度，导致总成噪音升高，甚至产生图4所示的齿形导致的异响（见图5）。图7所示为齿轮测量中心P40计量的剃齿刀齿形，图8所示为该刀所剃产品齿形，可以看出，消除了前述的齿形中凹等问题，齿形完全合格。

2.剃齿余量

剃齿余量不合理也是造成齿形中凹的因素之一。通過研究直齿和少数齿剃齿余量（滚齿M值）对剃齿齿形精度的影响发现，在同样的剃齿刀修形的情况下，调整剃齿余量（滚齿M值），剃齿齿形会有变化。解决此类问题的方法是：通过试验，给出合适的滚齿M值，解决剃齿余量对剃削压力变化导致的齿形不能稳定合格问题。图9～图10所示为同样修形的剃齿刀，调整剃齿余量后的剃齿齿形变化。某型号产品余量调整情况：滚齿M值由59.85±0.03调整至59.77±0.03。图9为剃齿余量调整前的齿形，图10为剃齿余量调整后的齿形：齿形完全合格。

3.剃齿切削啮合起止点

剃齿切削啮合起止点造成齿形问题的因素之一。研究此类问题对剃齿齿形精度的影响，是通过测量剃齿刀的外径和齿厚，磨剃齿刀外径或重新刃磨剃齿刀，改变剃齿刀修形位置，解决由于剃齿啮合起止点造成的剃削压力变化，导致的齿形不能稳定合格，而达到齿形合格的。图11、图12所示，某型产品调整剃齿啮合起止点前后的剃齿齿形变化。图11是其它因素不变的情况下，齿形虽然不是很稳定，但较好的齿形，通过重新调整剃齿啮合起止点，得到如图12所示稳定合格的齿形。

4.滚齿和插齿初始齿形

滚、插齿初始齿形也是造成齿形问题的因素之一。由于滚齿和插齿齿形只是工艺过程的初始齿形，产品齿形要达到标准，一般都要通过后续加工来实现，通过研究此类问题发现：初始齿形相对较好，为获得稳定合格齿形的其它调整就相对容易。滚插齿初始齿形的控制，更主要的是控制齿形倾斜斜率的游离程度，一般情况下，游离越小，剃齿效果越好。

5.解决剃齿齿形中凹等问题的措施效果

对于不同因素导致的剃削压力变化，最终导致齿形变化（不合格），通过试验证实，依照前述相应的措施，都能获得稳定合格的齿形。除齿形合格外，还获得以下效果：由于剃齿成本较磨齿和珩齿等工序成本低很多，因此，在需要较高精度齿形和较低噪音的变速器总成场合，此类研究成果的应用可显著降低成本。

参考文献：

[1]王先逵.《机械制造工艺学》下册，精密制造.第1版，北京清华大学出版社，1989年，P39～P40.