第四講 切齒原理、輪齒失效及齒輪材料

齒輪傳動和輪系第十六章三一工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院主講

蔡啟方1第四講切齒原理

輪齒失效和齒輪材料2“國家之責(zé)大于企業(yè)之利，三一在企業(yè)內(nèi)大力倡導(dǎo)“先做人，后做事”、“產(chǎn)業(yè)報國”、“品質(zhì)改變世界”等文化理念。創(chuàng)業(yè)以來，三一堅持“遵紀(jì)守法，誠信經(jīng)營，公平競爭”的原則，嚴(yán)格遵守國家的法律法規(guī)，并制訂了一系列的規(guī)章制度來規(guī)范企業(yè)的經(jīng)營活動和員工的言行，促進(jìn)了企業(yè)的健康、持續(xù)、穩(wěn)定的發(fā)展，贏得了社會和客戶的廣泛關(guān)注與大力支持，也為社會創(chuàng)造了巨大的財富?！薄悍€(wěn)根我為三一而自豪3教學(xué)目的及教學(xué)重點教學(xué)目的和要求：1、了解輪齒的加工方法，標(biāo)準(zhǔn)齒輪產(chǎn)生根切的原因。2、了解輪齒失效形式，產(chǎn)生的原因和防止的措施3、了解齒輪材料及熱處理方法教學(xué)重點和難點：1、分析導(dǎo)致齒輪輪齒產(chǎn)生根切的原因。2、輪齒失效形式，產(chǎn)生的原因和防止的措施3、齒輪材料及熱處理方法4復(fù)習(xí)上次課教學(xué)內(nèi)容關(guān)于作業(yè)中存在的問題5新課導(dǎo)入從齒輪加工說起……6§16-5切齒原理和根切現(xiàn)象7一.漸開線齒廓的加工原理齒輪的加工方法鑄造沖壓模鍛粉末冶金切削法熱軋仿形法范成法輪齒加工的基本要求是齒形準(zhǔn)確和分齒均勻。最常用的是切削加工法，輪齒的切削加工方法按其原理可分為成形法和范成法兩類8仿形法(成形法)原理：用與齒間的齒廓完全相同的成形銑刀（盤形銑刀或指狀銑刀）在普通銑床上直接銑出輪齒的齒廓。加工時銑刀繞本身的軸線旋轉(zhuǎn)，同時輪坯沿本身軸線移動，當(dāng)銑完一個齒槽后，輪坯退回原處，再用分度頭將輪坯轉(zhuǎn)過360°/z，用同樣方法銑第二個齒槽，重復(fù)進(jìn)行，直至銑出全部輪齒。9仿形法(成形法)仿形法加工費用低，在普通銑床上即可加工齒輪，但其效率低，精度差，只適用于修配或小量生產(chǎn)。盤形銑刀指狀銑刀10成形法11造成仿形法精度低的原因1.分度誤差和對中誤差2.刀具的齒形誤差漸開線形狀取決于基圓直徑db=mzcos，當(dāng)m、α一定時，漸開線齒廓形狀隨齒數(shù)z的多少而改變，為經(jīng)濟(jì)起見，對同一模數(shù)和壓力角的齒輪，只準(zhǔn)備8把或15把銑刀，各號銑刀所加工齒輪的齒數(shù)范圍見下表。12范成法(展成法)原理：范成法是利用一對齒輪（或齒輪與齒條）互相嚙合時其齒廓互為包絡(luò)線的原理來切齒的。如果把其中一個齒輪（或齒條）做成刀具，就可以切出與它共軛的漸開線齒廓。優(yōu)點：同一模數(shù)和壓力角而齒數(shù)不同的齒輪可用同一把刀具加工；加工是連續(xù)的，因而效率高，精度高；適應(yīng)大批量生產(chǎn)。范成法種類很多，有插齒、滾齒、剃齒、磨齒等，其中最常用的是插齒和滾齒，剃齒和磨齒用于精度和光潔度要求較高的場合。131.刀具及其齒形范成法切削齒輪常用的刀具齒輪插刀齒條型刀具滾刀齒條插刀14齒輪插刀齒輪插刀切齒齒輪插刀模數(shù)和壓力角與被加工齒輪相同。加工時，插齒刀沿輪坯軸線方向作上下往復(fù)的切削運動；同時，機(jī)床的傳動系統(tǒng)嚴(yán)格地保證插齒刀與輪坯之間的范成運動。齒輪插刀刀具頂部比正常齒高出c*m，以便切出頂隙部分。齒輪插刀不但可以加工外齒輪，還能加工內(nèi)齒輪。15齒條型刀具齒形齒條型刀具齒形相當(dāng)于在基本齒廓的齒頂上加一段齒頂圓角，其高度為c*m，用以加工出齒輪的齒根圓角部分。刀具的中線又稱為分度線，中線上的齒厚s等于齒槽寬e，均為πm。中線上下兩段直線齒廓是用來加工漸開線的，齒廓傾斜角稱為齒形角。齒條刀具的，c*，等參數(shù)均由基本齒廓作出規(guī)定。當(dāng)齒輪插刀的齒數(shù)增加到無窮多時，其基圓半徑變?yōu)闊o窮大，插刀的齒廓變成直線齒廓，齒輪插刀就變成齒條插刀，16齒條插刀齒條插刀172.切削過程中的運動1)范成運動齒條插刀插齒，機(jī)床傳動鏈應(yīng)使齒條插刀的移動速度v與被加工齒輪(齒數(shù)為z，角速度為ω)分度圓線速度相等，即：2)切削運動及其它運動①切削運動②讓刀運動③進(jìn)給運動切削運動進(jìn)給運動讓刀運動范成運動183.滾齒加工的特點滾齒原理：滾刀相當(dāng)于軸截面為直線齒形的螺桿，滾刀旋轉(zhuǎn)時，相當(dāng)于直線齒廓的齒條沿其軸線方向連續(xù)不斷地移動，從而加工出任意要求齒數(shù)的齒輪。為了沿齒寬方向加工出齒槽，滾刀在轉(zhuǎn)動的同時，

還需沿輪坯軸線方

向作進(jìn)給切削運動。滾齒加工切削連續(xù)，生產(chǎn)效率高，還能方便地加工出斜齒輪，因而大批量生產(chǎn)中多采用這種方法。1-滾刀2-輪坯滾齒原理圖進(jìn)給切削運動19滾齒齒輪滾刀20二、漸開線齒廓的根切現(xiàn)象1、根切現(xiàn)象：當(dāng)用范成法加工標(biāo)準(zhǔn)齒輪時，如果被加工齒輪的齒數(shù)太少，會出現(xiàn)刀具的頂部切入到輪齒的根部，切去了輪齒根部的漸開線齒廓，這種現(xiàn)象就稱為輪齒的根切。輪齒的根切現(xiàn)象212、漸開線齒廓根切產(chǎn)生的成因漸開線齒廓根切產(chǎn)生的原因圖示為齒條刀具的齒頂線超過極限嚙合點N1的情況，當(dāng)?shù)毒啐X廓通過N1

點處于位置II時，已經(jīng)將漸開線齒廓加工完了,但當(dāng)范成運動繼續(xù)進(jìn)行時，

刀刃仍將繼續(xù)進(jìn)行切削，若到

位置III時，刀刃與嚙合線交于

一點K，在這種情況下，圖中

的陰影部分必然被刀具切掉，

產(chǎn)生根切現(xiàn)象。223、齒廓根切的后果輪齒的根切現(xiàn)象齒廓根切的后果：根切嚴(yán)重的齒輪，由于根部變窄，強(qiáng)度減弱；同時，使一對嚙合齒輪的重迭系數(shù)減小，齒輪傳動的平穩(wěn)性受影響；所以制造齒輪時應(yīng)避免根切現(xiàn)象。小結(jié)：用范成法切制輪齒時，如果刀具的齒頂線超過了嚙合線與齒坯基圓的切點N1時，被切削的齒輪的輪齒必將產(chǎn)生根切現(xiàn)象。234、標(biāo)準(zhǔn)齒輪不產(chǎn)生根切的最少齒數(shù)輪齒產(chǎn)生根切現(xiàn)象與齒數(shù)有關(guān)，對于標(biāo)準(zhǔn)齒輪，是用限制最少齒數(shù)的方法來避免根切，不發(fā)生根切的最少齒數(shù)計算公式為：正常標(biāo)準(zhǔn)齒輪：齒頂高系數(shù)ha*=1，zmin=17

短齒標(biāo)準(zhǔn)齒輪：齒頂高系數(shù)ha*

=0.8，zmin

=14為了獲得比較緊湊的結(jié)構(gòu)，允許齒根部有輕微根切時，zmin=14。24§16-6齒輪輪齒的失效形式25一.齒輪輪齒的失效形式齒輪在傳動過程中，由于損壞而失去了正常的工作能力，稱之為失效。

輪齒的主要失效形式輪齒折斷齒面點蝕齒面膠合齒面磨損齒面塑性變形261.輪齒折斷（1）輪齒折斷產(chǎn)生的原因：齒輪工作時輪齒危險剖面的應(yīng)力超過材料所允許的極限值，輪齒將發(fā)生折斷。在齒根處受到的彎矩最大，并產(chǎn)生應(yīng)力集中。在交變載荷的作用下，齒根處會產(chǎn)生疲勞裂紋，裂紋的逐漸擴(kuò)張，使輪齒在根部折斷——疲勞折斷。因短期過載或受過大沖擊載荷時突然斷裂——過載折斷。（2）輪齒折斷的部位：輪齒根部271.輪齒折斷輪齒折斷是開式或閉式傳動硬齒面齒輪（HBS≥350）的主要失效形式。（3）防止輪齒折斷的主要措施：1）避免過載和沖擊；2）選擇適當(dāng)?shù)哪?shù)和齒寬；3）采用適當(dāng)?shù)牟牧虾蜔崽幚矸椒ǎ?）齒根圓角不宜過小，以減小應(yīng)力集中；282.齒面點蝕點蝕——輪齒齒面金屬脫落而形成一些細(xì)小的凹坑的現(xiàn)象稱為點蝕。（1）產(chǎn)生點蝕的原因：兩齒輪在傳動中，由于受交變應(yīng)力的作用，齒面上產(chǎn)生疲勞裂紋，隨應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加，裂紋逐步擴(kuò)張，使齒面金屬小塊脫落而形成點蝕。（2）點蝕是閉式齒輪傳動，軟齒面（HBS≤350）齒輪的主要失效形式。（3）點蝕產(chǎn)生的部位：點蝕絕大多數(shù)

發(fā)生在靠近節(jié)線的齒根面上。292.齒面點蝕（4）防止點蝕的主要措施：1） 提高硬度。設(shè)計時合理選擇齒輪參數(shù)，采用合適的材料和齒面硬度，使接觸應(yīng)力不超過材料的許用值。2） 提高潤滑油的粘度或采用適當(dāng)?shù)奶砑觿?，使齒面形成油膜。303.齒面膠合齒面膠合——高速重載齒輪傳動中，齒面產(chǎn)生瞬時高溫，較軟齒面的表面金屬會熔焊在與之相嚙合的另一齒輪的齒面上。當(dāng)齒輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動時，由于兩齒面的相對滑動，較軟工作齒面上形成與滑動方向一致的撕裂溝痕，這種現(xiàn)象稱為齒面膠合。（1）產(chǎn)生膠合的原因：1）高速重載傳動中，散熱不好，潤滑油溫

急劇上升，粘度下降，將齒面間油膜破壞；2）低速重載傳動中，由于齒間

壓力很大，潤滑油膜易擠破，使兩齒

面直接接觸；313.齒面膠合（2）齒面膠合是高速重載或低速重載軟齒面齒輪的主要失效形式。（3）膠合主要產(chǎn)生的部位在：靠近節(jié)線的齒頂面上。（4）防止齒面膠合的措施：1）選擇適當(dāng)?shù)臐櫥?。對低速傳動，采?/p>

粘度大的潤滑油；對高速傳動，采用硫化了的

潤滑油。2）兩齒輪選擇不同的材料；3）提高齒面硬度和降低表面粗糙度值。324.齒面磨損（1）產(chǎn)生磨損的原因：互相嚙合的兩齒廓表面間有相對滑動，在載荷作用下會引起齒面的磨損。尤其在開式傳動中，由于灰塵、砂粒等硬顆粒容易進(jìn)入齒面間而發(fā)生磨損。齒面嚴(yán)重磨損后，輪齒將失去正確的齒形，會導(dǎo)致嚴(yán)重噪音和振動，影響輪齒正常工作，最終使傳動失效。（2）齒面磨損是開式齒輪傳動的主要失效形式防止磨損的主要措施：1） 采用閉式傳動；2） 提高齒面硬度和降低表面粗糙度值；3） 改善潤滑條件，保持潤滑油的清潔。335.齒面塑性變形在重載的條件下，較軟的齒面上表層金屬可能沿滑動方向滑移，出現(xiàn)局部金屬流動現(xiàn)象，使齒面產(chǎn)生塑性變形，齒廓失去正確的齒形。在起動和過載頻繁的傳動中較易產(chǎn)生這種失效形式。提高齒面硬度和采用黏度較高的潤滑油，有利于防止或減輕齒面的塑性變形。34二．齒輪的常用材料1．對材料的要求（1）齒面硬度足夠，以抗點蝕和耐磨；（2）有足夠的強(qiáng)度和沖擊韌性；（3）對易發(fā)生膠合的齒輪，應(yīng)選用不同的齒輪副材料；（4）根據(jù)要求選材料；35二．齒輪的常用材料2．常用齒輪材料鍛鋼：各種牌號的優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼；鑄鋼：大齒輪（d>400—600mm）鑄鐵：低速、大直徑3．一對齒輪傳動，小齒輪的材料應(yīng)比大齒輪的材料要好一些。常把小齒輪的齒面硬度選得比大齒輪高出20—50HBS，傳動比愈大，硬度差值也愈大。36三.齒輪常用的熱處理方法1．表面淬火：一般用于中碳鋼和中碳合金鋼。齒面硬度可達(dá)HRC52~56，耐磨性好，齒面接觸強(qiáng)度高。表面淬火的方法有高頻淬火和火焰淬火等2．滲碳淬火：用于處理低碳鋼和低碳合金鋼，齒面硬度可達(dá)HRC56~62，齒面接觸強(qiáng)度高，耐磨性好，而輪齒芯部仍保持有較高的韌性，常用于受沖擊載荷的重要齒輪傳動3．調(diào)質(zhì)：用于處理中碳鋼和中碳合金鋼。調(diào)質(zhì)處理后齒面硬度可達(dá)HBS220~26037三.齒輪常用的熱處理方法4．正火：能消除內(nèi)應(yīng)力、細(xì)化晶粒，改善力學(xué)性能和切削性能。中碳鋼正火處理可用于機(jī)械強(qiáng)度要求不高的齒輪傳動中軟齒面：熱處理后齒面硬度