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第11章 齿轮刀具 齿轮是各种机械产品中应用最为广泛的传动零件。齿轮加工又是机械制造的重要组成部分。目前，全世界每年对齿轮的需求量约为100～200亿件，其中80％是直径为30～300 mm、模数为2～5 mm的齿轮。尽管齿轮加工方法种类繁多，但绝大部分齿轮是用各种齿轮刀具在与其相适应的机床上切削出来的，其中又以滚齿应用最为广泛，其次为插齿。 11.1 齿轮刀具的分类 11.1.1 按成形法加工的刀具 成形法加工齿轮刀具的特点是刀具的齿形或齿形的投影与被切齿轮端面的齿槽形式相同。这类刀具主要有盘形齿轮铣刀、指形齿轮铣刀、齿轮拉刀和插齿刀等。前两种刀具结构简单，可在普通铣床上加工，而无需使用结构和调整较为复杂的专门齿轮机床，但它们加工出的齿轮精度一般较低，常用于修配和单件生产。后两种刀具加工精度和生产率都比较高，但刀具制造复杂，仅适用于大量生产。 1.盘形齿轮铣刀 盘形齿轮铣刀是一种廓形与齿齿槽形式状相似的成形铣刀，如图11-1所示。 图11-1 盘形齿轮铣刀 由机械原理可知，两个齿轮即使模数和压力角分别相等，如果齿数不同，则它们的基圆就不同，不同的基圆所形成的渐开线齿形也就不同。如图11-2所示，1、2两条渐开线分别为基圆、所形成的渐开线，其形状不同。因此，用成形法切制齿轮要得到较高精度，就必须在切制不同模数、不同压力角以及不同齿数的齿轮时，设计与其齿形相同的专门铣刀。这样做不仅是不经济的，而且在技术和管理上也非常麻烦。为了减少铣刀的规格和数量，标准盘形齿轮铣刀都需成套制造和供应，即对同一模数的盘形齿轮铣刀，按被切盘形齿轮齿数间隔分为8个刀号或15个刀号，每个刀号表示一种切制一定齿数范围（间隔）盘形齿轮铣刀。 图11-2 齿轮齿数与齿形的关系 当模数m≤8 mm时，同一模数的盘形齿轮铣刀由8个刀号（8把铣刀）组成一套；当模数m≥9 mm时，同一模数的盘形齿轮铣刀由15个刀号（15把铣刀）组成一套。盘形齿轮铣刀刀号和加工齿数的范围见表11-1。 表11-1 盘形齿轮铣刀刀号和加工齿数的范围 铣刀刀号 1 2 3 4 加工齿数范 围 8把一套 12～13 — 14～16 — 17～20 — 21～25 — 15把一套 12 13 14 15～16 17～18 19～20 21～22 23～25 铣刀刀号 5 6 7 8 — 加工齿数范 围 8把一套 26～34 — 35～54 — 55～134 - ≥135 — 15把一套 26～29 30～34 35～41 42～54 55～79 80～134 — 标准盘形齿轮铣刀每种刀号的铣刀齿形，都是按其加工齿轮齿数范围内的最小齿数设计的，其优点是使被切齿轮在啮合时不至于相互干涉。被切齿轮除分度圆齿厚外，其他各直径圆周上的齿厚部有所减薄，其中以齿顶部分的齿形误差为最大。标准盘形齿轮铣刀加工齿轮的精度较低，一般不超过9级。 在生产中常用加工直齿圆柱齿轮的盘形齿轮铣刀来加工斜齿圆柱齿轮。此时，铣刀的刃形在理论上既不同于被切齿轮的端平面截形，又不同于其法平面截形。用盘形齿轮铣刀加工斜齿轮时误差比加工直齿轮大，螺旋角越大，误差也越大。由于加工时铣刀的模数和齿形角要分别同被切齿轮的法向模数和法向压力角相等，故铣刀刀号应根据斜齿圆柱齿轮法平面的当量齿数zv来选择，其计算公式为 （11-1） 式中，为斜齿圆柱齿轮的齿数；为斜齿圆柱齿轮的分度圆柱上的螺旋角（°）。 2.指形齿轮铣刀 如图11-3所示为指形齿轮铣刀。指形齿轮铣刀一般用于加工大模数（m＝8～40 mm）的直齿轮或斜齿圆柱齿轮。人字齿轮主要也是用指形齿轮铣刀来加工的，且对于两列以上的人字齿轮，指形齿轮铣刀目前是唯一的切削工具。但需指出，用指形齿轮铣刀加工斜齿圆柱齿轮和人字齿轮时的加工方法不属于成形法。 图11-3 指形齿轮铣刀 11.1.2 按展成法加工的刀具 这类刀具工作的基本原理是，除了主运动外，刀具与被加工齿轮模拟一对齿轮（或齿条与齿轮）的啮合，它们绕各自的中心线作相对的纯滚动。工件轮齿的齿形就是在纯滚动过程中刀具在不同位置时的刃形在工件轴线的垂直平面内投影的一族曲线的包络线，如图11-4所示。反之也可以把刀具的刃形（或它在某一平面内的投影）看做是由工件齿形在纯滚动过程中一系列不同位置包络而成的。上述的纯滚动称为展成运动。这种加工齿形的方法称为展成法，又称范成法。插齿、滚齿和剃齿等都属于这种齿形加工方法。 图11-4 用展成法加工的刀具的齿廓表面 展成法切齿可以用一把刀具切出同一模数而齿数不同的齿轮，这是一个很大的优点。其次，根据展成法切齿，可以模拟齿条与齿轮啮合的基本原理，使用直线齿廓的齿条式工具来制造渐开线齿轮刀具，这就为