齿轮制造商取决于可用的机械,设计规格或要求,生产成本,以及齿轮的材料类型。

齿轮的制造方法有很多,包括:

  • 金属去除工艺(滚刀、成型、铣削、剃须、研磨、珩磨和研磨)
  • 各种铸造工艺,以生产齿轮坯和近净形齿轮
  • 冲压和精冲
  • 冷拔和挤压
  • 粉末冶金(P/M)加工
  • 注塑
  • 齿轮滚
  • 锻制齿轮坯和精锻近、净形齿轮

所列的大多数工艺适用于低磨损要求、低功率传动和相对较低的传动运动精度[1]的齿轮。当应用涉及一个或多个这些特性的较高值时,使用锻造或切削/加工齿轮。表1列出了各种齿轮制造工艺[2]的AGMA质量编号的公差。

表1:根据AGMA质量编号为各种齿轮制造工艺的建议公差。

铸造

尽管铸造工艺最常用于制造将有切割齿的齿轮的空白(图1和图2),有几种铸造工艺的变化用于制造齿齿轮很少或不加工。

图1:铸钢齿轮毛坯。重量:478公斤(1053磅)。[3]
图2:大型机加工铸钢齿轮。[3]
例如,铸齿内齿轮(图3)生产的几种尺寸可达1633公斤(3600磅)。他们热处理到强度水平的689兆帕(100 ksi)和加工不需要这些齿轮。在需要加工的情况下,通过更接近最终形状的铸件来降低加工费用。

铸齿齿轮的另一个例子是由铸高锰(Hadfield)钢生产的小齿轮,用于电采矿铲,如图4所示。没有必要加工齿轮齿。

图3:铸齿内齿轮。重量可达1633公斤(3600磅)。[3]
图4:电采矿铲的铸齿小齿轮。重量:212公斤(468磅)。[3]

特定的铸造过程

大多数铸造工艺已用于生产齿轮坯或铸造齿齿轮,包括砂型铸造、外壳成型、永久模具铸造、离心铸造、熔模铸造和压铸。切削齿轮也从连续铸造棒生产。下面将简要介绍一些常用的过程。关于这些过程的更详细的信息可以在ASM手册的“铸造,第15卷”中找到。砂型铸造主要用于生产齿轮坯。在最近的时间里,只有非常有限的使用齿轮的齿由砂铸造[4]。在某些情况下,农业机械的齿轮,煤气机和一些手动操作的设备使用铸齿。在铸铁或铸钢齿轮齿形中,由于模数牵伸和冷却变形的存在,难以获得较高的精度。表1显示,砂铸齿轮具有最低的AGMA质量水平的主要齿轮制造方法。

壳体成型工艺特别适用于以下铸件:

  • 外壳成型(与传统的绿砂成型相比)提供了更大的尺寸精度,可以减少完成零件所需的机加工量。
  • 铸造时的尺寸并不重要,但光滑的表面(比砂型铸造更光滑)是主要目标。铸齿锥齿轮的一个例子,具有良好的表面光洁度生产的外壳成型显示在图5中。

图5:铸齿锥齿轮由外壳成型工艺生产,以获得良好的表面和紧密的公差。[3]
熔模铸造工艺在齿轮制造中的应用同样有限。它最明显的价值在于用如此坚硬的材料制造精确的齿轮齿,齿不能轻易地通过加工[4]生产。该工艺可用于各种钢材、青铜和铝合金。使用可加工的材料,如果齿轮是具有复杂形状的整体,很难通过加工生产,则该过程仍然是有用的。

大量的小型,低成本的齿轮是由冷室压铸过程(压铸齿轮通常在150毫米(6英寸)的直径和从10到48直径间距(DP))。复杂的齿轮形状,相当昂贵的机器,可以快速和低成本的压铸过程。该工艺的主要缺点是适合压铸的低熔点金属——铝、锌和铜——没有足够高的硬度来满足高承载能力。

许多不同类型的齿轮可以压铸,如正齿轮,螺旋蜗杆,簇齿轮和锥齿轮。这些类型的齿轮的应用包括玩具,洗衣机,小家电,手动工具,相机,商用机器,和类似的设备。

形成

冲压和精冲

冲压是一种金属加工技术,被比作使用饼干切割机。在这个过程中,一块金属被放置在模具的顶部和底部之间;上模压进下节和“移除”或从片上切割齿轮。这是一种低成本,高效率的方法,生产轻型齿轮空载到中等负荷的应用。冲压受工件厚度的限制,主要用于直齿轮和其他薄的扁平形状[5]。冲压齿轮的尺寸范围从20到120 DP和0.25到3毫米(0.010到0.125英寸)厚[6]。随着沥青变细,材料规格也必须变薄。表2显示了在模具维护中不需要特别注意的各种常用沥青的推荐坯料厚度。如表1所示,冲压齿轮的公差很好,AGMA质量等级9可以通过额外的小心达到。

表2:冲压齿轮的推荐库存厚度。

冲压加工的材料范围很广,包括所有的低碳和中碳钢,黄铜和一些铝合金。非金属材料也可以冲压。这种工艺制造的齿轮用于玩具,时钟和计时器机构,手表,小型电器,如搅拌机,搅拌机,烤面包机,开罐器,以及较大的电器,如洗衣机和烘干机。

精密冲裁(也称为细边冲裁)实际上更类似于冷挤压,而不是像冲压这样的切割操作。这个过程从板材上提取金属,就像冲压;但与之不同的是,它使用两个模具,通过将工件压成所需的形状来形成工件。金属被挤压到模具腔内以形成所需的形状。与冲压不同的是,精冲为设计师提供了有限的三维能力,因此可以用于创建斜角,多个齿轮组和其他复杂形式[5]。精冲齿轮可以发现在广泛的应用,包括汽车,家电,办公设备,液压,和医疗设备行业。

冷拔和挤压[6]

这一过程需要最少的工具开支,为大规模生产的直齿齿轮齿轮元件,是极其通用的,几乎任何需要的齿形状都可以生产。顾名思义,一根棒材通过一系列的几个模具被拉(拉)或推(挤),最后一个模具具有所需的齿形的最终形状。当材料通过这些模具时,它实际上被挤压成模具的形状。由于材料因压力而位移,外部表面经过加工硬化,非常光滑。

这一过程的“空白”棒通常是3到3.7米(10到12英尺)长。通过模具后,它们被称为小齿轮杆,通常被放入完成单个齿轮的螺旋机。经验表明,它是更经济的切片从一个挤出棒段比切割单个齿轮。在某些情况下,用其他任何方法都不可能产生所需形状的小齿轮。小齿轮杆从16到100 DP可以获得,但随着节距变得更细,它变得更难获得接近的公差,有时需要在细节距小齿轮。任何具有良好拉拔性能的材料,如高碳钢、黄铜、青铜、铝和不锈钢,都可以用于拉拔小齿轮杆。

通过这种工艺制造的齿轮和小齿轮有各种各样的应用,被用于手表,电钟,弹簧发条钟,打字机,化油器,磁铁,小型电机,开关设备,出租车计价器,相机,老虎机,所有类型的机械玩具,和各种各样的机械的许多其他零件。

齿轮滚

正齿轮和斜齿轮,像花键,是辊形成的(参考1)。数百万的高质量齿轮每年由这一过程生产;汽车变速箱中的许多齿轮都是用这种方法制造的。如图6所示,该过程与螺纹滚压成形的过程基本相同,不同的是在大多数情况下,不能在成形辊的一次旋转中形成齿;辊子在几次转动中逐渐向内进料。

图6:冷成形成形齿轮齿和花键的方法。[1]
由于金属流动的发生,卷形齿的顶部不光滑和完美的形状;在两个轻微突起之间经常可以看到一条凹陷的线。然而,由于上陆在齿轮齿的作用中不起作用,如果在配合齿轮中有足够的间隙,这就不会造成任何困难。在需要的地方,用一个轻的车削来提供光滑的顶部和正确的补体直径。

滚动生产齿轮的速度是切削齿轮的50倍,表面光滑度达到0.10 μ m (4 μ in.)。轧制不仅通常不需要精加工,而且轧制细化了工件的微结构。

生产设置通常只需要一套轧制模具和适当的夹具来装备轧制机。通过进给(插入)方法或通过进给方法,滚动模驱动它们之间的工件,通过压力形成齿。

限制

正齿轮可以轧制,如果他们有18个齿或更多。齿数少导致工件滚动不良。如果螺旋角足够大,斜齿轮可以用更少的齿滚动。

通常不适合轧制压力角小于20°的齿。较低的角在根部和顶部有较宽的平面,滚动时需要更大的压力。较低的角度也会阻碍金属流动。虽然0.13毫米(0.005英寸)半径圆角可以轧制,0.25毫米(0.010英寸)是一个更好的最小值。为了获得更大的精度,齿轮坯在轧制前被研磨。倒角应小于等于30°。

齿轮轧制用钢的S含量不应超过0.13%,最好不含铅。坯料的硬度不应超过28 HRC。

锻造

锻件长期以来一直用于制造齿轮。这尤其适用于齿轮坯的生产,随后将被切割/加工成最终所需的配置。齿轮坯通过开模锻、闭模锻(图7)和热镦锻生产。在过去的35年里,有相当多的研究和发展旨在生产近净形或净形齿轮精密锻造。今天,精密锻造齿轮需要很少或不精加工通常用于汽车,卡车,非公路,航空航天,铁路,农业和材料搬运工业,以及能源和采矿领域。

图7:齿轮毛坯是封闭模锻造在四锤打击从平压的股票(未显示),然后修剪和穿孔在一个冲程。尺寸以英寸为单位。

高能率锻造

制造近形或净形齿轮的第一种锻造工艺是高能率锻造工艺,这是一种闭模热或冷锻造工艺,其中工件金属以异常高的速度变形。理想情况下,锻件的最终形状可以一击成形,或者最多几次成形。冲压件的速度,而不是它的质量,产生主要的锻造力。

它是有可能生产齿轮与轮廓晶粒流动,遵循配置的齿使用高能率锻造。在直齿轮的情况下,这是通过煎饼来实现的,以引起金属横向流动的模具包含所需的齿配置在其外围。轮廓晶粒在不增加齿形尺寸的情况下增加了承载能力。此外,该工艺最大限度地减少了生产成品齿轮所需的加工。虽然正齿轮是最容易锻造,螺旋和螺旋锥齿轮也可以锻造,如果他们的配置允许从模具腔的齿轮弹射。齿轮由低合金钢、黄铜、铝合金、不锈钢、钛和一些耐热合金锻造而成。

齿轮的DP为5到20通常锻造很少或没有加工余量。锻造齿距较细的齿轮时,模具寿命明显降低。

锻造5-DP齿轮的渐开线公差为0.013 mm (0.0005 in.)和总复合误差为0.08 mm (0.003 in.)已被报道。这些齿轮锻造的齿与齿间距偏差约为0.025毫米(0.001英寸)和总累积偏差为0.089毫米(0.0035英寸)。这些齿轮的销外尺寸保持在±0.05 mm(0.002英寸),总复合误差约为0.20 mm(0.008英寸)。

保持齿轮尺寸到非常接近的公差可以消除精加工,但节省可能被更高的模具制造/维护成本超过。因此,大多数锻造齿轮都有加工的余量。

齿轮齿表面光洁度为0.5 ~ 1.5 μ m (20 ~ 60 μ in)是实用的。然而,即使是0.5µm(20µin.)的表面处理,局部缺陷也会使平均厚度增加到1.5µm(60µin.)或更多。因此,很难保持良好的表面光洁度的齿轮齿没有磨削。

典型的齿轮锻件

4.5公斤(10磅)齿轮显示在图8锻造从8620钢坯75毫米(3英寸)的直径124毫米(4.9英寸)的长度。在1230°C(2250°F)下一次锻造齿轮需要353,000 J (2660,000 ft·lbf)的能量水平。齿轮上的腹板锻造到最终厚度;这些齿是用0.51毫米(0.020英寸)的材料锻造的,用于精加工。

图8:高能锻造近净形簇齿轮。尺寸以英寸为单位。

最初用来锻造这个齿轮的模具刀片是由H11或H13工具钢制成的。这种钢通常在生产20个齿轮后软化,因为它的温度超过了H13钢的565°C(1050°F)回火温度。使用合金718 (UNS N07718)可以提高模具的使用寿命。

图9所示的汽车飞轮,直径272.49毫米(10.728英寸),超过齿重11公斤(24磅),由40级灰铁(一般认为不可锻)的毛坯铸造而成。加工的预制体,如图9所示,加热到955°C(1750°F),并在271,000 J (200,000 ft·lbf)的能量水平下锻造。这个零件的公差规格最小。牙齿上的直径和身体厚度的偏差为+0.00 mm, -0.18 mm (+0.000 in。、-0.007英寸)。该零件的最大公差为隐窝直径的±1.02 mm(±0.040 in.)。其他凹槽的公差为±0.18 mm(±0.007 in.)和+0.48 mm, -0.00 mm (+0.019 in.)。、-0.000英寸)。这个齿轮锻造成成品尺寸。

图9:高能率锻造的近净形汽车飞轮。尺寸以英寸为单位。

各种齿轮与齿作为一个完整的部分已经锻造。它们的外径从64到267毫米(2.5到10.5英寸),重量从0.54到11公斤(1.2到24磅)。大多数已制成0.13至0.51毫米(0.005至0.020英寸)的股票在每颗牙齿的侧面完成滚齿和研磨。齿轮锻造与整体齿通常有更长的疲劳和磨损寿命比那些由传统锻造空白上的齿滚刀,成型,或铣削。

精密锻造

术语“精密锻造”并不具体说明一个独特的锻造过程,而是描述了一种哲学的锻造方法。这种方法的目标是在锻造条件下产生净形状,或至少接近净形状。

术语净指的是不需要对锻造表面进行后续加工或精加工。因此,净形锻造不需要在任何锻造表面上进行进一步的加工,尽管可能需要二次操作来产生小孔、螺纹和其他此类细节。近净形锻件可以是部分但不是全部表面为净形的锻件,也可以是表面只需要极少加工或精加工的锻件。精密锻造有时被描述为紧密公差锻造,为了强调仅通过热锻造操作就能达到成品零件所需的尺寸和表面光洁度公差的目标。近年来,计算机辅助设计与制造(CAD/CAM)技术已被应用于各种锻造工艺。这种计算机化的方法适用于传统压力机中螺旋锥齿轮、正齿轮和斜齿轮的精密热锻,因为它允许模具设计者检查各种工艺变量(负载、应力和温度)对模具设计的影响。

精密热锻齿轮与其他模压齿轮(铸造,P/ m加工,注塑)相比,具有相同的优势,即很少或没有材料损失(图10)。从材料本身的成本,更重要的是,从加工成本的角度来看,这是节约成本的。此外,精密锻造的齿轮还具有比切削齿轮增加承载能力的优势。这种增加的强度在增加的疲劳强度的形式是由于不同的颗粒流之间的齿轮从酒吧股票和锻造齿轮切割。切削齿轮中的晶粒流动是由棒材的热轧取向决定的,与齿轮齿形无关。在锻造试件上,每一个齿形中的晶粒流动都遵循齿形。图11比较了切削和锻造齿轮[8]的疲劳性能。

图10:使用近净形锻造工艺节省的材料/重量。大直齿轮重25公斤(55磅)作为空白(左侧)。作为一个锻造齿齿轮(右侧)与1毫米(0.04英寸)的库存余量的齿形精加工,它重17公斤(37磅)。来源:Presrite公司
图11:(a)切削齿轮和(b)近净形锻造齿轮的疲劳数据[8]

近净形状质量齿轮

今天生产的大多数锻造齿轮是近净形状配置。齿轮齿锻造与材料(存量余量)周围齿廓的信封。这个信封随后被锻造室或购买锻造齿轮的客户删除。制造过程从钢筋坯料开始,通常进行翻转和抛光以改善表面,并切割到精确的重量。准确的重量是至关重要的,因为钢的数量必须完全填补模具生产完整的齿轮轮廓。在锻造之前,钢坯在电感应炉中加热925到1230°C(1700到2250°F),由光学高温计控制到±14°C(25°F)。

在单冲程中,标准机械锻压机,从14235到53375千牛(1600到6000吨),形成接近净形齿轮完全允许存量余量。这第一次操作的目的,这形成了一个“煎饼”,是打破刻度从坯和尺寸外径刚好低于大小齿根直径在齿轮模具。接下来,操作员将钢坯放入加工模具中。

锻造后,液压敲除系统立即从成品模具提取齿轮。经过原始锻造齿轮液压弹出的模具,它被放置在一个修整窝的孔是冲。然后让它冷却到环境温度,这通常需要24小时。一旦冷却,就可以进行精加工了(图12)。

图12:近净形锻造齿轮的例子。(a)螺旋锥齿轮与0.5毫米库存余量,(b)粗节距(小于5dp)直齿轮与库存余量1至2毫米。来源:Presrite公司

近净形齿轮可以生产使用任何渗碳或感应硬化钢在五种基本配置:螺旋锥齿轮,螺旋,直锥齿轮,1毫米(0.04英寸)存量余量的圆柱齿轮,和0.1至0.3毫米(0.004至0.012英寸)存量余量的圆柱齿轮。近净形齿轮的直径可达425毫米(17英寸),库存的余量范围从0.1到1.5毫米(0.004到0.06英寸)。各种齿轮配置的规格包括:

  • 螺旋锥齿轮可以生产高达425毫米(17英寸)的直径,与0.5毫米(0.02英寸)的最小存货每面。最大螺旋角为35°,螺距范围小于7 DP
  • 直锥齿轮的配置/性能类似于螺旋锥齿轮
  • 斜齿轮可以生产高达250毫米(10英寸)的直径和高达40公斤(90磅)的重量,与0.5毫米(0.02英寸)的最小存货每面。最大螺旋角25°和螺距范围4到12 DP可以实现
  • 直齿轮与1毫米(0.04英寸)库存的余量可以生产高达400毫米(16英寸)的直径和高达135公斤(300磅)的重量,与1毫米(0.04英寸)的最小库存余量每个侧面。可实现小于5dp的螺距范围。这种类型的齿轮需要一个加工过程的滚齿,滚齿和剃须,滚齿和研磨,或削
  • 直齿轮0.1至0.3毫米(0.004至0.012英寸)库存余量可以生产高达250毫米(10英寸)的直径和高达150毫米(6英寸)的最大面宽,0.1至0.3毫米(0.004至0.012英寸)的库存余量每个侧面。螺距范围4到12 DP可以实现。这种类型的齿轮需要研磨或削皮的精加工过程。净根是可能的。

参考文献

  1. T.T. Krenzer和J.W. Coniglio,齿轮制造,加工,卷16,ASM手册,ASM国际,1989,p 330-355
  2. 《制造业产品设计手册》,第16卷,McGraw-Hill图书公司,1986年,第355页
  3. M.布莱尔和T.L.史蒂文斯,编,《铸钢件手册》,第6版,钢铁创始人协会和ASM国际,1995年,第2-34页
  4. D.W.杜德利,齿轮制造方法,实用齿轮设计手册,麦格劳-希尔图书公司,第5.86页
  5. 替代齿轮制造,齿轮技术。1998年7月/ 8月,第9-16页
  6. D.P. Townsend,编,由模具制造的齿轮,达德利齿轮手册:齿轮的设计,制造和应用,第二版,McGraw Hill图书公司,1992年,第17.1-17.21页
  7. D.J. Kuhlmann和P.S. Raghupathi,锻造和挤压齿轮的制造,齿轮技术。, 1990年7月/ 8月,p 36-45页
  8. T. Russell和L. Danis,精密流动锻造齿轮,齿轮制造和性能,美国金属学会,1974年,229-239页
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1980年加入ASM,担任编辑助理。1989年,他成为ASM手册开发部门的经理。1991年,乔离开了ASM,但继续作为独立承包商为参考出版物部门工作,直到2007年他英年早逝,享年53岁。作为一名自由职业者,他编辑了至少22本ASM书籍,包括8本ASM专业手册、《ASM材料工程词典》、第二版《金属手册桌面版》和3本关于腐蚀的书。作为ASM的工作人员编辑,他主要参与了《金属手册》(第9版,卷6-17)和《工程材料手册》(卷1-4)的编辑开发。ASM是一个致力于为材料科学和工程专业服务的协会,2013年庆祝它的100周年。ASM通过全球36000个会员网络,提供从结构到纳米尺度的材料和工艺方面的权威信息和知识。欲了解更多信息,请访问www.asminternational.org