2024年4月22日发(作者：华为mate50评测)

探究汽车齿轮滚齿切削过程研究及其工艺参数选择

摘要：根据齿轮啮合原理中多自由度齿面包络理论，对渐开线锥形齿轮在滚齿

加工中，刀具与工件的相对运动及产形齿条的形成机理进行了深入分析，证明了

产形齿条的存在，并求解了其齿面形状．通过对齿轮、滚刀和产形齿条三者之间

空间几何关系的进一步分析，研究了锥形齿轮的齿面构成理论，求证了由产形齿

条包络运动所形成的齿轮渐开螺旋齿面，并推导了齿条和齿轮几何参数的计算公

式．研究结果不仅对锥形齿轮的滚齿加工具有重要的理论指导意义，而且对于具

有类似运动的其他加工方法也同样适用。

关键词：渐开线锥形齿轮；产形齿条；双自由度包络

随着数控铣齿机的快速发展，很多高端数控铣齿机自然采用带有刀倾机构的

设计，而很多普通数控铣齿机将会被搁置，机床的换代会增加生产厂家的成本，

利用有限资源，降低成本，在普通数控机床上采用滚切修正法加工达到高端数控

铣齿机的同样修正效果，是我们所做的工作。

1、汽车齿轮工艺的实施要点

（1）汽车齿轮锻造制坯工艺。目前，汽车齿轮锻造制坯工艺应用最广泛的

是热模锻造工艺，并且楔横轧工艺在轴类加工上得到广泛的应用和推广，该种工

艺能够使用于相对复杂的阶梯轴类齿轮的制坯，并且还具有加工余量小、精度高、

生产效率高等方面的优点。

（2）汽车齿轮正火工艺。汽车齿轮正火工艺的目的是获得适合后续齿轮切

削加工的硬度以及为后续的热处理工艺做好准备，这样能够显著的降低热处理工

艺中的变形问题。通常汽车齿轮采用的钢材料为20CrMnTi，由于正火工艺受环境、

设备以及工作人员的影响非常大，这就导致齿轮工件的冷却均匀性以及冷却的速

度难以控制，导致齿轮的硬度散差相对较大，对后续齿轮的切削工艺以及热处理

工艺的影响非常大，影响齿轮的最终质量。因此，现代汽车齿轮的正火工艺通常

采用等温正火工艺，这种工艺显著的改善了传统正火工艺的弊端，能够保证汽车

齿轮的质量。

（3）汽车齿轮干切工艺。汽车齿轮的干切工艺主要包括以下几种：其一，

螺旋锥齿轮干切工艺，螺旋锥齿轮干切工艺采用螺旋锥齿轮铣齿机，例如

Phoenix CNC准双曲面齿轮铣齿机，刀盘的主轴转速高达2000r/min，采用强力干

切刀具，并采用强力干切锥齿轮加工工艺，能够保证螺旋锥齿轮的质量，并且还

具有非常好的经济性；其二，插齿干切工艺，插齿干切工艺采用专用的插齿机，

例如SE25A插齿机，采用高速钢干切齿刀具，粗插切削速度比湿插切削速度提高

了1.5倍，加工的效率也提高1.5倍左右；其三，滚齿干切工艺，滚齿干切工艺

采用滚齿机，例如GE系列的滚齿机，专用的干切滚刀，例如日本三菱重工开发

的干切滚刀，刀具的使用寿命为传统刀具的5倍，干切速度提升了2倍，干切中

没有使用切削油，显著的降低了汽车齿轮干切工艺的成本。

（4）汽车齿轮滚齿、插齿工艺。汽车齿轮滚齿以及插齿工艺，需要采用大

量的插齿机以及滚齿机，虽然这样便于维护和调整，但是生产率相对较低，如果

需要完成较大的生产量，就需要同时开多台机械进行同时生产，随着涂层工艺的

发展和应用，插刀、滚刀刃磨后的再次涂镀变得更加方便，并且经过涂镀的刀具

的使用寿命更长，有效的降低了刃磨的实践以及换刀的次数，提高汽车齿轮加工

的效率，经济效益也非常显著。

（5）汽车齿轮剃齿工艺。剃齿是汽车齿轮精加工的工艺，剃齿工艺在降低

齿轮表面粗糙度、降低齿向误差、修正齿形等方面具有非常好的效果，并且剃齿

工艺的生产效率非常高，对提高齿轮加工工艺的效率具有非常大的作用。下图所

示为剃齿的工作原理：汽车齿轮剃齿工艺的原理表现为：利用剃齿刀与工件无侧

向间隙的螺旋齿轮副啮合，两者在接触点的方向和速度都不一致，这样就会导致

被加工齿轮的侧面沿着剃齿刀的侧面进行滑移，通过切屑刀具对汽车齿轮的齿侧

面进行极细的切屑。

（6）汽车齿轮热处理工艺。汽车齿轮的最终精度，在很大程度上取决与热

处理工艺的质量。汽车齿轮的热处理要求渗碳淬火，以此保证汽车齿轮具有非常

好的力学性能，对于热后并不能再进行磨齿加工的汽车齿轮，应该严格的控制热

处理工艺的过程，以确保质量。

（7）汽车齿轮磨齿工艺。磨齿工艺是对汽车齿轮热处理后的精加工工艺，

目前，汽车齿轮的磨齿工艺通常采用NC磨齿机，并且随着CNC技术的发展，许

多公司都采用了CNC磨齿机，例如YDL-CNC500磨齿机，不仅能够提高磨齿的效

率，还能够提高汽车齿轮的精度，因此许多高级轿车的高精度齿轮都采用磨齿工

艺。

（8）汽车齿轮修整工艺。修整工艺是通过采用驱动桥齿轮、变速器等对齿

轮的毛刺进行检查和清理，保证齿轮在使用的过程中不会出现异常的噪音，保证

汽车齿轮的质量。

2、齿轮干切机床及刀具的发展

该机床的特点可实现七轴数字控制及四轴联动自动干式切削，它彻底抛弃传

统的冷却液和切削油，加工过程中无切削液的飞溅和油雾的产生，对环境和操作

者无污染和伤害，实现了绿色环保加工。床身的对称结构和护罩的防护结构，使

排屑器能从床身中部迅速地将炙热的切屑排除，保证了干式高速切削的需要。通

过自动上下料装置实现自动加工，每个操作者可以管理几台机床的工作，降低了

劳动强度，提高了效率。该发明与普通滚齿机相比，加工效率是湿式切削的2～3

倍，单件成本仅为传统机床加工的60%。

进行高速干切滚齿加工的滚刀性能主要取决于以下三个方面：刀具材料、表

面涂层、滚刀参数与结构的设计与制造。现行切齿刀具的材料可以归结为四类：

硬质合金、陶瓷、粉末冶金高速钢和高性能高速钢（由于工艺方法的不同而区分

为两大类）。陶瓷材料作为车刀刀片使用早已普及，但作成复杂刀具的滚刀只见

过试验报导，尚未见到市场供应。但陶瓷材料的某些优异性能应是进行高速干切

工艺所最需要的。因此，陶瓷材料在高速干切滚刀上的应用也将是一个必然的发

展趋势，特别是在硬齿面刮削刀具上的应用前景看好。目前用于高速干切硬齿面

加工的滚刀材料主要是硬质合金一类，而用于软齿面高速干切加工的滚刀材料主

要是后二类的高速钢。我国目前粉末冶金高速钢及高性能高速钢的生产还不多见，

但硬质合金由于我国有资源上的优势，理应成为制造高速干切齿轮滚刀的主导材

料。根据对一些先进发达工业国家及国产硬质合金材料的分析比较，我们认为就

材料本身来讲，并没有太大的差别，其生产装备与加工工艺也基本相同。但在使

用过程中，有时表现出较大的差别，究其原因可能存在以下问题。据长期从事硬

质合金检测的专业人员称，由于硬质合金材料制造过程的复杂性和特殊性，采用

相同设备和工艺制造的不同批次材料检测数据几乎没有完全相同的，材料的细微

差别也许就造成切削性能的巨大差异。而在目前阶段，我国的材料生产商，刀具

制造商及刀具使用厂家脱节，缺少紧密的交流合作必然造成材料与工艺的不匹配

问题，如解决好这些问题，如充分发挥我国硬质合金材料资源优势，是一个值得

有关部门（如工具研究所、大专院校、硬质合金专业厂等）好好研究解决的课题。

涂层是高速干切滚刀不可或缺的后序工艺，涂层在高速干切中表现出来的优异性

能可以说是最突出的，现在已没有不经涂层的滚刀能胜任极端条件下的高速干切

加工。在切削试验中，涂层性能有时也表现出很大的差异，其主要原因也存在涂

层厂商与使用厂家的“工艺匹配”问题。涂层技术是一项发展很快的新技术，各厂

家工艺不尽相同，如果缺乏密切的合作，就很难找出最佳方案。刀具的设计与制

造是一个牵涉面很广的问题。进口刀具价格昂贵，而且完全依赖进口也非长久之

计，因此，国产刀具的突破也就成为高速干切滚齿工艺推广的关键问题。对于滚

刀外形尺寸的选择，总的趋势是长度都在往长的方向发展（如格里森130H刀具

的使用长度就达250mm），但外径却因为机床、生产方式及刀具制作水平等在选

择上有所差异。众所周知，刀具外径较大，切削线速度可提高，也可制造出较多

的槽数，有利于延长刀具的寿命和提高加工精度。但相对于相同的刀速加工同样

的工件时，外径较小的滚刀刀轴转速提高了，这样工作台转速相应提高进给加快

生产效率就提高了。

3、结束语

总而言之，随着汽车保有量的不断上升，汽车齿轮行业得到前所未有的发展，

为了保证汽车齿轮的工艺质量，应该严格的控制汽车齿轮工艺实施要点，然后逐

渐的将各种新技术和新设备应用到汽车齿轮行业中，汽车齿轮加工逐渐的向信息

化、自动化、智能化、高精度化、数控化的方向发展。

参考文献：

[1]唐昌团.浅谈汽车齿轮加工工艺发展动向[J].科学论坛，2012（12）

[2]王政.汽车齿轮的加工工艺及发展趋势[J].现代零部件，2010（9）