修形齿轮齿部精度评定及控制方法

齿轮的齿部加工质量直接影响到齿轮传动的有效性及齿轮自身寿命，然而齿部精度的评定一直受到诸多因素的影响。随着齿轮检测仪器的进步，检测数据越来越清晰地反映出齿部的微观情况，齿轮精度理论也从齿轮误差几何学理论、运动学理论一路发展到现今的动力学理论。齿轮误差动力学理论考虑到齿轮在传动过程中的弹性形变对齿廓进行修形，有意地引入误差，从而补偿齿轮承载后的弹性形变来获得最佳动态性能。由于齿轮设计时普遍引入齿轮修形，在此情况下沿用传统齿轮精度评定中的主要项目对齿轮加工情况进行评定，已经不能够真实反应齿轮质量，对齿轮精度的测量及评定都提出了新的要求。

齿部精度评定的主要项目

现今我国使用的齿轮精度国家标准为GB/T 10095.1-2008，其中齿轮齿部质量精度评定的多个项目可大致分为单个齿面的评定项目（齿廓偏差、螺旋线偏差）及对多个齿分析的评定项目（齿距累积偏差）。单个齿面评定的项目影响齿轮啮合时的接触情况；多个齿分析项目则影响齿轮的传动性能。

齿轮测量中心的大量应用，使齿轮评定项目这类微观的参数形象清楚地展现出来，并对数值进行评测。而对于有特殊要求的，如齿廓有K形、凸度和螺旋线有鼓度特定公差带的齿轮，也可以进行评估，使齿轮质量评估工作更清晰和直观。但是由于特殊修形齿轮刻意引入误差，原来单独通过误差大小评定齿轮加工质量的方式便不适用此类齿轮。本文介绍了修形齿轮精度评定时遇到的问题及处理方法。

齿廓修形齿轮精度评定

为了缓和齿轮啮合时由于齿数变化引起的啮合刚度急剧变化，减小啮合初始冲击，降低齿轮传动系统的振动和噪声，齿廓修形被广泛应用于大扭矩传动齿轮设计中。图1描述了修形中常见的齿顶去量处理。

图1 齿顶去量修形齿轮啮合示意

图中C和L为齿顶修形的宽度和长度，修形之后单齿啮合点便集中在齿廓中部平滑且强度高的位置。为了控制啮合点的位置设计齿轮时还经常需要在齿根处减量修形。这类对齿廓进行修形的齿轮，原有齿廓质量评定项目：齿廓总偏差已经不能用来评定，而是需要设计者给出修形允许的最大量和最小量；而对齿轮质量的评定方式则是通过齿轮测量中心测量齿轮齿廓外形，在修形量范围内视为合格，反之不合格；而原齿廓质量评定项目中的形状偏差和倾斜偏差仍可以用来指导齿轮加工。虽然这两个项目在国标中为推荐项目，可以不做强制性控制，但是对于修形齿轮，要通过这两个项目综合评定才能确定齿廓质量。

形状偏差主要由机床精度和刀具决定，当形状偏差超差时一般通过更换刀具和刀具刃磨来解决，但是形状偏差不超差的情况下，有些齿廓依然属于不可接受的不合格品范围。对于这部分齿廓，齿轮测量仪会评定为合格，所以只有通过人为判定来避免此类产品的产生。图2所示为此类不合格品举例。

图2 不合格齿廓类型举例

图2中的a类齿廓为齿顶过于突出，b类齿廓为中部有凹陷，c类齿廓为齿根有突出。3张图片夸张地体现出齿廓加工过程中最不能容忍的三类齿廓。而在加工中常遇见的齿廓一般不会如此明显，这就需要人为判定时准确把握齿廓整体平滑、齿顶和齿根相对齿中部的缩进以及主要啮合接触位置无凹陷三项准则，来判断齿廓是否合格。

倾斜偏差可通过对机床的调整进行修正，如调整齿轮回转中心与加工机床回转中心的重合度，调整刀具安装精度等。对于修形齿轮齿廓整体在修形量允许范围内、倾斜偏差合格、齿廓形状为可接受的形状且形状偏差数值合格，则可视为齿廓质量合格。

螺旋线修形齿轮精度评定

为了使齿轮啮合接触位置居于齿面中部，齿轮设计中经常对齿轮螺旋线进行修形，即螺旋线两端缩进，中部鼓起，也就是常说的螺旋线有鼓形。对于有鼓形的齿轮，齿部精度评定项目中的螺旋线总偏差不能用来决定齿轮质量，而是需要设计者给出鼓形量的最大和最小范围，螺旋线在此范围内即为合格。

与齿廓的评定方式相同，对于有螺旋线修形的齿轮，螺旋线精度的评定也同样必须结合螺旋线形状偏差及倾斜偏差，即此三项皆合格则视为齿轮螺旋线精度合格。

修形齿轮加工

工业传动系统中使用的齿轮由于对齿面强度的要求，必须是强化齿面。现今最常用的齿面表面强化技术为表面渗碳或渗氮。渗氮处理温度低，材料基本无相变，所以渗氮处理的齿轮齿面变形较小；而渗碳处理温度高，处理后齿面变形较大。   

对于需要渗碳处理的修形齿轮，加工时需考虑修形在热处理中的变化。而此变化量取决于齿轮材料，齿轮结构及模数等因素。经验可知，热处理后的齿轮，齿廓方向齿顶及齿根会有部分塌陷，螺旋线方向鼓形量会有部分缩小。具体数值则需要对指定类型齿轮多次加工记录经验数值，热前加工时需根据经验值对修形量进行补偿性调整。在无经验指导初次加工时，可以按照齿廓及螺旋线变化方向适当压缩设计给出的偏差值，从而得到合格的修形齿轮。

结语

得益于现今先进的齿轮测量技术，通过计算机可形象体现出修形后齿轮的齿部情况，从而对修形齿轮齿部精度进行评定。而齿轮在热处理过程后齿部情况的变化也可以通过修形补偿性消除。