齿轮制造 101：齿轮生产过程指南

齿轮的概念已经存在了一段时间，因为它们是当今仍然相关的最古老的机械部件之一。无论是汽车工业、航空航天业、任何工业机械，还是像时钟这样简单的东西。齿轮无处不在，也许您想了解齿轮制造。

所以，问题是关于齿轮是如何制造的。

前言：齿轮制造工艺

齿轮制造没有单一的工艺，因为它们需要不同的工艺，具体取决于类型和应用。

通常，齿轮在非常艰苦的条件下运行，因为动力传输（齿轮的实际用途）有几个要求。首先，齿轮需要处于绝对完美的状态。然后，它们必须始终可靠，具有最小的残余应力，并且几乎没有裂纹扩展的机会。

当然，所有这些要求都极难满足。但是，没有人可以否认它们的重要性。这就是为什么齿轮生产是一个高度专业化的领域，具有有限的公差和误差空间。

本文将带您回到齿轮制造的基础知识，涉及工业齿轮的常用材料、齿轮的制备过程以及齿轮如何承受所有负载而不会发生故障。

常见的齿轮种类及其应用

在继续了解齿轮切削和制造工艺的细节之前，先了解一下基础知识是很重要的。它们是不同类型的齿轮及其应用和优点。

您的应用、性能参数和许多其他因素在您使用的齿轮类型中起着重要作用。有几种方法可以表征齿轮的类型，但从齿轮制造的角度来看，最好和最相关的是通过它们的齿廓。

以下是您会遇到的 5 种齿轮。

正齿轮

画出你脑海中的齿轮是什么样子的粗略图。您很有可能会考虑使用直齿齿轮。这正是正齿轮的样子。

正齿轮是最常见的齿轮类型，在动力装置、航空航天部件、工业机器等方面有多种应用。直齿是最容易制造和承受高速和高负载的。但是，它们会产生大量噪音，不适合您也需要平稳操作的应用。

此外，正齿轮可以与其他相同类型的齿轮和内/外齿轮配合。您会在许多齿轮机构中找到正齿轮，例如简单的齿条/小齿轮装置或行星齿轮系统。

它们的简单性意味着您更容易制作。因此，您会发现在齿轮生产过程中更容易保持精度。正齿轮也几乎没有轴向载荷，因此对于希望将机械损失降至最低的齿轮系来说，它们非常有效。

斜齿轮

斜齿轮与正齿轮非常相似，但它们的齿围绕圆柱体扭曲。这种品质使他们能够轻松地使用平行和非平行轴。但是，它们的配合只适用于具有相同螺旋角（与原圆柱的扭转角）的其他斜齿轮。

斜齿轮的大部分应用与直齿轮相同。然而，斜齿在减少冲击载荷和使操作更顺畅方面发挥着巨大的作用。这也意味着更少的噪音，但以效率为代价。相对于直齿轮，斜齿轮系的损失更大，而且由于形状的原因还需要推力轴承。

从制造的角度来看，斜齿轮比正齿轮更坚固。螺旋角很难在可接受的公差范围内复制。此外，制造成本以及添加其他轴向元件使其适用于有限的操作。

锥齿轮

锥齿轮不是您的标准圆柱齿轮。它们位于锥形表面上，可让您改变相交轴上的传动方向。一般锥齿轮用90 ⁰ 角度。但是，您也可以在其他配置上使用它们。

以下是您可以在各种应用中找到的一些常见类型的锥齿轮。

• 直齿锥齿轮
• 螺旋锥齿轮
• 斜接齿轮
• 皇冠齿轮
• 准双曲面齿轮

蜗轮

蜗轮系统是两个部件的组合。一个蜗轮和一个螺旋形齿轮。它们主要用于航空航天、工业机械、电梯和汽车转向。

蜗轮设置不能提供太多的速度或效率。然而，它提供了自锁机构所需的独特特性。在许多情况下，蜗杆可能会转动车轮，但由于齿轮角，反之亦然。此外，另一个需要注意的重要事项是蜗轮齿轮的摩擦力很大，可能需要持续摩擦才能正常运行。

齿轮齿条

齿条和小齿轮系统是另一种组合，主要用于将旋转运动转换为线性运动，反之亦然。齿轮齿可以与直齿和螺旋齿配合，因此您可以在平行轴和角度上工作。该系统的一些最常见应用是汽车系统、称重秤和其他类似系统。

用于生产齿轮的材料

在齿轮方面没有材料限制。最早的齿轮是木制的，您可以在整个行业中找到不同材料的齿轮。从大型工业规模的钢或铁齿轮到玩具中的小型塑料齿轮。材料组合是无穷无尽的。

然而，以下项目最常用于齿轮制造和齿轮成型工艺：

• 铸铁
• 钢
• 青铜
• 塑料

齿轮有非常具体的材料选择标准。根据应用的不同，您选择的任何材料都应具有适当的抗拉强度和耐久性。

此外，摩擦系数是另一个考虑因素，因为齿轮需要持续接触。最后，您还应该选择易于加工的材料。由于齿轮制造需要极高的精度和准确性，因此制造性较差的坚固材料将更难处理。

上述材料在其应用中具有这些特性的完美平衡。这就是为什么您通常会在遇到的大多数齿轮中看到它们。

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常见的齿轮制造工艺

齿轮生产非常复杂，因为它需要精度。如今，齿轮制造本身就是一个依赖于传统和现代多种流程的行业，以确保成本、质量和运营之间的适当平衡。

下面列出了常见的齿轮切削和制造工艺及其明显的优缺点。

1 – 铸造

铸造是一种更简单的工艺，主要用于为齿轮准备毛坯或圆柱体，而通过机械加工准备齿。然而，由于其大规模生产能力和相对容易，它对于许多应用来说都是一种可行的齿轮制造工艺。

然而，在一个领域，铸造是行业中最优选的制造方法。那就是生产非常大的齿轮。在大直径的情况下，加工方法和其他齿轮成型方法并不可行。通常，较大的齿轮几乎总是直齿轮类型。因此，它们的相对简单性使得投射成为一个非常好的选择。

在最常见的铸造方法类型中，壳型铸造、压铸、砂型铸造和永久型铸造是齿轮生产中最常见的。其他方法在某些应用中的使用有限。但是，上述是业内最常见的。

2 – 锻造

这是另一种成型工艺，可以根据您的要求为您提供毛坯和准备好的齿轮。在齿轮相对简单的情况下，锻造是非常可行的。

从理论上讲，锻造是用于重型应用的出色齿轮制造工艺，原因很简单。锻造需要热处理，这意味着最终的齿轮将具有更好的疲劳性能。然而，锻造过程所需的巨大力量限制了该过程的尺寸和薄度。

一般来说，锻造适用于直径为 6 至 10 英尺的齿轮。根据锻件的类型，例如精密锻件，您最终可能需要也可能不需要加工齿轮。

3 – 挤压和冷拔

这是另一种既通用又简单的齿轮成型工艺。事实上，挤压的工具支出较低，但这并不意味着它是最经济的工艺。

顾名思义，挤压是将加热的金属型材通过较小的预定形状的过程。最终，您将获得所需形状的棒材，其外表面硬化且光滑。

冷拔过程与挤压非常相似。有两个区别。挤压推动坯料通过模具拉动它。另一个区别是温度。冷拔不加热钢坯。从而以牺牲成本为代价提高机械性能。

4 – 粉末冶金

粉末冶金是一种先进的工艺，近年来取得了重大进展。今天，它被用于包括齿轮生产在内的多种制造工艺。

那么，粉末冶金是如何工作的呢？从外观上看，这很简单。但是，其中涉及许多错综复杂的问题。

这一切都始于金属粉末。第一步是把所有的粉末都给它一个你想要的最终形式。完成后，下一步确保整个设置非常紧凑，因为它会产生更好的机械性能。仔细加热整个设置，您就完成了。

粉末冶金非常有效、简单且可用于大批量生产。您无需担心任何后期处理，产品即可使用。但是，由此产生的齿轮不能承受太大的载荷，并且也有尺寸限制。

此外，任何粉末冶金装置的初始成本都相当高，这使其不适用于任何小批量生产。

5 – 消隐

下料是与挤压非常相似的过程，但具有有限的 3 维能力。这种齿轮成型工艺使用钣金在多个模具的帮助下创建所需的形状。您可以使用下料工艺生产不同类型的齿轮。然而，正齿轮给你最好的结果。

今天，齿轮生产的下料工艺被多个行业用于轻量化应用。例如，办公设备、液压、小型医疗设备和其他低负载要求的应用。

6 – 齿轮加工

由于其多功能性，加工是最常见的齿轮制造工艺之一。传统机械加工在齿轮切削和制造中非常普遍，但数控加工的进步推动了它的普及。

以下 4 种齿轮切削方法是整个行业中最常见的。

滚刀

滚齿使用称为滚刀的锥形切割装置。当滚刀围绕齿轮毛坯旋转时，滚刀和工件都转动。到目前为止，外直齿轮和斜齿轮是您可以通过滚齿制造的唯一产品。

该过程非常灵活且快速。您还可以通过同时处理多个堆栈来提高生产率。但是，它需要更多的技巧和精度。

整形

成型是一种先进的齿轮切削和制造工艺，可以开发滚齿无法处理的齿轮。刀具可以是任何形状，例如小齿轮、齿条形状或单点形状。它看起来与齿轮非常相似，并且通过以您需要的形状切割成坯料来工作。您可以使用成形过程创建内部或集群齿轮。

拉削

拉削可能是最快的齿轮成形切削方法。它依赖于带有嵌入式刀具的多齿工具，该刀具比其前身更深。这会产生更小、更容易进行的增量切割，并且可以在不影响精度的情况下快速为您提供所需的形状。

这种齿轮制造过程是典型的内齿轮，但您也可以使用它来制造外齿。为此，您需要一种专用的拉削工具，让您能够复制相同的精度和效率。

铣削

这是一种基本的齿轮切削方法，您可以按顺序生产单个齿轮齿。然而，它非常通用，尤其是当您使用 CNC 铣床时。虽然您可以在铣床上制造任何类型的齿轮，但这种方法的精度还有很多不足之处。这就是为什么铣削不像以前那么普遍了。

然而，CNC 领域和多轴领域的最新发展改变了一切。在铣床上制造齿轮正变得越来越普遍。所以，随着时间的推移，事情会变得更好。

齿轮制造后处理

根据您使用的齿轮制造方法，您的齿轮需要进行一些后处理才能 100% 准备好。后处理的范围可以从改善疲劳特性的热处理到尺寸校正和表面精加工。

以下是齿轮生产中最常见的 5 种表面精加工工艺。

• 研磨： 顾名思义，磨削是一种常见的表面精加工工艺，可让您在整个表面上获得光滑的光洁度。您可以间歇性或连续性地执行它，它不会影响结果。
• 研磨： 此过程适用于需要极高精度的敏感齿轮。研磨使用小磨粒以低速或中速打磨表面。
• 珩磨： 这是抛光表面并使其光滑的另一种常见工艺。此外，您还可以纠正牙齿几何形状中的一些小错误。
• 剃须： 此过程从表面去除极薄的层，以实现光滑的轮廓。剃须通常很昂贵，因此很少用于齿轮生产。
• 打磨： 本质上，抛光是使用压缩来平滑表面的过程。

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齿轮制造是一个高度专业化的领域，需要极高的精度和准确性。齿轮是任何机械系统的重要组成部分，即使是最小的制造缺陷也会产生很多灾难性的后果。因此，您需要谨慎选择服务。

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