浙江工业大学本科毕业设计文献综述.doc

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本科毕业设计（论文）

文献综述

题目：

学院：

机械工程学院

专业：

机械工程及自动化

班级：

学号：

学生姓名：

指导老师：

提交日期：

2013年12月26日

1课题的背景及意义

基准标准齿轮的制造精度代表着超精密齿轮的技术能力。

近几十年来，中国的齿轮工业持续快速发展，产量剧增，但总体制造质量不及美、德等发达国家[1]。

目前，国外超精密齿轮的工业小批量生产水平已达到齿轮国际标准（ISO1328-1∶1995，下同）中的2级精度，而我国仅为3级，国内外齿轮工业整体制造精度相差1～2级[2]。

在超精密齿轮的制造方面，世界知名的精密齿轮制造商均对高精度齿轮磨床进行改造精化或制造专用的磨齿母机，并挑选技术高超的工人和技师操作这些设备磨削超精密齿轮。

对于精密磨齿技术，无论哪一家公司对外都十分保密，既不接待参观者，也不申请专利，公开介绍精密磨齿技术及磨齿经验的文献基本没有。

要想成为齿轮制造强国，首先要突破超精密齿轮制造质量这一难关。

因此，研制具有自主知识产权的基准标准齿轮及超精密齿轮刀具，对于全面提升我国齿轮制造业的技术水平并促进共同发展有重要的现实意义。

2齿轮的发展与应用现状

齿轮的发展要追溯到公元前，迄今已有3000年的历史。

远古时代人们为了传递动力，发明了齿轮，这一发明实现了转动的传递，在我国汉代发明的指南车上就有齿轮的传动装置，当时的齿轮是用木料制造或用金属铸成的，只能传递轴间的回转运动，不能保证传动平衡性，同时齿轮的承载能力也很小。

在国外，机械传动的记载始于古罗马时代，人们在水力碾磨中也用到了木制齿轮传动，但齿轮的齿形是直线形，同样不能保证运动的平稳性，并且木制齿轮的承载能力也受到限制。

在瑞典，人们在谷物碾磨中使用石头做成斜齿轮传递动力，虽然比木制齿轮承载能力高，但加工困难。

到了14世纪，钟的发明使人们开始研究金属齿轮传动以减小尺寸，以便在钟中得到应用。

18世纪初，蒸汽机问世，并被很快运用，这进一步促进了齿轮传动的发展。

此外，这一时期水力纺织机械、冶金机械的发明与运用，又促使大功率、高质量的木制、金属的齿轮传动问世。

在齿轮材料没有改进的情况下，19世纪末期，人们开始研究齿轮的齿形，并向小型化、长寿命、更可靠的齿轮传动装置发展，促进了对齿轮传动的研究，20世纪初摆线齿轮和渐开线齿轮相继出现。

但由于摆线齿轮制造和安装较困难，限制了发展，目前只在钟表领域应用。

渐开线齿轮传动的类型有直齿轮、斜齿轮、锥齿轮和蜗杆传动，20世纪60～70年代我国渐开线齿轮主要采用滚齿加工工艺，用这种方法生产的齿轮硬度不高，接触强度低、寿命短，而用在船舶、电厂涡轮机的大型高速齿轮传动由于其节线速度高，要求这些齿轮有高精度，于是加速了磨齿加工工艺的发展。

斜齿轮是在直齿轮的基础上发展起来的，由于直齿轮寿命短，承载能力有限等缺点，从而在后来的机械传动装置中，人们开始尝试在同样厚度的齿轮上，增加接触线长度的斜齿，即斜齿轮，它无论在性能上还是加工上，都较直齿轮复杂，但在斜齿轮的传动过程中，存在着对传动系统不利的啮合力的轴向分力，为此又发明了人字齿轮，但人字齿轮的加工更复杂[3-4]。

21世纪随着材料科学的发展，齿轮由金属材料逐渐向高分子材料转变，如塑料齿轮已被广泛应用，以减轻齿轮的重量。

随着生活质量的提高，对使用工具也越来越追求完善，为了实现传动性能的优化，人们对齿轮的认识逐渐深入。

20世纪40年代，渐开线理论开始出现，到50年代为了提高承载能力，提出了齿轮齿廓和齿向修形的设计方法。

60年代，人们开始研究直齿、斜齿和锥齿轮等的表面疲劳强度和可靠性，研究表明渐开线齿轮传动在啮合点是纯滚动，因此其传动平稳性、效率、使用寿命受到限制。

在国际齿轮会议上Essen提出圆弧齿轮具有润滑性能好的特点，啮合摩檫损失减小，提高了齿轮的寿命[4-5]。

我国已将错齿双圆弧人字齿轮列入国家标准，2002年，文献[6]中对它的刚度，以及错位前后的刚度变化作了分析。

70年代，出现了曲线锥齿轮、环面蜗杆、点接触蜗杆以及圆弧齿轮等新型传动装置。

80年代，齿轮传动系统中又增加了少齿差行星传动、新型伺服传动、新型蜗杆传动等新类型。

这时的设计理论有弹性变形、热变形、制造误差的啮合理论、局部共轭、失配啮合理论等。

90年代国外的产品在技术上普遍经历了一次新的更新换代，使承载能力大幅提高，模块化设计程度更高，更容易实现零件的批量化生产，此外进一步采取降噪措施，改进了密封和外观。

齿轮传动主要靠轮齿的啮合，由于渐开线外齿轮传动的轮齿啮合是凸廓对凸廓，接触应力大，使其承载能力受到限制。

针对上述缺点提出了双圆弧齿轮，它是凸凹面接触，虽然降低了接触应力，提高了承载能力，但适用于低速重载的场合。

21世纪，世界齿轮研究的重点在于高速、重载、长寿命、低成本传动系统的研究，人们分别从齿轮的齿形[7]、齿轮啮合的原理着手[8]。

在计算机日益发展的时代，机械也逐渐向智能化、自动化方向发展，于是趋向运用计算机软件

来模拟、研究齿轮的啮合原理，运用优化、有限元等现代设计理论方法设计齿轮逐步发展，其目的在于获得新型的，高效、低噪声、高性能齿轮。

很多作者对齿轮轮齿齿廓进行了研究，例如文献[9]中表述了一种新型曲线的齿轮，被称为LogiX齿轮，齿面曲线是由一系列微线段组成，在各线段的连接处，让曲线上相邻点的相对曲率半径为零，这种齿轮具有承载能力高、小型化等优势。

文献[10]中的点—线啮合齿轮是2004年发明的一种新型齿轮传动形式，在这样的一对齿轮副中，两个相啮合的齿轮的齿面分别为内凹和外凸的齿面轮廓形式，笔者详细介绍了这种齿轮副的齿面形式、啮合状况和加工方法。

这种齿轮传动类型具有大功率、低噪音、高效率、承载能力强等优点。

蒋立冬在文献[11]中对非对称渐开线直齿轮进行了有限元分析，这种齿轮在同一轮齿上两侧齿廓的渐开线不对称。

齿形的变化，增加了设计与加工的难度。

随着机械加工手段的提高，非圆齿轮的加工成为可能，在机器人设计与制造中，机器人腕部的球形齿轮也可以生产，从而扩大了齿轮传动的研究范畴。

3齿轮精加工中的磨齿方法

　　渐开线齿轮的加工工艺根据齿轮的成形方法可分为成形法、展成法；根据加工方法可分为滚齿、铣齿、插齿、梳齿、刨齿、剃齿、珩齿、磨齿、挤齿等。

常见齿轮加工方法的工作精度及获得的表面质量如表1所示。

表1　常见齿轮加工方法的加工精度与表面质量

齿轮加工方法工作精度最高精度表面质量

（ISO1328）（ISO1328）Ra（μm）

滚齿7～543.2～1.6

插齿8～656.3～3.2

剃齿7～653.2～1.6

珩齿7～660.8～0.2

磨齿6～43级以上0.8～0.2

通过表1可以看出，磨齿法是精密齿轮最有效的加工方法。

磨齿法根据所用砂轮的类型不同，又分为锥形砂轮磨齿、蝶形砂轮磨齿、大平面砂轮磨齿、蜗杆砂轮磨齿、成形砂轮磨齿和振动研磨齿等[12]。

3.1　锥形砂轮磨齿

锥形砂轮磨齿工作原理如图一所示，是按照齿轮和齿条啮合原理。

用锥面砂轮磨削渐开线齿面的。

砂轮相当于假想齿条的一个齿，在磨削过程中，齿条的节线和被磨齿轮的节圆作纯滚动。

锥形砂轮磨齿的分度运动用分度盘或分度蜗轮副、分度交换齿轮进行单齿分度，磨完一齿后分过一个齿角，再磨下一齿，这样直到磨完全齿。

轴向进给运动由砂轮的往复运动来实现，其往复冲程长度由被磨齿轮的齿宽决定。

图一

锥形砂轮磨齿是一种展成磨齿法，磨齿的工作精度一般在7～5级。

德国的NILES公司生产的ZSTZ系列的数控锥砂轮磨齿机和HOFLER齿轮机床公司生产的NOVA系列的数控锥砂轮磨齿机工作精度较高，可达到4级精度。

3.2　碟形砂轮磨齿

碟形砂轮磨齿工作原理如图二所示，它是采用一对碟形砂轮来磨齿的，源于瑞士MAGG公司的齿轮磨床。

图二

该类小规格机床的展成运动常采用钢带-滚圆盘作纯滚动来实现。

处在钢带平面上的两砂轮的工作棱边相当于渐开线发生线上的两点，当钢带和滚圆盘相对滚动时，两棱边同时分别形成齿两侧的渐开线齿形。

机床的分度运动是用分度盘进行单齿分度的，即在齿轮经过轴向走刀磨完第一个齿后，工件分过一齿，再开始磨下一个齿，这样逐齿磨削，直到磨完全齿。

大规格碟形砂轮磨齿机的展成运动常采用分度蜗轮副及分度交换齿轮进行分度。

国内秦川机床厂生产的Y7032A和Y7P032A，上海机床厂生产的Y7063A蝶形砂轮磨齿机磨齿精度达到了4级。

瑞士MAAG公司生产的双碟砂轮磨齿机SD-36-X，采用CNC拓扑修形系统和CBN砂轮磨削，磨齿精度可达4～3级。

3.3　大平面砂轮磨齿

大平面砂轮磨齿工作原理如图三所示，它是利用齿条与齿轮啮合的原理，用大平面砂轮的工作面作为“假想齿条”的一个齿面，用展成法加工齿轮的。

其中展成运动的实现又分两类：

一类是采用钢带-滚圆盘纯滚动形成展成运动，例如Gl-eason集团研制的SRS405数控大平面砂轮剃齿刀磨齿机及国产的Y7432磨齿机等；一类是采用渐开线凸轮-档块形成展成运动，例如美国的Na-tionalTool型、前苏联的589系列的磨齿机及国产的Y7125和Y7431磨齿等。

图三

我国秦川机床厂研制的大平面砂轮磨齿机磨齿精度可达4级，德国GarlFlarth公司生产的SRS系列大平面磨齿机磨齿精度可达3级，其中Gleason集团研制SRS405剃齿刀磨齿机的磨齿精度可更高[13]。

3.4　蜗杆砂轮磨齿

蜗杆砂轮磨齿工作原理用蜗杆形砂轮磨削渐开线圆柱齿轮，其基本原理类似于滚齿加工（如图四所示）。

砂轮与工件啮合旋转，工件作连续分度并展成渐开线齿形，工件轴向进给加工出齿宽。

在磨削斜齿轮时，由差动装置使工件获得附加运动，以加工出相应螺旋角的齿轮。

图四

蜗杆砂轮磨齿也是一种展成磨齿法。

国外生产蜗杆砂轮磨齿机磨齿精度最高的是瑞士Re-ishauer公司。

Reishauer公司开发的RZ300E及RZ301S，磨齿加工精度可达3级；研制的RZ400连续展成蜗杆砂轮磨齿机具有开放灵活的柔性修整系统，砂轮架左边为修整位置，右边为磨削位置，可直接目视察看砂轮修整情形，砂轮修整更换方便快捷。

用它磨削一个模数4，齿数27、齿宽50mm的直齿圆柱齿轮，磨削时间仅为0.82min[14]。

3.5　成形砂轮磨齿

成形砂轮磨齿是靠成形砂轮来磨削渐开线齿形或其他齿形的，工作原理如图五所示。

图五

成形砂轮磨齿无展成运动，磨齿的精度主要取决于砂轮的修整精度与砂轮的定位精度。

当磨削直齿轮时，砂轮的轴向截面形状即为工件的端面齿形；当磨削斜齿轮时，砂轮的轴向截面形状为砂轮与工件理论齿面的空间接触线在砂轮轴向平面的投影。

成形砂轮磨齿采用单齿分度，工件轴向进给来实现全齿宽的磨削。

当磨斜齿轮时，在工件轴向进给的同时，还应作附加的旋转运动，以获得相应的螺旋角。

近几年来，随着CNC数控技术、砂轮拓扑修形技术的应用及高效CBN砂轮的使用，成形砂轮磨齿精度比以往有了较大的提高。

例如英国霍洛伊德（Holroyd）公司研制的GTG2齿轮磨削中心[15-17]、德国Kapp公司研制的VUS55P数控成型砂轮磨齿机[18]、意大利Samputenslli公司生产的S375G数控成型磨床等都属于成形砂轮磨齿机，最高磨齿精度据称可达2级[19-20]。

各种常见磨齿方法的一般磨齿精度列于表2。

表2　各种磨齿方法的一般磨齿精度效率

齿轮磨削方法工作精度（ISO1328）磨削效率

锥形砂轮磨齿7～4

蝶形砂轮磨齿5～3

大平面砂轮磨齿5～3

蜗杆砂轮磨齿6～4

成形砂轮磨齿7～3

中

较低

低

较高

高

4磨齿技术的优势

磨齿技术正在经历着快速的发展，其趋势是高效率和高性能。

齿轮作为工业生产中的重要基础零件，因其形状复杂，技术问题多，制造难度大，一直以来深为业界所重视。

齿轮的加工质量和加工效率在很大程度上反映了一个国家的机械工业水平。

随着科学技术的发展，装备水平的提高，对齿轮传动产品的要求也越来越高。

4.1高效率

为了提高磨齿效率，可以从如下三个方面着手：

（1）采用数控技术；

（2）采用新型磨削材料CBN；

（3）采用新型磨削方法，如圆柱蜗杆砂轮磨齿法和球面蜗杆成形磨齿法。

4.2高性能

（1）低噪音磨齿技术（LNs）[21]

使用传统磨齿工艺加工后，齿轮表面的微观纹理会沿着齿廓方向有规律或者平行的排列，但是这样的微观纹理对噪音比较敏感，因此使用传统方法加工对噪音比较敏感的齿轮时，在磨齿工艺之后，往往还需要对齿轮进行琦磨，进而得到排列比较随机、对噪音相对不敏感的齿轮表面微观纹理。

而Reishuaer公司开创的低噪音磨齿技术（LNS）可以在磨齿加工时，就控制齿面的微观纹理，直接磨出与琦磨类似的表面微观纹理。

这样既可以改善齿面的性能，同时也可以提高生产效率、降低生产成本。

（2）控制表面扭曲的磨削技术（TCG）

采用成形磨和蜗杆砂轮磨加工具有齿向修形的大螺旋角斜齿轮时比较容易产生齿面扭曲，尤其是随着模数和螺旋角加大，齿面扭曲将会进一步加大。

采用Reihsuaer公司开创的控制表面扭曲的磨削技术（TCG）不仅可以控制表面扭曲，根据需要减少或者增加齿面的扭曲，进而得到希望的齿面性能，而且可以提高生产率，减少刀具的损耗。

5磨齿机的研究

我国重大领域及国民经济各行业对磨齿装备有着巨大的需求，其发展趋势是：

高效率、高精度、复合化。

国内曾研制出Y7032A、Y7063A、Y7160等碟形双砂轮磨齿机，其中原秦川机床厂制造的Y7032A，其主要性能均达到马格公司同类产品SD-32-X碟形双砂轮磨齿机水平，荣获国家科技进步一等奖。

但是，由于高效蜗杆砂轮磨齿机制造技术的成熟应用，碟形双砂轮磨齿机的市场占有率逐年缩小。

根据国内外资料介绍，提高磨齿机效率、精度、性能等方面，着重从三个方面入手：

一是采用CNC技术；二是采用新型磨削材料CBN砂轮；三是采用新的磨削原理，目前重点集中在蜗杆砂轮和成型砂轮磨削两大类技术上。

Reihsuaer公司Rz400蜗杆砂轮磨齿机磨削一个模数4mm、齿数27、齿宽50~的直齿轮，磨削时间仅为495，齿形精度却依然可以达到DIN3962标准2级圈。

秦川集团自主研发的YK7230数控蜗杆砂轮磨齿机加工汽车齿轮所需平均磨削时间小于1分钟，而磨削精度可以稳定在GBI0095标准4级。

Reishuaer公司1975年开发的RZ300E及1987年开发的RZ301S磨齿加工精度可达DIN3962标准的1一2级，稳定在3级[22]。

秦川集团研发的最大可加工直径250Omm的QMKooZ数控圆锥齿轮铣齿机，精度可以达到GB11365标准3—4级。

Reihsuaer公司最新研发的轿车变速箱用精密齿轮生产线，从零件的毛坯开始，复合了车一滚、铣、倒角、修毛刺一表面硬化一热后端面、孔精加工一磨齿等工序，一次完成轿车变速箱齿轮的大批量加工需求。

而其RZF磨齿一琦磨复合齿轮加工机床及RZ400数控蜗杆砂轮磨齿机等产品，将工件自动上下料、在线测量、自动对刀、磨齿及修整砂轮、砂轮磨损自动补偿等诸多功能集于一身。

德国KAPP公司XK00磨齿加工中心及意大利SnalPutenisil公司的04SoT以及德国瓦ebherr公司的LS80蜗杆成形磨齿机等可先采用B蜗杆大砂轮进行粗磨齿轮，再用CBN小成形砂轮精磨齿轮网。

秦川集团的YK7230数控蜗杆砂轮磨齿机将自动对刀、自动上下料、高速磨削和多头砂轮自动修整等诸多功能集于一身，使得磨齿加工变得更为精确和快捷网[21]。

6基于振动研磨技术的磨齿机

与前文提到的齿轮精加工磨齿方法相比较，本文采用一种新型的振动研磨技术，从而使得磨齿精度更高，同时提高了磨削效率，证明了本文有关振动研磨机设计的可行性，对提高大功率船舶齿轮的精度，提高效益有很大帮助。

振动研磨机在振动盘中安装有振动马达，振动盘通过振动弹簧与底座连接启动振动研磨机时，振动马达产生强大的激振力，通过振动弹簧带动振动盘中的研磨混合物（即研磨材料、研磨加工零件、研磨助剂等混合物）产生三个方向的运动，即上下振动、由里向外的翻转、螺旋式的顺时针旋转（因为这个原因，有些厂家的振动研磨机，也称“螺旋式振动研磨机或螺旋式振动光饰机”），“三次元”说的就是这个道理。

振动抛光机原理如图一：

图一振动抛光机原理图

振动马达是振动研磨机中的核心部件，它是一种特殊的振动马达（如图六所示），它在两端的轴心上安装有偏心块（也叫振动块）。

通过调节这两块偏心块的相对角度、重量，可以很方便的调节振动机的振动频率、翻转速度。

7结束语

目前我国正在大力发展海洋资源开发装备、大型船舶、高速机车、核电与风电、航空航天以及电动汽车等新兴产业，普遍要求齿轮传动在高速、冲击多变重载和恶劣环境下具有高可靠性、长寿命、高传动效率和低噪音的工作性能；《齿轮传动技术路线图》也提出了到2030年我国齿轮产品应达到功率密度提高1倍，功率损耗减小50%，汽车齿轮在寿命期内不失效等发展目标。

为了满足各行各业的发展需要、实现齿轮行业的发展目标，应该大力发展高精度硬齿面齿轮，并且对其齿面修形。

本文将首先阐述出现这三个发展趋势的原因，然后阐述磨齿技术在加工高精度、硬齿面齿轮时的优越性，进而论证磨齿技术是加工高精度硬齿面齿轮，并对其齿面进行修形的最佳方法。

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