Зубчатая передача: принципы и применение методов копирования и обкатки при обработке зубчатых колес

Time : 2025-11-01

Зубчатые колеса являются основными компонентами механических передаточных систем и широко используются в ветроэнергетике, автомобильной промышленности, аэрокосмической отрасли и других областях. Существует множество методов обработки зубчатых колес. Среди них метод обкатки является одним из основных способов высокопроизводительного и высокоточного производства зубчатых колес, тогда как метод копирования представляет собой традиционный подход, при котором профиль зуба формируется путем прямого резания или копирования. В отличие от метода обкатки, контур инструмента при методе копирования непосредственно определяет форму впадины между зубьями, что делает его подходящим для единичного производства, крупномодульных зубчатых колес или обработки специальных профилей зубьев. В данной статье подробно рассматриваются принципы обработки, типичные методы и промышленные применения обоих технологических приемов, что предоставляет ценную информацию для инженерно-технических специалистов.

01 Основные принципы метода обкатки

Метод обкатки — это процесс профильного формообразования, при котором профиль зуба шестерни «огибается» за счёт непрерывного вхождения в зацепление инструмента и заготовки. Его основная идея заключается в моделировании реального процесса зацепления пары шестерён, при котором инструмент и заготовка движутся с теоретическим передаточным отношением, постепенно формируя профиль зуба.

1.1 Математические основы

Принцип огибания : Траектория движения режущей кромки инструментов (например, червячных фрез или долбяков) образует ряд непрерывных кривых, а огибающая этих кривых составляет теоретический профиль зуба шестерни (например, эвольвентный, циклоидальный).
Уравнение зацепления : Обеспечивает соблюдение соотношения относительного движения между инструментом и заготовкой для достижения точности профиля зуба.

1.2 Ключевые особенности

Высокая точность : Возможность обработки сложных профилей зубьев (например, эвольвентных, круговых).
Высокая эффективность : Непрерывное резание обеспечивает возможность массового производства.
Высокая универсальность : Один и тот же инструмент может обрабатывать зубчатые колёса с разным числом зубьев (при условии, что у них одинаковый модуль).

1.3 Типичные процессы метода обкатки

1.3.1 Нарезание червячной фрезой

ПРИНЦИП : Использует движение зацепления между червячной фрезой (имеющей форму червяка) и заготовкой зубчатого колеса, при этом резание завершается за счёт осевой подачи.
Кинематическая связь : Вращение фрезы (основное режущее движение) + вращение заготовки (движение обкатки) + осевая подача.
Преимущества : Высокая эффективность, подходит для массового производства (например, автомобильные шестерни); может обрабатывать прямозубые, косозубые и червячные колёса и т.д.
Примеры применения : Обработка планетарных и солнечных шестерён в коробках передач ветровых турбин.

1.3.2 Обработка долбяком

ПРИНЦИП : Использует долбяк-резец (по форме аналогичный зубчатому колесу), который совершает возвратно-поступательное режущее движение на заготовке, одновременно вращаясь с передаточным отношением зацепления.
Кинематическая связь : Вертикальное возвратно-поступательное резание зубофрезерного станка + вращение заготовки и инструмента по образующей.
Преимущества : Может обрабатывать сложные конструкции, такие как внутренние и двойные шестерни; превосходная шероховатость поверхности зубьев по сравнению с фрезерованием (Ra 0,8–1,6 мкм).
Ограничения : Меньшая эффективность по сравнению с фрезерованием; более высокая стоимость инструмента.
Примеры применения : Обработка внутренних зубчатых колец в коробках передач и малых прецизионных шестерен.

1.3.3 Зубострогание

ПРИНЦИП : Зубострогальный резец и заготовка вращаются, находясь в зацеплении под небольшим давлением, повышая точность профиля зуба за счёт скобления кромками резца. Это финишная операция, используемая для доводки после фрезерования или зубострогания.
Преимущества : Может исправлять ошибки профиля зуба и улучшать плавность передачи шестерён; точность обработки достигает 6–7 степени по DIN.
Примеры применения : Финишная обработка шестерён автомобильных коробок передач.

1.3.4 Шлифование зубьев

ПРИНЦИП : Используется формованный шлифовальный круг или червячный шлифовальный круг для шлифования боковой поверхности зуба путём обкатки, в основном для окончательной обработки закалённых шестерён.
Преимущества : Чрезвычайно высокая точность (до класса DIN 3–4); может обрабатывать шестерни с твёрдой поверхностью зубьев (HRC 58–62).
Ограничения : Высокая стоимость и низкая эффективность, как правило, используется в областях с высокими требованиями к точности.
Примеры применения : Шестерни авиационных двигателей и шестерни высокоскоростной ступени в редукторах ветровых турбин.

02 Основы метода копирования профиля

Суть метода копирования профиля заключается в том, что форма инструмента соответствует форме впадины между зубьями шестерни, и профиль зуба напрямую воспроизводится за счёт движения резания инструмента. К его основным характеристикам относятся:

Высокая зависимость от инструмента : Точность профиля зуба напрямую зависит от точности контура инструмента.
Отсутствие обкатывающего движения : Процесс обработки не имитирует зацепление шестерён, relies только на относительное движение между инструментом и заготовкой.
Высокая гибкость : Возможность обработки нестандартных профилей зубьев (например, дуговые, прямоугольные).

2.1 Математические основы

Принцип профилирования : Геометрическая форма режущей кромки инструмента идеально соответствует впадине зуба шестерни.
Делительное движение : Используются делительные устройства (например, делительные головки) для обработки каждого зуба по отдельности, что обеспечивает равномерный шаг зубьев.

2.2 Преимущества и недостатки

Преимущества

Простое оборудование : Может выполняться на обычных фрезерных станках.
Подходит для единичного, мелкосерийного производства или ремонта : Идеально подходит для случаев индивидуальной настройки и технического обслуживания.
Способен обрабатывать шестерни с очень большим модулем : Например, шестерни, используемые в горнодобывающем оборудовании.

Недостатки

Низкая точность : Обычно по классу DIN 9–10.
Низкая эффективность : Требуется обработка каждого зуба отдельно.
Низкая универсальность инструмента : Для каждого модуля требуются специализированные инструменты.

2.3 Типичные процессы формообразования резанием

2.3.1 Фрезерование зубьев

ПРИНЦИП : Используется дисковая фреза или концевая фреза; резание осуществляется за счёт вращения фрезы, а заготовка поворачивается на один зуб через делительную головку.
Кинематическая связь : Вращение фрезы (главное резание) + Осевая подача заготовки + Поворот для деления
Сценарии применения : Производство прямозубых и косозубых шестерен единичными экземплярами и мелкими партиями; крупномодульные шестерни (модуль ≥20 мм) или ремонтные шестерни.
Изучение кейса : Зубчатые колеса тихоходной ступени морских редукторов (модуль 30, материал: 42CrMo), обработанные торцевой фрезой с применением ЧПУ-позиционирования, с достижением шероховатости поверхности зуба Ra 3.2 мкм.

2.3.2 Протягивание зубьев

ПРИНЦИП : Используется протяжка (многозубой инструмент ступенчатого типа) для протягивания всего впадины зуба за один проход.
Кинематическая связь : Поступательное движение протяжки (резание) + неподвижная заготовка.
Преимущества : Очень высокая эффективность (формирование одной впадины за ход); относительно высокая точность (до степени точности по DIN 7).
Ограничения : Подходит только для массового производства внутренних или наружных шестерен; высокая стоимость изготовления протяжек, идеально для крупносерийных заказов одного типоразмера.
Примеры применения : Массовое производство синхронизаторов автомобилей (время цикла <10 секунд/штука).

2.3.3 Обработка зубьев шлифованием по контуру

ПРИНЦИП : Используется профильный шлифовальный круг (с контуром, соответствующим форме впадины зуба) для шлифования закаленных шестерен.
Кинематическая связь : Вращение шлифовального круга + индексация заготовки.
Преимущества : Может обрабатывать высокотвердые зубчатые колеса (HRC >60); точность до степени DIN 4 (ошибка профиля зуба <5 мкм).
Области применения : Финишная обработка зубчатых колес авиационных двигателей и прецизионных редукторов.

03 Сравнение и промышленное применение двух методов

Сравнение метода обкатки и формообразующего фрезерования

Пункт сравнения	Метод обкатки	Формообразующее фрезерование (например, зубофрезерование, протягивание)
Принцип обработки	Профиль зуба формируется путем огибания через движение зацепления между инструментом и заготовкой	Профиль зуба напрямую вырезается по контуру инструментом
Прецизионный	Высокая (класс DIN 6–8)	Относительно низкая (класс DIN 9–10)
Эффективность	Высокая (непрерывное резание)	Низкая (обработка зуб за зубом)
Сценарии применения	Массовое производство, сложные профили зубьев	Единичное/мелкосерийное производство, крупномодульные шестерни

Промышленные применения метода обкатки

3.1 Редукторы для ветроэнергетики

Требования : Высокий крутящий момент, длительный срок службы (≥20 лет).
Комбинация процессов : Фрезерование червячной фрезой (черновая обработка) → Термообработка → Шлифование шестерен (чистовая обработка).

Предыдущий: Как неправильная подготовка перед предварительным цементированием вызывает неоднородную глубину упрочненного слоя в шестернях

Следующий: Празднование 20-летия Ocean Industry в самом разгаре: делимся радостью, вспоминаем прошлое и строим планы на будущее

Все категории

Новости