齒輪加工是什么

齒輪加工是指對機械動力傳遞中不可或缺的部件——齒輪進(jìn)行加工的技術(shù)。其主要以金屬為材料，通過切削、磨削等方法加工出齒輪的形狀。由于齒輪的精度直接影響機械的性能和壽命，因此齒輪加工的一大特點是對精度要求極高。

此外，近年來，在電動汽車、自動化機器人等需求不斷增長的背景下，齒輪正朝著小型化、小批量生產(chǎn)的方向發(fā)展。與此同時，齒輪加工技術(shù)的進(jìn)步也十分顯著，借助CNC（計算機數(shù)字控制）技術(shù)，已經(jīng)能夠加工復(fù)雜且精密的齒輪。

齒輪的種類

根據(jù)特定用途和動力傳遞要求分類，齒輪有多種類型。下面介紹幾種具有代表性的齒輪。

錐齒輪（傘狀齒輪）

錐齒輪是在圓錐形表面切削出齒的齒輪，其形狀類似傘。

它最大的特點是能夠?qū)⑤S的方向改變90度來傳遞動力，這大大提升了機械設(shè)計的自由度。此外，它還能實現(xiàn)不同的轉(zhuǎn)速比。與平齒輪相比，錐齒輪運行時噪音較低；但另一方面，其加工工序更為復(fù)雜。根據(jù)齒的形狀，錐齒輪還可分為“直齒錐齒輪”和“螺旋錐齒輪”。

直齒錐齒輪：也稱為直齒錐齒輪，特點是齒向為直線。螺旋錐齒輪：也稱為螺旋錐齒輪，特點是齒向呈螺旋狀的曲線。

斜齒輪

斜齒輪是齒相對于軸呈傾斜狀切削而成的圓柱形齒輪。由于齒呈傾斜狀，齒輪之間的嚙合更為平穩(wěn)。因為齒是逐漸嚙合的，所以噪音和振動得以減輕，即使在高速旋轉(zhuǎn)時也能實現(xiàn)平穩(wěn)運行。此外，齒的接觸面積較大，能夠傳遞更大的載荷，這也是其一大特點。

直齒輪

直齒輪是最常見的齒輪類型之一。其齒沿圓柱形外周切削而成，且與軸保持平行。由于結(jié)構(gòu)簡單、制作相對容易，直齒輪的應(yīng)用范圍十分廣泛，被用于汽車變速箱、機床、家電等各類機械中。但由于同時嚙合的齒數(shù)較少，其缺點是高速旋轉(zhuǎn)時容易產(chǎn)生噪音。

齒條齒輪

齒條齒輪是齒形為直線的齒輪，通常與小齒輪配合使用。

當(dāng)圓形的小齒輪旋轉(zhuǎn)時，齒條會做直線運動；反之，推動齒條時，小齒輪會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。齒條齒輪的特點是能夠?qū)崿F(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動與直線運動的相互轉(zhuǎn)換。由于齒條沒有半徑（可理解為半徑無限大），因此對齒輪的長度沒有限制。正因如此，齒條齒輪可實現(xiàn)長行程運動，且能應(yīng)對高速運動和較大載荷。

蝸輪蝸桿齒輪

蝸輪蝸桿齒輪是由帶螺旋齒的蝸桿和與其嚙合的蝸輪組成的齒輪機構(gòu)。蝸桿的旋轉(zhuǎn)軸與蝸輪的旋轉(zhuǎn)軸相互垂直布置，適用于需要大減速比的場景。其特點之一是只能實現(xiàn)單向動力傳遞。

從結(jié)構(gòu)上來說，當(dāng)輸入軸的蝸桿停止轉(zhuǎn)動時，即便試圖轉(zhuǎn)動輸出軸的蝸輪，蝸桿也不會隨之轉(zhuǎn)動。由于具備防止反向驅(qū)動（自鎖）的特性，蝸輪蝸桿齒輪適用于電梯、卷揚機等提升機構(gòu)。

內(nèi)齒輪

內(nèi)齒輪是在圓柱或圓盤內(nèi)側(cè)加工的有齒齒輪，通常與外齒輪嚙合使用。通過內(nèi)齒輪與外齒輪的組合，可構(gòu)成同向旋轉(zhuǎn)的齒輪機構(gòu)。其特點還包括整體裝置結(jié)構(gòu)緊湊、節(jié)省空間。但由于無法從外側(cè)進(jìn)行加工，內(nèi)齒輪的制造對于加工技術(shù)要求高。不過近年來，隨著高精度齒輪刮削加工機的普及，內(nèi)齒輪這一缺點正逐步得到改善。

滾珠絲杠

滾珠絲杠是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的機械部件，由絲杠軸、螺母以及兩者之間的滾珠構(gòu)成。當(dāng)絲杠軸旋轉(zhuǎn)時，螺母內(nèi)部的滾珠會沿著溝槽滾動移動，通過這一運動將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動。滾珠絲杠可根據(jù)循環(huán)方式、絲杠軸形狀及預(yù)緊方式分為多種類型。

齒輪的齒形

齒輪齒的形狀稱為“齒形”，而構(gòu)成齒形的是“齒形曲線”。齒形曲線大致分為漸開線曲線和擺線曲線，下面來看兩者的區(qū)別。

漸開線曲線

漸開線曲線是指將纏繞在圓盤上的線松開時，線的端點所描繪的軌跡。漸開線曲線是最常用的齒形曲線，具有易于加工、適合量產(chǎn)的特點。此外，即使中心距離略有偏差，齒輪也容易嚙合，這也是其優(yōu)勢之一。其廣泛應(yīng)用于普通機械、汽車變速箱、機床等領(lǐng)域。

擺線曲線

擺線曲線是指當(dāng)圓在直線上滾動時，圓周上一點所描繪的軌跡。采用擺線曲線的齒輪，由于齒輪之間的接觸面積大，因此磨損少且耐沖擊。另外，由于不會產(chǎn)生干涉，其優(yōu)點是旋轉(zhuǎn)阻力小，可實現(xiàn)平穩(wěn)運行?；谶@些特點，擺線曲線齒輪常用于負(fù)荷較小的鐘表及精密儀器等。

各業(yè)界齒輪加工的應(yīng)用案例

最后，我們來看看齒輪及齒輪加工的應(yīng)用案例。

汽車產(chǎn)業(yè)中的齒輪加工

在汽車產(chǎn)業(yè)中，齒輪被用于變速箱、發(fā)動機等車輛的多個重要部位。

近年來，隨著電動汽車需求的增長，面向汽車產(chǎn)業(yè)的齒輪需求也發(fā)生了變化。在電動車普及的歐洲和中國，新車銷量中電動車的占比逐年上升——2023 年，歐洲（據(jù)歐洲汽車工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)）的電動汽車占比約為14.6%，中國（據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)）約為22.2%。

電動汽車相比燃油車行駛噪音更小。如果齒輪噪音過大，會影響行駛舒適性，因此齒輪加工也開始對齒輪的靜音性有更高的要求。此外，除了靜音性，齒輪的小型化和結(jié)構(gòu)復(fù)雜化變革也在推進(jìn)。從環(huán)境負(fù)荷角度來看，齒輪的效率也很重要，如何提高能源效率是齒輪加工中備受重視的一點。

機器人行業(yè)中的齒輪加工

機器人領(lǐng)域的技術(shù)也在日新月異。

工業(yè)機器人和協(xié)作機器人需要完成多種多樣的動作，因此其配備的齒輪也必須結(jié)構(gòu)復(fù)雜且精度極高。其中一個例子就是“行星齒輪”。這種齒輪結(jié)構(gòu)也用于風(fēng)力發(fā)電機和電動螺絲刀，特點是多個齒輪在自轉(zhuǎn)的同時還會公轉(zhuǎn)。由于行星齒輪能實現(xiàn)更復(fù)雜的動作，因此被用于機器人手臂的關(guān)節(jié)部位以及汽車發(fā)動機中。

應(yīng)用于多領(lǐng)域的齒輪加工

齒輪加工技術(shù)在汽車、航空航天、機器人、環(huán)保設(shè)備等多個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用。此外，隨著社會不斷高度發(fā)展，齒輪也在向高效化、輕量化、小型化方向發(fā)展。為實現(xiàn)輕量化，除金屬外，樹脂齒輪的應(yīng)用場景也不在少數(shù)。

再者，近年來隨著數(shù)控（NC）技術(shù)的發(fā)展，復(fù)雜形狀的工件也已能實現(xiàn)自動化加工。不僅限于齒輪加工，對于制造企業(yè)而言，準(zhǔn)確把握市場需求，著力推進(jìn)與之匹配的設(shè)備投資及生產(chǎn)體制構(gòu)建，是至關(guān)重要的。