第四节 成形面的加工
组成机械零件的表面除了常见的外圆、内圆、平面外，有些零件还具有形状复杂的表面，这些就是成形面，主要指各种非圆形曲面，其类型大体分为以下三种：
(a)不封闭型 (b)封闭型
图11-29 回转体成形面 图11-30 直线成形面
⑴ 回转体成形面 该面是由一条曲线绕一固定轴线旋转而成，如图11-29所示，机床手柄就是一个典型的例子。
⑵ 直线成形面 该面可分封闭、不封闭的两种，如图11-30所示。直线成形面是由一 直线沿封闭的或不封闭的曲线做平行移动而形成，凸轮的形成即是典型的直线成形面。
⑶ 立体成形面 该成形面是由空间三坐标尺寸不同的点组成的不规则的最复杂的形面，图11-31为汽轮机叶片的叶身形面。
一、成形面的加工
图11-31 立体成形面
成形面的切削加工方法按加工原理不同分为成形刀具法、运动轨迹法及成形刀具与运动轨迹复合成形法。
（一）成形刀具法加工成形面
此法是使用成形刀具加工成形面。在车、铣、刨、拉、磨等加工中都可应用，所用刀具为成形车刀、成形铣刀、成形刨刀、拉刀、成形砂轮等。成形刀具有与工件形面相应的形状和尺寸的主切削刃。其共同特点是操作简单，生产率高。由于成形刀具的设计、制造比一般刀具复杂，需要较长的生产准备周期和较高的费用，一般应用于较大批量生产中。如图11-32所示为用成形车刀车削成形面。
（二）运动轨迹法加工成形面
用此法加工出的零件的成形面不是由刀具主切削刃形状、尺寸决定，而是由刀具与工件相对运动的轨迹形成。
属于此加工类型的有以下三种方法。
1．按划线或样板加工 （叶片型面）
此法是在通有机床上，由人工控制刀具或工件的纵、横向进给，按事先在工件上划好的加工表面轮廓线或样板模线进行加工。与其他加工方法相比较，此法较难保证加工精度，生产率低，工人劳动强度大，并需由技术熟练的工人操作，但此法不需要专门设计、制造成形刀具和靠模，灵活性大，用于单件、小批量加工。
2．靠模法加工
如图11-33所示，此法是由靠模装置控制普通刀具或工件按靠模工作面曲线运动，使之加工出所需要的形状和尺寸。此法可在普通机床上加靠模装置进行，也可在专门的仿形机床上进行，前者使用通用机床，但加工质量和生产率不如后者。无论是前者还是后者，加工前都需要根据零件形状和尺寸要求设计制造专用靠模，需要较长的生产准备时间和较高的费用，故适用于较大尺寸形面的较大批量加工。
图11-32 成形车刀车成形面 图11-33 靠模法车成形面
1—卡盘 2—工件 3—成形车刀 1—工件 2—车刀 3—靠模板 4—连接板
3．程序控制法加工成形面
此法是在数控制机床上，由控制系统按输入的程序进行自动加工完成所需成形面。由于改变加工形面形状、尺寸只需改变输入的程序即可，因此与靠模法相比生产准备时间短，费用低，灵活性大。但机床费用高，技术复杂，适用于加工对象更换频繁、形面复杂的中小批量加工。
（三）成形刀具与运动轨迹复合成形法
此法加工的形面是由刀具的形状与工件、刀具间相对运动轨迹复合而成，如展成法加工齿轮中的插齿加工，不仅插齿刀的齿形要符合相应模数齿轮的齿形，而且插齿刀与工件间还必须强制保持一定的转动速比关系，才能加工出所需要的齿轮齿形。
二、螺纹加工
螺纹是一种特定的成形面，牙形种类和尺寸规格多，应用广泛
。如联接螺纹分为普通螺纹、英制螺纹和管螺纹等；传动螺纹分为梯形螺纹、锯齿形螺纹、矩形螺纹等。
不同用途的螺纹其精度要求也不同。对于联接螺纹和无传动精度要求的传动螺纹，一般只要求中径和顶径的精度，其公差等级共分12级，其中1级最高、最难以加工，12级最低。目前应用的螺纹，其公差等级大都在4~8级之间，3级以上和9级以下的很少应用。
螺纹的加工方法有车、铣、攻丝、套扣、磨、滚压、搓丝等。
（一） 车螺纹
车螺纹是用螺纹车刀（一般刀刃形状与所加工的螺纹牙型相同）在车床上进行，如图11-34所示。
车削时工件与刀具间的运动要严格按一定的速比关系进行，即工件每转一转，刀具沿工件轴线方向相应移动一个螺距（单头螺纹）或导程（多头螺纹）。除大量加工细长的丝杠车床外，一般零件上的螺纹都可在普通车床上加工。
1—工件 2—螺纹车刀 3—卡盘
图11-34 车螺纹
车削螺纹的主要工艺特点如下：
1．适应性强
车床上能加工各种形状和尺寸的螺纹，且刀具简单，费用低。
2．加工精度较高
由于车削过程连续、平稳，加工精度一般可达6级，Ra<1.6μm，加工精度最高达4级，Ra<0.8μm。
3．生产率较低
与其他方法相比，生产率较低。原因是走刀次数多，对刀、测量都比较费时。当采用螺纹梳刀车削螺纹时，由于刀齿较多，生产率有所提高。
4．对工人技术水平要求高
螺纹车刀的刃磨、安装要求较严格，车刀在每次走刀后退回时要求操作者动作要特别熟练、快捷，所以操作者要有较高的技术水平。
综上所述，普通车床车螺纹适于尺寸较小的非标准螺纹和尺寸较大、精度较高、小批量的螺纹加工。
（二）铣螺纹
铣螺纹是在专门螺纹铣床上用螺纹铣刀加工螺纹的方法。由于铣刀齿多、转速快、切削量大，故比车螺纹生产率高。螺纹铣削的加工精度可达7级，Ra可达1.6μm。
铣螺纹按所有铣刀不同分为以下两种：
1．盘状铣刀铣螺纹
如图11-35所示。安装铣刀和工件时，铣刀轴线与工件轴线必须成一λ角度（螺纹的螺旋升角）。盘状铣刀铣螺纹主要用于精度不太高的较大螺距的长螺纹的终加工和较精密螺纹的预加工。
(a)盘状螺纹铣刀 (b)螺纹铣刀的安装 1—工件 2—梳状铣刀
图11-35 盘状螺纹铣刀铣螺纹 图11-36 梳状铣刀铣螺纹
2．梳状铣刀铣螺纹
如图11-36所示，梳状铣刀可以看作是多个盘形铣刀的组合。加工时，铣刀转动为切削运动，工件只需转一转，同时铣刀沿工件轴线方向移动一个螺距（当铣刀长度和工件长度接近时），即可铣出整个螺纹。实际中考虑到铣刀有切入、退出等运动，工件需多转一定的角度。梳状铣刀加工螺纹效率高，主要用于加工螺旋升角较小，牙形为三角形的短尺寸螺纹。
（三）用丝锥、板牙加工螺纹
用丝锥加工内螺纹称为攻丝，丝锥结构如图11-37所示。从外形看丝锥似纵向开有沟槽（形成切削刃和容屑槽）、头部带有锥度（切削部分）的螺杆。攻丝前需按要求尺寸加工出螺纹底孔。
板牙是加工或校正外螺纹用的刃具，其结构如图11-38所示。板牙外形似钻有三个孔（形成切削刃和容屑槽）的螺母，且孔的端部具有30°～60°锥角，以起到切削前引导定位作用。用板牙加工螺纹又称套扣。
图11-37 丝锥结构图 图11-38 板牙结构
用板牙、丝锥加工螺纹，可以在车床上进行也可以在钻床上进行。其特点是：操作简单，生产率高，加工费用低。但加工精度不太高，攻丝为6~8级，套扣为7~8级，表面粗糙度Ra为1.6~6.3μm。用于各种批量加工公称直径小于16mm的标准螺纹和较大批量加工非标准尺寸螺纹（需专门设计制造丝锥或板牙）。
1—工作部分 2—切削部分 3—定径部分
4—柄部 5—容屑槽 6—切削刃
（四）滚压法加工螺纹
滚压加工螺纹属于无屑加工。被加工坯件表层金属在滚丝轮或搓丝板的挤压力作用下，产生塑性
变形，形成螺纹，从而达到加工目的。
用滚丝轮在滚丝机上加工螺纹称为滚丝，其工作部分如图11-39所示。滚丝时，两滚丝轮中，只转动不移动的称为静滚轮，既转动又径向移动的称为动滚轮，工件置于二滚轮的托板上。
用搓丝板在搓丝机上加工螺纹称为搓丝，其工作部分如图11-40所示。搓丝时，动板在水平方向由右向左移动并带动工件在上、下两板间滚动，从而滚压出螺纹。
滚压螺纹的牙型尺寸决定于滚丝轮或搓丝板的牙型尺寸，滚压螺纹的直径决定于两滚丝轮或两搓丝板之间的距离。
滚压螺纹与其他加工方法相比，主要特点是生产率特别高，滚丝每分钟可加工10~60件，搓丝比滚丝更高，每分钟可加工120件。滚压螺纹加工精度可达3～6级，表面粗糙度Ra为0.2~0.8μm。滚压螺纹纤维组织连续，密度大、强度高、耐用，并且设备简单，材料利用率高。滚压螺纹的缺点是受滚丝轮和搓丝板齿面硬度的限制，只适于加工硬度不高、塑性好、中小直径和齿高不太大的外螺纹，不适于加工内螺纹、方牙螺纹和薄壁零件上的螺纹。
（五）磨螺纹
磨螺纹是螺纹的精加工方法，采用轮廓经过修整的砂轮在专门的螺纹磨床上进行，其加工精度可达3~4级，表面粗糙度可控制在Ra0.2~0.8μm。
图11-39 滚螺纹 图11-40 搓丝
1—工件 2—托板 3—滚丝轮 1—工件 2—动板 3—静板
由于螺纹磨床结构复杂，精度高，加工效率低，加工费用高，所以磨螺纹一般用于加工硬度高的精密螺纹，如精密丝杠，测量用螺纹、螺纹丝锥等。
三、齿轮加工
齿轮是机械产品中应用较多的零件之一。其主要部分——轮齿的齿面是特定形状的成形面。符合此要求的有摆线形面、渐开线形面等，最常见的是渐开线形面。
齿轮的加工主要是齿形的加工，下面以渐开线圆柱齿轮为例，介绍齿轮加工有关知识。
（一）渐开线的形成及齿轮主要参数
渐开线的形成如图11-41所示。渐开线是由一动直线在平面内沿半径为rb的圆周作无滑动的纯滚动时，动线端点移动时的轨迹。半径为rb的圆称为基圆，动直线称为发生线。渐开线的弯曲程度与基圆直径大小有关，基圆愈小曲率愈大。渐开线齿轮的一个轮齿就是由同一基圆形成的两条方向相反的渐开线的线段组成。
图 11-41 渐开线的形成
1—基圆 2—动线 3—渐开线
齿轮转动时，渐开线上各点圆周线速度方向与该点法线方向的夹角称为压力角，如图11-42所示。同一条渐开线上各点压力角不同，渐开线与齿轮分度圆（直径为d）相交点的压力角称为齿轮的压力角，标准渐开线齿轮的压力角α为20°。从图中可知当压力角一定时，形成某一模数和齿数的齿形的基圆直径d
：
d
=dcosα=mzcosα (11-1)
从公式中可知，决定渐开线齿形的参数不仅包括压力角α和模数m，而且还与齿轮齿数z有关，所以模数、齿数、压力角是渐开线齿轮的主要参数，齿轮的其他尺寸参数如分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径都是由它们通过一定的 图11-42 渐开线的压力角
公式计算后得到的。 1—基圆 2—分度圆
（二）圆柱齿轮的精度
齿轮齿形的制造精度对机械产品的工作性能和使用寿命有很大影响。根据齿轮的工作条件和用途不同，应对齿轮的制造精度提出不同的要求。在《渐开线圆柱齿轮精度》国家标准(GB10095—1988)中，对齿轮规定了如下精度要求：
1．传递运动的准确性
要求齿轮在一转范围内，其最大转角误差限制在一定范围内，以保证从动件与主动件协调，速比变化小，传递运动准确。
2．传动的平衡性
要求齿轮传动瞬时传动比变动不大，因为瞬时传动比的突变会引起齿轮传动冲击、振动和噪声。
3．载荷分布的均匀性
要求齿轮啮合时齿面接触良好，以免引起应力集中，造成局部磨损或断裂，影响齿轮使用寿命。
4．传动侧隙
要求齿轮在啮合时，轮齿非工作面间应有一定的间隙。产生间隙的大小主要通
过控制齿轮的齿厚得到，根据工作条件选择确定。该间隙主要用于储藏润滑油，补充齿轮传动中的变形和各种误差。否则齿轮传动中可能会出现卡死或烧伤。
标准规定：齿轮精度分为12个等级，其中1级最高，12级最低，1~2级为发展前景级而规定的，一般不用。在实际应用中，3~5级为最高精度级，如测量齿轮、精密机床齿轮、航空发动机重要齿轮；6~8级为中等精度级，如内燃机车、电气机车、汽车、拖拉机上的重要齿轮；9~12级为低精度级，如起重机械、农业机械中的一般齿轮。
（三）圆柱齿轮齿形的加工
（a）模数盘铣刀铣齿 (b) 指状模数铣刀铣齿
图11-43 模数铣刀铣齿
齿形加工按加工原理分为成形法和展成法两种。成形法加工齿形由所用刀具切削部分的截形保证，常用的成形法加工有模数铣刀铣齿和拉齿等。展成法加工齿轮的实质是利用一对渐开线齿轮（如插齿）或齿轮齿条（如滚齿）的啮合运动，把其中一个齿轮或齿条制成具有切削能力的刀具，在齿轮坯与刀具二者作强制性啮合运动（即展成运动）的同时，刀具作主运动来实现齿轮齿形的加工。从加工原理分析，工件的渐开线齿形是由刀具截形加展成运动的包络线形成的。属于展成法加工的有插齿、滚齿等。
1．模数铣刀铣齿
如图11-43所示，不论是用模数盘铣刀铣齿还是用指状模数铣刀铣齿，都采用的是通用机床，其中前者用卧式铣床，后者用立式铣床。工件装夹在分度头上的卡盘上（或分度头卡盘与顶尖之间），调整好刀具与齿坯之间的位置，切完一个齿间后，按一定角度转动分度头再切下一个齿间。基中盘状模数铣刀用于铣模数小于8的齿轮，指状模数铣刀用于铣模数大于8的齿轮。
铣齿加工的齿形是靠铣刀刀齿截面形状来保证的。对于不同齿数的齿形进行加工时，由于采用了齿形近似的模数铣刀，分度头分度时也存在一定的误差，使得成形法铣齿的精度较低（9级以下）。另外，铣齿前刀具与工件间的位置找正较费时间，铣削过程中每铣一齿都需要重复消耗一定的切入、切出和分度等辅助时间，故铣齿的效率低。但是成形法铣齿刀具简单，设备通用，在没有专门齿轮加工机床情况下，单件小批量加工低精度齿轮比较适用。
2．拉齿
将拉刀的刀齿截形做成渐开线形状，就可以在普通拉床上拉齿。目前，拉齿常用于加工直径不太大的直齿内齿轮。加工外齿轮，拉齿用的较少，其主要原因是外齿加工方法较多，生产率也较高。与孔的拉削一样，拉齿具有加工精度高，表面粗糙度低，生产率高等特点，但是刀具结构复杂、成本高，故拉齿适用于大批量生产中。
3．插齿
插齿是选用与工件模数相同的插齿刀在插齿机上进行的，如图11-44所示。插齿工作原理相当于一对无啮合间隙的圆柱齿轮传动。插齿时，通过机床传动系统，不仅使插齿刀作上、下往复运动进行切削，而且使插齿刀与齿坯间严格按速比关系强制运动，这样即可包络切削形成工件的渐开线齿形。
插齿加工过程具有以下四种运动，如图11-44(a )所示。
⑴ 主运动 插齿刀的上、下往复运动，以每分钟往复次数表示，单位str/min。
⑵ 分齿运动 插齿刀与工件间由机床传动系统强制保持有速比关系的转动，即插齿刀转过
转时，工件也相应转过
转。
⑶进给运动 进给运动包括圆周进给运动和径向进给运动。
(a) 插齿运动 (b) 插齿包络线 (c) 插齿机示意图
图11-44 插齿加工原理
1—插齿刀 2—被加工齿轮
圆周进给运动是指分齿运动中，插齿刀每往复一次，工件分度圆上所转过的弧长，单位为mm/str。其大小决定了包络线的密度，直接影响齿面的表面粗糙度。径向进给运动，指插齿刀每往复一次，工件径向移动的距离，单位为mm/str。
⑷ 让刀运动 为使插齿刀的返回行程中，其后刀面与工件已加工表面间不发生摩擦，以减小刀具的磨损和避免影响加工表面质量，工件台要带动工件在径向后
移一段距离，当插齿刀的下一个工作行程开始前工件又恢复原位，这个运动称为让刀运动。
插齿与铣齿相比，刀具数量少（一个模数一把刀具），加工精度高，可达7~8级，表面粗糙度Ra可达0.63μm,生产率较高（机床为半自动工作，切削过程连续）。与滚齿相比，齿面较光洁（包络线密度大），生产者率略低些（有一半空行程），但新型插齿机最高冲程数已达2500次/min，生产率比较高。插齿不仅可加工外齿轮，还可以加工内齿轮和相距较近的双联、多联齿轮。
4．滚齿
滚齿是用齿轮滚刀在滚齿机上进行的滚齿加工，滚齿机外部结构如图11-45所示。
所用齿轮滚刀如图11-46所示。滚刀外形似开有纵向槽（形成切削刃和容屑槽）、铲出后面及轴向截形为齿条齿形的蜗杆。因此，齿轮滚刀与工件相当于一对蜗轮与蜗杆的啮合，不同点是机床传动系统保持滚刀（单头）转一转，工件转1/z转的强制速比关系。当滚刀转动时，在它的轴向剖面上相当于有一个无限长的齿条在向前移动，滚刀刀齿一系列顺序切削形成的包络线便形成了工件的渐开线齿形，如图11-47所示。
滚齿过程需要具有以下几种运动，如图11-48所示。
⑴ 主运动 滚刀的旋转运动，其转速成为
，单位r/min。
⑵ 分齿运动 滚刀转一转，被切齿坯转
转（K—滚刀头数）。
⑶ 垂直进给运动 为切出全部齿宽，滚刀沿工件轴向移动，工件每转一转或每一分钟沿齿轮轴向移动的距离，即mm/r或mm/min。
滚刀的径向切深是通过工作台控制的，对于模数较小的齿轮，一次可切至全深，对于较大模数齿轮则要分2~3次滚切。
滚齿时滚刀呈高速连续切削，其加工效率大大高于铣齿，略高于插齿。加工精度可达7~8级，与插齿相同。滚齿时由于形成包络线的切线数目受滚刀开槽数量的限制，一般比插齿少，故齿面粗糙度略高于插齿（Ra为1.6～3.2μm）。
1—床身 2—立柱 3—刀架溜板 4—刀杆 5—刀架体 6—支架 7—心轴 8—后立柱 9—工作台 10—床鞍
图11-45 Y3150E滚齿机外形图
图11-46 齿轮滚刀及工作图 图11-47 滚齿包络线 图11-48 滚齿运动
1—滚刀 2—假想齿条 3—工件、 1—工件 2—滚齿刀截形 1—主运动 2—工件转动 3—垂直进给运动
滚齿与插齿的相同之处在于用同一模数的刀具，可加出同模数不同齿数的齿轮。滚刀制造，刃磨较困难，成本较高。
滚齿不仅可以加工直齿轮，还可以加工螺旋圆柱齿轮和蜗轮，但不能加工内齿轮和相距较近的双联齿轮中的较小直径的齿轮。
由于插齿、滚齿加工精度一般达7～8级，对于要求精度更高的齿轮，插齿或滚齿后还需进一步精加工。齿轮齿形精加工方法有剃齿、珩齿和磨齿等。
5．剃齿
剃齿是用剃齿刀在专门的剃齿机上对未淬硬的齿轮进行的一种精加工方法。剃齿刀如图11-49所示。剃齿刀外形似一斜齿圆柱形齿轮，但在其齿面上开有许多小沟槽，以形成切削。剃齿刀与工件的安装位置及切削运动如图11-50所示。
图11-49 剃齿刀 图11-50 剃齿工作图
1—剃齿刀整体外形 2—单齿放大图 1—剃齿刀 2—齿轮 3—心轴
剃齿前，剃齿刀与工件轴线安装成一剃齿刀刀齿螺旋角β。工作时，剃齿刀带动工件转动，二者为自由啮合，此时，剃齿刀与工件齿面接触点的圆周速度VA分解为两上方向的的分速度，分别是沿工件圆周切线方向的分速度VAn与轴线方向的分速度VAt。VAn使工件旋转，形成剃齿刀与工件间的自由展成运动。VAt使工件与剃齿刀沿轴线方向产生相对移动，使剃齿刀刀刃对工件齿面产生切削作用。为了能剃至完全齿宽，由工作台带动工件作往复直线运动。
剃齿的主要特点是加工精度较高，一般可达6~7级，表面粗糙度低（Ra为0.4～0.8μm），且机床结构简单，生产率高，但刀具结构复杂，制作费用高。一般剃齿刀是用高速钢制作，故不能加工淬硬后的齿轮。
6．珩齿
珩齿的加工原理及运动与剃齿相同
，所用珩磨轮其外形亦与剃齿刀相同，但齿面不开小沟槽，材质是用很细的金刚砂加环氧树脂压制而成。由于珩磨时珩磨轮的转速比剃齿高得多，达1000~2000r/min，且珩磨过程得集磨削、研磨、抛光等几种精加工的综合效果，因此珩齿比剃齿加工表面质量更高（Ra为0.16~0.32μm）。
由于珩磨轮弹性较大，修正误差的能力不强，所以珩齿对齿形精度的改善不大，主要用于消除齿轮热处理后齿面产生的氧化皮，可使表面粗糙度降低。
7．磨齿
磨齿是在磨齿机上对淬硬后的齿轮进行精加工的方法。磨齿是目前齿形加工中精度最高、表面粗糙度最小的加工方法，最高精度可达3~4级。
磨齿按加工原理不同分为成形法和展成法两种。
成形法磨齿如图11-51所示。其砂轮的截面形状由专门的金刚石修整器按加工的齿轮规格尺寸修整而成，被加工齿轮的齿形由砂轮截形保证，每磨完一个齿，由机床专门的分度机构分度后再磨下一个齿。这种方法磨齿生产率较高，但加工精度较低，原因为砂轮齿形修整有误差，分度有误差及磨削中砂轮齿面磨损不均匀等。
根据展成法原理制造的磨齿机分为连续分度和单齿分度两种类型。
单齿分度的磨齿机也分两种类型。一种采用单片锥形砂轮，另一种采用双片碟形砂轮，如图11-52所示。
由于齿轮磨床都具有机构复杂，精度高，价格昂贵，工时费用高等特点，因此一般情况下，精度高于6级的精密齿轮才用磨削加工，如齿轮刀具、标准齿轮和机械产品中的精密齿轮零件等。
图11-51 成形法磨齿
(a)单片锥形砂轮磨齿 (b)双片碟形砂轮磨齿
1—成形砂轮 2—工件
图11-52 单齿分度磨齿
（四）圆柱齿轮齿形加工方案的确定
在齿轮加工工艺过程中，齿形加工是重要的组成部分。齿形加工方案的确定主要考虑齿轮齿形的精度等级、生产类型、热处理要求及齿轮结构等。
1． 9级精度以下齿轮
单件、小批加工时，可以采用成形法铣齿；较大批量加工时，需采用滚齿或插齿。
2． 8级精度以下齿轮
一般采用滚齿或插齿就能满足要求。若齿面需淬硬，则采用滚齿（或插齿）——淬火的加工方案。但在淬火前齿形加工精度提高一级。
3．6~7精度齿轮
若齿面为中等硬度，可采用滚齿（或插齿）——剃齿；若齿面需淬硬，则采用滚齿（或插齿）——剃齿——表面淬火——珩齿。这种方案生产率高，设备简单，成本较低。
4．5级以上精度齿轮
一般采用粗滚齿——精滚齿——（淬火）——粗磨齿——精磨齿。
