齿轮主要用于传动系统，齿轮的结构、精度对设备的传动平稳性，精度、承载力、噪声等方面影响较大。其中人字齿具有精度高、承载能力大、传动噪声小等优点，能够为机械设备提供稳定可靠的传动，因此广泛应用于工程机械、锻压设备、船舶、风电等领域。但因人字齿轮结构特殊，齿形复杂，制齿难度大，需要专用的设备、刀具和工艺保证。本文重点介绍一种大模数单联人字齿轮轴的制齿工艺方案。
一、人字齿轮传动的优点
(1)传动效率高
人字齿轮传动效率高，在所有圆柱齿轮传动中属于较高水平。由于齿数多，齿轮的接触面积大，传递扭矩的能力也更大。
(2)耐磨损
人字齿轮传动的齿形是双边直接接触啮合，精度要求较高。但齿形齿向啮合接触面大，耐磨性能较好，使用寿命长。
(3)噪声小
人字齿轮传动中齿面接触均匀，相对于其他圆柱形齿轮，传动噪声小。
二、人字齿轮轴结构及工艺分析
人字齿轮轴齿部精度一般要求 GB-7 级，齿轮轴的加工需要根据不同的结构形式选择加工设备，同时制定不同的加工工艺。
组装式人字齿轮轴
组装式人字齿轮轴由齿轮轴和套式人字齿轮组装而成，套式人字齿轮加工完成后，通过键和轴联结在一起，形成人字齿轮轴。
整体式人字齿轮轴
整体式人字齿轮轴因轴和齿是一体式结构，传动扭矩大、精度较高，使用范围较广，加工难度大，对设备的精度要求较高，加工工艺复杂。根据齿部中间退刀槽宽度的不同，有三种结构形式，对应不同的加工工艺。
大退刀槽人字齿轮：大退刀槽人字齿轮轴，退刀槽较大，齿部加工可采用滚齿—淬火—磨齿加工方式，齿部精度可以达到 GB-6 级。要满足滚齿及磨齿的相关要求，模数大小不同，退刀槽退出刀具的宽度不同。
小退刀槽人字齿轮：小退刀槽人字齿轮轴，根据加工设备需求，退刀槽在 20~100mm 之间，一般采用刨齿或插齿的方式加工，齿部精度一般在 GB-7 级。刨齿机及插齿机是现有的主要加工设备。
无退刀槽人字齿轮：无退刀槽人字齿轮轴，退刀槽宽度为 0。该结构紧凑，可减少齿轮轴长度，采用铣齿仿形加工。但设备调试及加工难度较大，同时传统的制齿设备无法满足加工工艺需求，一般较少采用。
三、设备工装及制齿方案确定
大模数单联人字齿轮轴，模数一般≥14mm，外径相对较大，同时设计要求齿部精度达到 GB-7 级，齿面光洁度 Ra1.6。如图 1 所示。
根据分析，该齿轮轴属于小退刀槽整体式人字齿轮轴，通常采取刨齿和插齿两种加工方法，可分为粗开齿和精加工齿两道工序。齿轮轴类因长径比大，且考虑到退刀槽宽度、对中等因素，一般采取卧式装夹、刨齿加工。主要加工方案介绍如下。
方案一：卧式加工
在卧式铣床或卧式铣齿机等设备用指形铣刀进行粗开齿，在刨齿机上进行精加工。
采用不同的刨齿机组合，分别完成粗开齿和精加工。粗刨齿对中保证性好，但粗刨齿效率较低。
刨齿机加工人字齿轮，需根据设备加工范围、零件工艺要求等确定工装、零件中间工序的结构及尺寸，保证装夹定位，从两侧向中间刨齿，如图 2 所示。
方案二：立式加工
因刨齿机采用抱套结构形式加工，受设备车头抱套直径和设备参数等限制，部分齿轮轴超出机床加工范围，需更换立式加工设备。采用立式装夹加工，加工设备主要有：数控立式铣齿机或通用机床用 于粗开齿，插齿机用于齿部精加工。
粗开齿设备及工艺：根据零件结构、尺寸和设备的加工和装夹范围，确定不同的加工设备，同时考虑零件的装夹定位、工装等因素，设计专用工装，确定轴向定位位置，采用合适的装夹定位方式实现粗开齿。
专用工装中间可为空心，也可带卡爪，既能将零件下端续进机床工作台下边，又能保证卡爪装夹，再通过轴向定位，保证中间人字齿位于机床主轴铣齿区间范围内，上端用抱箍抱住轴外圆，实现定位，下端卡盘使轴和工作台一起转动，保证 80%以上零件的装夹要求，如图 3 所示。
精加工设备及工艺：粗开齿后，齿部留量较少，需根据零件实际加工状况和插齿机加工范围，选择相应的设备和制作专用的工装。在精加工过程中，需保证齿部精度达到 GB-7 级，对零件的装夹定位要求较高，需考虑定位位置轴外圆精度、工装定位套和轴外圆配合间隙，抱箍定位间隙一般要求 0.1mm 左右，结合机床自身附件抱架，使轴处于立式装夹定位状态，如图4 所示。
为防止齿轮轴在精加工过程中发生转动，加工零件需在工作台卡盘夹持轴外圆部位进行铣扁，同时设计专用的卡盘工装，固定于工作台上，通过顶丝顶住轴外圆平面定位，如图 5 所示。
通过抱箍和卡盘工装，实现齿轮轴的定位装夹，满足零件加工要求。但在前序需考虑抱箍处外圆磨削、卡盘处外圆铣扁等工艺要求。保证装夹、定位间隙，实现轴随工作台的旋转运动，满足齿部精加工需求。另一旋向齿调刀架，提制专用插齿刀，保证刀片厚度可以在空刀槽范围内运动，完成精插齿。
四、总结
通过分析大模数单联人字齿轮轴的结构、加工设备，根据零件选用不同的卧式或立式加工设备，分析加工工艺、专用工装、注意事项等，采用粗开齿和精加工齿工序分开等方式，满足零件齿部精度要求，从而实现大模数单联人字齿轮轴的制齿加工。
参考文献略.