工程机械变速器常采用硬度在 48 HRC 以上的硬齿面齿轮，此类齿轮的常用材料为 20CrMnTi、20CrMnMo、20CrMo 等，经渗碳或碳氮共渗处理后进行淬火处理。从生产实践看，热处理工艺过程对齿轮精度的影响非常明显，变形严重时可使齿轮的精度等级下降 3~4 级。由于变形严重，采用淬火压床仅可以加以控制但不能完全消除变形，因此不能满足齿轮的精度要求。而在热处理过程中由于齿轮的变形规律较难掌握，在粗加工齿轮时采取预先留变形余量的补偿措施来修正淬火变形也非常困难，无法满足高精度齿轮的变形控制要求，因此在硬齿面齿轮热处理后必须采取相应的措施，以消除热处理变形，确保热处理后硬齿面齿轮的加工精度。

　　1 硬齿面齿轮常用的加工方法

　　热处理后的硬齿面齿轮常用加工方法包括研齿、磨齿、刮齿(用相应刀具进行光整加工)等。上述各种工艺方法的主要特点如下：

　　1.1 研齿

　　研齿工艺具有生产效率高、成本低的优点，但不能消除齿轮热处理后的径向跳动、周节误差、齿形误差和其他热处理变形引起的误差。该工艺仅仅能改变齿形的表面粗糙度和接触位置，因而其修整精度非常有限，对于精度要求较高的齿轮，无法满足修复精度要求。

　　1.2 磨齿

　　磨齿工艺可以获得很高的加工精度，对一些精度要求高的齿轮，磨齿工艺的应用非常普遍。但是磨齿的效率很低，特别是一些大型和高精度硬齿面齿轮，由于热处理变形大，精度要求高，齿面的磨削加工常要花费大量工时，成本较高，且磨齿时需要专用机床，从而限制了磨齿工艺的应用。

　　1.3 刮齿

　　近年来，随着齿轮加工机床和刀具材料技术的进步，使硬齿面刮削加工的应用日益得到推广和普及，刮削工艺同磨齿工艺相比，除了都可以提高加工精度，降低表面粗糙度而外，还具有以下优点：

　　1.3.1 生产效率高于磨齿

　　对于需要磨齿的高精度齿轮，可以用效率较高的刮削代替粗磨工艺，切除热处理变形量，只留下很小和均匀的余量进行精磨，从而大大缩短磨齿工时，提高加工效率和经济效益。一般情况下，硬齿面刮削加工采用的切深比磨削要大得多，金属切除率通常要高出磨齿 3~4 倍。对于普通精度的淬硬齿轮就可以用硬质合金或立方氮化硼刀具直接进行刮削加工，从而以最低的加工成本保证硬齿面齿轮的制造精度，提高齿轮的使用性能，降低传动噪声。特别是对于大、中型硬齿面齿轮的精加工具有更好的经济效益。

　　1.3.2 可以获得较低的表面粗糙度

　　采用刮齿工艺时，齿面的表面粗糙度可以达到Ra0.5 μm 以下。若刀具处于较好的使用状态，其加工后的齿面粗糙度甚至可以小于 Ra0.3 μm。众所周知，在一般情况下，表面粗糙度与加工零件的材料硬度呈反比关系，即材料越硬，加工后表面粗糙度就越低。因而对于渗碳淬火后的硬齿面齿轮而言，采用刮削工艺进行加工可以获得理想的表面粗糙度。

　　1.3.3

　　可获得较好的表面完整性

　　由于磨削加工对很多因素非常敏感，造成在磨削时经常会出现磨削裂纹。通常情况下，造成磨削裂纹的原因是多方面的，有材质方面的原因(如杂质过多、碳化物分布不匀等)，有热处理方面的原因(如热处理应力)，也有材料的去除量、砂轮型号、冷却液、加工环境温度等诸多因素。此外硬齿面齿轮在磨削时还容易发生退火，从而降低齿面硬度，更为严重的是引起局部组织的转变，使齿轮表面的应力再分配，造成齿面缺陷。而采用刮削工艺可以比磨削加工更能保持齿面的完整性，在去除同等材料体积的情况下，刮削加工不仅有更高的效率，其能量消耗仅为磨削的 1/5，产生的切削热量较小，且绝大多数热量会被切屑带走。因此只要选择适宜的加工参数，就可以有效避免加工过程中的热损伤，提高齿面的加工完整性。

　　1.3.4 可以使齿面获得较好的应力状态

　　如果加工后的齿面应力较高，即使在加工时未开裂，也会由于不能消除加工后所形成的高内应力，使工件始终保持较高的拉应力状态，造成在齿轮的存放和使用中产生裂纹。因此，控制齿轮表面加工后的残余应力，特别是应力形式非常重要。

　　一般情况下，采用整体感应淬火或渗碳、淬火方法热处理后的齿轮(由于变形量大、易开裂等原因，齿轮类零件很少采用单纯整体淬火工艺)，表面应力大小和形式会随淬火方法、工艺参数、淬火介质、冷却速度等因素的不同而不同。虽经低温回火处理，但由于回火温度较低或回火次数有限，残余应力很难彻底得到消除。

　　如果表面应力的合力形式为拉应力，而应力值小于工件表层晶界的屈服强度极限，此时表层应力尚能处于平衡状态，即使对于高碳马氏体这一类比容比较大的组织，在工件表层也不会出现裂纹。如果表面应力的合力形式为压应力，而压应力对于提高表层硬度和质量有较大的好处，更不会造成齿面产生裂纹。

　　但是在磨齿时，加工表面的应力主要是磨削热载荷作用所致，由于表面温度的升高和砂轮颗粒的挤压切削，会在加工后齿轮表面形成拉应力，若此拉应力与热处理后残余的拉应力叠加或远远大于热处理后表面的压应力，就破坏了齿轮表面的应力平衡，在高拉应力的作用下，齿轮在加工和使用过程中就容易产生表面裂纹，降低齿轮的使用寿命，影响使用效果。

　　而采用刮削工艺加工的齿轮，齿面硬度会得到明显提高，原因主要有两个：一是加工过程中的加工硬化作用，由于刮削层较薄，刀具对齿面会产生较大的挤压力，使表面金属发生变形、晶粒破碎，组织结构细化，且由于内部晶粒位错密度迅速增加，产生积压群，使表面硬度有较大的增值，因而强化了齿轮表面;二是由于表面脱碳的影响，齿轮在渗碳过程中，碳浓度最高的部位并不是在最外表面上，由于加工时刮去了一层薄金属，使碳浓度高的渗碳层露在表面，从而改变了齿面的硬度分布状况。此外，在刮削时，已加工表面受刀具后面摩擦产生一定的拉伸弹性变形，变形收缩复原后，齿面形成的是压应力，中和了热处理时齿轮表面形成的拉应力(对于热处理后呈压应力的齿轮，压应力则会叠加，会对齿面产生较大的益处)，从而降低或消除了齿面加工后的表面拉应力值，因而可获得理想的表面应力效果，就不会产生裂纹等缺陷。

　　此外，对硬齿面齿轮采用刮削工艺还具有设备投资少，加工柔性好的特点。正是基于上述这些优点，刮齿工艺的应用越来越普遍，在一些企业已经完全替代了磨齿工艺。但由于其工艺的特殊性，采用刮削工艺时必须制订合理的工艺流程，并配备相应的机床和刀具。

　　2 刮齿加工工艺的制定

　　由于刮齿工艺的实质就是通过使用刀具切削去除加工余量而对齿侧面进行光整加工，从而消除热处理变形因素对齿轮精度的影响，因而刮齿前的工艺流程基本上与采用磨齿方法磨齿前的工艺流程一致，主要包括齿坯加工、粗切齿、精切齿(留加工余量)、热处理、基准面加工，最后进行刮齿加工。以图1所示零件为例，该零件为一带渐开线内花键孔的斜齿轮，齿轮模数为 4，齿数为 35，压力角为20°，螺旋角为 14°15′，材料为 20CrMnTi，渗碳层深度要求为 0.8~1.2 mm，齿顶硬度要求为 56~62 HRC。

　　3 刮齿余量的确定

　　刮齿余量小，则热处理引起的变形难以修复，会出现表层晶界的屈服强度降低，以及表层抗破坏能力差等问题;刮齿余量大，加工效率将降低且造成刀具成本和生产成本增加。因此刮齿余量的确定应结合材料、零件结构和尺寸合理制定，在控制好热处理变形的情况下，刮齿余量总的原则是能小则小，一般情况下模数在 5 以下的齿轮刮齿余量为0.15~0.2 mm; 模数为5~10的齿轮刮齿余量为0.2~0.25 mm; 模数为10~15的齿轮刮齿余量为0.23~0.3 mm。图 1 所示零件模数为 4，因此刮齿余量定为 0.15~0.2 mm。

　　4 加工设备的选用

　　在机床设备状况允许的情况下，硬齿面加工的机床可以和软齿面加工时机床型号相同，对于条件不够的企业甚至可以使用同一台机床，因而不需要额外增加设备，加工经济性非常好。考虑到刮齿时会产生较大的切削抗力及保证刮齿后零件的精度，因此在选择滚齿机时宜选用精度、刚性较好的设备，同时为确保刮齿过程中工艺系统的刚性，滚齿机的型号也可以结合零件尺寸选大一些的型号，针对图 1 所示零件尺寸和参数，选择一台精度较好的重庆机床厂生产的 YK3120 型滚齿机作为刮齿机床。刮齿前对工作台分度蜗轮副的间隙要严格控制，同时将滚齿机轴向进给系统的间隙调整到最小，以避免滚刀出现“崩刃”情况。滚刀安装时应检查主轴锥孔的径向跳动，使其控制在0.02 mm 以内。

　　5 刮齿前热处理控制和淬火介质的选择

　　如上所述，即使采取刮削的方法可以消除热处理造成的变形，但也应该对热处理变形量进行控制。首先应在满足硬度、淬硬层深度等要求的情况下，优先采用感应淬火方式，这样既可以减小淬火变形，又可以使热处理后表面应力以压应力形式存在，杜绝齿面裂纹的产生。若必须采用整体加热淬火工艺，则应采用渗碳后直接淬火的方式，淬火温度为 840~860 ℃，淬火方法采用等温淬火或分级淬火，并选用专用等温分级淬火油作为淬火介质。由于专用等温分级淬火油具有蒸气膜阶段很短，高温冷却速度较快，对流开始温度较高，淬火硬度均匀，有足够的淬硬和淬透能力，可以在较低的淬火温度时获得较高的淬火硬度，并能很好地控制零件变形等特点，因此在淬火时，可以使用恒温淬火油槽使等温分级淬火油温保持在 90~100 ℃的高温状态，将齿轮浸入油中冷却 20~30 min 后，出油空冷至室温，可以在较低的淬火温度时获得较高的淬火硬度，并能很好地控制工件变形。淬火后 1 h 内需要马上对零件进行低温回火处理。对采用上述工艺方法热处理后的齿轮进行检验发现，零件的变形量可得到有效控制，且变形有明显的规律性，表层应力基本上表现为压应力，为提高刮削质量和加工效率奠定了基础。

　　6 刮齿前基准的加工

　　对于精度要求较高的硬齿面齿轮，为提高刮齿时工件的装夹定位精度，在刮齿前，应对定位基准进行必要的加工。图 1 所示为盘形齿轮，基准要求主要包括齿轮端面与轴线的垂直度，内孔表面与轴线的同轴度。可对齿轮两侧面和定位孔进行磨削加工，使齿轮两侧面的平行度、两端面与轴线的垂直度以及内孔表面与轴线的同轴度得到有效控制，以提高滚齿时的装夹定位精度。此外，滚齿心轴与零件定位孔尺寸公差的控制也非常重要，一般最大配合间隙应小于 0.025 mm，以减小齿轮定位时由于间隙而造成的几何偏心误差。

　　7 刀具

　　刮齿滚刀应采用硬质合金刀片，该类刀具分焊接式结构和可转位两种结构，可转位硬质合金刮齿滚刀的结构如图 2 所示。同时，为提高效率，在确保刚性的前提下，应采用较小外径的滚刀(如直径 32mm 的滚刀)，若齿面硬度极高，就应采用立方氮化硼刀片(CBN)。由于刮齿的精度与刀具的制造精度密切相关，因此，为提高刮齿精度，应向专业厂家定制刀具。刮齿滚刀应采用直槽、端面键结构，小模数齿轮刮齿滚刀可选用 - 30°前角，中等模数齿轮刮齿滚刀可选用 0°或较小的负前角以承受较大的切削力。在使用上述刀具刮齿时，还应选择合理的进给量、切削速度及切深，以提高刀具的使用寿命，保证齿轮加工精度。

　　8 刮齿工艺参数

　　在刮齿作业过程中，为保证齿形加工精度，刀具不能出现接刀作业情况，一般情况下小模数齿轮均采用一次刮削成形的工艺。因此如何在现有的刀具上，实现一次刃磨加工更多的齿轮，且加工完后，齿面的表面粗糙度要达到一定要求就需要制定合理的刮齿工艺来保证。刮齿时最重要的工艺参数包括：吃刀深度、轴向进给量、切削速度、一次刮削量(对于大模数齿轮需要制定)等，由于小模数齿轮多采用一次刮削成形，吃刀深度即为刮削余量，走刀量比粗滚时稍小一点，一般为粗滚时的 60%~70%，通常情况下刚开始制定切削参数的时候可稍大一些，观察刮齿过程中的振动情况，若无振动或振动较小则可加大工艺参数，若振动较大则相应调小工艺参数，同时留意齿面表面粗糙度的变化，通过不断地摸索最终确定最合适的工艺参数，刮齿基本工艺参数见表 1。

　　9 效果

　　刮齿工艺的加工节拍仅为采用成型片砂轮逐齿磨削节拍的 1/4～1/2，即其生产效率比采用成型片砂轮逐齿磨削通常要高 2～4 倍，且具有成本低、投资小，能源消耗低，所需配备的操作人员、设备维护及备品备件准备等方面均较为简单等特点，加工精度能够满足一定要求，因此具有一定的使用和推广价值。