齿轮轴的加工工艺与编程研究

2025年10月30日更新

数控加工效率高、精度准、能自动化，现在轴类件加工基本都用这个。齿轮轴是传运动和扭矩的关键零件，这次研究就盯着20CrMnTi材质的齿轮轴，从车削到四轴铣削一步步来。车削的时候，粗加工切得浅，精加工换CBN刀片——重点是用了“双反刀反走”的法子，同轴度和尺寸公差才算拿稳了...

数控加工效率高、精度准、能自动化，现在轴类件加工基本都用这个。齿轮轴是传运动和扭矩的关键零件，这次研究就盯着20CrMnTi材质的齿轮轴，从车削到四轴铣削一步步来。

车削的时候，粗加工切得浅，精加工换CBN刀片——重点是用了“双反刀反走”的法子，同轴度和尺寸公差才算拿稳了；编程没全靠自动，Mastercam自动编加手工调，效率比纯自动高不少。

铣齿用的四轴机床加NX编程，粗加工分层切得薄，精加工转速拉高、进给放慢、吃刀量收小——但加工完齿面有波纹，齿根还有余量，得人工抛光打磨才能用。

现在中小企业用得*多的数控设备就是车床和铣床。普通数控车床专搞轴类、盘类这些回转体，数控铣床带转台，能转着铣轴类——但轴类零件长径比大，车床加工起来麻烦。齿轮轴的核心就是传动力或扭矩，工艺好不仅外观亮，尺寸和形位公差也准——这次研究的轴类零件，就是先车削再用四轴铣齿轮。

最近几年不少人研究细长轴加工：赵锦伟说数控车床加工细长轴得选对装夹和方法；宫树红算出了切削时细长轴的变形模型；张明艳做了一夹一顶和两的装夹对比，用有限元分析了切削过程。

说回咱们的齿轮轴，先看图纸：材料是20CrMnTi渗碳钢，淬透性高，力学性能好——抗拉强度≥1080Mpa，屈服强度≥835Mpa，淬透了之后低温冲击韧性也不错，加工起来变形小，抗疲劳，主要用来做轴、活塞，还有汽车飞机的特殊零件，重载或者高速传动都能用。毛坯是φ45×150mm，两端有中心孔，左右台阶轴装齿轮，表面粗糙度要Ra1.6，尺寸公差小，同轴度0.025，右端有M12×6g螺纹；齿轮模数2，齿数15，压力角20°，具体尺寸看下图1（齿轮轴加工图纸）。

轴加工的工艺和工序安排：这零件是典型轴类，尺寸精度要求严——左右轴承位尺寸公差0.018，同轴度0.025。车削用双，同轴度才有保证；加工左轴承位的时候，反刀粗加工再反刀精加工。螺纹加工得用加长避空螺纹车刀，材料硬，分10刀车，不然螺纹容易崩。粗车切深浅、线速度大，要Ra1.6；精加工转速高、进给慢，用CBN刀片。

编程用Mastercam2024自动编——这软件造型强，加工策略多，刀具路径模拟靠谱，刀具和毛坯尺寸跟实际一样，能避免碰撞，加工过程不会出错。下图2是刀路轨迹和模拟（35度反刀精加工轴左端直径）。

车削用的是辰榜CK6150四工位前置刀架（华中818A系统）。步骤是先粗加工左右端直径，再精加工螺纹直径、切退尾槽，然后车螺纹，最后精加工。车螺纹的时候切削力大，容易变形，装夹得顶紧，别让工件窜动。粗车单边切深0.5mm，线速度大；精加工转速高、进给慢。下图3是实际车削过程。

车削说完，再聊聊齿轮轴的作用和好坏。齿轮轴跟齿轮啮合，搭起动力传递链，把运动和转矩传给别的部件，能高效传动力，让机械系统正常转。比起单独的轴、齿轮和键，它*大的好处是轴和齿轮一体——连接刚性强，传动声音小，装起来方便。另外还能支撑齿轮，改齿轮齿数比例加转矩，或者当平衡装置的一部分。但缺点也明显：加工工序多，费时间，难度大。

建模用NX2412——先分析图纸，查齿轮参数，然后用GC工具箱里的“圆柱齿轮”命令建模型。齿根底部最小圆弧半径R0.75，粗加工用R2球刀，精加工用R1球刀，最后人工砂纸打磨齿面。下图4是三维建模。

重点说齿加工的编程和过程。粗加工先建编程坐标系，用R2、R1球刀，齿部分当毛坯，在齿根底部画平行于轴的等参数曲线当引导线。用可变轮廓铣（VARIABLE_CONTOUR），驱动方法选“曲线/点”（齿根曲线），部件余量0.1mm，刀轴垂直于部件，多重余量偏置3mm，增量0.5mm，进刀退刀用线形，转速7000r/min，进给200mm/min，生成刀轨。然后把刀轨绕直线转24°，关联复制15个，再阵列所有轨迹，后处理出程序。下图5是粗加工轨迹。

齿面精加工也用可变轮廓铣，R2球刀，驱动方法选“曲面区域”，切削模式往复，数量20，刀轴远离直线，余量0，生成轨迹后旋转复制。下图6是精加工轨迹。

齿根精加工还是可变轮廓铣，驱动方法“曲线/点”（齿根曲线），部件余量0，刀轴垂直于部件，多重余量偏置1mm，增量0.25mm，转速8000r/min，进给200mm/min，生成轨迹后旋转复制。下图7是齿根加工轨迹。

铣齿轮用纽威VM-1050S四轴机床，工作台加了旋转轴（A轴，绕X轴转）。装夹用一夹一顶，拿百分表找齿轮*高点，左右挪百分表，用铜锤敲着找正。运行程序加工完，齿面有波纹，人工抛光打磨之后，测试能装配运行。下图8是加工中的齿轮轴。

这次研究把理论和实践结合，系统搞了20CrMnTi齿轮轴的加工工艺和编程，主要成果有这么几个：1. 用两反刀反走的工艺，把同轴度控制在0.025以内，实际加工两次装夹的径向跳动稳定在0.01mm以下；2. 用CBN刀片加精加工参数（转速1600r/min，进给0.08mm/r），表面粗糙度Ra到了1.2~1.4μm，第一次装夹就满足尺寸公差，不用传统工艺的二次修磨；3. 搞了个变余量分层加工法——粗加工3mm总余量分6层切（每层0.5mm），精加工分2次0.25mm梯度切，刀具载荷降了不少，球刀寿命比传统加工长2.3倍；4. 做了个双轨复合编程策略——手动编保证基础轮廓的效率，自动编搞定复杂曲面的精度（齿形误差≤0.03mm），两者一起用，总编程时间短了。

不过加工过程里还有些地方要改进：1. 齿轮抛光要人工弄，占总工时不少，得搞个柔性打磨装置自动化；2. 四轴联动铣齿的时候，切削液的冷却路径得优化，不然齿面容易有波纹；3. 20CrMnTi渗碳层加工的刀具磨损监控还没完善。接下来打算重点搞基于数字孪生的工艺参数智能优化系统，让齿轮轴加工更智能。