#双联动齿轮的加工工艺设计Word文档格式.docx

#双联动齿轮的加工工艺设计Word文档格式.docx

《#双联动齿轮的加工工艺设计Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《#双联动齿轮的加工工艺设计Word文档格式.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

双联齿轮的设计

主要

研究

内容

双联齿轮的加工工艺路线进行的研究、设计

主要技

术指标

或研究

目标

1.保证Ⅰ、Ⅱ齿的齿形加工精度

2.

基本

要求

1.能主动查阅有关资料，拓展知识

2.能够熟练使用机械制造中的基本理论知识和专业知识的综合使用，提高分析解决问题的能力，培养科学创新的精神。

3.运用AutoCAD辅助设计软件，画出零件图和毛坯图。

主要参

考资料

及文献

1、概述

1.1研究目的

毕业设计是我们在学习阶段的最后一个重要环节，要求我们能综合运用大学三年所学的专业知识和理论知识，结合实际，独立解决本专业一般问题,树立为生产服务，扎实肯干，一丝不苟的工作作风，为将来在机械方面工作打下良好的基础。

为了综合训练我们的综合设计能力，进一步培养和提高科学的思维方式和正确的设计思想以及发现，分析，解决解决实际问题的能力，在老师的指导下解决一定的工程问题，完成专科教育中非常重要的实践教学环节。

我选用了双联齿轮的加工工艺分析作为毕业设计课题，对其加工过程的工艺，每道工序进行分析。

1.2本课题研究的主要内容

所谓工艺，就是使各种原材料、半成品成为产品的方法和过程；

机械制造工艺是各种机械的制造方法和过程的总称。

机械制造工艺的内容极其广泛，它包括零件的毛坯制造、机械加工及热处理和产品的装配等。

但是研究的工艺问题则可归纳为质量、生产率和经济性三类。

1）保证和提高产品的质量：

产品质量包括整台机械的装配精度、使用性能、使用寿命和可靠性，以及零件的加工精度和加工表面质量。

2）提高劳动生产率：

提高劳动生产率的方法：

一是提高切削用量，采用高速切削、高速磨削和重磨削；

二是改进工艺方法、创造新工艺；

三是提高自动化程度，实现高度自动化。

3）降低成本：

要节省和合理选择原材料，研究新材料；

合理使用和改进现有装备，研制新的高效设备等。

对上述三类问题要辨证地全面地进行分析。

要在满足质量要求的前提下，不断提高劳动生产率和降低成本。

以优质、高效、低耗的工艺去完成零件的加工和产品的装配，这样的工艺才是合理的和先进的工艺。

1.3齿轮的功用和结构特点

齿轮传动在现代机器和仪器中的使用极为广泛，其功用是按规定的速比传递运动和动力。

齿轮的结构由于使用要求不同而具有各种不同的形状，但从工艺角度可将齿轮看成是由齿圈和轮体两部分构成。

按照齿圈上轮齿的分布形式，可分为直齿、斜齿、人字齿等；

按照轮体的结构特点，齿轮大致分为盘形齿轮、套筒齿轮、轴齿轮、扇形齿轮和齿条等等，如图1.1所示。

图1.1圆柱齿轮的结构形式

在上述各种齿轮中，以盘形齿轮使用最广。

盘形齿轮的内孔多为精度较高的圆柱孔和花键孔。

其轮缘具有一个或几个齿圈。

单齿圈齿轮的结构工艺性最好，可采用任何一种齿形加工方法加工轮齿；

双联或三联等多齿圈齿轮（图1b、c）。

当其轮缘间的轴向距离较小时，小齿圈齿形的加工方法的选择就受到限制，通常只能选用插齿。

如果小齿圈精度要求高，需要精滚或磨齿加工，而轴向距离在设计上又不允许加大时，可将此多齿圈齿轮做成单齿圈齿轮的组合结构，以改善加工的工艺性。

齿轮的结构形式好多在此我设计的是双联齿轮，双联齿轮就是两个齿轮连成一体.这种双联齿轮在轮系中（变速器）被称为滑移齿轮,它的作用就是改变输出轴的转速或速度.齿轮箱里,有滑移齿轮就可以有多种转速或速度,没有滑移齿轮就只有一种转速或速度。

2、双联齿轮的加工工艺

2.1双联齿轮的工艺分析　

　　圆柱齿轮加工工艺过程常因齿轮的结构形状、精度等级、生产批量及生产条件不同而采用不同的工艺方案。

图2.1所示为一双联齿轮，材料为40Cr,精度为7-6-6级。

图2.1双联齿轮

表2.1

齿号

Ⅰ

Ⅱ

模数

2

基节偏差

±

0.016

齿数

28

42

齿形公差

0.017

0.018

精度等级

7GK

7JL

齿向公差

公法线长度变动量

0.039

0.024

公法线平均长度

21.36

27.6

齿圈径向跳动

0.050

0.042

跨齿数

4

5

2.2确定毛坯的制造形式

（1）根据零件用途确定毛坯类型。

齿轮应按照使用时的工作条件选用合适的材料。

齿轮材料的合适和否对齿轮的加工性能和使用寿命都有直接的影响。

　　一般来说，对于低速重载的传力齿轮，齿面受压产生塑性变形和磨损，且轮齿易折断。

应选用机械强度、硬度等综合力学性能较好的材料，如18CrMnTi；

线速度高的传力齿轮，齿面容易产生疲劳点蚀，所以齿面应有较高的硬度，可用38CrMoAlA氮化钢；

承受冲击载荷的传力齿轮，应选用韧性好的材料，如低碳合金钢18CrMnTi；

非传力齿轮可以选用不淬火钢，铸铁、夹布胶木、尼龙等非金属材料。

一般用途的齿轮均用45钢等中碳结构钢和低碳结构钢如20Cr、40Cr、20CrMnTi等制成。

40Cr材料的介绍

根据标准GB/T3077-1999：

　　化学成分（质量分数，%）C0.37～0.44、Si0.17～0.37、Mn0.50～0.80、Cr0.80～1.10、Ni≤0.30。

　　1）力学性能

　　热处理：

　　第一次淬火加热温度（℃）：

850；

冷却剂：

油

　　第

　　抗拉强度（σb/MPa）：

≧980二次淬火加热温度（℃）：

-

　　回火加热温度（℃）：

520；

水、油

　　屈服点（σs/MPa）：

≧785

　　断后伸长率（δ5/%）：

≧9

　　断面收缩率（ψ/%）：

≧45

　　冲击吸收功（Aku2/J）：

≧47

　　布氏硬度（HBS100/3000）（退火或高温回火状态）：

≦207

　　临界点温度

　　（近似值）Acm=780℃

　　正火规范

　　温度850～870℃，硬度179～229HBS。

　　冷压毛坯软化处理规范

　　温度740～760℃，保温时间4～6h，再以5～10℃/h的冷速，降温到≤600℃，出炉空冷。

　　处理前硬度≤217HBS，软化后硬度≤163HBS。

　　生铁屑保护摆动回火规范

　　（670±

10）℃×

2h，随炉升温，（710±

2h，随炉降温，（670±

2h，再随炉降温，（670±

2h，随炉升温,（710±

2h，随炉降温,共3个循环，再降温至550℃，出炉空冷，处理后硬度153HBS。

　　调质处理规范

　　淬火温度850℃±

10℃，油冷；

回火温度520℃±

10℃，水、油空冷。

　　特性

　　中碳调制钢，冷镦模具钢。

该钢价格适中，加工容易，经适当的热处理以后可获得一定的韧性、塑性和耐磨性。

正火可促进组织球化，改进硬度小于160HBS毛坯的切削性能。

在温度550~570℃进行回火，该钢具有最佳的综合力学性能。

该钢的淬透性高于45钢，适合于高频淬火，火焰淬火等表面硬化处理等。

　　用途

　　这种钢经调质后用于制造承受中等负荷及中等速度工作的机械零件，如汽车的转向节、后半轴以及机床上的齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶尖套等；

经淬火及中温回火后用于制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的零件，如齿轮、主轴、油泵转子、滑块、套环等；

经淬火及低温回火后用于制造承受重负荷、低冲击及具有耐磨性、截面上实体厚度在25mm以下的零件，如蜗杆、主轴、轴、套环等；

经调质并高频表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件，如齿轮、套筒、轴、主轴、曲轴、心轴、销子、连杆、螺钉、螺帽、进气阀等。

此外，这种钢又适于制造进行碳氮共渗处理的各种传动零件，如直径较大和低温韧性好的齿轮和轴。

　　供货状态及硬度

　　退火态，硬度≤207HBS。

40Cr弹性模数:

弹性模量E（20℃）/MPa200000～211700，切变模量G（20℃）80800

锻造毛坯用于强度要求高、耐磨、耐冲击的齿轮。

通过对上面材料40Cr材料的介绍满足双联齿轮的力学性能等技术要求，所以可以选择40Cr，即选用模锻。

2.3确定定位基准

定位基准的选择是拟定零件的机械加工路线，确定加工方案中首先要做的重要工作。

基面选择的正确、合理和否，将直接影响工件的加工质量和生产率。

2.3.1粗基准的选择

粗基准的选择：

根据粗基准面的选择原则，先以A、B端面为粗基准，

2.3.2精基准选择的原则

（1）基准重合原则

即选用设计基准作为定位基准，以避免定位基准和设计基准不重合而引起的基准不重合误差。

（2）基准统一原则

应采用同一组基准定位加工零件上尽可能多的表面，这就是基准统一原则。

（3）自为基准原则

某些要求加工余量小而均匀的精加工工序，选择加工表面本身作为定位基准，称为自为基准原则。

（4）互为基准原则

当对工件上两个相互位置精度要求很高的表面进行加工时，需要用两个表面互相作为基准，反复进行加工，以保证位置精度要求。

（5）便于装夹原则

所选精基准应保证工件安装可靠，夹具设计简单、操作方便。

定位基准的精度对齿形加工精度有直接的影响。

轴类齿轮的齿形加工一般选择顶尖孔定位，某些大模数的轴类齿轮多选择齿轮轴颈和一端面定位。

盘套类齿轮的齿形加工常采用两种定位基准。

　　1）内孔和端面定位　　选择既是设计基准又是测量和装配基准的内孔作为定位基准，既符合“基准重合”原则，又能使齿形加工等工序基准统一，只要严格控制内孔精度，在专用芯轴上定位时不需要找正。

故生产率高，广泛用于成批生产中。

　2）外圆和端面定位　　齿坯内孔在通用芯轴上安装，用找正外圆来决定孔中心位置，故要求齿坯外圆对内孔的径向跳动要小。

因找正效率低，一般用于单件小批生产。

2.4确定各表面加工参数及加工方法选择

2.4.1零件表面加工方法的选择

零件各表面加工方法和方案的选择，首先要保证加工表面的加工精度和表面粗糙度的要求，还要考虑生产率和经济性方面的要求，在选择时，应根据各种加工方法的特点及经济加工精度和表面粗糙度，结合零件的特点和技术要求。

本零件的的加工面有：

A、B端面，Ⅰ、Ⅱ齿的外圆，花键槽及花键孔，Ⅰ、Ⅱ齿的齿形。

A、B端面：

公差等级未标注，B端面表面粗糙度为Ra3.2μm需进行粗车，A端面表面粗糙度为Ra1.6μm需进行精车。

（见机械制造基础教材表10-9）。

Ⅰ、Ⅱ齿的外圆：

公差等级为h11,Ⅱ齿的外圆表面粗糙度为Ra6.3μm、Ⅰ齿的外圆表面粗糙度为Ra3.2μm需进行粗车--精车。

（见机械制造基础教材表10-10）。

花键槽：

孔是通孔，公差等级为H12，表面粗糙度为Ra3.2μm需进行先粗镗后精镗（见机械制造基础教材表10-11）。

　花键：

公差等级为H7，表面粗糙度为Ra1.6μm要求比较高我们可以利用拉床拉花键。

Ⅱ齿的齿形：

公差等级为7ＪＬ，表面粗糙度为Ra0.8μm用滚齿粗加工再用剃齿精加工。

Ⅰ齿的齿形：

公差等级为7ＧＫ，表面粗糙度为Ra0.8μm用插齿粗加工再用剃齿精加工。

22.4.2提高双联齿轮齿形加工精度的措施

　　双联齿轮的齿形加工，即大端滚齿和小端插齿，由于工件结构原因，其齿向及齿圈径向圆跳动误差往往超出产品技术要求或加工工艺要求。

就此问题进行分析，并提出相应解决措施。

1）、产品结构及传统工艺工装结构弊病

　　图3所示为双联齿轮典型结构图，其特点为工件内孔的长径比≥3，工件的大端面较大，其外径和孔径之比≥2。

按照机械加工工艺要求，毛坯经粗车、精车加工后，齿坯的大小端面圆跳动公差，对于7和8级精度齿轮，当分度圆直径≤125mm时，端面圆跳动公差为0.018mm；

分度圆直径小于400mm，大于125mm时，端面圆跳动公差为0.022mm。

实际加工中按此标准加工和检验，但在滚、插齿加工中，我们按照传统的工装结构设计了滚、插齿夹具。

图3双联齿轮典型结构图

图4即为滚齿加工的工装结构图。

图中，工件以内孔和端面定位，工件内孔和芯棒外径之间采用H6/h5配合，拧紧上面的螺母，通过开口垫而将工件夹紧。

插齿加工方法为工件大端面和内孔定位，液压拉杆通过开口垫而夹紧工件。

这两种装夹方法均为机械手册推荐的传统结构。

在实际加工产品时，发现滚、插齿的齿圈径向圆跳动误差为0.07～0.10mm，甚至达0.15mm，齿向误差为0.02～0.05mm。

而工艺要求齿圈径向跳动误差≤0.063mm，齿向误差≤0.011mm。

插齿的齿圈径向跳动误差及齿向误差也有不同程度的超差现象。

一般而言，齿轮滚齿的齿圈径向圆跳动误差和齿向误差产生的原因主要是齿坯的几何偏心和安装偏心所致；

齿向误差超差主要是夹具和齿坯的制造安装调整精度低，分齿、差动交换齿轮误差大以及齿坯或夹具的刚性差，夹紧后变形等。

经过分析和实际检测，我们发现夹具结构设计的不合理，是产生误差的主要原因。

2）、滚齿工件定位和加工受力变形分析

　　图4中传统工装结构上，工件以内孔和端面定位。

由于工件内孔长径比大于3属于长孔定位，限制4个自由度，端面限制3个自由度，这就形成了过定位现象，且重复限制的自由度数为2个，因此这种结构设计不合理。

其次由于工件总长相对于内孔直径较大，装夹工件的定位芯棒直径小，装夹刚性差，在滚齿过程中，滚齿切削力的垂直分力矩基本作用在芯棒底部，使芯棒产生离开滚刀方向上的变形偏摆，这就使工件在滚齿过程中产生运动偏心，从而将增加滚齿的齿圈径向圆跳动误差和齿向误差。

在实际加工中，用百分表触头对着旋转轴工件表面，也可以发现这种偏摆。

3）、改进工件定位方法和工装结构

　　由上分析可知，传统结构中工件的定位不合理，加工过程中工装的刚性差是导致这类齿轮滚齿误差超差的主要原因（刀具、工件齿坯加工精度、设备精度正常条件下），因此经研究设计了图5所示的改进结构。

图中，芯棒4和上下工件内孔接触的中间段配合选用H6/h5配合，其余部分外圆直径比工件孔小0.05mm；

这样工件就属于短孔定位，内孔限制2个自由度；

下面的工件是以大端的内侧定位于开口套5上，开口套5定位在内定位套7上，从而限制工件3个自由度，因此总体限制工件5个自由度，属合理设计（上面的工件也是5点定位）。

开口套5的另一个作用是：

增加工件内侧面的定位面积，减少滚齿切削力的垂直分力之力臂，从而降低力矩，相对增加工件的定位装夹刚性。

外定位套8作用是限制开口套的位置，以避免滚刀将开口套滚坏。

这种工装的使用，在实际生产过程中证明工件的齿圈圆跳动误差在0.03～0.05mm以内，齿向公差在0.010mm以内。

其要点是工件大端的内侧面圆跳动必须按工艺基准面精度要求保证。

其缺点是装工件时必须同时加装开口套，操作较麻烦。

　　这类工件的插齿加工时，工件定位也应采取类似方案以消除过定位现象，但不必使用开口套。

2.5工艺路线的拟定

2.5.1加工阶段的划分

经过对双联齿轮图的工艺分析双联齿轮加工工艺过程大致要经过如下几个阶段：

毛坯热处理、齿坯加工、齿形加工、齿端加工、齿面热处理、精基准修正及齿形精加工等。

第一阶段是齿坯最初进入机械加工的阶段。

由于齿轮的传动精度主要决定于齿形精度和齿距分布均匀性，而这和切齿时采用的定位基准（孔和端面）的精度有着直接的关系，所以，这个阶段主要是为下一阶段加工齿形准备精基准，使齿的内孔和端面的精度基本达到规定的技术要求。

在这个阶段中除了加工出基准外，对于齿形以外的次要表面的加工，也应尽量在这一阶段的后期加以完成。

第二阶段是齿形的加工。

对于不需要淬火的齿轮，一般来说这个阶段也就是齿轮的最后加工阶段，经过这个阶段，就应当加工出完全符合图样要求的齿轮来。

对于需要淬硬的齿轮，必须在这个阶段中加工出能满足齿形的最后精加工所要求的齿形精度，所以这个阶段的加工是保证齿轮加工精度的关键阶段。

应予以特别注意。

6～7级精度的齿轮一般有两种加工方案：

①剃——珩齿方案：

滚（或插）齿——齿端加工——剃齿——表面淬火——修正基准——珩齿。

②磨齿方案：

滚（或插）齿——齿端加工——渗碳淬火——修正基准——磨齿。

剃——珩齿方案生产效率高，广泛用于7级精度齿轮的成批生产中。

磨齿方案生产率低，一般用于6级精度以上或虽低于6级但淬火后变形较大的齿轮。

根据双联齿轮的进度要求和要求产量在此我选择①剃——珩齿方案。

第三阶段是热处理阶段是齿轮热处理。

齿轮加工中根据不同要求，常安排两种热处理工序：

①齿坯热处理 

在齿坯粗加工前后常安排预先热处理——正火或调质。

正火安排在齿坯加工前，其目的是为了消除锻造内应力，改善材料的加工性能。

调质一般安排在齿坯粗加工之后，可消除锻造内应力和粗加工引起的残余应力，提高材料的综合力学性能，但齿坯的硬度稍高，不易切削，故生产中使用较少。

②齿面热处理 

齿形加工后为提高齿面的硬度及耐磨性，根据材料和技术要求，常安排渗碳淬火、高频感应加热淬火及液体碳氮共渗等处理工序。

经渗碳淬火的齿轮变形较大，对高精度齿轮尚需进行磨齿加工。

经高频感应加热淬火处理的齿轮变形较小，但内孔直径一般会缩小0.01～0.05mm，淬火后应予以修正。

有键槽的齿轮，淬火后内孔经常出现椭圆形，为此键槽加工宜安排在齿面淬火之后。

第四阶段齿端加工

　　所示，齿轮的齿端加工有倒圆、倒尖、倒棱，和去毛刺等。

倒圆、倒尖后的齿轮，沿轴向滑动时容易进入啮合。

倒棱可去除齿端的锐边，这些锐边经渗碳淬火后很脆，在齿轮传动中易崩裂

用铣刀进行齿端倒圆。

倒圆时，铣刀在高速旋转的同时沿圆弧作往复摆动（每加工一齿往复摆动一次）。

加工完一个齿后工件沿径向退出，分度后再送进加工下一个齿端。

　　齿端加工必须安排在齿轮淬火之前，通常多在滚（插）齿之后。

第五阶段精基准修正

　　齿轮淬火后基准孔产生变形，为保证齿形精加工质量，对基准孔必须给予修正。

　　对外径定心的花键孔齿轮，通常用花键推刀修正。

推孔时要防止歪斜，有的工厂采用加长推刀前引导来防止歪斜，已取得较好效果。

　对圆柱孔齿轮的修正，可采用推孔，推孔生产率高，常用于未淬硬齿轮。

2.5.2工艺路线

在各表面加工方法都确定以后，就需进一步考虑这些加工方法在工艺路线中的大致顺序，一定位基准面的加工为主线，妥善安排热处理工序及其它辅助工序。

下面是我的加工工艺分析路线

双联齿轮加工工艺分析路线

序号

工 

序 

内 

容

定位基准

1

毛坯锻造

正火

3

粗车外圆级端面，留余量1.5～2mm，钻镗花键底孔至尺寸Ø

30H12

外圆及端面

拉花键孔

Φ30H12孔及A面

钳工去毛刺

6

上心轴，精车外圆、端面及槽至尺寸要求

花键孔及A面

7

检验

8

滚齿（z=42），留剃余量0.07～0.10mm

9

插齿（z=28），留剃余量0.04～0.06mm

10

倒角（Ⅰ、Ⅱ齿轮12°

角）

花键孔及端面

11

12

剃齿（z=42），公法线长度至尺寸上限

13

剃齿（z=28），公法线长度至尺寸上限

14

齿部高频感应加热淬火：

G52

15

推孔

16

珩齿（Ⅰ、Ⅱ）至尺寸要求

17

总检入库

2.6确定齿轮的偏差，机械加工余量及毛坯尺寸，设计毛坯图

2.6.1双联毛坯形状、尺寸确定的要求

在选择毛坯时应考虑零件的材料性能及机械性能，零件的结构形状和外形尺寸，生产纲领的大小，现在生产条件，充分考虑利用新技术、新工艺、新材料的可能，通过毛坯精化使毛坯的形状和尺寸尽量和零件接近，减少机械加工的劳动量，力求实现少、无切削加工。

我根据双联齿轮的零件图2上尺寸的标注我选择了和相近的尺寸。

2.6.2确定机械加工余量

　　加工余量是指加工是从表面上切除的金属层总厚度。

齿Ⅰ的外圆φ60h11查表（见教材机械制图附表17标准公差数值和附表18轴的基本偏差数值）得偏差为0.019可表示为φ600-0.019留余量1.5～2mm我选择留余量2mm，加工后为φ62。

齿Ⅱ的外圆φ88h11查表（见教材机械制图附表17标准公差数值和附表18轴的基本偏差数值）得偏差为0.022可以表示为φ880-0.022留余量1.5～2mm我选择留余量2mm，加工后为φ90。

花键槽φ30H12查表（见教材机械制图附表17标准公差数值和附表19孔的基本偏差数值）得偏差值为0.021可以表示为φ3000.021不留余量加工至尺寸φ3000.021。

花键φ35H7查表（见教材机械制图附表17标准公差数值和附表19孔的基本偏差数值）得偏差值为0.025可以表示为φ3500.025不留余量加工至尺寸φ3500.025。

2.6.3确定毛坯尺寸及毛坯图

经过对加工余量的确定，尺寸、形状应该尽量和零件尺寸形状相近设计了毛坯图，尺寸如图所标

毛坯图

2.7工序设计

2.7.1选择加工设备

选择机床和工艺装备的总原则是根据生产类型和加工要求使所选择的机床及工艺装备既能保证加工质量，又经济合理。

基于次原则本双联齿轮的设计所选机床如下：

数控机床、钻床、磨床等（具体车床类型及型号请看工艺卡片）

机械加工工艺过程卡片

零件名称

双联齿轮

材料牌号

40Cr

毛坯种类：

模锻

工序号

工序名称

工序内容

设备

工艺装备

毛坯铸造

热处理1

正火

粗车外圆及端面

（1）车床三爪卡盘夹紧A端面，另B端面用顶针顶住，加工外径￠62，平端面4mm，端面留有余量，长度为26

（2）换头同方法车另一端面，加工外径￠90，平端面5mm，端面留有余量，长度为15

数控车床

车刀，游标卡尺，

两顶针，三爪卡盘

钻镗花键

钻镗花键φ30H12的花键槽

立式镗床

拉花键

拉出花键φ35H7的花键

拉床

锉刀

精车外圆及端面

（1）换头车另一端面，上心轴，加工外径￠60，长度为25.5

（2）换头车另一端面，上心轴，加工外径￠88，长度为14.5，

检验

滚齿（z=42）

上心轴，B端面固定在工作