渐开线花键滚刀的设计与加工工艺.docx
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渐开线花键滚刀的设计与加工工艺
渐开线花键滚刀的设计与加工工艺
任务书
1.设计的主要任务及目标
(1)了解渐开线花键滚刀的工作原理。
(2)掌握渐开线花键滚刀的齿形设计。
、
(3)了解渐开线花键滚刀切削过程及其特点。
(4)了解渐开线花键滚刀结构参数的确定。
(5)了解渐开线花键滚刀的公差与技术要求。
(6)掌握渐开线花键滚刀的设计步骤。
(7)掌握渐开线花键滚刀加工工艺并编制加工工艺过程卡。
2.设计的基本要求和内容
(1)要求了解渐开线花键滚刀的工作原理。
(2)要求基本掌握渐开线花键滚刀的齿形设计及结构设计,并能出产品图纸。
(3)要求了解渐开线花键滚刀加工工艺。
(4)根据设计的产品图,编制加工工艺过程卡。
3.主要参考文献
(1)袁哲俊编《齿轮刀具设计》上、下册,新时代出版社,1983年
(2)四川省机械工业局编《复杂刀具设计手册》上、下册,机械工业出版社,1979年
(3)太原工具厂齿轮刀具工艺资料
4.进度安排
设计各阶段名称
起止日期
1
确定设计思路,进行开题检查
2013.12~2014.03.14
2
渐开线花键滚刀的齿形及结构设计,出产品图。
2014.03.14~2014.04.14
3
编制工艺过程卡,进行中期检查
2014.04.14~2014.04.25
4
根据设计的产品图,编制加工工艺过程卡
2014.04.25~2014.06.01
5
设计及图纸整理,准备答辩
2014.06.01~2014.06.10
渐开线花键滚刀的设计与加工工艺
摘要:
本设计的题目是渐开线花键滚刀,它是齿轮滚刀的一种,与齿轮滚刀相比它的齿高较小,分度圆压力角较大,相当于一个齿数很少,螺旋角很大的斜齿轮其外貌呈蜗杆状。
渐开线花键滚刀是依照螺旋齿轮副啮合原理,用展成法切削齿轮的刀具,齿轮滚刀相当于小齿轮,被切齿轮相当于一个大齿轮。
为了形成刀刃,在蜗杆端面沿着轴线铣出几条容屑槽,以形成前面及前角,经铲齿和铲磨,形成后刀面及后角。
除了滚刀的设计,滚刀的加工工艺也是本设计任务的一部分,我需要了解滚到材料的物理化学性能以及机械加工的相关知识,进而编制出加工渐开线花键滚刀的工艺过程。
关键词:
渐开线,压力角,齿轮,蜗杆,啮合,刀刃,加工工艺
ThedesignandprocessingtechnologyofInvolutesplinehob
Abstract:
Thetopicofthisdesignisinvolutesplinehob,itisoneofthegearhobanditsdepthissmallcomparedwithgearhob,dividingthecirclepressureAngleisbigger,theequivalentofafewteeth,spiralAnglelargehelicalgearwormshapeditsappearance.Involutesplinehobisinaccordancewiththehelicalgearsmeshingprinciple,withthegeneratingmethodofgearcuttingtool,thegearhobisequaltothepinion,cutgearwheelisequivalenttoabiggear.Inordertoformtheblade,intheendalongtheaxisofthewormmillingafewcrumbsslot,inordertoformthefrontandtherakeAngle,therelievingandshovelgrinding,knifeaftertheformationofsurfaceandbackAngle.Inadditiontohobdesign,theprocessingtechnologyofthehobismypartofthedesigntask,Ineedtoknowtothephysicalandchemicalpropertiesandmechanicalprocessingknowledge,anddeveloptheprocessesofmachininginvolutesplinehob.
Keywords:
involute,pressureAngle,gear,worm,gear,blade,processingtechnology
1前言………………………………………………………………………………………1
2渐开线花键滚刀结构和齿形设计………………………………………………………4
2.1滚刀的外径……………………………………………………………………………4
2.2滚刀的长度……………………………………………………………………………4
2.3滚刀的容屑槽…………………………………………………………………………4
2.4滚刀的前角……………………………………………………………………………5
2.5滚刀的分度圆直径和螺旋升角………………………………………………………6
2.6阿基米德的齿形角……………………………………………………………………7
2.7法向直廓的齿形角……………………………………………………………………8
2.8渐开线花键滚刀的齿厚和齿高………………………………………………………9
2.9滚刀的压力角和齿高…………………………………………………………………10
3渐开线开建滚刀的设计过程…………………………………………………………11
3.1渐开线花键滚刀的设计步骤和计算过程……………………………………………11
3.2产品图…………………………………………………………………………………19
4渐开线花键滚刀的公差与技术要求…………………………………………………20
5渐开线花键滚刀加工工艺……………………………………………………………23
5.1零件分析………………………………………………………………………………23
5.2工艺说明………………………………………………………………………………23
5.3加工工艺编制…………………………………………………………………………23
5.3.1加工工艺过程卡…………………………………………………………………23
5.3.2工艺装备明细表…………………………………………………………………25
5.3.3机械加工工序卡片………………………………………………………………25
5.4刀具材料高速钢的应用………………………………………………………………25
结论………………………………………………………………………………………30
参考文献…………………………………………………………………………………31
致谢………………………………………………………………………………………32
1前言
本设计的题目是渐开线花键滚刀,即是齿轮滚刀其中特殊的一种,专用于加工渐开线花键。
它是按展成法加工齿轮的刀具。
他可以加工直齿轮,也可以加工斜齿轮,可以加工非变位齿轮,也可以加工变为齿轮。
图1.1是用齿轮滚刀加工齿轮的工作原理图。
齿轮滚刀加工齿轮过程的过程,犹如一对相错轴渐开线圆柱齿轮的啮合过程。
为了能正确切出渐开线齿轮,滚刀刀齿的左右两侧刃口完全理论切削刃口之形状。
或者说不管滚刀容屑槽形状如何,其刀齿左右两侧刃口应准确地分布在渐开线基本螺杆的螺旋面上。
无论是新制滚刀还是重磨后的旧滚刀,其刀齿刃口均应符合这一原则。
图1.1齿轮滚刀切削齿轮的工作原理
齿轮滚刀的工作原理,犹如一对螺旋齿轮的啮合过程。
滚刀就是具有一定切削角度的渐开线斜齿圆柱齿轮,滚刀的头数即相当于螺旋齿轮的齿数。
这种齿数极少螺旋角很大牙齿能绕轴线很多圈数的变态斜齿轮圆柱齿轮,其实质就是一个蜗杆。
滚刀切削刃刃位在该蜗杆的螺纹表面上,这种切削刃所在的蜗杆,称为滚刀的基本蜗杆。
很明显,齿轮滚刀要切出正确的渐开线齿形,作为滚刀的基本蜗杆,应该是渐开线蜗杆。
它的成形原理如图1.2中(c)所示,其端面的齿形为渐开线,滚刀切削刃都位在渐开线基本蜗杆的螺纹表面上。
这种类型的滚刀称为渐开线滚刀。
但是由于渐开线滚刀在制造上存在很多问题,目前工业上很少采用。
工业上采用易于制造和检验,而端面的齿形又最近似于渐开线的蜗杆,作为滚刀的基本蜗杆,作为滚刀的基本蜗杆。
现在普遍采用两种,即阿基米德蜗杆和法向直廓蜗杆。
阿基米德蜗杆其轴向截面为直线齿形,而端面的齿形为阿基米德螺旋线。
用这种近似的蜗杆作为基本蜗杆的滚刀,称为阿基米德滚刀。
法向直廓蜗杆的截面为直线齿形,而端面的齿形为延长渐开线。
用这种近似蜗杆作为基本蜗杆的滚刀,称为法向直廓滚刀。
图1.2齿轮滚刀刃的形成和容屑槽
齿轮滚刀的容屑槽分为直槽和螺旋槽两种,图1.2中(a)(b)分别为螺旋槽、槽的齿轮滚刀。
渐开线花键滚刀作为齿轮滚刀的一种,工作原理和结构特性与齿轮滚刀相同,区别就是它专用于加工渐开线花键。
渐开线花键滚刀分为两种精度等级。
A级为精加工滚刀,B级为组加工滚刀(留磨滚刀)。
精加工的滚刀一般按国标级精度第Ⅰ种过度配合的花键轴齿厚设计。
当滚刀加工动配合的花键轴时,只要适当减小滚刀对花键轴的中心距即可。
过渡配合的花键轴齿厚制造公差的平均值。
渐开线花键轴滚刀的法相齿形角为30°,齿顶高heg=0.7m,齿全高he=1.2m+cm。
当m<1时,c=0.35m;当m》1时,c=0.2m。
齿顶圆弧r1=0.1m,齿根圆弧r2=0.3m。
对于齿轮滚刀而言,当λf≤5°时,齿轮滚刀做成直槽。
当λ>5°时,齿轮滚刀做成螺旋槽滚刀。
而对于渐开线花键滚刀而言,因为加工的所有渐开线花键都是直槽,没有螺旋槽。
故渐开线花键做成直槽滚刀。
本设计就是要完成渐开线花键滚刀的结构和齿形设计,然后能够出产品图。
当然也要对其加工工艺进行编制,包括工装明细表、工艺过程卡片、机械加工工艺卡片。
目的就是能够简单设计出产品,并在车间里能够通过机械加工的方法在尽量节省材料、保证工人安全、提高生产效率和不污染环境的情况下加工出符合要求的合格产品。
2渐开线花键滚刀结构和齿形设计
2.1滚刀的外径
渐开线花键滚刀的外径是一个很重要的的结构尺寸,其大小直接影响其他结构参数的合理性。
渐开线花键滚刀根据加工渐开线花键的精度等级的不同,可以选择不同的外径。
精度等级高的的渐开线花键,滚刀的外径应选择的大一些;精度低的渐开线花键,滚刀的外径可以选择的小一些。
滚刀外径越大,则滚刀分圆螺旋升角越小,因而可使滚刀的近似造形误差越小,提高齿形的设计精度。
大的滚刀外径可使孔径增大,从而增加滚刀心轴的刚度,能采用较大的切削规范,提高切削效率。
增大滚刀外径后,还可以使容屑槽数目增加,减少切齿时齿轮齿面的包络误差,减少滚刀单齿的切削负荷,提高齿轮齿面的光洁度和耐用度。
过大的外径也可能会给锻造、热处理和机械加工带来困难,同时也增加高速高的消耗和滚刀的成本。
2.2滚刀的长度
滚刀的长度由螺纹部分的长度和两端轴台的长度所组成。
滚刀的螺纹部分出去两端的不全齿以外,应至少具有包络出被切齿面两侧完整齿形的所需长度,以及切削斜齿齿轮时所必需的增加量。
为避免滚刀个别负荷过大的刀齿应早期磨损而造成切削齿不能充分利用之不足,滚刀长度还应包括用作轴向位移的增加量,以延长两次重磨之间的使用寿命。
滚刀的轴台用作检验滚刀安装准确程度的基准,它要求与滚刀有严格的同轴度。
除m≤2的Ⅱ型滚刀的长度略小于滚刀外径以外,其余滚刀长度军等于外径。
2.3滚刀的容屑槽
滚刀的容屑槽一般做成与轴心线平行的直槽形式,不仅能提高制造和刃磨的精度,还易于检查。
直槽滚刀采用阿基米德蜗杆近似造形,经过对基本齿形角的修正,可以得到很近似的渐开线蜗杆滚刀。
这样修正的结果,使滚刀齿形的顶部和根部略有加厚,从而对工件齿形造成稍许的根切和修缘,有利于齿轮传动。
滚刀容屑槽数关系到切削过程的平稳性、齿形精度和齿面光洁度,以及滚刀每次重磨后的耐用度和使用寿命。
滚刀的容屑槽越多,切削重迭系数越大,分配在每一个刀齿上的负荷减少,因此切削过程越平稳,滚刀的耐用度就越高。
滚刀的容屑槽越多,齿面的包络误差就越小,对提高齿轮的齿形精度和齿面光洁度也有直接好处。
但是容屑槽数过多,到吃的宽度小,回事滚刀的重磨次数减少。
表2.1渐开线花键滚刀的结构尺寸
模数
m
0.5
0.8
1.0
1.25
1.5
2
2.5
3.0
3.5
4.0
5.0
6.0
8.0
10.0
Deg
45
50
63
70
80
90
100
112
140
L
30
50
63
70
80
90
100
112
140
d
22
27
32
40
zg
15
12
10
D1
35
40
45
50
55
60
70
l
3.5
4.0
(毫米)
2.4滚刀的前角
精加工滚刀和标准滚刀为便于制造和测量,一般都采用0°前角。
近年来的研究和生产实践表明,正前角不但能改善切削条件,而且对滚刀的耐用度和被加工齿轮的齿面光洁度有很大好处。
从齿形设计观点出发,0°前角的滚刀也不是最理想。
只要合理选择前角的大小,正前角滚刀可以提高齿形射击精度,尤其是大模数滚刀螺纹升角较大,效果显著。
所以,正前角滚到不只是在粗加工齿轮时为改善切削条件而采用,近年来大模数的精加工滚刀,也已经逐步采用了正前角。
对精加工的阿基米德滚刀,一般采用7°~9°,粗加工滚刀还可以适当加大到12°~15°。
滚刀的后角齿轮滚刀的顶刃后角与侧刃后角应保持一定关系,使滚刀重磨后齿形不发生变化。
同时又要保证最小的的侧刃后角,使滚刀不易磨损。
因此,滚刀的顶刃与侧刃必须采用相同的径向铲背量。
其值用下式计算:
K=πDegtg-1αe/zg 式2.1
式中K——滚刀径向铲背量
Deg——滚刀外径
zg——滚刀容屑槽数
αe——滚刀的顶刃后角
滚刀顶刃后角一般取10°~12°。
当K值计算元整后(计算精度0.5),应验算其侧刃后角αe的大小。
αe应不小于3°。
Αe=tg-1(zgK/πDeg)
Sinαfn 式2.2
式中αfn——滚刀分圆法相齿形角。
为使滚刀铲磨时有砂轮空刀,滚刀必须进行双重铲齿。
滚刀铲背形式有两种。
当采用Ⅰ型铲背形式时,第二铲背量K1值计算如下:
K1=(1.3~1.5)K 式2.3
计算出来的K和K1都必须符合铲床凸轮的升距。
滚刀铲背量按表2.2选取。
表2.2滚到常用铲背量(Ⅰ型)
第一铲背量
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
第二铲背量
3
4
4.5
5.5
6
7
7.5
8.5
第一铲背量
6
6.5
7
8
9
10
11
12
第二铲背量
9
10
10.5
12
13.5
13
16.5
13
(毫米)
用Ⅱ型铲背形式时,可按表2.3选取第二铲背量K2
表2.3滚刀铲背量(Ⅱ型)
K
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7
8
9
10
12
K2
0.6~0.7
0.7~0.8
0.8~0.9
(毫米)
2.5滚刀的分度圆直径与螺纹升角
随着渐开线花键滚刀的重磨,滚刀工渐开线花键时的节圆直径要相应的减小,因而滚刀加工渐开线花键时安装的斜角,应随滚刀重磨后的分圆螺纹升角而变化。
但是在实际生产中,不可能每重磨一次就改变滚刀的的安装斜角。
如不考虑滚刀因重磨引起的分圆直径的变化,则按新滚刀的螺纹升角去安装重磨到最后状态的滚刀,被切渐开线花键的齿厚将变薄,有效渐开线长度缩短,齿形角也会发生一些误差。
所以,应该设计一个比较合理的分圆直径,得到一个比较合理的螺纹升角,使滚刀加工渐开线花键时的安装角更接近于新旧滚刀的螺纹升角。
这样,可以用下式计算滚刀的分圆直径dfg。
Dfg=Deg–2heg–0.2(K+ζDeg) 式2.4
式中heg——滚刀的齿顶高
ζDeg——滚刀的外径偏差
滚刀的螺纹升角不仅与使用滚刀时的安装角有关,同时它又影响着滚刀的齿形角近似造型误差。
精滚刀的λf≤5°。
Sinλf=nmn/dfg 式2.5
式中n——滚到螺纹头数,精滚刀n=1;
Mn——法向模数。
滚刀的齿形是刀齿侧铲面与前刃面的交线,对螺旋槽滚刀,这是一条空间曲线。
2.6阿基米德滚刀的齿形角
阿基米德滚刀在轴向截面的齿形是一条直线。
螺旋槽阿基米德左右侧铲面的轴向齿形角为:
ctgαzz=ctgαz±Kzg/T 式2.6
ctgαzy=ctgαz±Kzg/T 式2.7
式中αz——滚刀轴向齿形角;
T——容屑槽导程。
公式中的正负号,上面的符号用于右旋滚刀,下面的符号用于左旋滚刀。
对于直槽阿基米德滚刀,容屑槽的导程T=∞,则左右侧刃的齿形角都相等于滚刀的轴向齿形角αz。
αzz=αzy=αz
阿基米德滚刀是以渐开线蜗杆轴向齿形在分圆处斜角作为其轴向齿形角的。
其值用下式计算:
ctgαz=ctgαfgcosλf 式2.8
按上式可计算阿基米德直槽0°前角滚刀的轴向齿形角。
采用正前角时,滚刀的轴向齿形角必须进行计算修正,其左右齿形角相等,按下式计算:
ctgαz=ctgαfn(1–zgKe/2πrfg2cosγf) 式2.9
式中e——滚刀前刃面偏位值;
rfg——滚刀分圆半径;
γf——滚刀分圆前角,γf=sin–1(e/rfg)。
式2.10
前刃面偏位值e,是滚刀设计、制造和检查的依据,它的误差直接影响着滚刀齿形的精度。
在滚刀重磨后,e应保持不变,其误差可按标准滚刀前刃面的非径向性偏差检查。
正前角滚刀的齿形如在万能工具显微镜上进行测量,则应规定前刃面的齿形角。
前刃面的齿形角αq按下式计算:
tgαq=(tgαfncosλf±sinγf)/cosλf 式2.11
计算右旋滚刀左侧刃与左旋滚刀右侧刃齿形角时用“+”号;计算右旋滚刀右侧刃与左旋滚到走侧刃齿形角时用“+”号。
2.7法向直廓滚刀的齿形角
法向直廓滚刀的齿形角应根据齿形的检验方法来确定。
滚刀齿形的终验,一般是在万能工具显微镜上通过齿形中点进行测量的。
此时,法相齿形角不进行修正。
但滚刀在加工过程中,齿形的预验是用齿形样板进行测量的。
齿形样板一般以滚刀相邻两齿顶为基准。
用这种样板测量的滚刀,相当于齿槽法向直廓滚刀。
严办的齿形角按下式计算;
αl=αfn–ζ 式2.12
样板齿形修正值ζ。
对齿形两侧无论是数值或符号,都应是相等的。
表2.4法向直廓滚刀预验样板修正角ζ
λf
1°~5°
2°30’
3°
4°
4°30’
5°
5°30’
6°
ζ
——
30"
1’
2’
2’30"
3’30"
4’
6’
2.8渐开线花键滚刀的齿厚和齿高
滚刀的法向齿厚
精加工滚刀:
Sfng=πmn/2 式2.13
粗加工滚刀:
Sfng=πmn/2-△S 式2.14
式中△S——齿轮精切余量或留磨余量。
精切余量可按表2.5选取;留磨滚刀当m1~6时,一般取△S=0.25~0.40.,大模数取大值。
表2.5普通精切余量
模数m
△S
模数m
△S
2~4
>4~6
>6~8
0.4
0.6
0.8
>8~10
>10~14
>14~20
1.0
1.2
1.5
(毫米)
对渐开线花键轴它相对于普通齿轮的齿高更小,精度要求更高,传动配合机械装置更精密。
所以我们可按表2.6查得。
表2.6渐开线花键轴齿厚公差
m
0.5~1
1.25~205
3~5
6~10
△
+0.045
+0.063
+0.08
+0.09
(毫米)
2.9滚刀的压力角和齿高
渐开线花键滚刀的法相齿形压力角为30°,齿顶高heg=0.7m,全高hg=1.2m+c。
当m<1时,c=0.35m;当m≥1时,c=0.3m。
齿顶圆弧r1=0.1m,齿根圆弧r2=0.3m。
即heg=0.7m 式2.15
hg=1.2m+cm 式2.16
r1=0.1m 式2.17
r2=0.3m 式2.18
3渐开线开建滚刀的设计过程
3.1渐开线花键滚刀的设计步骤和计算过程:
已
知
条
件
被加渐开线花键参数:
法向模数 mn*=4 分圆法向压力角 αfn=30°
齿高系数 f=0.7 径向间隙系数 c’=0.2
分圆法向弧齿厚 Sfn=6.28 精度等级 A级
螺旋方向 无 花键齿数Z=30
序
号
计算
项目
符
号
计算公式或选取方法
计算
精度
计算举例
1
滚刀精度等级
按渐开线花键等级选择滚刀精度等级
A级
2
基本尺寸
(1)外径
(2)孔径
(3)全长
(4)容屑槽数
Deg
d
L
zg
根据滚刀精度等级为A级,按表1.2选取模数为4的基本尺寸
Deg=80
d=32
L=80
zg=12
(续表)
3
法相齿形尺寸
(1)齿顶高
(2)齿全高
(3)法向齿距
(4)法向齿厚
(5)齿顶圆弧
(6)齿根圆弧
(7)
前角
(8)
侧刃后角
heg
hg
tn
Sfn
r1
r2
γ
αe
heg=0.7m
hg=1.2m+cm
tn=πmn
Sfng=πm/2
r1=0.1m
r2=0.3m
正前角滚刀γe
=7°~9°e=Regsinγe
αe
=tg-1(zgK/πDeg)sinαfnαe不小于3°
0.01
0.01
0.001
0.01
0.01
0.01
0.1
heg=0.7×4=2.80
hg=1.2×4+0.8=5.60
tn=3.1
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