汽车锥齿轮的加工工艺设计.docx
《汽车锥齿轮的加工工艺设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车锥齿轮的加工工艺设计.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
汽车锥齿轮的加工工艺设计
毕业设计类别工艺设计
汽车工程学院
毕业设计
汽车锥齿轮的加工工艺设计
指导教师陈秀华
学生姓名尹平
专业名称汽车制造与装配技术
班级名称班级装配1202
2015年4月
表1：
零件图
设计题目
汽车锥齿轮的加工工艺设计
课题类型
工艺设计
课题类别
软件
零件图
此次毕业设计选择的汽车齿轮零件图如下图所示：
技术要求
1、渗碳淬火硬度58~63HRC；3、未注明倒角为2×45°
渗碳深度0.7~1.1mm。
4、未注明圆角为R2m=3.5α=20°
2、两轴端中心孔为A5/10.65、材料20CrMnTi.Z=19精度等级8GK
图3-2
表2：
机械加工定位基准的选择
设计题目
汽车锥齿轮的加工工艺设计
课题类型
工艺设计
课题类别
软件
机械加工定位基准的选择
定位基准的选择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。
锥轮的齿形加工常采用两种定位基准。
对于齿轮加工基准的选择常因齿轮的结构形状不同而有所差异。
带轴齿轮主要采用顶点孔定位；对于空心轴，则在中心内孔钻出后，用两端孔口的斜面定位；孔径大时则采用锥堵。
顶点定位的精度高，且能作到基准重合和统一。
对带孔齿轮在齿面加工时常采用以下两种定位、夹紧方式。
（1）以内孔和端面定位
这种定位方式是以工件内孔定位，确定定位位置，再以端面作为轴向定位基准，并对着端面夹紧。
这样可使定位基准、设计基准、装配基准和测量基准重合，定位精度高，适合于批量生产。
但对于夹具的制造精度要求较高。
（2）以外圆和端面定位
当工件和加剧心轴的配合间隙较大时，采用千分表校正外圆以确定中心的位置，并以端面进行轴向定位，从另一端面夹紧。
这种定位方式因每个工件都要校正，故生产率低；同时对齿坯的内、外圆同轴要求高，而对夹具精度要求不高，故适用于单件、小批生产。
综上所述，为了减少定位误差，提高齿轮加工精度，在加工时应满足以下要求：
1）应选择基准重合、统一的定位方式；
2）内孔定位时，配合间隙应近可能减少；
3）定位端面与定位孔或外圆应在一次装夹中加工出来，以保证垂直度要求。
精基准的选择：
轴端面的孔是一个设计基准，C面为一个装配基准，用它做基准能够使加工遵循“基准重合”的原则，实现轴体零件“一面两空的典型定位方式；
粗基准的选择：
考虑到以下几点要求，要求选择轴的重要端面孔和主要面来作基准：
第一，要保证个加工面均有余量；第二，这是一个装配件，所以要有适当的间隙，并且要保证均匀；此外还应该能够保证定位基准、加紧可靠。
最先进行机械加工的是两个端面，保证长度要求，再就是两个端面的中心孔，保证定位和加紧。
这时可选择的加紧方案为，用三抓卡盘固定一端，对另一端进行平整加工。
打中心孔。
调头加工另外一端面，打中心孔，保证长度。
用尾座顶尖顶住中心孔，保证加工轴面的平稳，及加工的精度。
在确定定位和夹紧方案时应注意以下几个问题：
（1）尽可能做到设计基准、工艺基准与编程计算基准的统一；
（2）尽量将工序集中，减少装夹次数，尽可能在一次装夹后能加工出部待加工表面；
（3）避免采用占机人工调整时间长的装夹方案；
（4）夹紧力的作用点应落在工件刚性较好的部位。
一、拟订定位与夹紧方案
1.定位方案根据锥齿轮的结构特点，其定位方案和夹紧方案如图3-2所示：
根据加工的相关要求，应当限制5个自由度在铣键槽时。
方案：
当工件以直径42的两个外圆在四个互相垂直的平面上定位。
即可以对它的五个自由度进行基本限制。
2.对刀方案
键槽铣刀只需要在一个方向上对刀，可采用直角对刀块，因为只要加工一个键槽，故只需要一个对刀块即可满足要求。
3.夹具体与定位键
为了保证安装稳定夹具在工作台，应该根据夹具的高度比小于等于1.26的原则来对其宽度确定，并设置耳座在它的两端，以便于固定。
为了使槽的兑成度要求得到保证，应该设置定位键在夹具体的底面。
为了使夹具的安装误差减小，B型定位键通常会被采用。
夹具总图上的尺寸，公差和技术要求
1.夹具的最大轮廓尺寸为长400mm,宽200mm,高140mm.。
2.刀块表面对刀块的位置尺寸h限位基准的距离。
最小位移量使加工尺寸增大的时候
h=H±s-imin
当最小位移量使加工尺寸缩小时
h=H±s+imin
试中h对刀块的位置尺寸
H定位基准至加工表面的距离
s塞尺厚度。
计算塞尺厚度为imin=Xmin/2
Xmin是圆孔和圆柱面之间的最小的配合间隙。
但本设计中是以V型板定位，故imin=0。
将各环准换为平均尺寸，分别算出h1,h2的平均尺寸。
h1=（9.9785+4.91）mm=14.8885mm（基本尺寸）
h2=（35.042÷2-4.91）mm=12.6111mm（基本尺寸）
4.影响对刀精度的尺寸：
塞尺的厚度尺寸5h8=50-0.018mm.
加工精度分析
由于零件是两V型板定位，由于面与轴面接触时即使摩擦力很大，也无法保证轴在轴向的横向移动。
所以在铣槽时可以产生直线位移误差。
由于误差对铣键槽的影响很小，可忽略不计。
具体见下分析。
3.2.6.1铣键槽侧面对轴线的平行度的加工精度。
1.定位误差ΔD因为定位基准是该工件的轴线，对称度的工序基准亦是该轴线，所以得出ΔB=0.
因为V形块的对中性，ΔY=0.所以，对称度的定位误差为0.
2.安装误差ΔA如下图a所示，可以得出ΔA=X=0.027mm。
如果在两定位键外，就可按照下图b计算出ΔA为
+X
3.对刀误差ΔT因为塞尺厚度和对称度的对刀误差的公差相等，所以ΔT=0.018mm。
4.夹具误差ΔJΔJ=0.03+0.03=0.06mm。
键槽侧面对轴线的平行度的加工误差
1.定位误差ΔD因为V形块之间相互位置的误差极小，可看作一个长的V形块，故ΔD=0。
2.安装误差ΔA定位键的位置如图a中所示时，工作台导轨相对于工件的轴线是平行的，故ΔA=0。
如图b所示定位键，由于工件的轴线和工作台导轨之间有转角误差，使键槽侧面和轴线产生了平行度误差，所以
ΔA=
3.对刀误差ΔT由于平行度不受塞尺厚度的影响，ΔT=0。
4.夹具误差ΔJ因为是定位键侧面B的平行度0.03mm和工位V型板设计心轴轴线影响平行度的制造误差的，因此
ΔJ=0.03mm。
二、确定夹具方案
参考资料，利用V型板定位，夹紧。
如图3-4所示.
表3：
机械加工阶段划分
设计题目
汽车锥齿轮的加工工艺设计
课题类型
工艺设计
课题类别
软件
机械加工阶段划分
加工阶段的划分
锥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。
齿号
Ⅰ
Ⅱ
齿号
Ⅰ
Ⅱ
模数
2
2
基节偏差
±0.016
±0.016
齿数
28
42
齿形公差
0.017
0.018
精度等级
7GK
7JL
齿向公差
0.017
0.017
公法线长度变动量
0.039
0.024
公法线平均长度
21.360－0.05
27.60－0.05
齿圈径向跳动
0.050
0.042
跨齿数
4
5
加工的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，而这与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。
加工的第三阶段是热处理阶段。
在这个阶段中主要对齿面的淬火处理，使齿面达到规定的硬度要求。
加工的最后阶段是齿形的精加工阶段。
这个阶段的目的，在于修正齿轮经过淬火后所引起的齿形变形，进一步提高齿形精度和降低表面粗糙度，使之达到最终的精度要求。
在这个阶段中首先应对定位基准面（孔和端面）进行修整，因淬火以后齿轮的内孔和端面均会产生变形，如果在淬火后直接采用这样的孔和端面作为基准进行齿形精加工，是很难达到齿轮精度的要求的。
以修整过的基准面定位进行齿形精加工，可以使定位准确可靠，余量分布也比较均匀，以便达到精加工的目的。
选择定位基准时各外圆的位置公差，采用基准统一原则，即全部以工件的两中心孔定位，同时也为了保证各外圆的形状与位置公差，在轴的初加工过程中，用油石研磨中心孔，中心孔的表面粗糙度Ra值逐次减小，精度也逐次提高。
为了达到轴的精度要求，工序分为粗车，精车，磨削。
零件外圆的粗糙度要求不统一，在加工过程中考虑到时间的原因，先加工最低等级要求3.2，最后进行研磨达到0.6。
键槽端外圆公差等级为IT8.
该齿轮精度较低，所以工序安排在刨齿渗碳淬火后，不再进行磨齿，如果齿轮精度要求高于7级，应增加磨齿工序，因在渗碳淬火后，有产生变形的可能。
齿轮轮齿外表面对轴心线的圆跳动；Φ45
mm右端面对轴心线的圆跳动的检查，可采用两中心孔定位装夹在偏摆仪上进行检测。
锥齿轮的锥角可用游标万能角度尺或专用样板进行检查。
有关方面和孔加工的经济精度，及机床能达到的位置精度可知，上述技术要求是可以达到的，零件的结构工艺性也是可行的。
专用于切削各种锥齿轮齿形的齿轮加工刀具。
锥齿轮加工刀具按被切齿轮的种类可分为直齿锥齿轮刀具、弧齿锥齿轮刀具和延长外摆线锥齿轮刀具3类。
直齿锥齿轮刀具主要有成对刨刀、成对铣刀盘、拉-铣刀盘和锥齿轮定装滚刀等（图1[直齿锥齿轮刀具]）。
成对刨刀常用于加工模数为0.3～20毫米的直齿锥齿轮。
刨刀的齿形角等于被切齿轮的公称压力角，刀体上有前角，但无后角（见刀具）。
工作后角是靠刨刀斜装于刀座而获得。
加工时，两把刨刀分布在相邻齿槽内加工一个轮齿的两侧面。
成对铣刀盘工作原理与成对刨刀基本相同（见齿轮加工）；但刀盘直径大（150～600毫米）、齿数多，生产率较刨齿高2～4倍。
在加工齿轮时，齿数相等的两把铣刀盘在同一齿槽内分别切出左右侧面的齿形。
但刀齿互相错开，一把铣刀盘的刀齿斜插在另一铣刀盘的两齿间。
刀盘的直线切削刃分布在一个3°30左右的凹锥面上，因此能方便地切出鼓形齿，有利于啮合。
拉-铣刀盘用于加工模数为6毫米以下的直齿锥齿轮，刀盘直径为400～600毫米。
刀体上装有15～17个扇形刀块，每块上有4～5个刀齿。
粗切刀齿的顶刃逐渐升高,齿升量约为0.1毫米，它们逐渐地切入齿轮的齿槽直到全部深度,粗切刀齿部分最后7个刀齿的顶刃没有齿升量，只用于修整齿槽的两侧面和槽底。
粗切刀齿一般有18～20个,顶刃没有齿升量。
在精切刀齿前的缺口内,可安装一把成形刀,对齿顶进行倒角。
拉-铣刀盘的切削是拉削和铣削的复合过程，是粗、精加工的混合过程。
工作时刀盘一面旋转，同时作左、右往复移动。
刀盘转一转可切好一个齿槽,生产率很高。
拉-铣刀盘的刀齿均制成半径相等、但圆心位置不同的圆弧。
刀齿是铲背的，用钝后刃磨前面。
齿端加工必须在淬火之前进行，通常都在滚（插）齿之后，剃齿之前安排齿端加工。
4、轮加工过程中的热处理要求
在齿轮加工工艺过程中，热处理工序的位置安排十分重要，它直接影响齿轮的力学性能及切削加工性。
一般在齿轮加工中进行两种热处理工序，即毛坯热处理和齿形热处理
表4：
机械加工顺序安排
设计题目
汽车锥齿轮的加工工艺设计
课题类型
工艺设计
课题类别
软件
机械加工顺序安排
加工顺序的安排
锥齿轮的加工工序通常包括切削加工工序、热处理工序和辅助工序等，这些工序的顺序直接影响到齿轮的加工质量、生产率和加工成本。
一、切削加工工序的安排原则
1、基面先行原则
用作精基准的表面，应该先加工。
因为定位锥齿轮基准的表面越精确，装夹失误就越小。
所以总是先定位锥齿轮基准面记性粗加工和半精加工，必要时还要进行精加工。
（1）车左端面及打中心孔，根据上面分析采用三爪卡盘装夹、90外圆硬质合金车刀和Φ5的钻头。
加工中为防止由工件过长而产生的严重颤动，装夹时装夹到Φ42的左端面处。
（2）粗车左端各外圆面、齿背面，由零件左端阶梯轴各轴段之间的段差相差不大，编程是采用G71循环指令。
零件的加工段太长，相当于细长轴的加工，为防止加工中零件由于切屑力而产生的弯曲变形从而难以满足各轴段的精度要求，所以工件采用一夹一顶的同时还要采用跟刀架。
轴类零件的机械加工余量可知，粗加工后余量为1.5mm，本工序的切削速度为600r/min，进给量f=0.5mm/r。
2、先粗后精原则
锥齿轮的各个表面的加工顺序一般按照粗加工-半精加工-精加工-光整加工顺序进行，这样才能逐步提高加工齿轮表面的精度和表面粗糙度。
（1）精加工左端格外圆柱面、齿背面，精加工后轴的表面粗糙度可达到1.25~10，即可完成除Φ45和Φ50的所有外圆柱面，加工时采用35度硬质合金外圆车刀，编程时应在Φ45和Φ50留余0.5的精加工余量以供磨削加工。
3、先主后次原则
锥齿轮的工作面及装配精度要求较高的表面，属于主要表面，应先加工。
自由表面、键槽、光孔等表面，精度要求低，属于次要表面。
可穿插进行，一般安排在主要表面达到一定的精度后，最终精加工之前加工。
（1）键槽的加工，在立式铣床上采用和键槽宽度相同的铣刀，进行键槽的加工。
键槽宽
Φ10mm,上偏差为0下偏差-0.046，长50mm。
图2
键槽深h上偏差
h上=+0.05-（-0.2）=+0.25mm
h下=+0.034
h=35mm-30mm=5mm
则键槽深度为h5
可以一次切削（参考文献[7]表6—23），切削深度为5mm。
二、热处理工序的安排
为了提高锥齿轮的力学性能，改善材料的切削加工性和消除内应力，在工艺过程中要适当安排一些热处理工艺。
1、改善锥齿轮切削加工性能的热处理（如退火、正火、调质等），一般安排在切削加工之前。
2、为了消除锥齿轮内应力而进行的热处理（如人工时效、退火、正火等），最好安排在粗加工之后。
3、为了改善锥齿轮的里学物理性能，半加工之后，精加工之前常安排淬火、渗碳淬火等热处理工序。
对于整体淬火的锥齿轮，淬火前应该将所有的切削加工表面进行完。
4、对于高精密锥齿轮，在淬火后安排冷处理（使零件在低温介质中继续冷却到零下80度）以稳定齿轮的尺寸。
三、辅助工序的安排
辅助工序主要包括对齿轮的：
检验、清洗、去毛刺、去磁、防锈和平衡等。
其中检验工序是主要的辅助工序，是保证锥齿轮质量的只要措施之一。
除了各工序操作者自检外，在粗加工阶段结束后，重要的关键工序权后、生产车间之间周转前后，以及齿轮全部加工结束后，一般安排检验工序。
表5：
机械加工工艺过程
设计题目
汽车锥齿轮的加工工艺设计
课题类型
工艺设计
课题类别
软件
机械加工工艺过程设计
1、零件图样分析
1）齿轮轮齿外表面对轴心线的圆跳动公差为0.025mm。
2）φ45
mm右端面对轴心线的圆跳动公差为0.010mm。
3）渗碳淬火硬度58~63HRC；渗碳深度过0.7~1.1mm。
4）齿轮精度等级8GK。
5）材料20CrMnTi。
2、锥齿轮轴机械加工工艺过程卡（表2-33）
表2-33锥齿轮轴机械加工工艺过程卡
工序号
工序名称
工序内容
工艺装备
1
下料
棒料φ80mm×200mm
锯床
2
锻造
锻造尺寸为φ55mm×230mm+φ85mm×52mm
3
热处理
正火
4
粗车
夹φ55mm×230mm一端，粗车右端，车端面，见平即可，车外圆至φ76mm，长48mm,钻中心孔A5/10.6
C620
5
粗车
倒头，夹φ76mm外圆（中间工艺尺寸）并按外圆找正，车左端，车端面，保总长265mm，车外圆至φ48mm与φ76mm接刀，钻中心孔A5/10.6
C620
6
精车
以两中心孔定位装夹工件，精车右端齿轮部分锥面保角度20°04’，大端外圆尺寸φ73.16
mm。
C620
7
精车
倒头，以两中心孔定位装夹工件，精车左端各部，φ35
mm外圆留磨量0.5mm，φ45
mm两处外圆留磨量0.5mm（两处尺寸要求一致）。
车72°09’（齿部左侧面），保证尺寸31.411mm（或33mm）。
车圆角R5，φ53mm，14
mm尺寸留磨量0.3mm。
车φ42mm两处至图样要求尺寸，端部倒角2×45°
C620
8
划线
划10
mm键槽线
9
铣
以两处φ45
mm（工艺尺寸加相同的磨量）定位，按线找正，装夹工件，铣健槽10
mm至图样尺寸，保证与轴线对称
X52K组合夹具
10
刨齿
以φ45
mm轴径定位装夹工件，精刨齿m=3.5，z=19至图样尺寸要求
Y236
11
热处理
齿部渗碳淬火，按图样要求渗碳深度0.7~1.1mm渗碳淬火硬度为58~63HRC
12
磨
以两中心孔定位装夹工件，磨φ35
mm，两处φ45
mm至图样要求尺寸。
并靠磨14
mm端面至图样尺寸。
靠磨圆角R5
M1432
13
检验
按图样要求检查各部尺寸及精度
14
入库
入库
3、工艺分析
1）该齿轮精度较低，所以工序安排在刨齿渗碳淬火后，不再进行磨齿，如果齿轮精度要求高于7级，应增加磨齿工序，因在渗碳淬火后，有产生齿部变形的可能。
2）末标注轴径各处R2，在磨削时加工。
φ45
mm轴径右端面，靠磨后（工厂俗称“一刀下”）可保证有端面圆跳动公差。
3）齿轮轮齿外表面对轴心线的圆跳动；φ45
mm右端面对轴心线的圆跳动的检查，可采用两中心孔定位装夹在偏摆仪上进行检测。
4）锥齿轮的锥角可用游标万能角度尺或专用样板进行检查。
参考文献：
[1]尹长城,董峰炎.渐开线直齿圆柱齿轮的有限元分析[J].科技信息,2010（06）
[2]原健钟,文艺,王文涛,蒋勇平.重型柴油载货汽车差速器的设计与改进[J].机械设计与制造,2009（11）
[3]赵雨旸.基于ANSYS的变速器齿轮有限元静力学分析[J].黑龙江工程学院学报（自然科学版）,2009（03）
[4]陈珂,殷国富,赵武.基于知识融合的汽车后桥差速器齿轮结构优化[J].四川大学学报（工程科学版）,2009（04）
[5]符双学,田巍,李长云.基于有限元法的齿轮强度接触分析[J].长沙航空职业技术学院学报,2009（02）
[6]钱学毅,邹丽梅,郭波.直齿圆锥齿轮齿根动应力有限元分析[J].青海大学学报（自然科学版）,2009（03）
致谢
本文在陈老师的指导下，我通过查找资料和现实调研，锥齿轮的机械加工所存在的问题，进行了深入的了解。
并对此提出了相应的解决方法。
在此我感谢陈老师，在老师的悉心指导与严格要求下完成的。
她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。
从论文的选题、撰写到修改定稿，陈老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。
在此谨向敬爱的老师表示崇高的敬意和深深的谢意!
最后也感谢我的家人对我的学业的支持。
感谢父母在这十多年里的付出和鼓励，感谢他们的无私奉献。
在此我想说您们辛苦了！
升级会员 