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倒挡齿轮加工设计
毕 业 设计
题目：
变速器倒挡齿轮加工工艺设计
系别：
专 业：
班 级：
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审阅：
年 月日
摘要
齿轮是机械传动中应用极为广泛的零件之一。
汽车变速器齿轮起着改变输出转速传递扭矩的作用，所以加工齿轮的要求相对要严格一些。
变速器倒挡齿轮应具有经济精度等级高，耐磨等特点，以提高齿轮的使用寿命和传动效率，齿轮在工作时传动要平稳而且噪声要小，结合时冲击不宜过大。
齿轮的经济指标主要表现为运动精度、工作平稳性、接触精度和齿侧间隙四个方面。
一般，汽车的齿轮采用的是6到7级精度，根据齿轮不同的技术要求选择不同的加工路线。
以及选择毛坯的锻造方法，和毛坯的加工余量及毛坯的公差，加工路线的制定，为了保证零件的质量，在加工之前需要制定两条加工路线。
两者进行比对，从中选出最有利于加工和保证质量的加工方法进行加工。
同时还有相关工序的机床夹具量具的选取，工艺尺寸公差，位置公差，以及粗糙度的确定，同轴度，圆度及垂直度的选取。
关键词：
齿轮毛坯，加工工艺，工艺性分析，加工余量。
Abstract
Gearisoneofthemostwidelyusedpartsofmechanicaltransmissiongeartransmissiongearchangetheoutputspeedtransfertorquetheroleofgeartransmissiongearshouldhaveahighdegreeofeconomicaccuracyandwearresistanceandothercharacteristicsinordertoimprovetheservicelifeandtransmissionefficiencygearintheworktobestableandnoiseshouldnotbetoobig.Geareconomicindicatorsmainlyperformancefortheaccuracyofthework,contactprecisionandtoothsideclearance6.Processingroute.Andselectionmethodforforgingblank,toleranceandroughmachiningallowanceandrough,formulationofprocessingroute,inordertoassurethequality,beforeprocessingneeddeveloptwoprocessingroutes.Comparisonbetweenthetwo,fromwhichtoselectthemostconducivetotheprocessandensurethequalityofprocessingmethodforprocessing.Fixturemeasuringmachinetoolsandprocessselection,processdimensiontolerance,positiontolerance,androughnessdetermined,coaxiality,
Roundnessandtheverticalityoftheselection.
Keywords:
Gearblank,processingtechnology,processanalysis,machiningallowance.
目录
摘要I
第1章齿轮零件的分析2
1.1零件图的分析（下图为倒挡齿轮的剖面图）2
1.2零件的生产纲领及生产类型3
1.3齿轮工艺设计的要求4
1.4齿轮的工作转态分析及工作条件4
1.5齿轮的结构分析5
1.6齿轮的结构工艺性分析5
1.7齿轮的加工工艺分析5
第2章齿轮毛坯的设计6
2.1毛坯材料的确定及制造方法6
2.2毛坯加工余量及公差6
2.3毛坯的形状7
第3章齿轮加工工艺规程的制定8
3.1定位基准的选择8
3.2制定倒挡齿轮加工工艺路线8
3.2.1齿轮表面的加工方法8
3.2.2制定齿轮加工工艺路线9
3.3选择设备和工艺装备10
3.3.1机床的选择原则10
3.3.2工艺装备的选择原则11
第4章倒挡齿轮加工工艺的计算及工艺文件12
4.1倒挡齿轮各工序加工余量、工序尺寸及公差的确定12
表4-1倒挡齿轮各工序加工余量、工序尺寸及公差表12
4.2计算外圆切削用量及工时定额13
4.2.1粗车外圆的基准选择13
4.2.2粗车Φ78外圆13
4.2.3粗车Φ40外圆14
4.2.4粗车Φ105外圆14
4.3编写工艺过程卡及工序卡片14
结论19
致谢20
参考文献21
附录22
绪论
随着中国汽车业的飞速发展，汽车的需求量也日益增加。
而齿轮最为汽车上不可缺少的部分，其需求量自然而然的随之增加，近年来，中国齿轮行业快速发展，行业规模不断扩大，齿轮行业已成为中国机械基础件中规模最大的行业。
本次论文设计的内容是变速器中的倒挡齿轮的加工。
变速器是汽车传动系中最主要的部件之一，它是在发动机的转速一定的情况下，输出不同的转速，并且可以控制转向。
在低转速时可以输出较大的扭矩，在高转速时会有比较好的效率，但扭矩较低。
所以机器在启动的时候，要在低转速启动，运行起来后在切换的高转速，保持效率。
同时变速器还能实现空挡和倒挡行驶，汽车发动机曲轴一般都是只能向一个方向转动的，而汽车有时需要能倒退行驶，因此，往往利用变速器设置的倒档来实现汽车倒车行驶。
汽车上正是有了倒挡齿轮，汽车的操作方式才有了更多的变化，故而倒挡齿轮的作用非常重要。
本次毕业设计研究的主要内容围绕如何加工出倒挡齿轮而展开，步骤包括对生产纲领的确定、倒挡齿轮零件的分析、齿轮毛坯的确定、和工艺规程的制定、磨内孔工具的确定以及在加工过程中各种机床、夹具的选择。
同时由于齿轮是一个较复杂的几何体，加工过程较为复杂，加工精度难以确定。
因此如何确定齿轮的精度等级以及依据其精度等级确定相关控制参数的公差值，是齿轮设计的关键所在。
传统的设计方法是依据经验用类比法，结合查表及大量繁杂的公式计算。
这样的方法工作量大，且很难保证齿轮精度设计的合理性。
因此需要借助计算机辅助软件对其进行计算，对齿轮精度的设计及其相关的数据进行计算机处理，使齿轮精度的设计达到快速、准确。
同时将计算出的数据在CAD图纸上进行标注，这样才能制定出正确的加工工艺及程序，制造出合格的产品。
第1章齿轮零件的分析
1.1零件图的分析（下图为倒挡齿轮的剖面图）
图1-1（a）
图1-1（b）
1.2零件的生产纲领及生产类型
生产纲领是指企业在计划期内应当生产产品的品种、规格及产量和进度计划。
计划期通常为1年，所以生产纲领也通常称为年生产纲领。
生产纲领的公式：
对于零件而言，产品的产量除了制造机器所需要的数量之外，还要包括一定的废品和备品，因此零件的生产纲领应按下式计算：
N=Qn（1+a%+b%）式中：
N-----零件的年产量（件/年）;
Q-----产品的年产量（台/件）;
n-----每台产品中该零件的数量（件/台）;
a%-----该零件的备品率（备品百分率）;
b%-----该零件的废品率（废品百分率）;
根据生产纲领的大小，可分为三种不同的类型：
1.单件生产：
少量的制造不同结构和尺寸的产品，且很少重复。
如新产品的试制，专用设备的制造等。
2.成批生产：
产品数量较大，一年中分批的制造相同的产品，生产呈周期性重复。
3.大量生产：
当一种零件或产品数量很大，而在大多数工作地点经常是重复性的进行相同的工序。
倒挡齿轮零件的年产量为50000件/年，结合生产实际，其备品率为10%，废品率为1%，根据零件生产纲领计算公式可得：
N=Qn（1+a%+b%）;
=50000（1+10%+1%）;
=55500件/年；
由此可知，该产品属于轻型机械，可确定其生产类型为大批量生产。
1.3齿轮工艺设计的要求
（1）应保证零件的加工质量，达到设计图纸上提出的各项技术要求。
在保证质量的前提下，应尽量提高生产率并降低消耗，同时要尽量减轻工人的劳动强度。
（2）在充分利用现有生产条件的基础上，尽可能的采用国内外先进工艺技术。
（3）工艺规程的内容应正确、完整、统一、清晰。
工艺规程的编写应规范化、标准化。
工艺规程的格式与填写方法以及所用的术语、符号等应符合相应标准规定。
1.4齿轮的工作转态分析及工作条件
变速器倒挡齿轮转速较高，温度和压力也很大。
负责着传输动力的重任，是变速器中非常重要的部分，还需要承受较大的外力，必须有一定的抗冲击能力，正由于变速器齿轮这种特殊的工作状态，变速器的齿轮必须有较高的强度刚度，而且在高速工作中，需要能承受循环载荷的能力。
为了适应这种特殊的工作环境，需要在齿轮加工过程中，需要进行渗碳淬火与表面磷化等处理工序，以达到表面硬而心部韧的效果。
还因为变速器齿轮齿齿面强度要求较高，必须对齿面进行强力喷丸处理，通过冷作硬化的效果，从而提高了变速器齿轮的疲劳强度，消除了表面缺陷的问题。
1.5齿轮的结构分析
分析零件可知，该零件为一个双联齿轮，由两个不同的齿廓组成。
一个为m=4，z=17的齿廓，一个为m=5,z=19的齿廓。
由Φ40㎜的圆柱连接在一起，零件有Φ20㎜的孔和宽6㎜的键槽。
内孔为光孔，表面粗糙度要较高，而且要求有一定的光洁度。
1.6齿轮的结构工艺性分析
零件的结构工艺性是指所设计的零件在满足使用要求的前提下，制造的方便性，可行性和经济性。
即零件的结构应方便加工时工件的装夹、对刀、测量，结构越简单，工艺性越好。
结构形式应尽量简化，同时提高切削效率。
根据零件的外形尺寸Φ105×100㎜，所以选择Φ110×105㎜的毛坯。
钻孔结构相对简单，选择合适的转速和进给速率，就可以将此结构做出，为了便于装配零件并去掉毛刺，轴端应做出45°的倒角。
1.7齿轮的加工工艺分析
（1）零件的内腔与外形应尽量采用统一的几何类型和尺寸尤其是加工面转接处的凹圆弧半径，一根轴上直径差不大的各轴肩处的退刀槽宽度等最好统一尺寸。
（2）内槽及缘板之间的转接圆角半径不应过小，这是因为此处圆角半径大小决定了刀的直径，而刀具直径的大小与被加工工件轮廓的高低影响着工件加工工艺性的好坏。
（3）零件结构相对较为复杂，零件的部分加工面精度要求较高，所以此零件的加工有一定难度。
从零件的尺寸和形状位置要求来看主要保证工件的表面粗糙度。
对于端面及齿面的加工，采用数控车床进行粗车和精车可以达到加工要求。
第2章齿轮毛坯的设计
2.1毛坯材料的确定及制造方法
在设计汽车变速器倒挡齿轮时，常用的加工材料有；20CrMnTi、20CrMo、20CrMnVB，40Cr、40MnB、45号钢等，在本次设计中选用20CrMnTi。
20CrMnTi是渗碳钢，渗碳钢通常为含碳量为0.17%到0.24%的低碳钢。
汽车上多用其制造传动齿轮。
其淬透性较高，在保证淬透情况下，具有较高的强度和韧性，特别是具有较高的低温冲击韧性。
20CrMnTi表面渗碳硬化处理用钢。
良好的加工性，特加工变形微小，抗疲劳性能相当好。
硬度低但切削变形小，属于易加工材料。
从材料角度看，符合此零件加工的基本要求，切削加工性好。
20CrMnTi是一种应用广泛、用量很大的合金钢，是性能良好的渗碳钢，淬透性较高，经渗碳淬火后具有硬而耐磨的表面与坚韧的心部，具有较高的低温冲击韧性，焊接性中等，正火后可切削性良好。
用于制造变速器的齿轮、齿圈等。
由于倒挡齿轮传输动力，要求具有一定的强度，其生产类型为大批量生产。
轮廓尺寸不大，形状并不复杂，所以毛坯可采用模锻成型。
这对于提高生产效率，保证加工质量也是有利的。
毛坯尺寸通过确定加工余量后决定。
2.2毛坯加工余量及公差
加工余量是指加工过程中，所切去的金属层厚度。
加工余量有工序余量和加工总余量（毛坯余量）之分。
工序余量是相邻两工序的工序尺寸之差；加工总余量（毛坯余量）是毛坯尺寸与零件图样的设计尺寸之差。
2.3毛坯的形状
图2-1齿轮毛坯图
表2-1毛坯总余量
主要面尺寸
零件尺寸
总余量
毛坯尺寸
Ф78外圆
78
4
82
Ф105外圆
105
5
110
Ф40
40
40
100长
100
5
105
15厚
15
3
18
第3章齿轮加工工艺规程的制定
3.1定位基准的选择
在倒挡齿轮加工中的定位基准有粗基准和精基准。
粗基准的选择有两个出发点：
一是保证各表面有足够且均匀的加工余量；二是保证不加工表面与加工表面间的尺寸和位置符合设计要求。
精基准的选择主要考虑以下几个方面：
一是尽可能选择用设计基准或工序基准作为定位基准：
二是尽可能选用同一组定位基准加工各个表面，即遵守“基准统一”原则：
三是应保证工件的装夹稳定可靠，机床夹具结构简单，工件装夹操作方便。
根据上述基准的选择原则，粗基准用未加工过的毛坯表面做基准，基准用以加工过的表面做基准。
具体基准的选择如下：
粗车小端面以大端外圆轴线作为基准夹紧，以大端端面作为轴向的定位基准
粗车大端面以大端外圆轴线作为基准夹紧，以小端端面作为轴向的定位基准
粗车内孔时以大端外圆轴线作为基准夹紧，以大端外圆轴线作为定位基准
精车与粗车的基准选择一致
滚齿和插齿时以内孔轴线作为定位基准，小端端面作为基准夹紧
磨削内孔及端面止口时以大齿分度圆圆心作为定位基准，大端面做基准夹紧
3.2制定倒挡齿轮加工工艺路线
3.2.1齿轮表面的加工方法
（1）齿圈外圆面：
为标注公差尺寸，根据GB1800-97规定其公差等级为IT14，表面粗糙度为Ra3.2µm,需要粗车、半精车。
（2）Φ40㎜外圆面：
为标注公差尺寸，根据GB1800-97规定其公差等级为IT14，表面粗糙度为Ra3.2µm，需要粗车、半精车。
（3）Φ20㎜内孔：
公差等级为IT7，表面粗糙度为Ra3.2µm，加工方法选用钻、粗铰、精铰。
（4）端面：
本零件的端面为回转体端面，尺寸精度、表面粗糙度没有要求，只需要粗车即可。
（5）齿面：
齿轮模数分别为4、5，齿数分别为17、19。
精度都为8GK，用铣刀铣齿即可。
（6）键槽：
槽宽和槽深的公差等级分别为IT9和IT12，需要粗插键槽、精插键槽。
3.2.2制定齿轮加工工艺路线
为了保证达到零件的几何形状、尺寸精度、位置精度及各项技术要求，必须制定合理的工艺路线。
制定工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度、位置精度等技术要求能得到合理的保证。
在生产纲领已确定为大批量生产的条件下，应尽量使工序集中来提高生产效率。
除此之外，还应考虑经济效果，以便降低生产成本。
齿轮的加工工艺路线，一般是先进行齿坯的加工，然后在进行齿面的加工。
齿坯的加工包括各个圆柱表面及端面的加工，按照先加工基准面及先粗后精的原则，齿坯加工可按下述工艺路线进行：
工艺方案一：
工序10：
毛坯进行正火热处理
工序20：
粗车各端面
工序30：
粗车各外圆
工序40：
钻孔Φ20㎜
工序50：
粗铰Φ20㎜
工序60：
调质
工序70：
精铰Φ20㎜
工序80：
半精车外圆Φ105㎜、Φ78㎜、Φ40㎜及各端面
工序90：
铣齿轮
工序100：
粗插键槽
工序110：
精插键槽
工序120：
高频淬火
工序130：
修正
工序140：
终检
工艺方案二：
工序10：
毛坯进行正火热处理
工序20：
铣平面
工序30：
钻孔Φ20㎜
工序40：
粗铰Φ20㎜
工序50：
粗车各外圆
工序60：
调质
工序70：
半精车外圆Φ105㎜、Φ78㎜、40㎜及各端面
工序80：
精铰Φ20㎜
工序90：
粗插键槽
工序100：
精插键槽
工序110：
铣齿轮
工序120：
高频淬火
工序130：
修正
工序140：
终检
工艺方案比较分析
第二条工艺路线不同于第一条工艺路线是把平面铣出来，并将孔与外圆柱面的加工进行了互换，其它的先后顺序均没有变化。
零件的基准有所变化，
第1条工艺路线，直接车出端面，有利于保证精度减小误差，节省拆装时间；再者先加工孔，确定了精基准，符合基准重合原则，有利于提高其他部分的加工精度。
第二条工艺路线，增加了铣平面，要换床，拆装过程中会产生误差，先加工外圆柱面再加工孔，改变了精基准，以外圆柱面为精基准，违反了基准重合原则。
从保证精度的前提下，选择第一条工艺路线进行生产。
3.3选择设备和工艺装备
3.3.1机床的选择原则
（1）机床的尺寸规格应与倒挡齿轮尺寸相适应。
（2）机床的加工精度应与倒挡齿轮加工精度相适应。
（3）机床的选用要节省投资和适当考虑生产的发展。
（4）要充分使用现有设备
3.3.2工艺装备的选择原则
（1）量具的选择；正确合理的选用量具是保证产品零件质量的重要条件之一。
但选择量具要考虑多方面的因素。
例如，测量误差和加工误差之间的分配，被测对象的精度要求，结构尺寸的大小、形状、重量和所用的材料，加工的工艺条件、批量、使用测量器具的精确度和经济性等等。
因此选择量具是一个比较复杂的问题。
要正确合理地选用量具，必须根据实际情况进行具体分析。
本次设计以保证测量精度为前提，并考虑经济，操作使用方便等问题，并根据大批量生产类型，所以选择高生产率的专用检查仪。
（2）刀具的选择；主要取决于各工序所采用的加工方法、工件材料、加工精度、生产率和经济性等，尽量选用标准刀具。
20CrMnTi属于易加工合金钢，硬度较低，各种机床所带有的通用刀具就可以满足加工需求。
（3）夹具的选择；数控加工的特点对夹具提出了两个基本要求，一是保证夹具的坐标方向与机床的坐标方向相对固定；二是要能防调零件与机床坐标系的尺寸。
除此之外，重点考虑以下几点。
1.单件小批量生产时，优先选用组合夹具、可调夹具和其他通用夹具，以缩短生产准备时间和节省生产费用。
2.在成批生产时，才考虑采用专用夹具，并力求结构简单。
3.零件的装卸要快速、方便、可靠，以缩短机床的停顿时问。
4.夹具上各零部件应不妨碍机床对零件各表面的加工，即夹具要敞开，其定位、关紧机构元件不能影响加工中的走刀（如产生碰撞等）。
5.为提高数控加工的效率，批量较大的零件加工可以采用多工位、气动成液压夹具。
此外，为了提高数控加工的效率，在成批生产中还可以采用多位、多件夹具。
在此零件的加工过程中，除了滚齿，插齿与各个面的磨削加工需要设计专用的夹具外，其他加工工序只需要通用夹具即可（如三爪卡盘）。
第4章倒挡齿轮加工工艺的计算及工艺文件
4.1倒挡齿轮各工序加工余量、工序尺寸及公差的确定
表4-1倒挡齿轮各工序加工余量、工序尺寸及公差表
工序
加工余量
（余量）
工序尺寸
IT
公差
粗车ф78mm端面
3mm
103mm
11
+0.22
0
粗车ф78mm外圆
3.9mm
Ф78.1mm
13
+0.46
0
粗车ф40mm外圆
4mm
Ф41mm
13
+0.39
0
粗车ф78mm齿厚15mm
2mm
16mm
11
+0.11
0
粗车ф105mm端面
2mm
Ф101mm
11
+0.22
0
粗车ф105mm外圆
3.9mm
Ф107.1mm
13
+0.54
0
粗车ф105mm齿厚15mm
2mm
16mm
11
+0.11
0
钻孔ф20mm
18mm
Ф18mm
13
0
-0.33
粗绞ф20mm
1.94mm
Ф19.94mm
10
0
-0.084
精绞ф20mm
0.06mm
Ф20mm
8
+0.027
0
半精车外圆ф78mm端面
0.5mm
100.5mm
9
+0.087
0
半精车外圆ф78mm
1.1mm
Ф78mm
10
0
-0.12
半精车外圆ф40mm
1mm
Ф40mm
10
0
-0.1
半精车ф78mm齿厚15mm
1mm
15mm
9
+0.043
0
半精车外圆ф105mm端面
0.5mm
100mm
9
+0.087
0
半精车外圆ф105mm
1.1mm
Ф105mm
10
0
-0.14
半精车ф105mm齿厚15mm
1mm
15mm
9
+0.043
0
粗拉键槽
5.6×2.4
5.6×2.4
精拉键槽
0.4×0.4
6×2.8
4.2计算外圆切削用量及工时定额
4.2.1粗车外圆的基准选择
所谓基准，就是用来确定生产对象上几何要素间的几何关系所依据的那些点.线.面。
按其功用不同，基准可分为设计基准和工艺基准两大类。
1.所谓设计基准是指设计图样上采用的标准，它是标注设计尺寸的起点。
设计图样上标注的尺寸均称为设计尺寸，本次设计中，倒挡齿轮的设计标准是两个凸台的设计基准是外圆。
2.工序基准就是在工序图上，用来标定本工序被加工表面尺寸、形状和位置所采用的基准，本次设计中，外圆的工序基准为其中心线。
3.定位基准，在加工中确定工件在机床上或机床夹具中占有正确位置的基准，称为定位基准，用未经加工过的毛坯表面作为定位基准的，称为粗基准，本次设计中，工件外圆与卡盘的卡爪接触，确定了工件的径向位置，因此倒挡齿轮外圆是径向定位的定位基面。
4.测量基准就是用来确定被测量尺寸、形状和位置的基准，即测量时所采用的基准，本次设计中，用卡尺来测量外圆面的尺寸，卡尺量爪与外圆面接触的量点就是测量基准。
5.装配基准就是用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准，本次设计中，倒挡齿轮的中心线既是设计基准、定位基准，又是工序基准、装配基准和测量基准，此所谓为基准重合。
6.对刀基准就是在加工过程中调整刀具与机床夹具相对位置所采用的基准称为对刀基准，在本次设计中，车床的主轴轴线就是粗车外圆的对刀基准。
4.2.2粗车Φ78外圆
1.切削深度单边余量
。
可一次切除
2.进给量根据《切削加工简明实用手册》，选用
3.计算切削速度，根据《切削加工简明实用手册》，确定
4.确定主轴转速
，按机床说明书选取
所以实际切削速度
5.切削工时
4.2.3粗车Φ40外圆
1.进给量，根据《切削加工简明实用手册》，选用
2.计算切削速度，根据《切削加工简明实用手册》，确定
3.确定主轴转速
，按机床说明书选取
，所以实际切削速度
4.切削工时
4.2.4粗车Φ105外圆
1.切削深度单边余量
，可一次切除
2.进给量，按《切削加工简明实用手册》，选用
3.计算切削速度，见《切削加工简明实用手册》，确定
4.确定主轴转速
，按机床说明书选取
，所以实际切削速度
5.切削工时
4.3编写工艺过程卡及工序卡片
表4-2倒挡齿轮工艺过程卡
机械加工工艺卡片
产品型号
零（部）件图号
共两页
产品名称
倒挡齿轮
零（部）件名称
倒挡齿轮
第一页
材料牌号
20CrMnTi
毛坯种类
锻件
毛坯尺寸
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