渐开线斜齿圆柱齿轮的工艺和工装设计.docx

1、渐开线斜齿圆柱齿轮的工艺和工装设计山西煤炭职业技术学院2014届毕业生毕业设计 说明书专 业 机械制造与自动化班 级 机制331102班姓 名 王琨学 号 3533110230 指导教师 裴保家 学习年限 2011年9月至2014年6月二一四年六月毕业设计任务书计算机信息系 机械制造与自动化专业 机制331102班 姓名：王琨 学号：3533110230题目：渐开线斜齿圆柱齿轮工艺及工装设计 （年生产1000件、备品率3%、废品率0.5%）任务下达日期： 2014 年 1 月 7 日任务完成日期： 2014 年 6 月 6 日主要内容与目标：一、设计题目：渐开线斜齿圆柱齿轮工艺与工装设计二、主

2、要内容：（一）明确生产类型，熟悉零件及各种资料，对零件进行工艺分析；（二）绘制零件图。（三）确定毛坯的制造形式，尺寸公差与加工余量；1.毛坯种类2.铸件或锻件制造方法的选择3.铸件或锻件的尺寸公差与加工余量（四）拟订机械加工工艺路线1.定位基准的选择2.加工方法的确定3.加工顺序的安排4.热处理、检验及其他工序的安排 （据上述步骤1-4确定二套加工工艺路线，并进行比较，选择其中一套作为本零件的加工工艺）。（五）确定满足各工序要求的工艺装备（机床、刀具、夹具、量具）对需要改装或重新设计的专用工艺装备应提出具体的设计要求。（六）确定各工序的加工余量、计算工序尺寸和公差（七）确定切削用量（八）填写工

3、艺文件（九）提交文件1.产品零件图 1张 2.产品毛坯图1张3.机械加工工艺过程卡片1份 4.机械加工工序卡片1份5.夹具设计装配总图* 1张 6.毕业设计说明书 1份三、目标通过零件的加工工艺设计，让学生熟悉零件工艺设计过程，初步掌握设计方法和步骤，为学生毕业后能胜任工作打下基础。指导教师（签字）： 年 月 日学生（签字）： 年 月 日毕业设计指导教师审阅书计算机信息系 机械制造与自动化专业 机制331102班 姓名：王琨 学号：3533110230 题目：渐开线斜齿圆柱齿轮工艺及工装设计 （年生产1000件、备品率3%、废品率0.5%）审阅意见：审阅成绩：指导教师（签字）： 年 月 日 毕

4、业设计评阅教师评阅书计算机信息系 机械制造与自动化专业 机制331102班 姓名：王琨 学号：3533110230题目：渐开线斜齿圆柱齿轮工艺及工装设计 （年生产1000件、备品率3%、废品率0.5%）评阅意见：评阅成绩：评阅人（签字）： 年 月 日 毕业设计答辩评定书计算机信息系 机械制造与自动化专业 机制331102 班 姓名：王琨 学号：3533110230 题目：渐开线斜齿圆柱齿轮工艺及工装设计 （年生产1000件、备品率3%、废品率0.5%）提出问题回答问题正确基本正确有一般性错误有原则性错误回答不清1.2.3.4.5.6.评定意见：答辩成绩： 答辩小组组长（签字）： 年 月 日答辩

5、等级： 100优秀90；90良好80；80中等70；70合格60；不及格60山西煤炭职业技术学院毕业答辩委员会主任委员（签字）： 年 月 日 概 述齿轮是机械行业量大面广的基础件，广泛应用于机床，汽车，摩托车，农机，建筑机械，工程机械，航空，兵器，工具等领域，而且对加工精度，效率和柔性提出了越来越高的要求。齿轮加工技术的发展有四个阶段，分别是：公元前400-200年的手工制作阶段，18世纪后的机械仿形阶段，19世纪后的机械范成加工阶段以及20世纪80年代至今的数控技术加工阶段。齿轮现在在国内绝大部分仍采用普通机床加工，精度难以提高。据有关资料显示，到1995年底，我国拥有齿轮机床79485台，

6、其中数控齿轮加工机床仅385台。齿轮加工机床设备陈旧，其中53的机床已使用16年以上，已使用了615年的机床占31，只有不到16的机床使用年限不到15年。而对齿轮特别是汽车齿轮制造要求也不断提高，在我国，由于齿轮的质量不能达到图纸要求，致使齿轮箱噪音大，寿命短，从而严重制约了整机的质量，这点在汽车行业表现得尤为严重。为了满足对齿轮加工中质量和加工效率得要求，从1995年以来大量进口数控齿轮加工机床。近几年，齿轮加工技术在发展的过程中涌现了一些新工艺：磨料流光整加工工艺，磨-珩联合工艺。相信在不久的将来，齿轮加工技术必定会朝着数控化、智能化、高速化、集成化、环保化的方向发展。关键词：齿轮、机床、

7、机械TOC o 1-3 h u 第一章 齿轮结构分析 1第二章 齿轮毛坯材料确定 2第三章 齿轮介绍及渐开线斜齿圆柱齿轮 8第四章 齿轮加工方法 13第5章 斜齿圆柱齿轮轴的工艺分析 17第6章 加工余量 25第七章 夹具、刀具、量具 27第八章 切削用量的选择致谢 29致谢 30第一章零件结构分析1.零件结构特点:零件是一矿用刮板传动齿轮，零件的模数Mn为3.5；齿数为63；da=234.25；df=218.5；=14；齿轮旋向为左旋。零件一端加工出234.25h11，齿数为63，模数3.5的齿轮，另一端凸台为85H6的内孔有一键槽，具体见图1.1所示。 图1-12.零件的工艺分析2.1齿轮

8、机构传动比恒定，寿命长，可靠性高。2.2齿轮机构传递的功率和圆周率速度分别可达到100000kw、300m/s2.3齿轮机构能够实现平行轴和不平行轴之间的传动。 第二章、齿轮毛坯材料的合理选择在加工之前，为了保证齿轮工作的可靠性，提高其使用寿命，齿轮的材料及其热处理应根据实际的工作条件和材料的特点来选取。在本文的一些条件下，对齿轮材料的基本要求是：应使齿面具有足够的硬度和耐磨性，齿心具有足够的韧性，以防止齿面的各种失效，同时应具有良好的冷、热加工的工艺性，以达到齿轮的各种技术要求。可以知道的是，常用的齿轮材料为各种牌号的优质碳素结构钢、合金结构钢、铸钢、铸铁和非金属材料等。一般多采用锻件或轧制

9、钢材。当齿轮结构尺寸较大，轮坯不易锻造时，可采用铸钢。开式低速传动时，可采用灰铸铁或球墨铸铁。低速重载的齿轮易产生齿面塑性变形，轮齿也易折断，宜选用综合性能较好的钢材。高速齿轮易产生齿面点蚀，宜选用齿面硬度高的材料。受冲击载荷的齿轮，宜选用韧性好的材料。对高速、轻载而又要求低噪声的齿轮传动，也可采用非金属材料、如夹布胶木、尼龙等。1满足材料的机械性能在加工过程中，如果齿根部受到大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效；如果齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。齿轮主要的失效形式有齿面电蚀、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。因此我们要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐

10、磨性，芯部要有一定的强度和韧性。2满足材料的工艺性能 材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。 齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选择材料时要特别注意材料的工艺性能。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求，但强度不高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等途径来改善材料的工艺性能。3材料的经济性要求在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应该注意尽量降低零件的总成本。从材料本身价格来考虑，碳钢和铸铁的价格比较低廉，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢

11、和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可以降低成本。从齿轮生产过程的耗费来考虑。首先，采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样。其次，通过改进热处理工艺也可以降低成本 。 4齿轮的材料及热处理材料成形原理与工艺中对齿轮材料的基本要求如下：齿面要硬,齿芯要韧易于加工及热处理软齿面齿轮齿面配对硬度差为30-50HBS常用的齿轮材料及其热处理方法有：（1）中碳钢(如45钢)进行调质或表面淬火，综合力学性能较好，用于低速、轻载或中载的一些不重要的齿轮。（2）合金调质钢(如40Cr)进行调质或表面淬火，综合力学性能更好，且热处理变形小，适用于中速、中载及精度要求较高的齿轮。（3）合金渗碳钢(如20Cr

12、，20CrMnTi)进行渗碳淬火或液体碳氮共渗，齿面硬度可达58HRC，且心部有较高韧性，适用于高速、中载和或有冲击载荷的齿轮（4）铸铁及其他非金属材料(如尼龙、夹布胶木等)。这些材料强度低、易加工，适用于一些轻载的齿轮。由于本文用到的齿轮材料为钢制齿轮，因此主要介绍一下它的的热处理方法（本篇文章的加工工艺过程的选用中需要用到的热处理方法是正火和调质）：a.表面淬火表面淬火常用于中碳钢和中碳合金钢，如 45、 40Cr钢等。表面淬火后，齿面硬度一般为4055HRC。特点是抗疲劳点蚀、抗胶合能力高。耐磨性好；由于齿心部分未淬硬，齿轮仍有足够的韧性，能承受不大的冲击载荷。 b.渗碳淬火渗碳淬火常用

13、于低碳钢和低碳含金钢，如 20、 20Cr钢等。渗碳淬火后齿面硬度可达5662HRC，而齿轮心部仍保持较高的韧性，轮齿的抗弯强度和齿面接触强度高，耐磨性较好，常用于受冲击载荷的重要齿轮传动。齿轮经渗碳淬火后，轮齿变形较大，应进行磨削加工。 c.渗氮 渗氮是一种表面化学热处理。渗氮后不需要进行其他热处理，齿面硬度可达700900HV。由于渗氮处理后的齿轮硬度高，工艺温度低，变形小，故适用于内齿轮和难以磨削的齿轮，常用于含铅、钼、铝等合金元素的渗氮钢，如38CrMoAl等。 d.调质调质一般用于中碳钢和中碳合金钥，如45、40Cr、35SiMn钢等。调质处理后齿面硬度一般为220280HBS。因硬

14、度不高，轮齿精加工可在热处理后进行。e.正火正火能消除内应力，细化晶粒，改善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可采用中碳钢正火处理，大直径的齿轮可采用铸钢正火处理。 表2-1 常用齿轮材料及其力学性能类别材料牌号热处理方法抗拉强度b/MPa屈服点s/MPa硬度HBS或HRC优质碳素钢35正火500270150180HBS调质550294190230 HBS45正火588294169217 HBS调质647373229286 HBS表面淬火4050 HRC50正火628373180220 HBS合金结构钢40Cr调质700500240258 HBS表面淬火4855 HRC35SiMn调质

15、750450217269 HBS表面淬火4555 HRC40MnB调质735490241286 HBS表面淬火4555 HRC20Cr渗碳淬火后回火6373925662 HRC20CrMnTi10798345662HRC38CrMnAlA渗氮980834850HV铸钢ZG45正火580320156217 HBSZG55650350169229 HBS灰铸铁HT300300185278 HBSHT350350202304 HBS球墨铸铁QT600-3600370190270 HBSQT700-2700420225305 HBS非金属夹布胶木1002535 HBSv5齿轮的技术要求齿轮本身的制造精

16、度，对整个机器的工作性能、承载能力及使用寿命都有很大的影响。根据其使用条件，齿轮传动应满足以下几个方面的要求。 （1）传递运动准确性 我们要求齿轮能较准确地传递运动并使传动比恒定。即要求齿轮在一转中的转角误差不超过一定范围。 （2）传递运动平稳性 我们要求齿轮传递运动平稳，以减小冲击、振动和噪声。即要求限制齿轮转动时瞬时速比的变化。 （3）载荷分布均匀性 我们要求齿轮工作时，齿面接触要均匀，以使齿轮在传递动力时不致因载荷分布不匀而使接触应力过大，引起齿面过早磨损。接触精度除了包括齿面接触均匀性以外，还包括接触面积和接触位置。 （4）传动侧隙的合理性 我们要求齿轮工作时，非工作齿面间留有一定的间

17、隙，以贮存润滑油，补偿因温度、弹性变形所引起的尺寸变化和加工、装配时的一些误差。 由于齿轮的制造精度和齿侧间隙主要根据齿轮的用途和工作条件而定。在实际运用中：对于分度传动用的齿轮，主要要求齿轮的运动精度较高；对于高速动力传动用齿轮，为了减少冲击和噪声，对工作平稳性精度有较高要求；对于重载低速传动用的齿轮，则要求齿面有较高的接触精度，以保证齿轮不致过早磨损；对于换向传动和读数机构用的齿轮，则应严格控制齿侧间隙，必要时，须消除间隙。 6齿轮毛坯由于齿轮毛坯的选择取决于齿轮的材料、结构形式与尺寸、使用条件及生产批量等因素。常用的齿轮毛坯有：(1)下料件用于一些不重要，受力不大且尺寸较小，结构简单的齿

18、轮。（由于实际需求，本文使用的就是下料件）(2)锻件用于重要而受力较大的齿轮。(3)铸钢件用于直径大或结构形状复杂，不宜锻造的齿轮。(4)铸铁件用于受力小，无冲击的开式传动的齿轮。 结论：最终选择45钢，因为本齿轮为批量生产所以使用模锻方法获得毛坯。一般煤矿都使用软齿面，因为软齿是存在齿面点蚀而硬齿面存在齿面折断的问题会影响煤矿生产安全。最终热处理为：锻造毛坯后正火消除内应力，细化组织，改善切削性能（最佳切削硬度170-230）。进行一部分工序后表面淬火，提高硬度。第三章 齿轮介绍及渐开线斜齿圆柱齿轮3.1 齿轮的功用与结构特点 齿轮传动在现代机器和仪器中的应用极为广泛，其功用是按规定的速比传

19、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31所示。图3-1圆柱齿轮的结构形式在上述各种齿轮中，以盘形齿轮应用最广。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91b、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

20、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。3.2齿轮的技术要求齿轮本身的制造精度，对整个机器的工作性能、承载能力及使用寿命都有很大的影响。根据其使用条件，齿轮传动应满足以下几个方面的要求。3.2.1传递运动准确性要求齿轮较准确地传递运动，传动比恒定。即要求齿轮在一转中的转角误差不超过一定范围。3.2.2传递运动平稳性要求齿轮传递运动平稳，以减小冲击、振动和噪声。即要求限制齿轮转动时瞬时速比的变化。3.2.3载荷分布均匀性要求齿轮工作时，齿面接触要均匀，以使齿轮在传递动力时不致因载荷分布不匀而使接触应力过大，引起齿面过

21、早磨损。接触精度除了包括齿面接触均匀性以外，还包括接触面积和接触位置。3.2.4传动侧隙的合理性要求齿轮工作时，非工作齿面间留有一定的间隙，以贮存润滑油，补偿因温度、弹性变形所引起的尺寸变化和加工、装配时的一些误差。齿轮的制造精度和齿侧间隙主要根据齿轮的用途和工作条件而定。对于分度传动用的齿轮，主要要求齿轮的运动精度较高；对于高速动力传动用齿轮，为了减少冲击和噪声，对工作平稳性精度有较高要求；对于重载低速传动用的齿轮，则要求齿面有较高的接触精度，以保证齿轮不致过早磨损；对于换向传动和读数机构用的齿轮，则应严格控制齿侧间隙，必要时，须消除间隙。B10095?88中对齿轮及齿轮副规定了12个精度等

22、级，从112顺次降低。其中12级是有待发展的精度等级，35级为高精度等级，68级为中等精度等级，9级以下为低精度等级。每个精度等级都有三个公差组,分别规定出各项公差和偏差项目，见表3-1。表31齿轮公差组公差组公差及偏差项目对传动性能的影响 Fi、Fp(Fpk)、F”i、Fr、Fw 传递运动准确性 fI、ff、fpt、fpb、f”I、fpb 传动平稳性、噪声、振动F、Fpx承载均匀性3.3渐开线斜齿圆柱轮轮3.3.1齿面形成研究直齿圆柱齿轮时知道，两轮的齿廓面沿一条平行于齿轮轴的直线KK相接触，KK与发生面在基圆柱上的切线NN平行。当发生面沿基圆柱做纯滚动时，直线KK在空间形成的轨迹就是一个渐

23、开面，即直齿轮的齿廓曲面，如图3-2示。图3-2 直齿齿轮渐开线的形成斜齿圆柱齿轮齿面的形成原理和直齿圆柱齿轮的情况相似，所不同的是发生面上的直线KK与直线NN不平行，即与齿轮轴线不平行面是与基圆杆母线NN成一夹角b。故当发生面沿基圆柱作纯滚动时，直线KK上的每一点都依次从基圆柱面的接触点开始展成一条渐开线，而直线KK上各点所展成的渐开线的集合就是斜齿轮的齿面。由此可知，斜齿轮齿廓曲面与齿轮瑞面(与基圆柱轴线垂直的平面)上的交线(即端面上的齿廓曲线)仍是渐开线。而且由于这些渐开线有相同的基圆柱，所以它们的形状都是一样的，只是展成的起始点不同面己，即起始点依次处于螺旋线K0K0上的各点。所以其齿

24、面为渐开螺旋面，如图3-3示。由此可见斜齿圆柱齿轮的端面齿廓曲线仍为渐开线。可将直齿圆柱齿轮看成斜齿圆柱齿轮的一个特例。从端面看，一对渐开线斜齿轮传动就相当于一对渐开线直齿轮传动，所以它也满足齿廓啮合基本定律。图3-3 斜齿齿轮的渐开线形成斜齿圆柱齿轮传动和直齿圆柱齿轮传动一样，仅限于传递两平行轴之间的运动。如果两斜齿轮分度圆上的螺旋角不是大小相等且方向相反，则这样的一对斜齿轮还可以用来传递既不平行又不相交的两轴之间的运动。为了便于区别，把用于传递两平行轴之间的运动，称为斜齿圆柱齿轮传动；用于传递两交锗轴之间的运动，称为交错轴斜齿轮传动。斜齿圆柱齿轮传动中的两轮齿啮合为线接触，而交错轴斜齿轮传

25、动中的两轮齿啮合为点接触。一对斜齿圆柱齿轮啮合时，齿面上的接触线是由一个齿轮的一端齿顶(或齿根)处开始逐渐由短变长，再由长变短，至另一端的齿根(或齿顶)处终止。这样就减少了传动时的冲击和噪声，提高了传动的平稳性，故斜齿轮适用于重载、高速传动。图3-4 斜齿轮啮合总之：斜齿轮的轮齿为螺旋形，在垂直于齿轮轴线的端面（下标以t表示）和垂直于齿廓螺旋面的法面（下标以n表示）上有不同的参数。斜齿轮的端面是标准的渐开线，但从斜齿轮的加工和受力角度看，斜齿轮的法面参数应为标准值。3.3.2斜齿圆柱齿轮的参数及几何尺寸计算螺旋角图4所示为斜齿轮分度圆柱面展开图，螺旋线展开成一直线，该直线与轴线的夹角称为斜齿轮

26、在分度圆柱上的螺旋角，简称斜齿轮的螺旋角。图3-5 斜齿轮分度圆柱面展开图旋向有左右之分，角度也有正负之分。旋向的判断方法：沿齿轮轴线方向观看齿轮，轮齿向左偏为左旋齿轮，向右偏为右旋齿轮，如图5所示。图3-6旋向区分左旋 右旋螺旋角：对于基圆柱同理可得其螺旋角b：所以有通常用分度圆上的螺旋角斜进行几何尺寸的计算。螺旋角越大，轮齿就越倾斜，传动的平稳性也越好，但轴向力也越大。通常在设计时取820 。对于人字齿轮，其轴向力可以抵消，但加工较为困难，一般用于重型机械的齿轮传动中。模数如图3-7所示，为端面齿距，为法面齿距， ，因为， ，故端面模数与法面模数关系为： 。图3-7参数之间的关系压力角因斜

27、齿圆柱齿轮和斜齿条啮合时，它们的法面压力角和端面压力角应分别相等，所以斜齿圆柱齿轮法面压力角和端面压力角的关系可通过斜齿条得到。在图7所示的斜齿条中，平面ABD在端面上，平面ACE在法面S上，ACB=90。在直角ABD、ACE及ABC中，、，所以有： 图3-8 压力角间的关系齿顶高系数及顶隙系数无论从法向或从端面来看，轮齿的齿顶高都是相同的，顶隙也是相同的，即， 式中：法面齿顶高系数，；法面顶隙系数,。3.4 当量齿轮与当量齿数在用仿形法加工斜齿轮时，铣刀是沿垂直于其法面方向进刀的，故应按法面的齿形来选择铣刀，在计算轮齿的强度时，由于力是作用在法面内，因而也需要知道法面的齿形。渐开线齿轮的齿形

28、取决于其基圆半径的大小，在模数、压力角一定的情况下，基圆的半径取决于齿数，即齿形与齿数有关。因此，在研究斜齿轮的法面齿形时，可以虚拟一个与斜齿轮的法面齿形相当的直齿轮，称这个虚拟的直齿轮为该斜齿轮的当量齿轮；这个当量齿轮的模数和压力角即为斜齿轮的法面模数和压力角，其齿数则称为该斜齿轮的当量齿数。为了确定斜齿轮的当量齿数，过斜齿轮分度圆螺旋线上一点C，作该轮齿螺旋线的法向剖面，该剖面与分度圆柱的交线为一椭圆。在此剖面上，点C附近的齿形可近似地视为斜齿轮法面上的齿形；将以椭圆上点C的曲率半径为半径所作的圆作为虚拟直齿轮的分度圆，即该斜齿轮的当量齿轮的分度圆，其模数利压力角即为斜齿轮的法面模数和法面

29、压力角，其齿数则称为该斜齿轮的当量齿数，用表示。图3-9 当量齿轮与斜齿轮参数的几何关系椭圆的长半轴，短半轴，而，故得渐开线标准斜齿圆柱齿轮不发生根切的最小齿数式中为当量直齿标准齿轮不发生根切的最少齿数。第四章齿轮加工方案选择1、齿轮加工方案选择由于齿轮加工方案的选择，主要取决于齿轮的精度等级、生产批量和热处理方法等。下面提出我在选择齿轮加工方案时的几条原则，以供参考：1.1对于8级及8级以下精度的不淬硬齿轮，可用铣齿、滚齿或插齿直接达到加工精度要求。1.2对于8级及8级以下精度的淬硬齿轮，需在淬火前将精度提高一级，其加工方案可采用：滚（插）齿齿端加工齿面淬硬修正内孔。1.3对于67级精度的不淬硬齿轮，其齿轮加工方案：滚齿剃齿。1.4对于67级精度的淬硬齿轮，其齿形加工一般有两种方案：1.4.1剃珩磨方案滚（插）齿齿端加工剃齿齿面淬硬修正内孔珩齿。1.4.2磨齿方案滚（插）齿齿端加工齿面淬硬修正内孔磨齿。剃珩方案生产率高，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级精度以上的齿轮。1.4.3对于5级及5级精度以上的齿轮，一般采用磨齿方案。1.4.