1、 毕业设计 -直齿圆柱齿轮的设计及加工工艺 毕业设计部分装订 目 录 前言 任务书 开题报告 绪论 第一章 第二章 第三章 第四章 零件图（ 1 张） 毛坯图（ 1 张） 机械加工工艺 卡片 直齿圆柱齿轮的设计 4.1 齿轮的基础知识 . 4.2 齿轮材料的合理选择 . 4.3 影响齿轮工作平稳性的加工误差分析 . 第五章 直齿圆柱齿轮的工艺分析 5.1 轴类零件加工的工艺路线 . 5.2 齿轮加工方法 . 5.3 齿轮加工方案选择及使用要求 . 5.4 齿轮加工工艺过程 . 设计总结 . 感谢语 参考文献 . 浙江同济科技职业学院 2008 级数控技术专业毕业设计任务书 设计题目：设计直齿圆
2、柱齿轮的 机械加工工艺 规程及工艺装备。 设计题目：设计直齿圆柱齿轮的 机械加工工艺 规程及工艺装备。 题目 直齿圆柱齿轮的 机械加工工艺 规程及工艺装备 完成设计内容： 完成 设计内容： 1、零件图 1 张； 2、毛坯图 1 张； 3、 机械加工工艺 卡片（或工艺过程卡片和工序卡片） 1 套； 4、夹具总装图 1 张； 5、夹具主要零件图若干张； 6、毕业设计说明书 1 份。 绪 论 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
3、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，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 6 15 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
4、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。 本文主要介绍磨齿技术的应用。 磨齿加工技术最新发展现状 采用磨齿加工的齿轮具有低传动噪音、高传动效率和长使用寿命的优点。磨 齿加工曾被认为是一种用于航空或其它高技术领域的昂贵齿轮加工手段。现在， 由于 磨齿机的效率提高了，砂轮性能也更好，高额成本得以大幅下降。由此，磨 齿加工已开始大
5、规模应用于齿轮加工中。 磨齿机经过如下的一系列的重大改进，使得效率提高了很多。 （ 1）机载测量 许多磨齿机因配备了机载测量系统而变得更为精确。优于使用了在机测量， 不必将齿轮从工作台上拆卸下来送到其它地方去检测，避免了再加工时的二次安 装误差。加工时，先由机载测量系统初步分析齿轮，再将实测参数与理论设计参 数对比，求出所需修正量，控制系统采集到这些修正数据后自动调整磨齿加工状 态，然后再进行磨齿和测量。如此反复循环，直至达到所 需的精度要求。一体化 机载测量和机载修正系统使现代磨齿机更加高效。 ? （ 2）直驱电机 近年来，结构紧凑的直驱电机在砂轮主轴和齿轮工件主轴上的使用日渐增 加。直驱主
6、轴可避免传动链误差。因此，在“修砂轮 磨齿轮”循环中运用直驱 电机，并配以较好的砂轮和多轴联动控制，可消除切削纹、偏畸几何形状、齿轮 使用噪音的高频误差及有害振动。 （ 3）自动化 “自动化”一词越来越多地应用于磨齿加工特别是流程化生产中，包括工 件安装、换刀以及与工件流程同步的库存分类等。自动化消除了机器空转时间并 有利于减少工序间等待时间。 （ 4）磨齿机软件 基于 Windows 的软件也像应用于个人计算机一样，广泛应用于今天的磨齿 机中（如基于 Windows 的设计系统和数控系统）。以前只能以纸绘图，现在，图 形界面和算法软件相结合的设计加修正软件包可使齿轮几何尺寸设计程序化和局 部
7、制造仿真化。 ? 驱动、滚珠丝杠和位置传感器三者间的高精度闭环控制因软件的应用而得 以实现。许多新一代磨齿机的部件配有与驱动单元分离的位置传感器，因而具有 更高的精度和热稳定性。绝对式位移传感器和绝对编码技术保证了在高定位精度 前提下，反馈数据的高速传输和机床传动的稳 定性。 ? （ 5）新材料砂轮 先进的陶瓷结合剂砂轮和电镀立方氮化硼（ CBN）砂轮有着同样高的生产 效率。由于“混合颗粒”型合成物中使用了新材料以及粘接工艺的进步，提高了 陶瓷结合剂砂轮的强韧性、形状精度保持力、材料切除力和耐用性。这些优异性 能来源于高性能颗粒结构和增大的孔隙度。同时，良好的颗粒结构减少了磨削压 力，降低了磨
8、削温度。 （ 6）磨削费用的降低 如今，磨齿成本大幅下降，其原因很多，如基于模块化设计的高性价比 机型、数控系统、流程化生产等，即使是综合了前述所有先进技术的磨齿机也比 以前的机型便宜得多，大批量生产使单件生产周期比以前缩短了 50% 70%，损耗 品（砂轮和金刚石修正器等）成本也大幅下降。 直齿圆柱齿轮的设计 第四章 直齿圆柱齿轮的设计 4.1 齿轮的基础知识 4.1.1 齿轮机构的特点如下： （ 1）齿轮机构的优点有： 1）齿轮机构传递的功率和圆周速度分别可达 100000kw、 300m/s。 2）齿轮机构的传动比恒定，寿命长，工作可靠性高。 3）齿轮机构能 够实现平行轴和不平行轴之间的
9、传动。 （ 2）齿轮机构的缺点有： 1）齿轮机构得制造成本过高。 2）齿轮机构不适用于 远距离的传动。 3）低精度齿轮会产生有害的冲击，噪音和振动。 4.1.2 齿轮的分类 从机电一体化实用手册（见参考文献，以下皆是）一书中我们了解到：齿 轮的传动是通过轮齿之间的相互啮合来实现直接接触的传动方法。这种传动方法 的传动比精确、传递功率较大。齿轮传动要满足瞬时传动比保持不变，则两轮的 齿廓不论在何处接触，过接触点的公法线必须与两轮的连心线交于固定的一点。 直齿轮 外啮合齿轮 内啮合齿轮 齿轮齿条啮合 平行轴 斜齿轮 直齿圆锥齿轮 相交轴 圆锥齿轮 螺旋齿圆锥齿轮 齿轮传动 交错轴 准双曲面齿轮 蜗
10、轮与蜗杆 同心 轴 行星齿轮 图 4-1 齿轮的分类 4.1.3 共轭齿廓的重要一种 -渐开线齿廓齿轮 通过这段时间的考查与探讨，我们得出以下一些结论： （ 1）发生线沿基圆滚过的长度，等于基圆上被滚动过的圆弧长。 （ 2）渐开线上任意一点的法线必与基圆相切；渐开线上各点的曲率半径不相等； 渐开线的形状决定基圆的大小。 （ 3）基圆内无渐开线。 图 4-2 渐开线的形成及压力角 图 4-3 渐开线形状与基圆大小的关系 （ 4）渐开线齿廓啮合的特点： 1）渐开线齿轮中心距的可分性。 2）啮合角为恒定 值。 （ 5）压力角（ ak）及展角 （ invak）的计算 cos (ak)=(rb)/(rk
11、) inv(ak)=tg（ ak） -(ak) 4.1.4 标准直齿圆柱齿轮外啮合几何尺寸计算 （ 1）分度圆、模数和压力角 我们把齿轮上作为齿轮尺寸基准的圆称为分度圆，分度圆以 d 表示。相邻两 齿同侧齿廓间的分度圆弧长称为齿距，以 p 表示， p= d/z， z 为齿数。齿距 p 与 的比值 p/ 称为模数，以 m 表示（模数是齿轮的基本参数） 。由此可知： 齿距 度圆直径 p = m d = m z 我们把渐开线齿廓上与分度圆交点处的压力角称为分 度圆压力角，简称压力 角，国家规定标准压力角 =20。 （ 2）齿距、齿厚和槽宽 齿距 p 分为齿厚 s 和槽宽 e 两部分，即 s + e
12、= p = m 标准齿轮的齿厚和槽宽相等，即 s = e = m/2 齿距、齿厚和槽宽都是分度圆上的尺寸。 （ 3）齿顶高、顶隙和齿根高 由分度圆到齿顶的径向高度称为齿顶高，用 ha 表示 h a = h a* m 两齿轮装配后，两啮合齿沿径向留下的空隙距离称为顶隙，以 c 表示 c = c*m 由分度圆到齿根圆的径向高度称为齿根高，用 hf 表示 hf = ha + c =（ ha*+c*） m 式中 ha*、 c*分别称为齿顶高系数和顶隙系数，标准齿制规定：正常齿制 ha*=1、 c*=0.25，短齿制 ha*=0.8、 c*=0.3。 由齿顶圆到齿根圆的径向高度称为全齿高，用 h 表示
13、h = ha + hf =（ 2ha*+c*） m 齿顶高、齿根高、全齿高及顶隙都是齿轮的径向尺寸。 表 4-1 渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸计算公式 名称 齿距 齿厚 槽宽 齿顶高 齿根高 全齿高 分度圆 直径 齿顶圆 直径 齿根圆 直径 基圆直 径 中心距 符号 计算公式 p s e ha hf h d p = m s = m/2 e = m/2 h a = h a* m hf = ha + c =（ ha*+c*） m h = ha + hf =（ 2ha*+c*）m d = m z da = d + 2ha = m（ z + 2ha*） da df = d ? 2hf = m（ z
14、? 2ha* ? 2c*） df db = dcos = mzcos db a a = m（ z1+z2）/ 2 齿轮材料的合理选择 4.2 齿轮材料的合理选择 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钢材。当齿轮结构
15、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。 4.2.1 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
16、有足够 的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强 度和韧性。 4.2.2 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。 4.2.3 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
17、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 。 4.2.4 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
18、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， 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
19、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 56 62HRC，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 700 900HV。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、
20、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 220 280HBS。因硬度不高，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 4-2 常用齿轮材料及其力学性能 热处理方 法 抗拉强度 b/MPa 屈服点 s/MPa 硬度 HBS 或 HRC 类别 材料牌号 正火 35 调质 优质碳素 钢 45 正火 调质 500 270 150 180HBS
21、550 588 647 294 294 373 190 230 HBS 169217 HBS 229 286 HBS 40 50 HRC 表面淬火 50 40Cr 表面淬火 调质 35SiMn 表面淬火 合金结构 钢 调质 40MnB 表面淬火 20Cr 20CrMnTi 38CrMnAlA 铸钢 渗碳淬火 后回火 渗氮 正火 650 300 HT350 QT600-3 球墨铸铁 QT700-2 非金属 夹布胶木 700 100 420 350 600 370 350 637 1079 980 580 392 834 834 320 735 490 750 450 正火 调质 700 500
22、628 373 180 220 HBS 240 258 HBS 48 55 HRC 217 269 HBS 45 55 HRC 241 286 HBS 45 55 HRC 5662 HRC 56 62HRC 850HV 156 217 HBS 169 229 HBS 185 278 HBS 202 304 HBS 190 270 HBS 225 305 HBS 25 35 HBSv ZG45 ZG55 HT300 灰铸铁 4.2.5 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。 （ 1）传递运
23、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，
