1、分 类 号 密 级：冀 中 职 业 学 院毕 业 论 文题 目： 直齿圆柱齿轮的设计及加工工艺 姓 名 张 克 灵学 号 2009040211系 别 机 电 系 专 业 机 电 一 体 化 技 术 指 导 教 师 姜 小 丽论文提交日期 年 月冀中职业学院毕业论文I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
2、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 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
3、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
4、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。冀中职业学院毕业论文II（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
5、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
6、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
7、金刚石修正器等）成本也大幅下降。冀中职业学院毕业论文1目 录第一章 直齿圆柱齿轮的设计.21.1 齿轮的基础知识.21.2 齿轮材料的合理选择.41.3 影响齿轮工作平稳性的加工误差分析.8第二章 直齿圆柱齿轮的工艺分析.102.1 轴类零件加工的工艺路线.102.2 齿轮加工方法.102.3 齿轮加工方案选择及使用要求.142.4 齿轮加工工艺过程.15 第三章 齿轮的加工.193.1 圆柱齿轮齿形加工方法和加工方案.193.2 典型齿轮零件加工工艺分析.20结束语.23参考文献.24冀中职业学院毕业论文2第一章直齿圆柱齿轮轴的设计1.1 齿轮的基础知识1.1.1 齿轮的基础知识（1）齿轮机
8、构的优点有：1）齿轮机构传别可达 100000kw、300m/s。 2）齿轮机构的传动比恒定，寿命长，工作可递的功率和圆周速度分靠性高。 3）齿轮机构能够实现平行轴和不平行轴之间的传动。 （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。 1.1.2 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
9、连心线交于固定的一点。 外啮合齿轮直齿轮 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 蜗轮与蜗杆 交错轴准双曲面齿轮同心轴行星齿轮 图 1-1 齿轮的分类1.1.3 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。 冀中职业学院毕业论文3（3）基圆内无渐开线。图 1-2 渐开线的形成及压力角 图 1-3 渐开线形状与基圆大小的关系（4）渐开线齿廓啮合的特点：
10、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) inv(ak)=tg（ak）-(ak)1.1.4 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 p = m 度圆直径 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
11、，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 = 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ha = ha*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 表示冀中职业学院毕业论文4hf = ha + c =（h a*+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.
12、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h = ha + hf =（2h a*+c*）m 齿顶高、齿根高、全齿高及顶隙都是齿轮的径向尺寸。表 1-1 渐开线标准直齿圆柱齿轮几何尺寸计算公式名称 符号 计算公式齿距 p p = m齿厚 s s = m/2槽宽 e e =m/2齿顶高 ha ha = ha*m齿根高 hf hf = ha + c =（h a*+c*）m全齿高 h h = ha + hf =（2h a*+c*）m分度圆直径 d d = m z齿顶圆直径 da da = d + 2ha = m（z + 2h a*）齿根圆直径 df
13、df = d - 2hf = m（z - 2h a* - 2c*）基圆直径 db db = dcos= mzcos中心距 a a = m（z 1+z2）/ 21.2 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
14、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。1.2.1 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；如果齿冀中职业学院毕业论文5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
15、，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部要有一定的强度和韧性。1.2.2 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。1.2.3 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，碳钢和铸铁的价格比较低廉
16、，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 。 1.2.4 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)进行调质或表面淬火，综合力学性能更好，且热处理变形小，适用于
17、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，
18、齿轮仍有足够的韧性，能承受不大的冲击载荷。 b.渗碳淬火冀中职业学院毕业论文6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
19、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 1-2 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正火 500 270 150180HBS35调质 550 294 190230 HBS正火 588 294 169217 HBS调质 229286 HBS45表面淬火647 373 4050 HRC优质碳素
20、钢50 正火 628 373 180220 HBS调质 240258 HBS40Cr 表面淬火700 500 4855 HRC调质 217269 HBS35SiMn 表面淬火750 450 4555 HRC调质 241286 HBS40MnB 表面淬火735 490 4555 HRC20Cr 637 392 5662 HRC20CrMnTi渗碳淬火后回火 1079 834 5662HRC合金结构钢38CrMnAlA 渗氮 980 834 850HVZG45 580 320 156217 HBS铸钢ZG55 正火 650 350 169229 HBSHT300 300 185278 HBS灰铸铁
21、HT350 350 202304 HBS冀中职业学院毕业论文7QT600-3 600 370 190270 HBS球墨铸铁 QT700-2 700 420 225305 HBS非金属 夹布胶木 100 2535 HBSv1.2.5 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。 （
22、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，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。 1.2.6 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。
