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) 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=π d/z，z 为齿数。齿 距 p 与 π 的比值 p/π 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 = mπ d =
m z 我们把渐开 线齿廓上与分度圆交点处的压力角α 称为分度圆压力角，简称压力 角，国家规定标准压力角α =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 =π m 标准齿轮的齿厚 和槽宽相等，即 s = e =π 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 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 = mπ s = π m/2 e = π 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 ? 2ha* ? 2c*） df db = dcosα = mzcosα 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 度一般为 40～ 55HRC。 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、 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 σ b/MPa 屈服点 σ 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 550 588 647 294 294 373 190～230 HBS 169～ 217 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 700 500 628 373 180～220 HBS 240～258 HBS 48～55 HRC 217～269 HBS 45～55 HRC 241～286 HBS 45～55 HRC 56～ 62 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，
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。 4.2.6 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。 4.3 影 响齿轮工作平稳性的加工误差分析 4.3.1 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。 4.3.2 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。 4.3.3 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。 我们在齿轮加工中根据不同的目的，安排两类热处理工序： (1)毛坯热处理在齿坯加工前后安排预备热处理—正火或调质。其主
要目的是消除 锻造及粗加工所引起的残余应力，改善材料的切削性 能和提高综合力学性能。 (2)齿面热处理齿形加工完毕后，为提高齿 面的硬度和耐磨性，常进行渗碳淬火， 高频淬火，碳氮共渗和氮化 处理等热处理工序。 4.3.4 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。 影响齿轮传动工作平稳性的主要因素是齿 轮的齿形误差△ff 和基节偏差 △fpb。齿形误差会引起每对齿轮啮 合过程中传动比的瞬时变化；基节偏差会引起 一对齿过渡到另一对 齿啮合时传动比的突变。齿轮传动由于传动比瞬时变化和突 变而产 生噪声和振动， 从而影响工作平稳性精度。 4.3.5 加工误差分析 （1） 齿形误差 从实际操作中，我们不难发现：齿形误差主要是由于齿轮 滚刀的制造刃磨误 差及滚刀的安装误差等原因造成的，因此在滚刀 的每一转中都会反映到齿面上。 常见的齿形误差有如图 1-4 所示的 各种形式。图 a 为齿面出棱、图 b 为齿形不对 称、图 c 为齿形角 误差、图 d 为齿面上的周期性误差、图 e 为齿轮根切。 由于齿轮 的齿面偏离了正确的渐开线， 使齿轮传动中瞬时传动比不稳定， 影 响 齿轮的工作平稳性。 图 4-4 常见的齿轮误差 （2） 基节极限偏差
滚齿时， 齿轮的基节极限偏差主要受滚刀基节偏差的影响。 滚刀基 节的计算式为： pb0=pn0cosα 0=pt0cosλ 0cosα 0≈pt0cosα 0 式 中：pb0――滚刀基节； pn0――滚刀法向齿距； pt0――滚刀轴向 齿距； α 0――滚刀法向齿形角； λ 0――滚刀分度圆螺旋升角，一 般很小，因此 cosλ 0≈1。 由上式可见，为减少基节偏差，滚刀制 造时应严格控制轴向齿距及齿形角误 差，同时对影响齿形角误差和 轴向齿距误差的刀齿前刀面的非径向性误差也要加 以控制。 直齿圆 柱齿轮的工艺分析 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 由于我们加工的是齿轮工件，因此，要对外圆进行 加工。外圆加工的基本加 工路线可归纳为四条： （1） 粗车—半精 车—精车 对于一般常用材料，这是外圆表面加工采用的最主要的工 艺路线。 （2）粗车—半精车—粗磨—精磨 对于黑色金属材料， 精 度要求高和表面粗糙度值要求较小、 零件需要淬硬时， 其后续工序 只能用磨削而采用的加工路线。 （3） 粗车—半精车—精车—金刚 石车 对于有色金属， 用磨削加工通常不易得到所要求的表面粗糙度， 因为有色金 属一般比较软，容易堵塞沙粒间的空隙，因此其最终工 序多用精车和金刚石车。 （4） 粗车—半精—粗磨—精磨—光整加 工 对于黑色金属材料的淬硬零件，精度要求高和表面粗糙度值要求 很小，常用 此加工路线。 5.2 齿轮加工方法 为了便于我们了解齿 轮加工，下面我们对齿轮加工的方法进行一个简单的探 讨。 齿轮加 工的关键是齿面加工。目前，齿面加工的主要方法是刀具切削加工和 砂轮磨削加工。前者由于加工效率高，加工精度较高，因而是目前广
泛采
用的齿 面加工方法。后者主要用于齿面的精加工，效率一般比 较低。 按照加工原理， 可 分为成形法和展成法两大类。 一般情况下: a.加工直齿圆柱齿轮用插齿机 b.加工斜齿轮用滚齿机 c.加工伞齿 轮用刨齿机 (滚齿机也可以加工斜齿轮) 所选用的刀具由齿轮加工 机床决定： a 滚齿机有专用的齿轮滚刀 b 插齿机有专用的齿轮插刀 c.刨齿机有转用的齿轮刨 刀 以上刀具都是标准件,可以在刀具书中 选型(根据模数) 齿轮轴的加工一般用滚齿机就可以加工,选用相应 模数的齿轮滚刀,不需要专门的 夹具就可以加工。 5.2.1 成形法 成 形法是采用与被切齿轮齿槽相符的成形刀具加工齿形的方法。 用齿轮 铣刀 在铣床上加工齿轮是常用的成形法加工。 （1）齿轮铣刀的选 择 铣刀应选择与被加工齿轮模数、压力角相等的铣刀。同时按齿轮 齿数根据下 页表选择合适号数的铣刀。 刀号 1 2 3 4 5 6 7 8 135 以 上及齿 — 条 加工齿 12－13 14－16 17－20 21－25 26－34 35 －54 55 数范围 134 （2）铣削方法 我们在铣削的过程中，在卧式 铣床上应将齿坯套在心轴上安装于分度头和尾 架顶尖中，对刀并调 好铣削深度后开始铣第一个槽，铣完一齿退出进行分度，依 次逐个 完成齿数的铣削。 （3）铣齿加工特点 1）用普通的铣床设备，且刀 具成本低。 2）生产效率低。每切完一齿要进行分度，占用较多的辅 助时间。 3）齿轮精度低。齿形精度只达 11-9 级。 以上主要原因 是每号铣刀的刀齿轮廓只与该范围最少齿槽相吻合，而此号齿 轮铣 刀加工同组的其它齿数的齿轮齿形都有一定的误差。 5.2.2 展成法 展成法就是利用齿轮刀具与被切齿坯作啮合运动而切出齿形的方法。
主要有以下 分类： （1） 插齿加工 插齿加工在插齿机上进行，是 相当于一个齿轮的插齿刀与齿坯按一对齿轮作 啮合运动而把齿形切 成的。可把插齿过程分解为：插齿刀先在齿坯上切下一小片 材料， 然后插齿刀退回并转过一小角度，齿坯也同时转过相应角度。之后， 插齿 刀又下插在齿坯上切下一小片材料。不断重复上述过程。就是 这样，整个齿槽被 一刀刀地切出，齿形则被逐渐地包络而成。因此， 一把插齿刀，可加工相同模数 而齿数不同的齿形，不存在理论误差。 插齿有以下切削运动: 1）主运动 插齿刀的上下往复运动 2）展成运 动 确保插齿刀与齿坯的啮合关系的运动 3） 圆周进给运动 插齿刀的 转动，其控制着每次插齿刀的切削量 4）径向进给量 插齿刀须作径 向逐渐切入运动，以便切出全齿深。 5）让刀运动 插齿刀回程向上 时， 为避免与工件摩擦而使插齿刀让开一定 距离的运动 插齿除适于 加工直齿圆
柱齿轮外，特别适合加工多联齿轮及内齿轮。插齿加 工 精度一般为 7-8 级。齿面粗糙度 Ra 值为 1.6μ m。 （2）滚齿加工 滚齿是目前应用最广的切齿方法， 滚齿加工原理是滚齿刀和齿坯模拟 一对螺 旋齿轮作啮合运动。滚齿刀好比一个齿数很少（一至二齿） 齿很长的齿轮，形似 蜗杆，经刃磨后形成一排排齿条刀齿。因此， 可把滚齿看成是齿条刀对齿坯的加 工。这种方法可用一把滚齿刀加 工相同模数不同齿数的齿轮。不存在理论齿形误 差。 滚齿精度一般 为 7～9 级，当采用高精度滚刀和滚齿机时，可滚切 5 级精度 的齿 轮。滚齿时，产生齿轮的基节偏差较小，而齿形误差通常较大。 滚 切直齿圆柱齿轮时有以下运动： 1）主运动 滚刀的旋转运动。 2）
展成运动 是保证滚齿刀和被切齿轮的转速必须符合所模拟的一对齿 轮的啮 合运动关系。即滚刀转一转，工件转 K/Z 转。其中：K 是滚 刀的头数， Z 为齿轮齿 数。 3） 垂直进给运动 要切出齿轮的全齿宽， 滚刀须沿工件轴向作垂直进给运动 滚齿加工适于加工直齿、斜齿圆 柱齿轮。齿轮加工精度为 8-7 级，齿面粗糙度 Ra 值为 1.6μ m。在 滚齿机上用蜗轮滚刀、链轮滚刀还能滚切蜗轮和链轮。 （3） 剃齿 加工 剃齿是用剃齿刀对齿轮的齿面进行 精加工的方法。加工原理： 剃齿时刀具与 工件作一种自由啮合的展成运动。安装时，剃齿刀与 工件轴线倾斜一个剃齿刀螺 旋角β 。剃齿刀的圆周速度可以分解为 沿工件齿向的切向速度和沿工件齿面的法 向速度，从而带动工件旋 转和轴向运动，使刀具在工件表面上剃下一层极薄的切 屑。同时， 工作台带动工件作往复运动， 以剃削轮齿的全长。（4） 珩齿加工 珩 齿特点:珩齿的加工原理与剃齿相同，表面粗糙 Ra0.4～0.2μ m。主 要作用 是降低齿面粗糙度， 生产率高， 一般用于大批量加工 8～6 级 精度的淬火 齿轮。 （5）磨齿加工 磨齿是获得高精度齿轮最有效和 可靠的方法，既可磨削不淬火的齿轮，又可 磨削淬火的齿轮。加工 精度可达 6～4 级, Ra0.4～0.2μ m。 磨削方法分为展成磨削和成形 磨削两大类 锥形砂轮磨削 单分度展成磨削 蝶形砂轮磨削 展成磨 削 大平面砂轮磨削 齿轮磨削 圆柱蜗杆砂轮磨削 连续分度展成磨 削 球面蜗杆砂轮磨削 成形磨削—数控成形砂轮磨削 图 5-1 磨削 方式的分类 ⊙磨孔 对于淬硬零件中的孔加工， 磨孔是主要的加工方 法。内孔为断续圆周表面（如 有键槽或花键的孔）、阶梯孔及盲孔
时，常采用磨孔作为精加工。磨孔时砂轮的 尺寸受被加工孔径尺寸 的限制，一般砂轮直径为工件孔径的 0.5~0.9 倍，磨头轴 的直径和 长度也取
决于被加工孔的直径和深度。 故磨削速度低， 磨头的刚度差， 磨削质量和生产率均受到影响。 磨孔的方式有中心内圆磨削、无心 内圆磨削。中 心内圆磨削是在普通内圆磨床或万能磨床上进行。无 心内圆磨削是在无心内圆磨 床上进行的，被加工工件多为薄壁件， 不宜用夹盘夹紧，工件的内外圆同轴度要 求较高。这种磨削方法多 用于磨削轴承环类型的零件，其工艺特点是精度高，要 求机床具有 高精度、高的自动化程度和高的生产率，以适应大批大量生产。由于 内圆磨削的工作条件必外圆磨削差， 故内圆磨削有如下特点： 1） 磨 孔用的砂轮直径受到工件孔径的限制。约为孔径的 0.5～9 倍，砂轮 直径小则磨耗快，因此经常需要修整和更换，增加了辅助时间。 2） 由于选择直径较小的砂轮，磨削时要达到砂轮圆周速度 25--30m/s 是很 困难的。因此，磨削速度比外圆磨削速度低的多，故孔的表面 质量较低，生产效 率也不高。近些年来已制成有 100000r/min 的风 动磨头，以便磨削 1~2mm 直径 的孔。 3） 砂轮轴的直径受到孔径 和长度的限制，又是悬臂安装，故刚性差，容易 弯曲和变形，产生 内圆磨削砂轮轴的偏移，从而影响加工精度和表面质量。 4） 砂轮 与孔的接触面积大，单位面积压力小，砂粒不易脱落，砂轮显得硬， 工件易发生烧伤，故应选用较软的砂轮。 5） 切削液不易进入磨削 区，排屑较困难，磨屑易积集在磨粒间的空隙中， 容易堵塞砂轮， 影响砂轮的切削性能。 6）磨削时，砂轮与孔的接触长度经常改变。
当砂轮有一部分超出孔外时，其 接触长度较短，切削力较小，砂轮 主轴所产生的压移量比磨削孔的中部时为小， 此时被磨去的金属层 较多，从而形成 “喇叭口” 。为了减小或消除其误差，加工 时应 控制砂轮超出孔外的长度不大于 1/2~1/3 砂轮宽度。内圆磨削精度 可达 。 IT7 ，表面粗糙度可达 （6） 齿轮加工的其它方法 滚制： 齿轮的滚制加工有利用成形法与展成法。 利用展成法的滚制是利用齿 条与小齿轮、小齿轮与大齿轮、内齿轮与小齿轮的啮合；将淬火硬化 的齿条形工 具、小齿轮形工具、内齿轮形工具按压于齿轮轮坯，使 轮坯滚动，借塑性变形加 工成齿形。利用成形法的滚制是用对应于 滚制齿轮的齿轮形状的成形滚制刀具， 藉特殊的滚轧加工成形齿形。 热间锻造： 热间锻造的主要对象为直齿伞齿轮、 螺旋伞齿轮及正齿轮， 通常 为以非铁合金为材料的齿轮， 可不计加热之际发生的氧化皮时， 热间锻造的精度 及表面粗糙度不亚于机械加工。 高速锻造： 1957 年 由美国 General Dynamics 公司开发 冷间锻造：主要有
利用锻粗或 锻头法扩大齿坯尺寸的成形与减少齿坯断面的 挤出成形。 冲剪：玩 具等不大要求精度的小型板齿轮常用冲剪法作成。 普通铸造：超大 型齿轮不得不用铸造放来加工。直接将熔融的金属注入铸模 中，凝 固后取出，直接使用或机械加工后使用。 精密铸造法：有毂模法、 石膏模法等。 还有粉末冶金法、射出成形法等齿轮加工方法 5.2.3 齿形加工方法比较 ⊙滚齿、 插齿与铣齿比较 铣齿采用普通设备和简 单刀具即可加工齿形。 但是只能加工 11～9 级精度、 齿面粗糙度 Ra 值为 6.3μ m ～3.2μ m 的齿形。 滚齿和插齿的分度精度和齿形精
度均较铣齿高， 可以加工 6 级精度、 齿面粗糙度值 Ra 为 3.2μ m ～ 1.6μ m；滚齿 和插齿是连续分度和切削 ，生产效率比铣齿高。用同 一模数的滚到和插齿刀，可 以各种不同齿数的齿轮，大大减少了刀 具数目，提高了经济效益。 ⊙滚齿与插齿比较 滚齿是刀齿作连续的 旋转切削、 切削速度较高， 插齿是刃齿作往复运动， 限制了切削速 度， 故滚齿生产率比插齿烙高，滚齿机可以加工直齿、斜齿圆柱齿轮和蜗 轮，但不能加工内 齿轮和相距太近的多联齿轮；插齿时播齿刀沿齿 全长连续切出，包络线数量也多，而滚齿时 轮齿全长是由滚刀多次 连续切出，故插齿的齿面粗糙度值较小；插齿刀的制造、刃磨检验壁 滚刀方便，易得到高精度，但插齿机分齿传动链比滚齿复杂，因此， 加工齿轮的精度基本一 样； 插齿机可以加工内齿轮和多联齿轮,但不 能加工蜗轮。 表 5-1 加工精度 通常加工 6～10， 最高能 达到 4 级 滚齿 较高 较差 各种齿轮加工工艺比较 生产率 齿面光洁度 适 用范围 通用性大，常用 于加工直齿、斜 齿的外啮合圆柱 齿轮和蜗 杆 通用性大，适于 加工内外啮合齿 轮( 包括阶梯齿 轮)、扇形齿 轮、 通常能加工 7～9，最高 能达到 6 级 插齿 较高 较好 齿条等 能加工 5～7 级精度齿轮 高，2～4 分钟便 能加工一个齿轮 可达 8～10 一般用于加工 6～8 级精 度齿轮 珩齿 一般情况下能达到 3～7 级精度 磨齿 较低 可达 7～9 低 可达 7～9 主要用于齿轮滚 插预加工后、淬 火前的精加工 多用于经过剃齿 和高频淬火后， 齿 形的加工 加工成本较高， 多用于齿形淬硬 后的精密加工 剃齿 齿 轮加工方案选择及使用要求 5.3 齿轮加工方案选择及使用要求
5.3.1 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）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
。 （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。 （3）对于 6 ～7 级精度的不淬硬齿轮，其齿轮加工方 案：滚齿－剃齿。 （4）对于 6 ～7 级精度的淬硬齿轮，其齿形加 工一般有两种方案： 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。 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。 （5）对于 5 级及 5 级精度以上的齿轮，一般采 用磨齿方案。 （6）对于大批量生产，用滚（插）齿－冷挤齿的加工 方案，可稳定地获得 7 级精 度齿轮。 5.3.2 齿轮传动的使用要求 由于齿轮的制造精度对机器的工作性能、承载能力、噪声及使用寿命 影响很 大，因此，我们在制造齿轮时必须满足齿轮传动的使用要求。 （1）传动的准确性即主动轮转过一个角度时，从动轮应按给定的传 动比转过相应 的角度。要求齿轮在一转中，转角误差的最大值不能 超过一定的限度，即为一转 角精度。 （2）工作平稳性要求齿轮传 动乎稳，无冲击；振动和噪声小，这就需要限制齿轮 传动时，瞬时 传动比的变化，即一齿转角精度。 （3）载荷均匀性齿轮载荷由齿面
承受，两齿轮啮合时，接触面积的大小对齿轮的 使用寿命影响很大。 所以齿轮载荷的均匀性，由接触精度来衡量。 （4）齿侧间隙一对相 互啮合的齿轮，其非工作面必须留有一定的间隙，即为齿侧 间隙， 其作用是储存润滑油，使工作齿面形成油膜，减少磨损；同时可以补 偿热 变形、弹性变形、加工误差和安装误差等因素引起的侧隙减小， 防止卡死。应当 根据齿轮副的工作条件，来确定合理的侧隙。 以上 四项要求，根据齿轮传动装置的用途和工作条件而有所不同。例如， 滚 齿机分度蜗杆副，读数仪表所用的齿轮副，对传动准确性要求高， 工作平稳性也 有一定要求，而对载荷的均匀性要求一般不严格。 齿 轮加工工艺过程 5.4 齿轮加工工艺过程 选用材料为钢棒 45 的棒 料 1． 下料：（件） 1）锻造：按工序图（一）锻造 图 5-2 工序 图（一） 2）正火：按专业工艺规范进行 2.粗车：按工序图（二） 1） 车端面，车平即可。 2）打顶尖孔Α 2.5。 一夹一顶装卡，车轴各个 台阶，要求严格的台（轴承台）留一定的磨量（0.5-1， 与成活尺寸 有关）；齿轮轴齿部公差较大，可以直接车成； 车床 6140，车刀： 粗 车刀、精车刀、切槽刀。 图 5-3 工序图（二）
3.调头车：1） 车端面、保证总厂 2）打顶尖孔Α 2.5。 4.粗车：（两顶尖装夹）： 按工序图（二）粗车符图。 5.调质处理：按本专业工艺内容。 6. 车：1）按工序图（三）车右端面（余量均分，半边 1mm） 2）修正 中心孔。 图 4-4 工序图（三） 7.调头车：1）按工序图（三）车端 面，保证总长尺寸 212±0.2， 2）车内锥符图 3）打中心孔Α 2.5 8. 车：研磨两中心孔 9.精车（两顶尖装夹） 按工序图（三）精车全部
符图 10.铣：按图及图表参数开槽铣齿 11.铣：修铣齿达蓝图要求 12.钳工：修齿部毛刺 13.磨削：研磨两中心孔 14.磨削： 1）磨外 圆φ 160-0.013、φ 20+0.005-0.004、φ 250-0.025 +0.006 2）磨外 圆φ 35 -0.005 达图 15.铣工：铣半圆键槽 8+0.0360×22，R4， 210-0.2 符 A-A 图 16.铣工：铣半圆键槽 50-0.03×25，R2.5， 130-0.1 符 B-B 图 17.钳工：去铣削毛刺，锐边倒钝 18.表面处理： 按专业工艺操作规程 结 束 语 首先很感谢老师在这几个月给予我 的支持和帮助。虽然毕业设计就只有短短 的几十页，但是在制作的 过程中，我学到了以前没有了解的知识；也可以说，我 把大学学到 的一些知识进行了一个巩固和深入探讨。 毕业设计完全是出于我们 自己的选择，我要好好地感谢学院给了我这个自 由，虽然用这个自 由却没有换来相应的成功，但我们自己切身去做了我们希望做 的事 情，并给我们以后将要走的路作了必要的铺垫，对我来说，这已经是 成功在 向我们招手了。最后，用一句话来结束我的毕业设计。 参考 文献 序号 书名 出版年月 出版社 主编 1、《数控编程和加工》 2、 《机械制造工艺学》 2006.1 机械工业出版社 王先逵 3、 《机械制 造技术课程设计指导》 2009.4.29 黄河水利出版社 4、 《机械设计 基础》 2006.7.1 机械工业出版社 张久成 5、 《公差配合与技术测 量》 6、 《机械工程制图》 7、 《机械制造基础》 李永敏 参考文 献
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) 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=π d/z，z 为齿数。齿 距 p 与 π 的比值 p/π 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 = mπ d =
m z 我们把渐开 线齿廓上与分度圆交点处的压力角α 称为分度圆压力角，简称压力 角，国家规定标准压力角α =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 =π m 标准齿轮的齿厚 和槽宽相等，即 s = e =π 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 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 = mπ s = π m/2 e = π 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 ? 2ha* ? 2c*） df db = dcosα = mzcosα 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 度一般为 40～ 55HRC。 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、 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 σ b/MPa 屈服点 σ 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 550 588 647 294 294 373 190～230 HBS 169～ 217 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 700 500 628 373 180～220 HBS 240～258 HBS 48～55 HRC 217～269 HBS 45～55 HRC 241～286 HBS 45～55 HRC 56～ 62 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，
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。 4.2.6 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。 4.3 影 响齿轮工作平稳性的加工误差分析 4.3.1 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。 4.3.2 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。 4.3.3 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。 我们在齿轮加工中根据不同的目的，安排两类热处理工序： (1)毛坯热处理在齿坯加工前后安排预备热处理—正火或调质。其主
要目的是消除 锻造及粗加工所引起的残余应力，改善材料的切削性 能和提高综合力学性能。 (2)齿面热处理齿形加工完毕后，为提高齿 面的硬度和耐磨性，常进行渗碳淬火， 高频淬火，碳氮共渗和氮化 处理等热处理工序。 4.3.4 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。 影响齿轮传动工作平稳性的主要因素是齿 轮的齿形误差△ff 和基节偏差 △fpb。齿形误差会引起每对齿轮啮 合过程中传动比的瞬时变化；基节偏差会引起 一对齿过渡到另一对 齿啮合时传动比的突变。齿轮传动由于传动比瞬时变化和突 变而产 生噪声和振动， 从而影响工作平稳性精度。 4.3.5 加工误差分析 （1） 齿形误差 从实际操作中，我们不难发现：齿形误差主要是由于齿轮 滚刀的制造刃磨误 差及滚刀的安装误差等原因造成的，因此在滚刀 的每一转中都会反映到齿面上。 常见的齿形误差有如图 1-4 所示的 各种形式。图 a 为齿面出棱、图 b 为齿形不对 称、图 c 为齿形角 误差、图 d 为齿面上的周期性误差、图 e 为齿轮根切。 由于齿轮 的齿面偏离了正确的渐开线， 使齿轮传动中瞬时传动比不稳定， 影 响 齿轮的工作平稳性。 图 4-4 常见的齿轮误差 （2） 基节极限偏差
滚齿时， 齿轮的基节极限偏差主要受滚刀基节偏差的影响。 滚刀基 节的计算式为： pb0=pn0cosα 0=pt0cosλ 0cosα 0≈pt0cosα 0 式 中：pb0――滚刀基节； pn0――滚刀法向齿距； pt0――滚刀轴向 齿距； α 0――滚刀法向齿形角； λ 0――滚刀分度圆螺旋升角，一 般很小，因此 cosλ 0≈1。 由上式可见，为减少基节偏差，滚刀制 造时应严格控制轴向齿距及齿形角误 差，同时对影响齿形角误差和 轴向齿距误差的刀齿前刀面的非径向性误差也要加 以控制。 直齿圆 柱齿轮的工艺分析 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 由于我们加工的是齿轮工件，因此，要对外圆进行 加工。外圆加工的基本加 工路线可归纳为四条： （1） 粗车—半精 车—精车 对于一般常用材料，这是外圆表面加工采用的最主要的工 艺路线。 （2）粗车—半精车—粗磨—精磨 对于黑色金属材料， 精 度要求高和表面粗糙度值要求较小、 零件需要淬硬时， 其后续工序 只能用磨削而采用的加工路线。 （3） 粗车—半精车—精车—金刚 石车 对于有色金属， 用磨削加工通常不易得到所要求的表面粗糙度， 因为有色金 属一般比较软，容易堵塞沙粒间的空隙，因此其最终工 序多用精车和金刚石车。 （4） 粗车—半精—粗磨—精磨—光整加 工 对于黑色金属材料的淬硬零件，精度要求高和表面粗糙度值要求 很小，常用 此加工路线。 5.2 齿轮加工方法 为了便于我们了解齿 轮加工，下面我们对齿轮加工的方法进行一个简单的探 讨。 齿轮加 工的关键是齿面加工。目前，齿面加工的主要方法是刀具切削加工和 砂轮磨削加工。前者由于加工效率高，加工精度较高，因而是目前广
泛采
用的齿 面加工方法。后者主要用于齿面的精加工，效率一般比 较低。 按照加工原理， 可 分为成形法和展成法两大类。 一般情况下: a.加工直齿圆柱齿轮用插齿机 b.加工斜齿轮用滚齿机 c.加工伞齿 轮用刨齿机 (滚齿机也可以加工斜齿轮) 所选用的刀具由齿轮加工 机床决定： a 滚齿机有专用的齿轮滚刀 b 插齿机有专用的齿轮插刀 c.刨齿机有转用的齿轮刨 刀 以上刀具都是标准件,可以在刀具书中 选型(根据模数) 齿轮轴的加工一般用滚齿机就可以加工,选用相应 模数的齿轮滚刀,不需要专门的 夹具就可以加工。 5.2.1 成形法 成 形法是采用与被切齿轮齿槽相符的成形刀具加工齿形的方法。 用齿轮 铣刀 在铣床上加工齿轮是常用的成形法加工。 （1）齿轮铣刀的选 择 铣刀应选择与被加工齿轮模数、压力角相等的铣刀。同时按齿轮 齿数根据下 页表选择合适号数的铣刀。 刀号 1 2 3 4 5 6 7 8 135 以 上及齿 — 条 加工齿 12－13 14－16 17－20 21－25 26－34 35 －54 55 数范围 134 （2）铣削方法 我们在铣削的过程中，在卧式 铣床上应将齿坯套在心轴上安装于分度头和尾 架顶尖中，对刀并调 好铣削深度后开始铣第一个槽，铣完一齿退出进行分度，依 次逐个 完成齿数的铣削。 （3）铣齿加工特点 1）用普通的铣床设备，且刀 具成本低。 2）生产效率低。每切完一齿要进行分度，占用较多的辅 助时间。 3）齿轮精度低。齿形精度只达 11-9 级。 以上主要原因 是每号铣刀的刀齿轮廓只与该范围最少齿槽相吻合，而此号齿 轮铣 刀加工同组的其它齿数的齿轮齿形都有一定的误差。 5.2.2 展成法 展成法就是利用齿轮刀具与被切齿坯作啮合运动而切出齿形的方法。
主要有以下 分类： （1） 插齿加工 插齿加工在插齿机上进行，是 相当于一个齿轮的插齿刀与齿坯按一对齿轮作 啮合运动而把齿形切 成的。可把插齿过程分解为：插齿刀先在齿坯上切下一小片 材料， 然后插齿刀退回并转过一小角度，齿坯也同时转过相应角度。之后， 插齿 刀又下插在齿坯上切下一小片材料。不断重复上述过程。就是 这样，整个齿槽被 一刀刀地切出，齿形则被逐渐地包络而成。因此， 一把插齿刀，可加工相同模数 而齿数不同的齿形，不存在理论误差。 插齿有以下切削运动: 1）主运动 插齿刀的上下往复运动 2）展成运 动 确保插齿刀与齿坯的啮合关系的运动 3） 圆周进给运动 插齿刀的 转动，其控制着每次插齿刀的切削量 4）径向进给量 插齿刀须作径 向逐渐切入运动，以便切出全齿深。 5）让刀运动 插齿刀回程向上 时， 为避免与工件摩擦而使插齿刀让开一定 距离的运动 插齿除适于 加工直齿圆
柱齿轮外，特别适合加工多联齿轮及内齿轮。插齿加 工 精度一般为 7-8 级。齿面粗糙度 Ra 值为 1.6μ m。 （2）滚齿加工 滚齿是目前应用最广的切齿方法， 滚齿加工原理是滚齿刀和齿坯模拟 一对螺 旋齿轮作啮合运动。滚齿刀好比一个齿数很少（一至二齿） 齿很长的齿轮，形似 蜗杆，经刃磨后形成一排排齿条刀齿。因此， 可把滚齿看成是齿条刀对齿坯的加 工。这种方法可用一把滚齿刀加 工相同模数不同齿数的齿轮。不存在理论齿形误 差。 滚齿精度一般 为 7～9 级，当采用高精度滚刀和滚齿机时，可滚切 5 级精度 的齿 轮。滚齿时，产生齿轮的基节偏差较小，而齿形误差通常较大。 滚 切直齿圆柱齿轮时有以下运动： 1）主运动 滚刀的旋转运动。 2）
展成运动 是保证滚齿刀和被切齿轮的转速必须符合所模拟的一对齿 轮的啮 合运动关系。即滚刀转一转，工件转 K/Z 转。其中：K 是滚 刀的头数， Z 为齿轮齿 数。 3） 垂直进给运动 要切出齿轮的全齿宽， 滚刀须沿工件轴向作垂直进给运动 滚齿加工适于加工直齿、斜齿圆 柱齿轮。齿轮加工精度为 8-7 级，齿面粗糙度 Ra 值为 1.6μ m。在 滚齿机上用蜗轮滚刀、链轮滚刀还能滚切蜗轮和链轮。 （3） 剃齿 加工 剃齿是用剃齿刀对齿轮的齿面进行 精加工的方法。加工原理： 剃齿时刀具与 工件作一种自由啮合的展成运动。安装时，剃齿刀与 工件轴线倾斜一个剃齿刀螺 旋角β 。剃齿刀的圆周速度可以分解为 沿工件齿向的切向速度和沿工件齿面的法 向速度，从而带动工件旋 转和轴向运动，使刀具在工件表面上剃下一层极薄的切 屑。同时， 工作台带动工件作往复运动， 以剃削轮齿的全长。（4） 珩齿加工 珩 齿特点:珩齿的加工原理与剃齿相同，表面粗糙 Ra0.4～0.2μ m。主 要作用 是降低齿面粗糙度， 生产率高， 一般用于大批量加工 8～6 级 精度的淬火 齿轮。 （5）磨齿加工 磨齿是获得高精度齿轮最有效和 可靠的方法，既可磨削不淬火的齿轮，又可 磨削淬火的齿轮。加工 精度可达 6～4 级, Ra0.4～0.2μ m。 磨削方法分为展成磨削和成形 磨削两大类 锥形砂轮磨削 单分度展成磨削 蝶形砂轮磨削 展成磨 削 大平面砂轮磨削 齿轮磨削 圆柱蜗杆砂轮磨削 连续分度展成磨 削 球面蜗杆砂轮磨削 成形磨削—数控成形砂轮磨削 图 5-1 磨削 方式的分类 ⊙磨孔 对于淬硬零件中的孔加工， 磨孔是主要的加工方 法。内孔为断续圆周表面（如 有键槽或花键的孔）、阶梯孔及盲孔
时，常采用磨孔作为精加工。磨孔时砂轮的 尺寸受被加工孔径尺寸 的限制，一般砂轮直径为工件孔径的 0.5~0.9 倍，磨头轴 的直径和 长度也取
决于被加工孔的直径和深度。 故磨削速度低， 磨头的刚度差， 磨削质量和生产率均受到影响。 磨孔的方式有中心内圆磨削、无心 内圆磨削。中 心内圆磨削是在普通内圆磨床或万能磨床上进行。无 心内圆磨削是在无心内圆磨 床上进行的，被加工工件多为薄壁件， 不宜用夹盘夹紧，工件的内外圆同轴度要 求较高。这种磨削方法多 用于磨削轴承环类型的零件，其工艺特点是精度高，要 求机床具有 高精度、高的自动化程度和高的生产率，以适应大批大量生产。由于 内圆磨削的工作条件必外圆磨削差， 故内圆磨削有如下特点： 1） 磨 孔用的砂轮直径受到工件孔径的限制。约为孔径的 0.5～9 倍，砂轮 直径小则磨耗快，因此经常需要修整和更换，增加了辅助时间。 2） 由于选择直径较小的砂轮，磨削时要达到砂轮圆周速度 25--30m/s 是很 困难的。因此，磨削速度比外圆磨削速度低的多，故孔的表面 质量较低，生产效 率也不高。近些年来已制成有 100000r/min 的风 动磨头，以便磨削 1~2mm 直径 的孔。 3） 砂轮轴的直径受到孔径 和长度的限制，又是悬臂安装，故刚性差，容易 弯曲和变形，产生 内圆磨削砂轮轴的偏移，从而影响加工精度和表面质量。 4） 砂轮 与孔的接触面积大，单位面积压力小，砂粒不易脱落，砂轮显得硬， 工件易发生烧伤，故应选用较软的砂轮。 5） 切削液不易进入磨削 区，排屑较困难，磨屑易积集在磨粒间的空隙中， 容易堵塞砂轮， 影响砂轮的切削性能。 6）磨削时，砂轮与孔的接触长度经常改变。
当砂轮有一部分超出孔外时，其 接触长度较短，切削力较小，砂轮 主轴所产生的压移量比磨削孔的中部时为小， 此时被磨去的金属层 较多，从而形成 “喇叭口” 。为了减小或消除其误差，加工 时应 控制砂轮超出孔外的长度不大于 1/2~1/3 砂轮宽度。内圆磨削精度 可达 。 IT7 ，表面粗糙度可达 （6） 齿轮加工的其它方法 滚制： 齿轮的滚制加工有利用成形法与展成法。 利用展成法的滚制是利用齿 条与小齿轮、小齿轮与大齿轮、内齿轮与小齿轮的啮合；将淬火硬化 的齿条形工 具、小齿轮形工具、内齿轮形工具按压于齿轮轮坯，使 轮坯滚动，借塑性变形加 工成齿形。利用成形法的滚制是用对应于 滚制齿轮的齿轮形状的成形滚制刀具， 藉特殊的滚轧加工成形齿形。 热间锻造： 热间锻造的主要对象为直齿伞齿轮、 螺旋伞齿轮及正齿轮， 通常 为以非铁合金为材料的齿轮， 可不计加热之际发生的氧化皮时， 热间锻造的精度 及表面粗糙度不亚于机械加工。 高速锻造： 1957 年 由美国 General Dynamics 公司开发 冷间锻造：主要有
利用锻粗或 锻头法扩大齿坯尺寸的成形与减少齿坯断面的 挤出成形。 冲剪：玩 具等不大要求精度的小型板齿轮常用冲剪法作成。 普通铸造：超大 型齿轮不得不用铸造放来加工。直接将熔融的金属注入铸模 中，凝 固后取出，直接使用或机械加工后使用。 精密铸造法：有毂模法、 石膏模法等。 还有粉末冶金法、射出成形法等齿轮加工方法 5.2.3 齿形加工方法比较 ⊙滚齿、 插齿与铣齿比较 铣齿采用普通设备和简 单刀具即可加工齿形。 但是只能加工 11～9 级精度、 齿面粗糙度 Ra 值为 6.3μ m ～3.2μ m 的齿形。 滚齿和插齿的分度精度和齿形精
度均较铣齿高， 可以加工 6 级精度、 齿面粗糙度值 Ra 为 3.2μ m ～ 1.6μ m；滚齿 和插齿是连续分度和切削 ，生产效率比铣齿高。用同 一模数的滚到和插齿刀，可 以各种不同齿数的齿轮，大大减少了刀 具数目，提高了经济效益。 ⊙滚齿与插齿比较 滚齿是刀齿作连续的 旋转切削、 切削速度较高， 插齿是刃齿作往复运动， 限制了切削速 度， 故滚齿生产率比插齿烙高，滚齿机可以加工直齿、斜齿圆柱齿轮和蜗 轮，但不能加工内 齿轮和相距太近的多联齿轮；插齿时播齿刀沿齿 全长连续切出，包络线数量也多，而滚齿时 轮齿全长是由滚刀多次 连续切出，故插齿的齿面粗糙度值较小；插齿刀的制造、刃磨检验壁 滚刀方便，易得到高精度，但插齿机分齿传动链比滚齿复杂，因此， 加工齿轮的精度基本一 样； 插齿机可以加工内齿轮和多联齿轮,但不 能加工蜗轮。 表 5-1 加工精度 通常加工 6～10， 最高能 达到 4 级 滚齿 较高 较差 各种齿轮加工工艺比较 生产率 齿面光洁度 适 用范围 通用性大，常用 于加工直齿、斜 齿的外啮合圆柱 齿轮和蜗 杆 通用性大，适于 加工内外啮合齿 轮( 包括阶梯齿 轮)、扇形齿 轮、 通常能加工 7～9，最高 能达到 6 级 插齿 较高 较好 齿条等 能加工 5～7 级精度齿轮 高，2～4 分钟便 能加工一个齿轮 可达 8～10 一般用于加工 6～8 级精 度齿轮 珩齿 一般情况下能达到 3～7 级精度 磨齿 较低 可达 7～9 低 可达 7～9 主要用于齿轮滚 插预加工后、淬 火前的精加工 多用于经过剃齿 和高频淬火后， 齿 形的加工 加工成本较高， 多用于齿形淬硬 后的精密加工 剃齿 齿 轮加工方案选择及使用要求 5.3 齿轮加工方案选择及使用要求
5.3.1 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）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
。 （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。 （3）对于 6 ～7 级精度的不淬硬齿轮，其齿轮加工方 案：滚齿－剃齿。 （4）对于 6 ～7 级精度的淬硬齿轮，其齿形加 工一般有两种方案： 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。 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。 （5）对于 5 级及 5 级精度以上的齿轮，一般采 用磨齿方案。 （6）对于大批量生产，用滚（插）齿－冷挤齿的加工 方案，可稳定地获得 7 级精 度齿轮。 5.3.2 齿轮传动的使用要求 由于齿轮的制造精度对机器的工作性能、承载能力、噪声及使用寿命 影响很 大，因此，我们在制造齿轮时必须满足齿轮传动的使用要求。 （1）传动的准确性即主动轮转过一个角度时，从动轮应按给定的传 动比转过相应 的角度。要求齿轮在一转中，转角误差的最大值不能 超过一定的限度，即为一转 角精度。 （2）工作平稳性要求齿轮传 动乎稳，无冲击；振动和噪声小，这就需要限制齿轮 传动时，瞬时 传动比的变化，即一齿转角精度。 （3）载荷均匀性齿轮载荷由齿面
承受，两齿轮啮合时，接触面积的大小对齿轮的 使用寿命影响很大。 所以齿轮载荷的均匀性，由接触精度来衡量。 （4）齿侧间隙一对相 互啮合的齿轮，其非工作面必须留有一定的间隙，即为齿侧 间隙， 其作用是储存润滑油，使工作齿面形成油膜，减少磨损；同时可以补 偿热 变形、弹性变形、加工误差和安装误差等因素引起的侧隙减小， 防止卡死。应当 根据齿轮副的工作条件，来确定合理的侧隙。 以上 四项要求，根据齿轮传动装置的用途和工作条件而有所不同。例如， 滚 齿机分度蜗杆副，读数仪表所用的齿轮副，对传动准确性要求高， 工作平稳性也 有一定要求，而对载荷的均匀性要求一般不严格。 齿 轮加工工艺过程 5.4 齿轮加工工艺过程 选用材料为钢棒 45 的棒 料 1． 下料：（件） 1）锻造：按工序图（一）锻造 图 5-2 工序 图（一） 2）正火：按专业工艺规范进行 2.粗车：按工序图（二） 1） 车端面，车平即可。 2）打顶尖孔Α 2.5。 一夹一顶装卡，车轴各个 台阶，要求严格的台（轴承台）留一定的磨量（0.5-1， 与成活尺寸 有关）；齿轮轴齿部公差较大，可以直接车成； 车床 6140，车刀： 粗 车刀、精车刀、切槽刀。 图 5-3 工序图（二）
3.调头车：1） 车端面、保证总厂 2）打顶尖孔Α 2.5。 4.粗车：（两顶尖装夹）： 按工序图（二）粗车符图。 5.调质处理：按本专业工艺内容。 6. 车：1）按工序图（三）车右端面（余量均分，半边 1mm） 2）修正 中心孔。 图 4-4 工序图（三） 7.调头车：1）按工序图（三）车端 面，保证总长尺寸 212±0.2， 2）车内锥符图 3）打中心孔Α 2.5 8. 车：研磨两中心孔 9.精车（两顶尖装夹） 按工序图（三）精车全部
符图 10.铣：按图及图表参数开槽铣齿 11.铣：修铣齿达蓝图要求 12.钳工：修齿部毛刺 13.磨削：研磨两中心孔 14.磨削： 1）磨外 圆φ 160-0.013、φ 20+0.005-0.004、φ 250-0.025 +0.006 2）磨外 圆φ 35 -0.005 达图 15.铣工：铣半圆键槽 8+0.0360×22，R4， 210-0.2 符 A-A 图 16.铣工：铣半圆键槽 50-0.03×25，R2.5， 130-0.1 符 B-B 图 17.钳工：去铣削毛刺，锐边倒钝 18.表面处理： 按专业工艺操作规程 结 束 语 首先很感谢老师在这几个月给予我 的支持和帮助。虽然毕业设计就只有短短 的几十页，但是在制作的 过程中，我学到了以前没有了解的知识；也可以说，我 把大学学到 的一些知识进行了一个巩固和深入探讨。 毕业设计完全是出于我们 自己的选择，我要好好地感谢学院给了我这个自 由，虽然用这个自 由却没有换来相应的成功，但我们自己切身去做了我们希望做 的事 情，并给我们以后将要走的路作了必要的铺垫，对我来说，这已经是 成功在 向我们招手了。最后，用一句话来结束我的毕业设计。 参考 文献 序号 书名 出版年月 出版社 主编 1、《数控编程和加工》 2、 《机械制造工艺学》 2006.1 机械工业出版社 王先逵 3、 《机械制 造技术课程设计指导》 2009.4.29 黄河水利出版社 4、 《机械设计 基础》 2006.7.1 机械工业出版社 张久成 5、 《公差配合与技术测 量》 6、 《机械工程制图》 7、 《机械制造基础》 李永敏 参考文 献