中间轴齿轮的加工工艺及及车床夹具设计--学位论文.doc

毕业设计说明书 第33页

2012届毕业设计（论文）
中间轴齿轮的加工工艺及及车床夹具设计

系 、 部： 机 械 工 程 学 院
学生姓名： 刘 伟
指导教师： 隆 文 革
职 称： 副　教　授
专 业： 机 械 制 造 与 自 动 化
班 级： 机 制 0901 班
学 号： 09200230117号

2012年 5 月

摘 要

在机械设计中，采用各种机械加工方法将毛坯加工成零件，再将这些零件装配成机器。其中使各种材料、半成品成为产品的方法和过程，则称为工艺。本次毕业设计的课题是中间轴齿轮加工工艺，主要内容如下：
首先，进行零件的分析，主要是零件作用的分析和工艺分析。根据零件图提出的加工要求，确定毛坯的制造形式和尺寸的确定。
第二步，进行基面的选择，确定加工过程中的粗基准和精基准。根据选好的基准，制订两种以上的工艺路线，通过工艺方案的比较与分析，再选择可以使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求得到合理的保证的一种工序。
第三步，根据已经选定的工序路线，确定每一步的切削用量及基本工时，并选择合适的机床和刀具。对于粗加工，还要校核机床功率。
提出设计问题，再选择定位基准，然后开始切削力、夹紧力的计算和定位误差的分析。然后把设计的过程整理为图纸。
通过以上的概述，整个设计基本完成。

目 录

1.设计任务………………………………………………………………………4
2.零件图分析……………………………………………………………………5
2.1、零件的功用……………………………………………………………5
2.2、零件功用分析…………………………………………………………5
3.确定毛坯………………………………………………………………………6
3.1、确定毛坯制造方法……………………………………………………6
3.2、确定总余量……………………………………………………………6
3.3、绘制毛坯图……………………………………………………………7
4.制定零件工艺规程……………………………………………………………8
4.1、选择表面加工方法……………………………………………………8
4.2、选择定位基准…………………………………………………………12
4.3、拟定零件加工工艺路线………………………………………………12
4.4、选择各工序所用机床、夹具、刀具、量具和辅具…………………13
4.5、填写工艺过程卡片……………………………………………………16
4.6、机械加工工序设计……………………………………………………17
4.7、机械加工工序设计（续）……………………………………………21
5.夹具设计………………………………………………………………………30
5.1、功能分析与夹具总体结构设计………………………………………30
5.2、夹具设计计算…………………………………………………………30
5.3、夹具制造与操作说明…………………………………………………32
6.小结……………………………………………………………………………33
参考文献…………………………………………………………………………34
致谢………………………………………………………………………………35

1、 设计任务

设计"中间轴齿轮"零件（图1）机械加工工艺规程及某一重要工序的夹具。年产5000件

图S0-1 中间轴齿轮

2.零件图分析

2.1、零件的功用
本零件为拖拉机变速箱中倒速中间轴齿轮，其功用是传递动力和改变输出轴运动方向。

2.2、零件工艺分析
本零件为回转体零件，其最主要加工面是φ62H7孔和齿面，且两者有较高的同轴度要求，是加工工艺需要重点考虑的问题。其次两轮毂端面由于装配要求，对φ62H7孔有端面跳动要求。最后，两齿圈端面在滚齿时要作为定位基准使用，故对φ62H7孔也有端面跳动要求。这些在安排加工工艺时也需给予注意。

3 确定毛坯
3.1、确定毛坯制造方法
本零件的主要功用是传递动力，其工作时需承受较大的冲击载荷，要求有较高的强度和韧性，故毛坯应选择锻件，以使金属纤维尽量不被切断。又由于年产量为5000件，达到了批量生产的水平，且零件形状较简单，尺寸也不大，故应采用模锻。
3.2、确定总余量
由表S-1确定直径上总余量为6mm，高度（轴向）方向上总余量为5mm。

3.3、绘制毛坯图（图2）

图2 中间轴齿轮毛坯图
4、制定零件工艺规程
4.1、选择表面加工方法
1） φ62H7孔 参考表S-7

考虑：① 生产批量较大，应采用高效加工方法；② 零件热处理会引起较大变形，为保证φ62H7孔的精度及齿面对φ62H7孔的同轴度，热处理后需对该孔再进加

工。故确定热前采用扩孔－拉孔的加工方法，热后采用磨孔方法。

2） 齿面 根据精度8-7-7的要求，并考虑生产批量较大，故采用滚齿－剃齿的加工方法（表S-3）。

3）大小端面 采用粗车－半精车－精车加工方法（参考表S－4）。


4） 环槽 采用车削方法。
4.2、选择定位基准
1）精基准选择 齿轮的设计基准是φ62H7孔，根据基准重合原则，并同时考虑统一精基准原则，选φ62H7孔作为主要定位精基准。考虑定位稳定可靠，选一大端面作为第二定位精基准。
在磨孔工序中，为保证齿面与孔的同轴度，选齿面作为定位基准。
在加工 环槽工序中，为装夹方便，选外圆表面作为定位基准。
2） 粗基准选择 重要考虑装夹方便、可靠，选一大端面和外圆作为定位粗基准。
4.3、拟定零件加工工艺路线
方案1：
1）扩孔（立式钻床，气动三爪卡盘）；
2）粗车外圆，粗车一端大、小端面，一端内孔倒角（多刀半自动车床，气动可胀心轴）；
3）半精车外圆，粗车另一端大、小端面，另一端内孔倒角（多刀半自动车床，气动可胀心轴）；
4）拉孔（卧式拉床，拉孔夹具）；
5）精车外圆，精车一端大、小端面，一端外圆倒角（普通车床，气动可胀心轴）；
6）精车另一端大、小端面，另一端外圆倒角（普通车床，气动可胀心轴）；
7）车槽（普通车床，气动三爪卡盘）；
8）中间检验；
9）滚齿（滚齿机，滚齿夹具）；
10）一端齿圈倒角（倒角机，倒角夹具）；
11）另一端齿圈倒角（倒角机，倒角夹具）；
12）剃齿（剃齿机，剃齿心轴）；
13）检验；
14）热处理；
15）磨孔（内圆磨床，节圆卡盘）；
16）最终检验。

方案2：
1）粗车一端大、小端面，粗车、半精车内孔，一端内孔倒角（普通车床，三爪卡盘）；
2）粗车、半精车外圆，粗车另一端大、小端面，另一端外圆、内孔倒角（普通车床，三爪卡盘）；
3）精车内孔，车槽，精车另一端大、小端面，另一端外圆倒角（普通车床，三爪卡盘）；
4）精车外圆，精车一端大、小端面（普通车床，可胀心轴）；
5）中间检验；
6）滚齿（滚齿机，滚齿夹具）；
7）一端齿圈倒角（倒角机，倒角夹具）；
8）另一端齿圈倒角（倒角机，倒角夹具）；
9）剃齿（剃齿机，剃齿心轴）；
10）检验；
11）热处理；
12）磨孔（内圆磨床，节圆卡盘）；
13）最终检验。
方案比较：
方案2工序相对集中，便于管理，且由于采用普通机床，较少使用专用夹具，易于实现。方案1则采用工序分散原则，各工序工作相对简单。考虑到该零件生产批量较大，工序分散可简化调整工作，易于保证加工质量，且采用气动夹具，可提高加工效率，故采用方案1较好。
4.4 选择各工序所用机床、夹具、刀具、量具和辅具（表S－5，表S－6）

4.5 填写工艺过程卡片
工艺过程卡片

4.6、机械加工工序设计
工序02
1）刀具安装 由于采用多刀半自动车床，可在纵向刀架上安装一把左偏刀（用于车削外圆）和一把45°弯头刀（用于车倒角）；可在横刀架上安装两把45°弯头刀（用于车削大、小端面）。加工时两刀架同时运动，以减少加工时间（图S0-3）。

图S0-3 工序02排刀图
2） 走刀长度与走刀次数 以外圆车削为例，若采用75°偏刀，则由表15－1可确定走刀长度为25＋1＋2＝28mm；一次走刀可以完成切削（考虑到模角及飞边的影响，最大切深为3－4mm）。

3） 切削用量选择
① 首先确定背吃刀量：考虑到毛坯为模锻件，尺寸一致性较好，且留出半精车和精车余量后（直径留3 mm），加工余量不是很大，一次切削可以完成。取：
aP =（140－133）/2 - 12.5×tan（7°）＝ 3mm；考虑毛坯误差，取：aP = 4 mm；

② 确定进给量：参考表S-7，有：f ＝ 0.6 mm/ r；

③ 最后确定切削速度：参考表S-8，有：v = 1.5m/s，n = 212r/min。

4）工时计算
① 计算基本时间：tm = 28 /（212×0.6）= 0.22min（参考式S－3）；

② 考虑多刀半自动车床加工特点（多刀加工，基本时间较短，每次更换刀具后均需进行调整，即调整时间所占比重较大等），不能简单用基本时间乘系数的方法确定工时。可根据实际情况加以确定：TS = 2.5min。
该工序的工序卡片见表。

机械制造与自动化
机械加工工艺卡片
工序名称
粗 车
工序号
02

零件名称
中间轴齿轮
零件图号
45-1082
零件重量

同时加工零件数
1
材料
毛坯
牌号
硬度
型式
重量
20Cr
HRc58-64
模锻件

设备
夹具
辅助工具
名称
型号

气动可胀心轴

纵向刀架
横向刀架
多刀半自动车床
C7620

工序号

工 步 内 容

刀 具

量具
走
刀
长
度
m m
走刀
次数

背吃刀量 mm
进给
量
mm/r
主轴
转数r/mm
切削
速度
m/s
工时min
1

2
粗车外圆,保证尺寸φ140
倒角3

粗车大、小，保证23.50.3和尺寸100.2
左偏刀弯头刀
弯头刀
游标卡尺
0-200

游标卡尺
0-200
30

25
1

1
3

2
0.6

0.6
212

212
1.5

1.5

设计者
吴苗苗

指导老师
隆文革

共 4 页
第1 页

4.7、机械加工工序设计（续）
工序06
1）刀具安装 由于在普通车床上加工，尽量减少刀具更换次数，可采用一把45°弯头刀（用于车削大、小端面）和一把75°左偏刀（用于倒角），见图S0-4。

图S0-4 工序06刀具安装示意图
2）走刀长度与走刀次数 考虑大端面，采用45°弯头刀，由表S－9可确定走刀长度为27.5＋1＋1≈30mm；因为是精车，加工余量只有0.5 mm，一次走刀可以完成切削。小端面和倒角也一次走刀完成。

3）切削用量选择
① 首先确定背吃刀量：精车余量0.5mm，一次切削可以完成。取：aP = 0.5mm；
② 确定进给量：参考表S-10，有：f ＝ 0.2 mm/ r；

③ 最后确定切削速度：参考表S-8，有：v = 1.8m/s，n = 264r/min。

4）工时计算
① 计算基本时间：tm =（30 +8 + 3）/（264×0.2）≈ 0.8 min（参考式S－3）；

② 考虑到该工序基本时间较短，在采用基本时间乘系数的方法确定工时，系数应取较大值（或辅助时间单独计算）。可得到：TS = 2×tm = 1.6 min。
湖南工学院
机械制造与自动化
机械加工工艺卡片
工序名称
精 车
工序号
05

零件名称
中间轴齿轮
零件图号
45-1082
零件重量

同时加工零件数
1
材料
毛坯
牌号
硬度
型式
重量
20Cr
HRc58-64
模锻件

设备
夹具
辅助工具
名称
型号

气动可胀心轴

工序09
1） 工件安装 由于滚齿加工时切入和切出行程较大，为减少切入、切出行程时间，采用2件一起加工的方法（见图）。

图 工序09工件安装示意图

2） 走刀长度与走刀次数 滚刀直径为120mm，则由图S0-5可确定走刀长度为：

走刀次数：1

3）切削用量选择

① 确定进给量：参考表S-11，有：
f ＝ 1.2 mm/工件每转；

② 确定切削速度：参考表S-12，有：v = 0.6m/s，计算求出n = 96r/min；

③ 确定工件转速：滚刀头数为1，工件齿数为25，工件转速为：nw = 96/25≈4 r/min。

4）工时计算

① 计算基本时间：tm =140 / [（4×1.2）×2 ] ≈ 14 min（参考式S－3）；

② 考虑到该工序基本时间较长，在采用基本时间乘系数的方法确定工时，系数应取较小值（或辅助时间单独计算）。可得到：TS = 1.4×tm ≈ 20 min。
该工序的工序卡片见表。
湖南工学院
机械制造与自动化
机械加工工艺卡片
工序名称
滚 齿
工序号
09

零件名称
中间轴齿轮
零件图号
45-1082
零件重量

同时加工零件数
2
材料
毛坯
牌号
硬度
型式
重量
20Cr
HRc58-64
模锻件

设备
夹具
辅助工具
名称
型号
滚齿夹具

滚齿机
Y3150

工序号

工 步 内 容

刀 具

量具
走
刀
长
度
m m

走刀
次数

背吃刀量 mm

进给
量
mm/r

主轴
转数r/mm

切削
速度
m/s

工时min
1

滚齿，保证公法线平均长度；公法线长度变动量不大于0.036，在齿轮综合检查仪上测量，齿圈跳动量不大于0.06

剃齿滚刀
游标卡尺
25-50
百分表0-10
检验心轴
标准齿轮
综合检查仪
136

1

12.5

96

20
设计者
刘伟

指导老师
隆文革

共 4 页
第 3页

工序13
1） 走刀长度与走刀次数 走刀长度取：L=l=40mm；走刀次数：0.2/0.01＝20（双行程）。
2）切削用量选择（参考表S-13）

① 确定砂轮速度：取砂轮直径d ＝50 mm，砂轮转速n = 10000r/min，可求出砂轮线速度：
v = 26m/s；
② 确定工件速度：取vw = 0.12 m/s；可计算出工件转数nw = 36 r/min；
③ 确定纵向进给量：取fl = 3m/min；
④ 确定横向进给量：取fr= 0.01mm/双行程；
⑤ 确定光磨次数：4次/双行程。
3）工时计算
① 计算基本时间：tm =（40×2/（3×1000））×（20＋4）×K
K是加工精度系数，取K＝2，得到：tm = 1.28 min；
② 考虑到该工序基本时间较短，在采用基本时间乘系数的方法确定工时，系数应取较大值（或辅助时间单独计算）。可得到：TS = 2.4×tm = 3 min。

该工序的工序卡片见表。
湖南工学院
机械制造与自动化
机械加工工艺卡片
工序名称
磨孔
工序号
15

零件名称
中间轴齿轮
零件图号
45-1082
零件重量

同时加工零件数
1
材料
毛坯
牌号
硬度
型式
重量
20Cr
HRc58-64
模锻件

设备
夹具
辅助工具
名称
型号
节圆卡盘

内圆磨床
M2120
工序号
工 步 内 容
刀 具
量具
走
刀
长
度
m m
走刀
次数

背吃刀量 mm
进给
量
mm/r

主轴
转数r/mm
切削
速度
m/s
工时min
1

磨孔，保证孔径φ及对齿圈的同轴（在齿轮综合检查仪上测量，齿圈跳动量不大于0.06）
砂轮
塞规φ62H百分表0-10
检验心轴
标准齿轮
综合检查仪
40

24

0.01

3

10000
26

3
设计者
刘伟

指导老师
隆文革

共 4 页
第 4页
5.夹具设计

5.1、功能分析与夹具总体结构设计
本工序要求以φ61.6H8孔（4点）和已加工好的大端面（1点）定位，精车另一大、小端面及外圆倒角（5×15°），并要求保证尺寸20±0.2和10±0.2以及大、小端面对φ61.6H8孔的跳动不大于0.05mm。其中端面跳动是加工的重点和难点，也是夹具设计需要着重考虑的问题。
夹具方案设计
工件以孔为主要定位基准，多采用心轴。而要实现孔4点定位和端面1点定位，应采用径向夹紧。可有以下几种不同的方案：
1） 采用胀块式自动定心心轴；
2） 采用过盈配合心轴；
3） 采用小锥度心轴；
4） 采用弹簧套可胀式心轴；
5） 采用液塑心轴。
根据经验，方案1定位精度不高，难以满足工序要求。方案2和3虽可满足工序要求，但工件装夹不方便，影响加工效率。方案4可行，即可满足工序要求，装夹又很方便。方案5可满足工序要求，但夹具制造较困难。故决定采用方案4。
夹具总体结构设计
1） 根据车间条件（有压缩空气管路），为减小装夹时间和减轻装夹劳动强度，宜采用气动夹紧。
2） 夹具体与机床主轴采用过渡法兰连接，以便于夹具制造与夹具安装。
3） 为便于制造，弹簧套采用分离形式。
5.2、夹具设计计算
切削力计算（参考切削用量手册）
主切削力：

进给抗力（轴向切削力）：

最大扭矩：

夹紧力计算（参考夹具设计手册）
式中φ1 -- 弹簧套与夹具体锥面间的摩擦角，取：tanφ1＝0.15；
φ2 -- 弹簧套与工件间的摩擦角，取：tanφ2＝0.2；
α-- 弹簧套半锥角，α＝6°；
D -- 工件孔径；
Fd -- 弹性变形力，按下式计算：

式中C -- 弹性变形系数，当弹簧套瓣数为3、4、6时，其值分别为300、100、20；
d -- 弹簧套外径；
l -- 弹簧套变形部分长度；
t -- 弹簧套弯曲部分平均厚度；
Δ-- 弹簧套（未胀开时）与工件孔之间的间隙。
将有关参数代入，得到：

将Fd 及其他参数代入，得到：

选择气缸形式，确定气缸规格（参考夹具设计手册）
选择单活塞回转式气缸，缸径100mm即可。
5.3、夹具制造与操作说明
夹具制造的关键是夹具体与弹簧套。夹具体要求与弹簧套配合的锥面与安装面有严格的位置关系，弹簧套则要求与夹具体配合的锥面与其外圆表面严格同轴。此外，弹簧套锥面与夹具体锥面应配做，保证接触面大而均匀。
夹具使用时必须先安装工件，再进行夹紧，严格禁止在不安装工件的情况下操作气缸，以防止弹簧套的损坏。
夹具装配图见图。

6 小结

通过这为期半个学期的毕业设计，我收获良多。
首先，我所设计的零件很复杂而且形状也不规则，这使本就很大的工作量变得更大了，以致于我每天都要看书，查阅大量的资料，毫不懈怠，希望能按时完成毕业设计的任务。不过，任何事物都具有两面性，虽然我们工作很累很辛苦，但是我们从中学到了很多东西，查漏补缺，也弥补了过去所学知识的缺陷和不足，更加完善了自己，提高了自己。
由于毕业设计的涉及面广，牵扯到的知识很多，在设计的过程中必然要翻阅很多的资料和工具书，这就需要我们到图书馆去借阅资料，再一次锻炼了我们查阅资料和自觉学习的能力。更重要的是，在设计的过程中综合运用了以前所学的相关知识，这是一次很好的复习机会。通过对知识的综合运用，融会贯通，巩固和加深了知识，也达到了温故知新的目的。同时，这次设计也给了我一个实践的机会。以前我们所学得知识都来源于书本上的条条框框，学得是前人的经验，不是自己切身体会的东西，枯燥无味。现在运用到实践中去，指导实践，学以致用，觉得很有意义，也使我对学习和探索新知识、新领域产生了浓厚的兴趣。
总之，这次设计我收益匪浅，很好地得到一次锻炼。作为我人生中的一次重要经历，我会永远铭记于心。

参考文献

［1］《机械设计手册》编写组 机械设计手册［M］ 机械工业出版社会 1986
［2］龚桂义 罗圣国 机械设计课程设计指导书［M］高等教育出版社2004
［3］张展主编 机械设计通用手册［M］ 中国劳动出版社 1994、5
［4］高为国主编 机械工程材料基础［M］中南大学出版社，2000、2
［5］周鹏翔、刘振魁主编 工程制图［M］ 高等教育出版社2000
［6］唐增宝、刘元俊主编 机械设计课程设计 华中科技大学出版社1995

致 谢

经过两个月的刻苦攻关，终于就要完成大学三年中最重要的毕业设计。这对我来说，不仅是一次挑战、一次尝试，更是一次绝好的锻炼，能够为我以后参加工作增加必不可少的经验。
在整个毕业设计的过程当中，肯定不会是一帆风顺的，我经常在面对这些难题的时候一筹莫展。幸亏有隆文革教授的指导和同学们的支持，我才能将难题一一解开，顺利的完成这次毕业设计。所以，在此要特别感谢隆文革教授对我的支持和帮助以及同学们给予我的鼓励。
另外，我还要特别感谢同学们对我实践以及论文写作的指导，他们为我完成这篇论文也提供了巨大的帮助。
最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢。

33