完整-齿轮泵的设计及加工-毕业论文.doc

武汉理工大学武汉理工大学 毕业设计（论文）题目题目：齿轮泵的设计及加工齿轮泵的设计及加工 函函 授授 站站：昆昆 明明 专专 业：业：机械设计制造及自动化机械设计制造及自动化 学生姓名：学生姓名：曹玲曹玲 指导教师：指导教师：张萍张萍 2010 2010 年年 6 6 月月 3 3 日日 摘 要 1 计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工程（CAE）是实现创新设计的关键手段，它在工程设计中的应用大大提高了设计质量，缩短了设计周期，减少了设计费用。本课题以广泛应用于各种行业中的液压动力元件外啮合齿轮泵为研究对象，在新产品的设计过程中，通过分析国内外现阶段的研究成果，以 solidworks绘图为主要绘图手段，解决以前手工绘图及二维 CAD 绘图难以解决的问题。本文应用三维软件（solidworks）的绘图技术对产品的各零部件进行三维绘图，并对各零部件进行装配，使齿轮泵更直观的展现出来。并通过图形分析和拟出加工工序，制作工序卡。关键词：CAD；solidworks；齿轮泵；工艺 2 目 录 1 绪论.1 1.1 课题的来源及意义.1 1.2 以常规方法为基础研究的工作.1 1.3 采用优化设计理论选择出齿轮泵的最佳参数.2 2 外啮合齿轮泵的运动和几何尺寸设计.3 2.1 设计依据.3 2.1.1 齿轮泵的工作原理及主要结构特点.3 2.1.2 设计参数.3 2.2 主要零件的几何尺寸设计.4 2.2.1 齿轮的几何尺寸设计.4 2.2.2 轴的设计.4 2.2.3 轴承的选择及润滑.5 2.4 齿轮泵的常见问题及解决措施.6 2.4.1 困油问题及解决措施.6 2.4.2 径向不平衡问题及解决措施.8 2.4.3 泄漏油问题及解决措施.8 2.4.4 齿轮泵的噪声及降低的措施.8 2.5 齿轮泵的噪声及其解决措施.8 2.5.1 齿轮泵的噪声.8 2.5.2 降低齿轮泵噪声的措施.9 3 外啮合齿轮泵的泵体及端盖的设计及排量、流量的计算.10 3.1 泵体的设计.10 3 3.2 前端盖的设计.10 3.3 后端盖的设计.11 3.4 排量和流量的计算.12 4 外啮合齿轮泵的主要零部件加工工艺的设计.14 4.1 数控加工工艺简介.14 4.1.1 工件的装夹：.15 4.1.2 加工要求.15 4.2 齿轮的加工工艺.16 4.2.1 圆柱齿轮加工工艺过程的内容和要求.16 4.2.2 齿轮加工工艺过程分析.16 4.3 轴的加工工艺.18 4.3.1 轴类零件的功用、结构特点及技术要求.18 4.3.3 轴的加工.20 4.4 泵体的加工工艺.20 4.4.1 泵体的加工设备及装夹简介.20 4.4.2 外啮合齿轮泵泵体孔的加工工艺规程.21 4.5 泵盖的加工工艺.22 4.4.1 泵盖简介.22 4.4.2 泵盖的工艺性分析.23 4.4.3 选择刀具和工艺卡片.23 小 结.26 参考文献.27 致 谢.28 附 录.29 1 1 绪论 1.1 课题的来源及意义 齿轮泵作为一种典型的液压元件，被广泛运用于机床工艺、农用机械、工程机械、航空航天和船舶工艺等众多工艺领域。其中外啮合齿轮泵是开发的比较早，结构简单，应用广泛，主要工作部件只有主被动齿轮，较之叶片泵（叶子、转子及其它附件）及各种型式的柱塞泵（斜盘、柱塞、缸体和回程盘等部件），在原始设计、制造工艺和加工手段等方面有着无法比拟的优越性。同时齿轮泵的工作部件是轴对称的旋转体，故其高速性能很好（一般高转速可达 3000r/min，飞机用齿轮泵的最高转速达到 8000r/min）。它具有良好的自吸性能齿轮对油液污染的敏感性远远低于叶片及柱塞等部件，在齿轮泵的运行故障中很少是由于液压油污染所致。但是我们也知道齿轮泵具有流量脉动率较大、噪声高、效率相对较低以及个别零件受力情况恶劣等特点。现在大多的设计图都还是二维的 CAD 绘制，甚至还有手工绘制图纸，这导致设计的时间增加，而利用三维设计，更直观的体现了产品的形状，并且有利于加工工艺的编写。外啮合齿轮泵是一种开发早，结构简单，应用十分广泛的液压元件。早期的齿轮泵效率低，压力低，随着研究的深入，齿轮泵的一些新技术和结构形式的发展，外啮合齿轮泵也朝着高压、高转速、低噪音的方向发展。齿轮泵的发展现状 在提高齿轮泵工作性能、优化零部件结构、延长使用寿命方面，国内外的专家学者及企业中的设计人员做了大量的研究工作，对于减小影响齿轮泵性能的几个特点，在实际应用中，起到了一定的效果。归纳起来，这些工作主要分一下几个方面：1.2 以常规方法为基础研究的工作 以齿轮泵的各零件结构改进为开展研究的出发点，针对关键部件做结构上的调整，从部分着手到整体性能的提高。这是传统常规机械设计的思路，这方面的研究可大体概括为以下几点：1.对非对称齿形的研究和应用。非对称齿形齿轮具有双模数、双压力角渐开线非对称齿形，其齿顶圆和分度圆较一般对称齿轮大，且齿顶圆弧齿厚较短，从而增大了齿轮与壳体间的工作腔容积，提高了泵的排量及功率，相同外形尺寸情况下，此两项指标增大约 20%。这种齿轮的齿轮两侧重合度不等，以重合度较小一侧作为工作侧，可减小困油现象、降低噪声、改善齿轮受力及延长齿轮泵的寿命。另外其轮齿两侧压力角不等，以压力角大的一侧承载，改善了齿轮受力状况。但非对称齿轮齿形需用不同的刀具加工，而且由于工作侧和非工作侧之间工精度也不同，加工起来不方便，工艺性差。2.齿轮的设计也可结合 CAD 三维造型技术通过参数化设计能力，找出适合于实际工作的理想齿形参数。卸荷槽的结构形式与参数的合理与否对困油引起的液压冲击振动影响很大，设计 2 要求卸荷槽在高转速下能泄油通畅，不会因困油产生高压和气穴的现象。合肥工业大学与原机械部通用研究所联合研制的齿轮泵卸荷槽面积计算程序对合理设计齿轮泵卸荷槽提供很好的参考。另外，武汉冶金科技大学研究的一种同时适用于无齿侧间隙和有齿侧间隙的通用阻尼槽式卸荷槽，结构新颖，很好地解决了因卸荷槽的存在容积效率随齿侧间隙增大而降低的问题。改善体内流场边界条件，使流道壁面尽量圆滑，采用高阻尼材料或采取附加阻尼等办法会对泵的降低噪声有所帮助。也有些厂家通过改进泵体材料。采用经挤压工艺形成的拉伸形材，可使泵体在强度、刚度都有一定改善。3.高压齿轮泵中的滑动轴承往往是决定泵的寿命的重要环节。浙江大学通过对齿轮泵的轴挠曲变形对其轴承承载能力的研究，提出了一个近似公式计算挠曲变形轴的滑动轴承的方法，为轴承设计提供了有价值的借鉴。较新的齿轮档次一般采用钢背塑料复合滑动轴承，其自润滑功能好，摩擦系数低。在此基础上适当加大轴径尺寸，改善润滑槽结构，可有效延长轴承寿命。通过合理设计摩擦副的油膜厚度使其形成功压平衡，也可提高轴承的寿命。4.从密封方面考虑，采用在齿轮泵的轴端部和轴径处真空密封的方法，从二次压力密封腔经泄漏孔引到吸油腔，有效根治了轴向泄漏，降低了轴径处旋转摩擦力，减少了泵体和两端盖间轴端和轴径处的轴向推力。5.通过对外啮合齿轮泵轴套两端受力的精确计算，给出一套切实可行的补偿计算机辅助设计方法，以提高泵的机械效率、容积率和机械平稳性。1.3 采用优化设计理论选择出齿轮泵的最佳参数 优化设计是 60 年代开始发展起来的一门新的学科。这种设计方法是数学划和现代电子计算机技术相结合的产物。我们知道对于一种工程设计问题可能有许多解决方案，如何确定最优方案，实现设计参数的最优化是优化设计要解决的问题。优化设计的原理的不同分为数学规划法和推测法。数学规划法以严格的数学规划理论为基础，保证结果收敛到问题的最优解。其算法平稳、成熟，但迭代次数多、收敛时间长，对于大型复杂的设计问题有一定的缺陷。但现在计算机硬件的发展十分惊人，以前许多计算速度和容量约束的问题现在已受到越来越少的限制。准则法是以一些基本概念出发，建立一些准则的可行方案，即为最优或金丝最优方案。与前一方法相比缺乏严格数学理论依据，有时还需要凭直觉做近视处理，结果比较粗糙。但这种方法能较快的出优化结果，往往用于较复杂的工程设计问题，然而其应用面较窄。目前一般只能作工程结构的最小体积或最轻重量的优化设计。根据占有的文献资料，国内外在齿轮优化设计方面有一些研究先例，传动装置的齿轮优化有些可借鉴的资料，例如关于齿面接触强度最佳齿廓的设计；最佳油膜或其它条件下齿轮几何参数的最优化设计；传动参数的最优化及满足强度要求等约束条件下单位功率或体积最小的变速器的优化；齿轮副及其传动系统的动态性能的最优化等。对于齿轮泵中的齿轮做专业上要求的优化设计很少，只有一些文章简单地提出以等排量下体积最小为目标函数的优化思路。波兰的 W.kollek在这方面有过论述，他通过穷举的方法求的最优变向量，提出可借鉴的思路和模型。3 2 外啮合齿轮泵的运动和几何尺寸设计 2.1 设计依据 2.1.1 齿轮泵的工作原理及主要结构特点 外啮合齿轮泵如图（2.1）所示。结构上主要由泵体、一对啮合齿轮、传动轴、前盖和后盖组成。工作腔是由齿槽、泵体、前后盖密闭而成。有 Z 个齿，就有 2Z 个工作腔。配油机构是由齿顶和泵体内表面、齿轮端面和前后盖两齿轮啮合而自然形成的。一般情况下，外啮合齿轮泵的两个齿轮具有相同的参数。两齿轮齿廓与泵体和前后盖板形成若干密封容积，密封线（啮合线）把吸油腔隔开。当齿轮按照图示方向旋转时，啮合点下侧的轮齿逐渐退出啮合，密封体积增大，形成局部真空，液体在大气压力的作用下进入密封容积，形成吸油腔。啮合点上侧的轮齿逐渐进入啮合，容积减小，压力升高，液体被挤压出去形成排油腔。这就是齿轮泵的吸、排油过程。齿轮不停的旋转，齿轮泵就可以连续不断的吸油和排油 图（2.1）2.1.2 设计参数 目前齿轮泵的流量范围为=2.5Lmin-750 Lmin,最高工作压力pH=31.5MPa,齿轮工作压力为 P=12MPa20MPa,V=0.80.95,总效率=0.750.92。n=1450r/min 为了使齿轮流量均匀性最好，即流量脉动系数最小，并且流量脉动频率最高，4 齿数可选为偶齿数，可选主、从动齿轮均为 Z=14。确定齿轮的模数 m 和齿宽 B 2.2 主要零件的几何尺寸设计 2.2.1 齿轮的几何尺寸设计 考虑到综合因素的作用，可选 m=3（标准数），则 d=mz=14 齿宽 b=d=0.5742=24（硬齿面时可取=0.57）确定齿轮的其他参数 齿轮少时会产生根切现象,对于标准齿轮(齿顶高系数ha=1),在压力角=20。时,不产生根切的最小齿数Zmin=17.若产生根切,将会使1,其结果是(1)破坏了传动的连续性,产生撞击和噪声.(2)在出现不连续转动的瞬时,还会使高压区的油液流回到低压区去,使泵的容积效率下降.(3)削弱了齿根的强度,为了避免根切,对齿轮进行修正.目前国内外广泛采用“增一齿修正法”来修正.1)理论中心距:Ao=21m(Z1+Z2)=42 2)齿轮节圆直径:D1=D2=m(Z+1)=45 3)齿轮齿顶圆的直径:De1=De2=mz+2ha*m=48 4)齿根圆直径 df1=df 2=d-2.5m=34.5 2.2.2 轴的设计 轴的结构和形状取决于下面几个因素：（1）轴的毛坯种类；（2）轴上作用力的大小及其分布情况；（3）轴上零件的位置、配合性质以及连接固定的方法；（4）轴承的类型、尺寸和位置；（5）轴的加工方法、装配方法及其他特殊要求。可见影响轴的结构与尺寸的因素很多，设计轴时要全面综合地考虑各种因素。对轴的结构进行设计主要是确定轴的结构形状和尺寸。一般在进行结构 5 设计时的已知条件有：机器的装配简图，轴的转速，传递的功率，轴上零件的主要参数和尺寸等。轴直径的计算公式：dC3/np=16(为标准直径系列)，考虑到齿轮宽 b=24，也即是键槽的长度 L=24，同时轴上需安装轴承，故可取短轴长度为 64，长轴长度为 112。轴上开有键槽，键槽两边开有卡簧槽。键的设计 由齿轮宽 b=24,可知键的长度为 24，再由轴径查键的深度和宽度，可知为 55。pm。齿轮泵的设计过程如 4 轴承的设计 由轴径 d=16 可查轴承的数据为内圈直径 d=16,外圈直径 D=20，宽度为 12 轴承的选择及润滑 2.2.3 轴承的选择及润滑 1.采用滚针轴承，滑动轴承还是滚动轴承采用滚针轴承，滑动轴承还是滚动轴承 滚针轴承的优点是:工作时一摩擦系数小，起动摩擦力矩小，机械效率高:既适用低转速也适合高转速;能在较大的温度范围内工作;抗杂质和污染能力强;但由于滚针轴承在工作时噪声大且轴承尺寸较大，结构布置不便等缺点，不宜选用滚针轴承。滚动轴承的优点：1）滚动轴承的摩擦系数比滑动轴承小,传动效率高。一般滑动轴承的摩擦系数为 0.08-0.12,而滚动轴承的摩擦系数仅为 0.001-0.005;2）滚动轴承已实现标准化、系列化、通用化,适于大批量生产和供应，使用和维修十分方便；3）滚动轴承用轴承钢制造,并经过热处理,因此,滚动轴承不仅具有较高的机械性能和较长的使用寿命,而且可以节省制造滑动轴承所用的价格较为昂贵的有色金属;4）滚动轴承内部间隙很小,各零件的加工精度较高,因此,运转精度较高。同时,可以通过预加负荷的方法使轴承的刚性增加。这对于精密机械是非常重要的;5）某些滚动轴承可同时承受径向负荷和轴向负荷,因此,可以简化轴承支座的结构;6）由于滚动轴承传动效率高,发热量少,因此,可以减少润滑油的消耗,润滑维护较为省事;7）滚动轴承可以方便地应用于空间任何方位的铀上。故本设计中选用滚动轴承。2.轴承的润滑轴承的润滑 轴承的润滑方式有高压润滑和低压润滑两种。一.高压润滑方式有：1）利用泄漏高压油进行润滑用于滚动轴承中；2）向轴承连续供给高压油；3）由压油腔向轴承脉冲供油；4）利用困油容积缩小时 6 向轴承脉冲供油；5）将高压油直接引入轴承孔内承载处进行润滑。由于高压油温度较高，粘度较低，使轴承的承载能力降低，并损耗一部分高压油，而使容积效率下降，故一般不宜采用高压润滑。二.低压润滑方式有：1）利用泵的内泄漏进行低压润滑；2）利用困油容积扩大时形成的真空实现低压油的自吸润滑；3）螺旋排油式低压润滑；4）螺旋吸油式低压润滑；5）利用辅助泵供油进行低压润滑。低压润滑方式使用较普遍，以利用泵的内泄漏进行低压润滑应用较多。对于滑动轴承来说，推荐采用螺旋吸油式低压润滑，如图 3-3 所示。其特点是可以获得充足的润滑油流量，进入轴承的油液温度较低，对轴承起到良好润滑和冷却作用；能改善泵的自吸性能，避免吸空现象。利用困油容积扩大时形成的真空实现低压油的自吸润滑，用于滑动轴承和滚动轴承都很理想。这种低压润滑方式值得注意的卸荷槽，应采用理想的特殊形状的卸荷槽，图 3-4 所示的三种卸荷槽形状可供参考。这种卸荷槽的特点是不但能保证困油在消除过程中有最大的通流面积，而且能保证当困油容积在扩张过程中，困油腔始终不与低压腔直接沟通。因此轴承能获得充分的润滑与冷却。图 3-5 所示是一种齿轮泵采用的轴承低压润滑系统，其原理与上述利用困油容积扩大时形成真空实现低压油的低压润滑相通。吸油腔的油液从通过孔道，从轴承底部空隙进入轴承油槽，然后经过齿轮端面环形槽、低压卸荷槽吸入困油容积。由于每对齿轮啮合时均有困油过程，使轴承不断补充脉冲的润滑油，改善了轴承的润滑与冷却条件，提高了轴承的承载能力。2.4 齿轮泵的常见问题及解决措施 2.4.1 困油问题及解决措施 为了使外啮合齿轮泵连续平稳工作要求齿轮啮合系数1。也就是至少要有两对齿在啮合，这样两对齿间就形成了封闭的小容腔。这个封闭的容腔被称为困油区见图（2.2）7 图（2.2）图（2.2）为齿轮泵困油现象原理图21AA为啮合线长度，2BA=CD=1AE 为周节bP。图（2.2）a 为一对齿在2A开始进入啮合前一对齿在 B 点仍处于（未退出）啮合状态。形成闭死容积 V=baVV，并为最大值。当齿轮按图示方向转动时 V 逐渐减小（aV变小，bV变大），当齿轮转至啮合点 C 和 D 与节点 P 对称时，V 为最小值，（图 b，aV=bV），当前一对即将脱离啮合时，V 达到最大值（图 c，aVbV）。由于油液的可压缩性很小，当困油容积内的油液受到挤压，油液压力急剧升高，会大大超过泵的工作压力。同时，困油容积内的油液会从一切可泄露的缝隙中被强行挤出，产生冲击和功率损失，并使油液发热，产生噪声和震动，而当困油容积由小变大时，其间会形成真空，使溶于油液中的空气分离出来，产生气泡，带来气蚀、噪声、震动、流量（压力）脉动等危害。8 齿轮泵的困油现象是不可避免的。一般采用在齿轮断面的端盖（或侧板、轴套、轴承座圈）上开卸荷槽的方法来消除困油现象。卸荷槽的结构形式多种多样，但卸荷的原则是相同的，即：在保证、高低压腔互不相通的前提下，设法使困油容积与压油腔或吸油腔相通。卸荷槽的形式一般有三大类：1.相对两齿轮中心线对称布置的双卸荷槽；2.相对两齿轮中心连线不对称布置的双卸荷槽；3.单个卸荷槽（仅吸油腔有或仅排油腔有）2.4.2 径向不平衡问题及解决措施 齿轮泵工作时从排油区到吸油区的压力是逐渐减小的。其原因是顶隙（缝隙流）的阻尼效应。这样，齿轮及其传动轴会受到排油区径向力不平衡力的作用，使齿轮及其传动轴被推向吸油区一侧。负载越大，作用效果越大。严重时，泵体的吸油区一侧会被齿刮伤，降低容积效益，同时产生较大的摩擦力影响机械效益，也减小泵的寿命。解决此问题的措施很多。最多采用的措施是通过减小排油口通径来减小径向不平衡。有的高压齿轮泵还采用了径向压力补偿措施。2.4.3 泄漏油问题及解决措施 齿轮泵工作压力难以提高的主要因素泄漏途径多，而且不易通过密封措施解决。主要的泄漏途径有：一是齿顶与泵体内表面之间的径向间隙泄漏（占总泄漏的 12%左右）；二是齿轮端面与泵盖之间的轴向间隙泄漏（占总泄漏的 70%80%以上）；三是齿轮啮合面的间隙泄漏。解决泄漏问题的措施是选用合适的来控制。通常径向间隙控制在0.130.16mm；轴向间隙控制在 0.030.04mm。高压级以上的齿轮泵还采用轴向压力补偿，或轴向、径向联合压力补偿措施控制间隙。2.4.4 齿轮泵的噪声及降低的措施 2.5 齿轮泵的噪声及其解决措施 2.5.1 齿轮泵的噪声 齿轮泵的噪声与其他液压泵相比是较高的。在额定工况下，低压齿轮泵约在75dB（A）左右，中高压及高压齿轮泵约有 7888dB(A)。齿轮泵噪声的产生，原因是多方面的，除去外界因素的影响，如吸油管及系统吸入空气、与原动机安装连接不良等，泵本身噪声的产生，主要原因有以下几点：1）泵的固定噪声，即齿轮泵几何学上的周期性变化引起的噪声，这是由于 9 齿轮泵在一转中流量及压力的周期性变化所造成的。2）齿轮泵吸入空气或在吸油腔形成真空溶解在油液中的空气析出等形成气穴现象而引起的强烈噪声。3）由于卸荷槽设计不合理或制造误差，困油现象未很好消除而产生噪声。4）泵中油液流经齿谷及进、出油口时，高速留底偶那个产生的紊流声。5）齿轮啮合不正确产生的噪声，这也是齿轮泵比其他液压泵噪声高的主要原因。由于齿形不正确，齿轮表面粗糙度较高，因齿轮的基节误差在旋转中产生冲击，因轴线不平行齿面接触不良，吃侧间隙过小等，均可造成较强的噪声。两啮合齿接触斑点的位置，对噪声的影响亦很大，接触斑点在中部较好，若在两端或仅有两个接触点，都将引起强烈的噪声。6）泵中机械振动引起的噪声。产生机械振动有两个原因：一是压力波动引起的；二是纯机械原因造成的。如轴承在工作过程中周期受力产生弹性变形，齿轮啮合等造成的机械振动，2.5.2 降低齿轮泵噪声的措施 降低齿轮泵噪声是一项综合性的研究工作，可以从以下几方面采取措施：1）正确设计、制造卸荷槽，困油现象。2）适当增加齿轮齿数（一般增加到 12 个齿），可以增加流动量脉动频率，减小脉动幅度。3）从齿轮泵结构上改进，减小径向力及齿轮啮合时的压力波动，如扩大低压区等。4）提高零件制造精度及装配质量，特别是齿轮及轴颈的精度。齿轮运动精度及工作平稳性精度应提高到 6 级。5）正确安装吸油管及密封，防止漏气及吸空现象的发生。液压泵噪声的测定，可参阅国际标准 ISO4412/1“空气传声噪声级测定试验范围第一部分：泵”的规定进行，其中比较难解决的是实验环境，采用的测试方法不同，实验环境的要求也不同。测试方法分工程法和精确法两种，工程法要求在“在反射平面上的自由场”或“特殊混响”条件下进行试验，其环境鉴定应符合 ISO3743 和 ISO3744 的要求；精确法要求在“消声”和“混响”环境下进行试验，要求采用 ISO3742 和 ISO3745 所规定的更为严格的环境鉴定程序和测试技术。目前，国内大多用“工程法”测试噪声。试验环境采用有一个反射面的半消声室，这种半消声室投资较省，又能满足 ISO3744 的要求。10 3 外啮合齿轮泵的泵体及端盖的设计及排量、流量的计算 3.1 泵体的设计 由齿轮的尺寸可确定泵体的长度为 129，宽度为 87，由齿轮的宽度可知泵体的厚度为 24。内部挖槽，可容下两个齿轮，泵体的两个端面均开有回油槽。泵体上开有 6 个直径为 8，完全贯穿的螺丝孔，开有 2 个直径为 10，完全贯穿的销孔通过 8 个孔与泵盖相连，对泵体进行约束。3.2 前端盖的设计 1.对称布置的双矩形卸荷槽 如图所示为有齿侧间隙的对称双矩形卸荷槽结构图。图中困油容积BV正处于最小位置，两个卸荷槽的边缘正好 和啮合点 D、E 相接。两卸荷槽之间的距离 a 应保证困油容积BV在到达最小位置前始终和压油腔相通，BV在最小位置时，困油容积BV既不和压油腔相通，也不和吸油腔相通，过了最小位置后又始终和吸油腔相通。因此对 a 的尺寸要求很严，若 a 太大，困油想象不能彻底消除；若 a 太小，又会使吸油腔和压油腔相通，引起泄漏，降低齿轮泵的容积效率。这种卸荷槽的主要尺寸计算公式如下：11 两卸荷槽的间距 a a=02coscostjAZm=28.7mm 式中 齿轮啮合角，A两个齿轮的实际中心距 图有齿侧间隙的对称双矩形卸荷槽 卸荷槽的最佳长度 c 卸荷槽的最小长度minc应等于实际啮合线长度 l（=jt）在中心线上的投影。卸荷槽的最佳长度 c 应大于minc，使卸荷槽两端刚好与两个齿轮的齿根圆相接。即 )2(222aRRci =cos)2(222jitRR 式中 iR齿根圆半径 3)卸荷槽深度 h h 的大小影响困油容积排油的速度，它与模数有关，可产考下表选取：（mm）模数 m 2 3 4 5 6 7 8 深度 h 1 1.5 2.5 4 5.5 7.5 10 实际应用中，根据齿轮泵结构不同，h 可在较大范围内变化，例如有侧板的齿轮泵，h 可以较小。有的资料推荐 h0.8m，亦可供参考。即 h=1.5mm 3.3 后端盖的设计 后泵盖的长度为 129，宽度为 87，厚度为 24。开有凸台，台内有密封圈。后端盖上开有 6 个直径为 8，完全贯穿的螺丝孔，开有 2 个直径为 10，完全贯穿的销孔。中间开有对称的卸荷槽 齿轮泵进、出油口尺寸如图所示。压出角d的大小，根据压力高低，是否逆转而定。压力高时为了减小轴承负载，希望d尽可能小，但受流速限制，出口流速不应超过 8m/s，也不能过小。需要逆转时，压出角d和吸入角s不需 12 逆转时，则sd。为了改善吸入性能，避免吸空，进口流速不应超过 4m/s,希望s应尽可能大些。一般地，d在9045之间选择，s在9076之间选取。为了提高高速泵的吸入性能，也可将s扩大到120。进、出油口流速计算公式为 FnqFQv60（m/s）式中 F进出油口面积（mm2）；n齿轮泵转速（r/min）。3.4 排量和流量的计算 影响排量变化因素 1）齿数的影响 排量 q 与齿数 Z 成正比，齿数多，排量大。但齿数多，泵的体积增大，如果保持体积不变，Z 增大时，排量减小。因此齿数不能太多，一般取 Z=820 为宜。要求流量脉动小的低压泵，可取 Z=1430。2）模数的影响 排量 q 与模数 m 的平方成正比，模数大，排量大。因此若要增加排量，适当增大模数比增加齿数更好。3）齿形修正的影响 齿轮泵的齿轮由于齿数小，大多采用修正齿。齿形修正不仅可以避免齿数 Z17 的产生根切，而且对排量也有一定的影响。当变位系数=00.3 时，变位齿轮泵比标准齿轮泵的排量大；当0.3 时，其排量比标准齿轮泵小。若采用双模数非对称渐开线齿形修正法，在齿数、齿顶圆外径不变的情况下，排量比采用一般修正法的齿轮泵为大。4）齿斜角的影响 根据法相变位斜齿轮即变位直齿圆柱齿轮泵的理论排量计算结果比较，可知当齿轮小时，增大，排量增加；反之，当齿宽大时，随着的增大，排量减小。5）侧隙的影响 齿轮泵有无间隙，排量的计算公式也不同。由有侧隙时的排量计算公式可见，随着侧隙的增大，排量增加。假想将齿轮展开成齿条，计算各齿槽的容积之和即为所求排量 Vp。Vp=2Vz=2Abz=htbz=22mbz（2.1）13 V任意工作腔容积（3m）；A齿槽端面积（2m）；b齿宽（m）；z齿数；h齿高，h=2m（m）；t齿距 t=m（m）；m模数（m）。考虑到简化的误差，以 3.33-3.5 代替，齿数少的取大值，通常按下式计算 Vp=6.662mbz 即 Vp=20.1L/min 理论流量 tpq=ippnV=6.662mbzipn =293m/h 14 4 外啮合齿轮泵的主要零部件加工工艺的设计 4.1 数控加工工艺简介 数控机床加工工艺是以机械制造中的工艺基本理论为基础，结合数控机床的特点，综合运用多方面的知识解决数控机床加工过程中面临的工艺问题，其内容包括金属切削原理与刀具、加工工艺、典型零件加工及工艺性分析等方面的基础知识和基本理论。本章的宗旨在于从工程实际应用的角度。通过齿轮泵的一些零件加工，合理设计加工工艺，充分发挥机床特点实现数控加工中的优质、高产、低耗。工艺制订原则主要是：抓住关键准确选择基准；把握重点采用合理工装保证；决定方法正确的工艺路线。依靠工艺人员的周密编制，结合操作者的现场经验集思广益，使齿轮泵零件的制造达到设计要求，实现优质高产是完全可能的。优质产品来源于优秀的设计，更是依赖于优良制造的可靠保证，而优良制造取决于完善的加工工艺。只有选择了正确的加工工艺，才能制造出高精度产品，降低生产成本，提高生产效率，为企业创造良好的效益。水泵零件的制造因品种多、结构复杂、用料广泛，以致加工难度大，工艺质量不易控制。尤以单件、小批量，品种多变的生产模式，工序相对较为集中，更加要求操作者掌握较全面的机械制造专业知识，具有良好的综合素质。齿轮泵零件结构简单，铸件占80%以上，主要为铸铁件、铸钢件和铸造不锈钢件；轴类零件较少，主要为优质碳钢、铬钢或不锈钢件。水泵零件的加工，因其具有进出油孔，在考虑定位装夹基准时必须找正孔的正确位置。避免装配后造成齿轮偏斜、错位、间隙不均甚至碰擦，影响产品质量。为了保证零件制造精度，需要设计相应的工装，并合理安排工艺流程控制工艺因素。现针对生产中容易出现的问题将工件装夹、加工要求、典型零件加工工艺浅析如下：15 4.1.1 工件的装夹：1、操作者必须在熟悉产品图样、工艺文件和工艺装备的基础上从事作业生产，避免盲目生产造成零件报废；2、在机床工作台面上安装夹具时，要擦净其定位基准面，并找正加工要求的相对位置；3、工件装夹前应将其定位面、夹紧面，夹具的定位面擦拭干净，不得有毛刺，保证定位精度；4、按工艺规定的定位基准装夹，定位基准符合以下原则：（1）、尽可能使设计基准、加工基准、检验基准重合，便于加工尺寸链的换算和测量；（2）、尽可能使各加工面采用同一定位基准，容易保证形位公差，如平行度、同心度、垂直度等；（3）、粗加工基准选取应结合后续工序的定位要求，有利于提高加工精度；（4）、精加工工序定位基准应是巳加工表面，使定位准确、加工精度高；（5）、选择的定位基准必须使工件定位、夹紧方便，加工时稳定可靠。5、夹紧工件夹紧力的大小适当，夹紧力的作用点应通过支承面，尽可能靠近加工面；对刚性较差或是悬空的工件，应增加辅助支承以增强刚性；6、夹紧精加工面应以铜皮作软垫保护，不损坏巳加工表面；7、加工面应尽可能靠近床头箱，选取适当刀具增强系统刚性，提高加工表面粗糙度。4.1.2 加工要求 1、操作者应根据图样技术要求和工艺文件的规定，及工件材质、精度要求、机床、刀具、夹具等情况，正确选择工艺路线，合理选择切削用量；2、对有公差要求的尺寸在加工时应尽量按中间公差加工；3、工艺规程未规定的粗加工表面粗糙度应不大于 Ra25;下道工序需淬火的表面粗糙度不大于 Ra6.3;铰孔前的表面粗糙度不大于 Ra12.5;磨削前的表面粗糙度应不大于 Ra6.3;16 4、粗加工的倒角、倒圆、槽深应按精加工余量加大或加深，保证精加工后达到设计要求；退刀槽切忌过深和锐角，以避免应力集中；5、图样或工艺中未规定的倒角和自由尺寸应按相关规定制作；6、本道工序产生的毛刺应在本工序去除；7、在大件加工过程中，应时常检查工件是否松动，以防影响加工质量或发生事故；8、粗、精加工在同一工序进行时，应考虑热胀冷缩、加工应力等因素影响最后尺寸精度；9、切削过程中，若加工系统发出不正常声音或粗糙度突然变坏，应立即退刀停车检查；10、正确使用量具，测量前注意校准，检验时切忌用力过大造成量具损坏或增大测量误差；11、加工后的工件应在规定的工位器具上摆放，以免损伤加工表面；12、加工后的工件应经专职检验员检验合格后转入下道工序。4.2 齿轮的加工工艺 4.2.1 圆柱齿轮加工工艺过程的内容和要求 圆柱齿轮的加工工艺过程一般应包括以下内容：齿轮毛坯加工、齿面加工、热处理工艺及齿面的的精加工。在编制工艺过程中，常因齿轮结构、精度等级、生产批量和生产环境的不同，而采取各种不同的工艺方案。编制齿轮加工工艺过程大致可以划分如下几个阶段：1)齿轮毛坯的形成：锻件、棒料或铸件；2)粗加工：切除较多的余量；3)半精加工：车、滚、插齿；4)热处理：调质、渗碳淬火、齿面高频感应加热淬火等 5)精加工：精修基准、精加工齿形 4.2.2 齿轮加工工艺过程分析 1、基准的选择 对于齿轮加工基准的选择常因齿轮的结构形状不同而有所差异。带轴齿轮主要采用顶点孔定位；对于空心轴，则在中心内孔钻出后，用两端孔口的斜面定位；孔径大时则采用锥堵。顶点定位的精度高，且能作到基准重合和统一。对带孔齿 17 轮在齿面加工时常采用以下两种定位、夹紧方式。（1）以内孔和端面定位 这种定位方式是以工件内孔定位，确定定位位置，再以端面作为 轴向定位基准，并对着端面夹紧。这样可使定位基准、设计基准、装配基准和测量基准重合，定位精度高，适合于批量生产。但对于夹具的制造精度要求较高。（2）以外圆和端面定位 当工件和加剧心轴的配合间隙较大时，采用千分表校正外圆以确定中心的位置，并以端面进行轴向定位，从另一端面夹紧。这种定位方式因每个工件都要校正，故生产率低；同时对齿坯的内、外圆同轴要求高，而对夹具精度要求不高，故适用于单件、小批生产。综上所述，为了减少定位误差，提高齿轮加工精度，在加工时应满足以下要求：1)应选择基准重合、统一的定位方式；2)内孔定位时，配合间隙应近可能减少；3)定位端面与定位孔或外圆应在一次装夹中加工出来，以保证垂直度要求。2、齿轮毛坯的加工 齿面 加工前的齿轮毛坯加工，在整个齿轮加工过程中占有很重要的地位。因为齿面加工和检测所用的基准必须在此阶段加工出来，同时齿坯加工所占工时的比例较大，无论从提高生产率，还是从保证齿轮的加工质量，都必须重视齿轮毛坯的加工。在齿轮图样的技术部要求中，如果规定以分度圆选齿厚的减薄量来测定齿侧间隙时，应注意齿顶圆的精度要求，因为齿厚的检测是以齿顶圆为测量基准的。齿顶圆精度太低，必然使测量出的齿厚无法正确反映出齿侧间隙的大小，所以，在这一加工过程中应注意以下三个问题：图（4-1）1)当以齿顶圆作为测量基准时，应严格控制齿顶圆的尺寸精度；2)保证定位端面和定位孔或外圆间的垂直度；3)提高齿轮内孔的制造精度，减少与夹具心轴的配合间隙；3、齿形及齿端加工 齿形加工是齿轮加工的关键，其方案的选择取决于多方面的因素，如设备条件、齿轮精度等级、表面粗糙度、硬度等。常用的齿形加工方案在上节已有讲解，在此不再叙述。齿轮的齿端加工有倒圆、倒尖、倒棱和去毛刺等方式。如图4-1所示。经倒圆、倒尖后的齿轮容易进入啮合状态，减少撞击现象。倒棱可除去齿端尖角和毛刺。图4-2是用指状铣刀对齿端进行倒圆的加工示意图。倒圆时，铣刀告诉旋转，并沿圆弧作摆动，加工完一个齿后，工件退离铣刀，经分度再快速向铣刀靠近加工下一个齿的齿端。18 图（4-2）齿端加工必须在淬火之前进行，通常都在滚（插）齿之后，剃齿之前安排齿端加工。4、轮加工过程中的热处理要求 在齿轮加工工艺过程中，热处理工序的位置安排十分重要，它直接影响齿轮的力学性能及切削加工性。一般在齿轮加工中进行两种热处理工序，即毛坯热处理和齿形热处理。加工出的齿轮如图（4-3）图（4-3）4.3 轴的加工工艺 4.3.1 轴类零件的功用、结构特点及技术要求 轴类零件是机器中经常遇到的典型零件之一。它主要用来支承传动零部件传递扭矩和承受载荷。轴类零件是旋转体零件，其长度大于直径，一般由同心轴的外圆柱面、圆锥面、内孔和螺纹及相应的端面所组成。根据结构形状的不同，轴类零件可分为光轴、阶梯轴、空心轴和曲轴等。轴的长径比小于5的称为短轴，大于20的称为细长轴，大多数轴介于两者之间。轴用轴承支承，与轴承配合的轴段称为轴颈。轴颈是轴的装配基准，它们的精度和表面质量一般要求较高，其技术要求一般根据轴的主要功用和工作条件制定，通常有以下几项：1.尺寸精度 19 起支承作用的轴颈为了确定轴的位置，通常对其尺寸精度要求较高（IT5IT7）。装配传动件的轴颈尺寸精度一般要求较低（IT6IT9）。2.几何形状精度 轴类零件的几何形状精度主要是指轴颈、外锥面、莫氏锥孔等的圆度、圆柱度等，一般应将其公差限制在尺寸公差范围内。对精度要求较高的内外圆表面，应在图纸上标注其允许偏差。3.相互位置精度 轴类零件的位置精度要求主要是由轴在机械中的位置和功用决定的。通常应保证装配传动件的轴颈对支承轴颈的同轴度要求，否则会影响传动件（齿轮等）的传动精度，并产生噪声。普通精度的轴，其配合轴段对支承轴颈的径向跳动一般为0.010.03mm，高精度轴（如主轴）通常为0.0010.005mm。4.表面粗糙度 一般与传动件相配合的轴径表面粗糙度为 Ra2.50.63m，与轴承相配合的支承轴径的表面粗糙度为 Ra0.630.16m。4.3.2 轴类零件的毛坯和材料 1.轴类零件的毛坯 轴类零件可根据使用要求、生产类型、设备条件及结构，选用棒料、锻件等毛坯形式。对于外圆直径相差不大的轴，一般以棒料为主；而对于外圆直径相差大的阶梯轴或重要的轴，常选用锻件，这样既节约材料又减少机械加工的工作量，还可改善机械性能。根据生产规模的不同，毛坯的锻造方式有自由锻和模锻两种。中小批生产多采用自由锻，大批大量生产时采用模锻。2.轴类零件的材料 轴类零件应根据不同的工作条件和使用要求选用不同的材料并采用不同的热处理规范（如调质、正火、淬火等），以获得一定的强度、韧性和耐磨性。45钢是轴类零件的常用材料，它价格便宜经过调质（或正火）后，可得到较好的切削性能，而且能获得较高的强度和韧性等综合机械性能，淬火后表面硬度可达4552HRC。40Cr 等合金结构钢适用于中等精度而转速较高的轴类零件，这类钢经调质 20 和淬火后，具有较好的综合机械性能。轴承钢 GCr15和弹簧钢65Mn，经调质和表面高频淬火后，表面硬度可达5058HRC，并具有较高的耐疲劳性能和较好的耐磨性能，可制造较高精度的轴。精密机床的主轴（例如磨床砂轮轴、坐标镗床主轴）可选用38CrMoAIA 氮化钢。这种钢经调质和表面氮化后，不仅能获得很高的表面硬度，而且能保持较软的芯部，因此耐冲击韧性好。与渗碳淬火钢比较，它有热处理变形很小，硬度更 高的特性。图（4-5）4.3.3 轴的加工 1.轴类零件的加工有几种方式 轴类要分精度高的，和一般的，精度高的要用中心孔两头顶起加工，这样可以保正轴的每档尺寸的同心度。也有利下道工序磨床加工。长轴要用中心架，细轴要用根刀架。对于一般要求的可一头用三爪卡盘夹。