X6232C齿轮加工工艺及其齿轮夹具和刀具设计讲解.doc

摘要

齿轮的加工工艺要以齿轮的零件图为依据，根据齿轮的加工面及其精度进行基准面、切削参数、走刀路线等加工内容的确定，以提高加工效率和齿轮的加工精度。X6232C齿轮是铣床的重要传动部件，本文主要进行了X6232C齿轮的加工工艺的制定，包括定位基准的选择、表面加工方案的选择、工艺路线的拟定等内容，然后对插齿工序的专用夹具进行了设计，以满足加工要求，最后进行了齿面加工的插齿刀具的设计。
关键词：X6232C齿轮；加工工艺；夹具；刀具
目录
摘要 1
目录 2
1. 绪论 3
1.1 研究背景及意义 3
1.2 齿轮加工相关概述 3
1.2.1 齿轮加工概述 3
1.2.2 夹具设计概述 3
1.2.3 刀具设计概述 4
1.3 本文的主要研究内容 4
2. X6232C齿轮的加工工艺 5
2.1 定位基准的选择 5
2.2 表面加工路线的确定 6
2.3 工艺路线的拟定 6
2.4 工序设备及工艺装备 7
2.5 加工余量、工序尺寸和公差的计算 7
3.夹具设计 8
3.1 定位基准的选择 8
3.2 切削力及夹紧力计算 8
3.3 定位误差分析 8
3.4 相关说明 9
4. 刀具设计 10
5.总结 15
参 考 文 献 16
致 谢 17

1. 绪论
1.1 研究背景及意义
齿轮是重要的传动装置，可以实现较大的变速范围，而且具有较大的承载能力和能量传递效率，在各种机械设备中都有广泛应用。我国的齿轮制造水平已经有了很大提高，对于普通齿轮的加工已经具备了较高水平，不过在精密齿轮和大型齿轮的加工上仍存在一定的差距。齿轮装置在传递运动和力的过程中由于单齿啮合和双齿啮合的现象，会产生一定的冲击，进而影响到齿轮的疲劳强度，所以齿轮往往需要进行一定的热处理提高齿轮承受交变载荷的能力，热处理的工艺水平对齿轮寿命会有很大的影响。齿轮廓形的加工精度会影响到齿轮系统间隙的大小，精度低往往导致较大的间隙，造成系统的冲击和噪音水平上升，降低了齿轮的工作寿命和装置的质量水平。如何选择合适的工艺工序进行齿轮加工过程的优化，选用和设计合适的夹具和刀具是需要考虑的问题。所以本文对X6232齿轮加工和夹具刀具设计的研究具有一定的现实意义。
1.2 齿轮加工相关概述
1.2.1 齿轮加工概述
传统的齿轮加工方法采用的是仿形法，根据齿轮的轮廓形状采用铣床加工的方法；现在齿轮加工应用比较普遍的是范成法，根据齿轮的模数、压力角等参数设计出相应的刀具，采用插尺或滚齿加工的方法进行加工，这种加工方式加工精度高，而且便于大批量生产，在现代化的齿轮加工中应用广泛。齿轮的加工工艺涉及到毛坯选择到零件成型检验的一系列加工过程，有毛坯尺寸的计算、加工方式的选择、切削参数的确定等内容。齿轮的加工工艺要以齿轮的零件图为依据，根据齿轮的加工面及其精度进行基准面、切削参数、走刀路线等加工内容的确定，以提高加工效率和齿轮的加工精度。
1.2.2 夹具设计概述
夹具是在零件加工过程中实现零件的装夹和定位的功能，是零件加工过程中的辅助工具。在一些复杂零件的加工过程中，采用传统夹具不能实现零件的定位和夹紧功能，或者不能满足加工精度的要求，就需要进行了专用夹具的设计来完成加工过程。首先要根据零件的结构和设计需求选择合适的基准面，进行零件的定位，然后选择加紧方式以便于零件的快速有效的装卡。随着夹具设计的不断创新，很多夹具实现模块化，能够和机床进行很好的对接，提高了加工效率，而且降低了夹具设计加工的成本。
1.2.3 刀具设计概述
刀具要完成零件的切削任务，在普通的机加工方式中，都要求刀具的硬度要高于所切削零件的硬度，所以在刀具材料的选择上一般选用高碳钢、高速钢、硬质合金、陶瓷等高硬度的材料。刀具结构上往往采用复合式的刀具结构，坯体选用疲劳强度和韧性较好的材料，刀片选用硬度较高的材料，采用粘接、焊接等方式固定在一起。刀具的结构参数要根据齿轮的模数、压力角等参数进行确定，还要考虑到加工过程中的切削力和一定的冲击作用的存在，提高刀具设计的可靠性和刀具寿命。
1.3 本文的主要研究内容
本文主要对X6232齿轮的插齿加工的加工工艺进行了分析制定，然后选取了其中某一加工工序进行了夹具和刀具的设计。

2. X6232C齿轮的加工工艺
X6232C齿轮的零件图如图2.1所示。对零件图进行简单分析，重要的配合尺寸是带键槽的内孔和外圆配合面，对尺寸精度和表面粗糙度的要求较高；而3mm的沟槽主要是用作油槽，螺纹孔主要是起连接作用，对精度和表面粗糙度的要求都比较低。在进行齿轮加工工艺的制定时还要考虑到齿轮的精度要求、生产批量，而且要根据实际的加工条件，确保制定的工艺路线能够实现。X6232C齿轮在工作状态下会承受较大的冲击载荷和交变载荷，对材料的疲劳强度和承载能力要求较高，综合考虑选用齿轮毛坯的材料为40Cr。零件的外形结构尺寸较小，而且属于小批量生产的零件，所以选择自由锻的毛坯，锻件具有较好的韧性和较高的疲劳寿命。
图2.1 X6232C齿轮零件图
2.1 定位基准的选择
基准主要分为设计基准和工艺基准，理想的零件结构和加工工艺是两个基准能够重合，保证零件从设计到装配的整体精度。定位基准是工艺基准中最重要的基准，主要分为粗基准和精基准，二者的选择影响到零件的最终加工精度。
粗基准主要是指零件第一道工序的定位基准，选择粗基准时，考虑的重点是表面加工余量和图纸的尺寸位置要求，会选取重要表面、不加工表面、加工余量小或者加工面积较大的面作为粗基准。该零件的各个表面都要进行加工，选择外圆和端面，同时考虑到表面质量和定位的可靠性，选择外面Φ70及左端面作为X6232C齿轮加工的粗基准。
精基准的选择要尽可能保证加工精度，而且便于零件的装卸和加工。一般采取基准重合、基准统一、互为基准和自为基准的原则。针对本零件，内圆表面便于装卡，而且长度较大定位准确可靠；通过一次装卡可以完成多到加工工序，减少了二次装卡造成的精度下降的问题；同时配合零件的左端面完成零件的完全定位。所以精基准选用Ф28H7孔及左端面。
2.2 表面加工路线的确定
各加工表面的加工路线是根据零件表面的尺寸公差、形位精度和表面粗糙的要求进行确定的。几种表面的经济精度和表面粗糙度的加工方案如表2.1所示
加工表面
加工方案
经济精度
表面粗糙度
外圆表面
A
粗车-半精车
IT8~10
6.3~3.2
B
粗车-半精车-精车
IT7~8
1.6~0.8
内孔
A
钻-铰
IT9
3.2-1.6
B
钻-扩-铰
IT8~9
3.2~1.6
端面
A
粗车-半精车
IT9
6.3~3.2
B
粗车-半精车-精车
IT7~8
1.6~0.3
参考表2.1中的数据制定表面的加工方案如表2.2所示
加工表面
加工方案
Ф70外圆面
外圆表面B加工方案
3沟槽和Ф55处沟槽
粗车
Ф28内孔
内孔B加工方案
M8螺纹孔
钻孔-攻螺纹
右端面表面
端面B加工方案
左端面表面
端面A加工方案
齿面
插齿刀具加工
槽
插槽刀进行插削加工
2.3 工艺路线的拟定
加工过程一般是先完成端面、内孔等表面的加工，然后完成齿面的加工，后续工序安排应当遵循粗精分开和先面后孔的原则。分析制定的加工路线为：
工序Ⅰ：以左端面及左端面处外圆定位，粗车外圆，粗车右端面。
工序Ⅱ：以粗车出来的外圆及右端面定位，粗车左端面，粗车外圆，车沟槽和。
工序Ⅲ：以外圆及右端面定位，半精车左端面，半精车→精车外圆。
工序Ⅳ：以左端面及外圆定位，半精车→精车右端面，半精车外圆，倒角。
工序Ⅴ：以左端面及外圆定位，钻孔，然后扩→铰孔，倒角。
工序Ⅵ：以外圆及右端面定位，钻M8螺纹孔.
工序Ⅶ：以孔及端面定位，插齿。
工序Ⅷ：以孔及端面定位，插键槽。
工序Ⅸ：攻M8螺纹。
工序Ⅹ：钳工去毛刺。
工序Ⅺ：终检，入库。
2.4 工序设备及工艺装备
各工序的机床、夹具的选择如表2.3所示
工序
机床
夹具
刀具
工序Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ
C620-1型卧式车床
三爪自定心卡盘
硬质合金车刀
工序Ⅴ、Ⅵ、Ⅸ
Z3025摇臂钻床
专用夹具
钻头和丝锥
工序Ⅶ
Y58型插床
专用夹具
专用插齿刀具
工序Ⅷ
BA5063型插床
专用夹具
高速钢插槽刀
2.5 加工余量、工序尺寸和公差的计算
根据加工手册查得锻件各外径的单边余量为3mm，各轴向尺寸的单边余量亦为2.5mm，锻件中心孔的单边余量为2.6mm。计算得到齿轮毛坯尺寸如表2.4所示
零件尺寸
单面加工余量
锻件尺寸

3

3

72.5
2.5
77.5

2.6

3

得到的毛坯图如图2.2所示

图2.2 毛坯图

3.夹具设计
夹具设计时要能完成零件的精确定位，还要装卡可靠，便于拆卸。进行了第Ⅶ道工序的夹具设计。
3.1 定位基准的选择
选用内孔为定位基准，采用心轴定位方式。该定位方式定位面较大，定位可靠，而且有利于提高定位精度。
3.2 切削力及夹紧力计算

计算公式
相关参数
结果
切削力

2557N
夹紧力

K=
6393N
采用压板压紧端面的方式进行零件的夹紧，计算得实际夹紧力为9448N，满足要求。
3.3 定位误差分析
误差类型
项目
计算结果
加工误差
心轴定位误差0mm
0.0278mm
夹紧误差0.268mm
磨损加工误差0.005mm
夹持加工误差0.01mm
定位误差
工件孔的制造公差 0.021mm
0.018
心轴的制造公差 0.015mm
定位副的最小间隙 0
误差总和为0.0468mm<0.2mm，满足要求。
3.4 相关说明
在装夹工件时首先进行零件清洗，先用六角螺母把定位元件心轴（装配过程中不允许磕、碰、划伤和锈蚀）装在夹具体上，然后把夹具体固定在工作台上，接着装上待加工零件，然后采用手动夹紧的方式把压板、开口垫圈等固定在工件上端面。加工完成后，先将夹具体最上面的六角螺母拧下，取下零件上方的夹具零件，然后取下已加工好的零件，若要还要加工下个零件可以此时装上下一个待加工零件，然后再装上零件上方的夹具零件就可以接着加工。

4. 刀具设计
刀具材料选用W18Cr4V，相关参数的计算如表4.1所示。
序号
计算项目
符号
计算公式或选取方法
计算精度
计算结果
1
前角

通常选取=

=
2
齿顶后角

通常对=时
取

=
3
齿数

查参考文献[5]表2.4-2
根据模数选取

采用公称分圆的盘形插齿刀=30
4
齿顶高系数

=´
式中´为被切齿轮原始齿条的齿根高系数
0.01
=1.25
求最大变位系数
5
允许齿顶厚

[]=-0.0107m+0.2643m
+0.3381
0.01
[]=1.00
6
计算参数

0.01
=0.40
7
查图求x值

由已计算出的，的值由参考文献[5]图2.4-2（a）查处
0.01
查得：
=0.20
8
共轭齿轮的齿合角

0.0000001

cos=0.9348018
sin=0.3551698
9
共轭齿轮中心距

0.001
=95.497
10
被切齿轮和插齿刀的齿合角

0.00000001

0.00001
=21.08415
cos=0.9330531
sin=0.3597387
11
被切齿轮和插齿刀的中心距

0.001
=76.793
12
插齿刀齿顶圆半径

=
0.001
=41.125
13
插齿刀基圆半径

=
0.001
=35.328
14
计算参数

将8-13项的计算结果代入不等式（参考文献[5]式2.4-3）中如果不等式不能成立，则说明发生过渡曲线干涉，此时必须减少x值或增加插齿刀的齿数后重新计算

左边=8.274
右边=6.423
左边>右边，符合要求，所以取
=0.20
求最小变位系数
15
保证被切齿轮不发生顶切时插齿刀与被切齿轮的最小齿合角

tg=
0.0000001

0.00001
=16.74536
inv=0.0089788
sin=0.2881187
cos=0.9575947
16
保证被切齿轮不发生顶切的最小变化系数

=
0.01
=-0.50
17
验算插齿刀在切削齿轮时是否发生根切

将16项结果代入公式（参考文献[5]式2.4-4）中验算是否发生根切

0.001
=74.825

0.001

0.001
左边=3.989>0
符合参考文献[5]式2.4-4的要求，所以取取
18
原始截面到前端面距离

=
0.1
=4.8
19
厚度
B
B=
整数
B=17+（）
查参考文献[5]
表2.4-3取B=17
20
修正后齿形角
´
tg´=

´=20.17071=
2010´15´´
cos´=
0.9386695
sin´=
0.3448184
21
侧刃后角

tg= sin´tg
0.0000001
=25´
22
分圆直径

=m
0.001
=75
23
齿形角修正后的基圆直径
´
´=´

´=70.400
原始截面上的齿形尺寸
24
齿顶高

=
0.01
=3.13
25
分圆弧齿厚

=
0.001
=3.927
26
齿全高

=2
0.01
=6.26
前端面上的齿形尺寸
27
齿顶高

=+tg
0.01
=3.63
28
分度弧齿厚

=+2tgtg
0.001
=4.294
29
顶圆直径

=+2
0.01
=82.26
30
根圆直径

=-2
0.01
=69.74
31
前刃面齿顶高
´
´=
0.01
´=3.64
32
其它结构尺寸

查参考文献[5]表2.4-22.4-7选取

在距前端面2.5mm处进行齿形检验，计算检验用的展开角
33
顶圆上的展开角
φ
φ=57.29578tg
式中——齿顶圆压力角
cos=
0.0000001

0.00001

1´
=31.78674
tg=
0.6197059
φ=3530´
34
齿形有效部分起始点展开角
φ
φ=57.29578tg
式中——齿形有效部分起始点压力角
tg=tg´-
式中´——被切齿轮的原始齿条齿顶高系数
0.0000001

1´
tg=0.1812925
φ=1023´
35
有效部分展开角
φ
φ=φ-φ
1´
φ=257´
36
齿根圆压力角

cos=,当时，以处计算齿间宽
0.0000001

0.00001
，所以以
处计算
=0，inv=0
37
根圆齿厚

=
0.01
=5.03
由于是基圆直径代入，所得为基圆齿厚
38
根圆齿间宽

=如<，磨齿形时有困难，可适当减少
0.01
=2.27>
由于是基圆直径代入，所得齿间宽为基圆齿间宽
设计完成后的刀具如图4.1所示。

图4.1 插齿刀
5.总结
本文主要进行了X6232C齿轮的加工工艺的制定，包括定位基准的选择、表面加工方案的选择、工艺路线的拟定等内容，然后对插齿工序的专用夹具进行了设计，以满足加工要求，最后进行了齿面加工的插齿刀具的设计。通过本次设计对齿轮加工的相关内容有了更加深刻的了解和认识，对加工工艺的拟定、夹具设计和刀具设计都有了更多的体会，能够更好地将理论和实际进行结合。
参 考 文 献

[1]吴宗泽、罗圣国.机械设计课程设计手册[M].北京:高等教育出版社,2004.4.
[2]李益民.机械制造工艺设计简明手册[M].北京：机械工业出版社,1994.7.
[3]孟少农.机械加工工艺手册第1卷[M].北京：机械工业出版社,1991.9.
[4]黄如林.切削加工简明实用手册[M].北京：化学工业出版社,2004.7.
[5]四川省机械工业局.复杂刀具设计手册[M].北京：机械工业出版社,1979.9.
[6]李洪.机械加工工艺手册[M].北京：北京出版社,1990.12.
[7]艾兴,肖诗纲.切削用量简明手册第3版[M].北京：机械工业出版社,1993.
[8] 东北重型机械学院,洛阳工学院,第一汽车制造厂职工大学.机床夹具设计手册第二版[M].上海：上海科学技术出版社,1994.4.
[9]东北工学院机械设计,机械制图教研室.机械零件设计手册[M].北京：冶金工业出版社,1974.4.
[10]李儒荀.刀具设计原理与计算[M].江苏：江苏科学技术出版社,1985.5.

致 谢

时光荏苒，岁月如梭，四年的大学生涯即将结束，值此论文完成之时，谨向所有帮助过我的老师同学和我的家人表示诚挚的谢意。
首先感谢我的指导老师XXX老师在大学生涯即将结束之时指导了我的论文写作工作，毕业论文是对我大学四年学习的考验，也是总结与回顾。自确定论文题目伊始，XXX老师为我倾注了大量的心血，指导我查找相关的专业文献和资料，同时对我论文提纲的确立和后期写作提出了很多宝贵的意见。有幸在老师的指导下完成了此篇论文，谨在此向我的指导老师XXX老师表达我诚挚的敬意和感激之情。
还要感谢在这四年生活中为我传道授业的老师，还有不断关心帮助我的同学和朋友，他们既让我学到了很多专业相关的知识，也是我学到了很多做人的知识，正是由于他们，我才能在各方面取得显著的进步。我还要感谢我的家人，正是他们的支持和鼓励给了我不断前进的动力，激励我在学习上不断拼搏进步，取得了今天的成绩。
感谢各位专家的批评指导