屈文平：齿轮零件的机械加工工艺过程及及进行滚齿加工用的夹具设计.doc

齿轮零件的机械加工工艺过程及进行滚齿加工用的夹具设计
第一部份　　齿轮零件的机械加工工艺过程
1、定位基准的选择
在零件的加工过程中,合理的选择定位基准对保证零件的尺寸精度和位置度有着决定性的作用。根据工件加工要求确定工件应限制的自由度数后，某一方向自由度的限制往往会有几个定位基准可选择，则提出了如何正确选择定位基准的问题。定位基准有粗基准和精基准之分。
1.1. 粗基准的选择原则：
（1）尽量选择不要求加工的表面作为粗基准.这样可使加工表面与不加工表面之间的位置误差量最小,同时还可以在一次装夹中加工出更多的表面。
（2）若零件的所有表面都要加工,应选择加工余量和公差最小的表面作为粗基准.这样可保证作为粗基准的表面在加工时,余量均匀。
（3）选择光洁 、平整、面积足够大、装夹稳定的表面作为粗基准。
（4）粗基准一般只在第一到工序中用,以后应避免重复使用。
1.2．精基准的选择原则:
基准重合的选择原则。尽可能的用设计基准作为定位基准,这样可避免因定位基准与设计基准不重合而引起的定位误差,以保证加工表面与设计基准间的位置精度。
基准同一原则.一尽可能多的表面加工都用同一个定位基准,这样有利于保证各加工面之间的位置精度。
选择面积大、精度较高、安装稳定的表面作为精基准,而且所选的基准使夹具结构简单,装夹和加工方便。
综合上面的粗基准和精基准的选择原则,为使基准同一和基准重合,齿轮加工时常选内孔和端面作为精基准加工外圆和齿轮,用作精基准的端面和内孔要在一次装夹中加工出来以保证两者之间的垂直度,但是在加工大型齿轮时可用外圆作找正基准,但此时应保证内孔与外圆同轴。所以加工本设计齿轮用齿轮外圆和端面作为粗基准,用内孔和端面作为精基准。
2.、装夹方法
在加工齿轮时在滚齿机上一般用心轴装夹,滚齿心轴夹具
3.、加工工艺问题
(1)、基准修正
齿形表面淬火后,内孔会受到影响而变形:一般的孔直径会缩小0.01-0.05mm,因此淬火后应安排精基准修正工序.修正的方法有推孔和磨孔,也可以用镗孔。推孔是用推刀进行的,用压力机将推刀强行从孔中间推过既可。此法生产率较高,一般不要留推孔余量。对精度要求较高的或是淬硬后的孔、直径大而短的孔则应采用,磨孔工艺,磨孔必须留有磨削余量。
(2)、齿轮加工方案
保证齿轮精度是齿轮加工的主要工艺问题,轮齿的加工方案主要取决于加工精度和热处理要求。
根据各个加工精度等级的加工方案如下:
8级以下精度的齿轮多采用:滚(插)齿→齿端加工→热处理→修正内孔。因热处理后的齿面不再加工,为弥补热处理变形,热处理前的齿形加工精度应比设计图纸上的精度要求要提高一级。
6-7级精度的齿轮有两个方案。剃-珩方案:滚(插) →齿端加工→剃齿→表面淬火→修正基准→珩齿。此方案生产率高、设备简单、成本较低,一般用于6级精度或热处理变形较大时。
5级以上精度的齿轮采用的方案为粗滚(插)齿→精滚(插)齿→齿端加工→淬火→修正基准→粗磨齿→精磨齿。此方案精度最高,但成本高,生产率最低。
参考文献<<金属工艺学>>表2.3.2齿形加工方案,得出各方案所达到的齿面加工质量如下表:

加工方案 精度等级 齿面的表面粗糙度Ra/mm 适用范围   
成形法铣齿 9级以下 6.3～3.2 单件小批生产中加工直齿和螺旋齿轮及齿条 
展成法
 滚齿 8～7 3.2～1.6 各种批量生产中加工直齿、斜外啮合圆柱轮和蜗轮   
  插齿 8～7 1.6 各种批量生产中加工内外圆柱齿轮、双联齿轮等   
  剃齿 7～6 0.8～0.4 大批量生产中滚齿或插齿后未经淬火的齿轮精加工   
  珩齿 7～6 1.6～0.4 大批量生产中高频淬火硬齿形的精加工   
  磨齿 6～3 0.8～0.2 单件小批生产中淬硬或不淬硬的精加工   
  研齿  0.4～0.2 淬硬齿轮的齿形精加工,可有效地减小齿面的Ra 值 
由设计图纸给出的加工精度和热处理要求确定齿轮的加工方案如下:
滚齿→热处理→修正基准→剃齿
(3)、热处理的安排
由设计图纸上的技术要求,热处理工序在工艺过程中的安排如下： 
    正火      调质  表面渗碳淬火及低温回火
     ↓        ↓        ↓
毛坯 → 粗加工 → 半精加 → 精加工
①正火。大多数锻件都要经过正火处理,一般安排在毛坯制造和粗加工之间,以改善金属的机械切削性能。
②调质。调质可获得良好是机械性能,调质后仍可用刀具进行加工,因而一般安排在粗精加工与半精加工之间,这样有助于消除粗加工产生的内应力。
③渗碳。经渗碳后表层与心部含碳量相差明显,表现出表面硬、耐磨和心部韧性和朔性好的特点。渗碳后的工件一般要经过淬火和低温回火处理,使表面层有回火马氏体结构和消除渗碳过程中形成的粗晶粒结构。
④淬火。这种方法是快速加热使工件表层奥氏体化,不等心部组织发生变化,立即快速冷却,表层起到淬火作用,其结果是表层获得马氏体组织,而心部仍然保持朔性,韧性均匀的组织,工件各部都能满足使用要求。
⑤低温回火。经过低温回火的工件的硬度没有发生大的变化(HRC60左右),但是应力减少了很多。
(4)、制定工艺路线
根据各表面加工要求和各种加工方法能达到的经济精度，确定各表面的加工方法如下：
齿坯外圆：粗车－精车；
齿坯端面：由设计图纸上的要求，齿坯的小端面的表面粗糙度要求是1.6，而大端面的表面要求较低，但是在加工齿轮的整个过程中都要用到端面作为精基准，所以端面的加工方法为：先粗车后精车，同时也可以保证尺寸21.5；
内孔：由于毛坯采用的是锻造的，所以内孔先经过粗车，精车后再用镗孔的方法加工以保证它的精度等级表面质量1.6和跳动精度控制在0.056；
齿行的加工：先滚齿，精度等级还不能达到，而且热处理后内孔回缩小，所以要基准修配，然后在经过精加工用镗孔的方法来保证齿形的精度等级。
综合上面的分析，工艺路线确定如下：

序号 工　　序　　内　　容   
1 锻造毛坯   
2 热处理－正火   
3 粗车各外形   
4 调质   
5 精车各部分   
6 滚齿   
7 齿端加工－倒角   
8 钳工－去毛刺   
9 热处理－齿面渗碳淬火及低温回火处理   
10 钳工－划键槽加工线   
11 插键槽   
12 钻通孔   
13 攻丝   
14 磨端面   
15 镗孔   
16 剃齿   
17 检验 
（5）、选择加工设备及刀具
由于生产类型为大批量生产，故加工设备宜以通用机床为主，辅以少量专用机床。其生产方式为以通用机床加工专用夹具为主，辅以少量专用机床的流水生产线。工件在各机床上的装卸及各机床之间的传送均由人工完成。
车床的选择：
根据设计图纸上的设计尺寸，最大外径为Φ750.14加上加工余量，其直径比较大．查＜＜机械加工工艺设计手册＞＞一般的车床难以加工，由手册表４-２立式车床，选择立式车床Ｃ512-1A，其技术规格如下表：

技术指标 C512   
垂直度刀架加工最大直径 1250   
倒刀架加工最大直径 1120   
工件最大高度 900   
工件最大质量（Ｔ） 2   
工作台直径 1030   
工作台转速 7.5-150   
刀架数量：水平
垂直  1   
  1   
垂直刀架最大行程：水平
垂直  630   
  690   
垂直刀架最大回转角  40 
滚齿机的选择:
由参考文献<<机械制造工艺设计手册>>表4-25滚齿机,选择Y31125型滚齿机,其技术规格如下:

技术规格 Y31125   
加工齿轮最大直径:
用外支架时
不用支架时 
-
1250   
加工斜齿轮最大直径:
当旋转角为30°时
当旋转角为60°时 
-
-   
加工齿轮最大宽度: 550   
加工齿轮最大模数: 12   
加工齿轮最大螺旋角: -   
滚刀最大直径: 200   
滚刀心轴最大直径: 27、32、40 
剃齿机的选择:
由参考文献<<机械制造工艺设计手册>>选择剃齿机Y42125,其技术要求如下表:

技术规格 Y42125   
加工齿轮直径:外啮合
内啮合 200-1250
600   
加工齿轮模数 2-8   
加工齿轮宽度 200   
剃齿刀直径 300   
剃齿刀宽度 -   
刀架最大回转轴  20°   
工件与剃齿刀的中心距 140-770 
镗床的选择:
由参考文献<<机械制造工艺设计手册>>选择镗床T616,最大加工直径为240mm。
(6)、加工工序设计
①、工序3粗车毛坯外圆与工序5精车外圆
查参考文献<<金属实习>>表9-5机械加工的工序余量,粗车的工序余量为1.5～4mm,取余量为2mm,精车的加工余量为0.2～2.5mm,取精加工精度Z =2,已经知道毛坯外圆的加工余量为4,故粗加工余量Z =4-2=2mm由参考文献<<机械制造加工设计手册>>立式车床的进给量f=1.5～2.0mm取f=2.0(mm/r),粗车走刀一次 a =2.0mm.由设计手册得粗车加工的公差等级为IT13～IT11,取IT11,T=0.4mm;精加工的公差等级为IT8～IT7,取IT=0.063;所以X =754 0.2,精加工后的尺寸为752
校核加工余量Z :
     Z =X -X
          =(754-0.4)-752
          =1.6<2
  故余量足够.
机床的校核:
粗车工序3:由参考文献取粗车进给量为0.2m/r,粗车走刀一次a =2mm,由参考文献<<机械制造工艺设计手册>>取270r/mm,故切削速度为:V = =3.14*
754*270/1000=206
查<<机械制造技术>>表2.1得
单位切削力P=1962N/mm
F =P*A =1962*0.3*2=1177.2
P = =1172*206*10 /60=4.02KW
由参考文献得C512-1A的功率为28KW,取机床的效率为0.85则28*0.85=23.8>4.02
所以机床的功率满足。
第二部份　进行滚齿加工用的夹具设计
2.1夹紧原理简介
本夹具以内孔及端面在斜面定心机构上定心。在压板4上装有三个可摆动的压爪5，压爪5的一端通过滑柱6压在圆板7上，另一端压在盘形压板2上，旋紧螺母3，圆板7带动三个长销（或楔块）8向下移动，将工件定心夹紧；同时盘形压板2将工件轴向夹紧。松开工件时，借碟形弹簧1的作用，是盘形压板2和长销8向上移动，取下盘形压板2即可卸下工件。零件二维图如图2.1所示：

图2.1 加工大型齿圈用滚齿机夹具装配模型
2.2夹具设计
大量工程经验和实践可知，设计夹具时有以下基本要求：
1、满足使用要求，应保证工件装夹时定位可靠、夹紧牢固，并能保证精度要求。良好的结构工艺性，所设计的夹具应便于制造、装配、调整、维修、且便于加工中切屑的清理。
2、使用安全省力，操作方便，有利用实现优质、高产、低耗、改善劳动条件。
3、应尽量使用标准件、通用件、借用件等，以提高标准化、通用化、系列化的水平，降低生产成本。
在基本要求中，由于每个机床的工作方式不同，所以机床夹具又各自具备不同的特点。
根据齿轮齿形的形成原理，滚齿机床和插齿机床夹具多为心轴和套筒类结构。这类夹具在设计过程中主要是保整心轴轴线及端面的垂直度要求，套筒内外圆柱面同轴度及对端面和安装基面的位置度要求。同时，保证夹具在机床上安装后定位元件工作面与机床工作台回转轴线同轴度要求，必要时还应设计找正基准。把握好这一点，滚齿机床和插齿机床夹具的设计过程就变的简单多了。
本套夹具针对如图2.2的大型齿圈设计，采用定心夹紧机构，在实现准确定心的同时达到夹紧工件的目的。

2.2 大齿圈模型图
定心夹紧机构是利用定位夹紧元件的等速移动或均匀弹性变形的方式，来消除定位尺寸偏差对工件定心或对中的不利影响。因此，其基本类型亦可分为等速移动的定心夹紧机构和均匀弹性变形的夹紧机构。等速移动定心夹紧机构的工作原理如图2.3所示：

图2..3等速移动定心夹紧机构原理图
该种定心夹紧机构可采用左右螺旋机构，楔块－滑柱机构，杠杆机构等。
本套夹具采用楔块－滑柱机构的等速移动达到定心夹紧的目的，属于等速移动定心夹紧机构。
先设计夹具体底座，该底座应设计成锥形，保证与楔块的配合，实现等速移动并加紧的目的。如图2.4所示。

图2.4夹具体模型图
然后设计夹紧机构的其他零部件，主要零部件如下图2.5、2.6、2.7、2.8所示：

图2.5盘形压板模型图 图2.6压爪模型图
..
图2.7压板模型图 图2.8滑柱模型图
同时调用已有的标准件，将所有零件进行装配，便可得到加工大型齿圈用滚齿机夹具装配体，如下图2.9所示：

图2.9 夹具模型
3 滚齿液压波形胀紧夹具设计
3.1夹紧原理简介
如图3.1所示，该夹具为工件以内孔、端面在垫片6和波形胀紧套5上定位，当拉杆下移时，拉杆即压缩波形胀紧套3，从而将工件定心并胀紧。

图3.1滚齿液压波形胀紧夹具
3.2夹具设计
本套夹具针对如图3.2的齿轮设计，同样采用定心夹紧机构，在实现准确定心的同时达到夹紧工件的目的。

3.2 大齿圈模型图
与上套夹具类似，同为定心夹紧机构，其不同之处就在于上套采用等速移动的定心夹紧机构，而本套则采用均匀弹性变形的定心夹紧机构。
均匀弹性变形定心夹紧机构有弹性夹头、弹性薄壁夹盘(鼓膜夹盘)、蝶形弹簧片夹具、薄壁套筒－液性塑料夹具（液性塑料定心夹具）、波形胀紧套等。
该夹具采用波形胀紧套定心夹紧，多用于齿轮、环、套筒等类零件的精加工。其特点时夹紧力均匀、定心进度高，可达到直径0.01mm，一般可稳定在直径0.02mm以内。并且结构简单，使用寿命较长，（每装夹10000次后定心精度只降低直径0.001mm），正因为机构简单，精度高，寿命长，所以设计也较为方便，主要零件如图3.3所示：

3.3波形胀套模型图
夹具体是夹具的重要组成部分，夹具的其他元件都在夹具体上放置，还要使放置在其上的其他零件能够拆卸，保证零件相互之间的位置关系。夹具体必须要具备有足够的强度和刚度，结构要简单、紧凑、轻便，体积小，还要安装稳定牢靠，便于制造、装配和检验等特点。因此，夹具体在夹具设计中也显得非常重要。图3.4给出了本套夹具的夹具体模型图。

3.4夹具体模型图
根据需要设计零部件尺寸，并根据《机床夹具设计手册》选择波形胀紧套夹具结构尺寸，装配完成如图3.5所示：

3.5波形胀紧套夹具模型图