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传动齿轮轴的加工工艺


摘要





齿轮轴零件的主要作用是支撑回转零件、实现回转运动并传递转矩和动力。齿轮轴具备 传动效率高、结构紧凑和使用寿命长等一系列优点,是通用机械特别是工程机械传动中的重 要零件之一。齿轮轴加工材料、热处理方式、机械加工工艺过程的优化,将对提高齿轮轴的 加工质量及寿命有着重要借鉴意义。本设计首先分析了齿轮轴零件的

作用和加工工艺性,然 后进行工艺规程设计。齿轮轴零件的机械综合性能要求较高,一般选择锻件作为毛坯。合理 安排工艺路线,划分加工阶段对保证零件加工质量至关重要。

关键词:齿轮轴;工艺分析;工艺规程设计;

I

Abstract

Abstract
The main function of the gear shaft is to support rotating parts, achieve rotary motion and transfer torque and power. Gear shaft has a series of advantages, such as high transmission efficiency, compact structure, long service life and so on. It is one of the important parts in the general machinery, particularly the engineering machinery transmission. The optimization of the gear shaft’s machining materials, thermal treatment method and machining process will have great significance on the machining quality of the gear shaft and the service life. The paper firstly analyzed the function of the gear s-haft and its mechanical properties, and then planned the machining process. It is very important for ensuring the processing quality of the gear shaft to arrange the process route reasonably and divide the processing stage. Key words: gear shaft; process analysis; process planning design

II

目录





摘 要............................................................ I Abstract.......................................................... II 第 1 章绪论 ......................................................... 1 1.1 本文研究的目的和意义 ...........................................1 1.2 课题背景知识 ...................................................2 1.2.1 齿轮轴的应用 ...............................................2 1.2.2 传统齿轮轴的加工方法 .......................................2 1.2.3 数控加工工艺 ...............................................3 2.1 材料分析生产类型确定 ...........................................4 2.1.1 确定零件材料 .................................................4 2.1.2 确定零件的生产类型 ...........................................4 2.2 选择毛坯,绘制零件图 ...........................................5 2.3 选择加工方法,制定工艺路线 .....................................7 2.3.1 毛坯预备热处理 ...............................................7 2.3.2 粗加工(型材) ...............................................8 2.3.4 热处理 .......................................................8 2.3.5 精加工 .......................................................8 2.3.6 数控程序 .....................................................9 参考文献.......................................................... 14 谢 辞............................................................ 15

传动齿轮轴加工工艺设计

第 1 章绪论
1.1 本文研究的目的和意义
本设计是在我们学完了大学的全部基础课程、技术课程以及全部专业课之后进行的。此 次的设计是对大学期间所学各课程及相关绘图软件的一次深入的综合性复习,也是使我们综 合运用所学过的基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训 练。因此,它在我们四年的大学生活中占有重要的地位。我们在完成毕业设计的同时,也培 养了我们正确使用技术资料、国家标准、有关手册、图册等工具书,进行设计计算、数据处 理、编写技术文件等方面的工作能力,也为我们以后的工作打下了坚实的基础。本次设计的 目的在于: (1)培养综合分析和解决本专业的一般工程问题的独立能力,拓宽和深化所学知识。 (2)培养树立正确的设计思想、设计思维,掌握工程设计的一般程序、规范和方法的能 力。 (3)培养正确地使用技术知识、国家标准、有关手册、图册等工具书,进行设计计算、 数据处理、编写技术文件等方面的工作能力。 (4)培养自己进行调查研究、面向实际、面向生产,向工人和工程技术人员学习的基本 工作态度、工作作风和工作方法。 (5)熟悉齿轮轴零件加工工艺过程的方法步骤,为以后从事相关的技术性工作打下坚实 的基础。 (6)通过对齿轮轴零件的机械制造工艺设计,使我们在机械制造工艺规程设计,工艺方 案论证,机械加工余量计算,工艺尺寸的确定,编写技术文件及查阅技术文献等各个方面得 到一次综合性训练。初步具备设计一个中等复杂程度零件工艺规程的能力。

传动齿轮轴加工工艺设计

1.2 课题背景知识
1.2.1 齿轮轴的应用
齿轮轴是现代机械中应用最为广泛的一种传动零件,广泛适用于机械、汽车、航空、印 刷、仪器仪表及矿山行业。我国是一个机械大国,但不是机械强国。尤其是我国很多中小企 业用的设备是十年以前、甚至是二十年以前的设备,生产设备相对落后。齿轮轴的种类多种 多样,但是每一种齿轮都有一定的特点,如何在现有设备的条件下,从夹具,刀具,加工工 艺等方面综合考虑,针对每一种齿轮轴制造过程编制工艺,从而生产出高质量的齿轮,就显 得尤为重要。 齿轮轴一般是小齿轮(齿数少的齿轮),运用在高速级(也就是底扭矩级)传动中。齿 轮轴一般很少作为变速的滑移齿轮,一般都是固定运行的齿轮,因为处在高速级,其高速度 是不适进行滑移变速的。齿轮轴是轴和齿轮合成一个整体的,但是,在设计时,还是要尽量 缩短轴的长度,太长了一是不利于上滚齿机加工,二是轴的支撑太长导致轴要加粗而增加机 械强度(如刚性、挠度、抗弯等)。 一般齿轮轴有两个支撑轴径,工作时通过轴径支撑在轴承上,这两个支撑轴径便是其装 配基准,通常也是其他表面的设计基准,所以它的精度和表面质量要求较高。对于一些重要 的轴,支撑轴除规定较高的尺寸精度外,通常还规定圆度、圆柱度以及两轴径之间的同轴度 等形状精度要求等。对于其他工作轴径,如安装齿轮、带轮、螺母、轴套等零件的轴径,除 了有本身的尺寸精度和表面粗糙度外,通常还要求其轴线与两支承轴径的公共线同轴,以保 证轴上各运动部件的运动精度。 齿轮轴零件的主要作用是支撑回转零件、实现回转运动并传递转矩和动力。齿轮轴零件 是将齿轮部分和轴做成一体无需键配合的一种常见机械零件。齿轮轴具备传动效率高、结构 紧凑和使用寿命长等一系列优点,是通用机械特别是工程机械传动中的重要零件之一。齿轮 轴的工作能力一般取决于轴的强度和刚度,转速高时还取决于轴的振动稳定性。轴的中间部 位为斜齿轮部分,主要传递运动和动力。

1.2.2 传统齿轮轴的加工方法
传统齿轮轴加工利用普通车床、铣床等,依靠技师进行手工操作,生产率低,耗时长, 精度低。普通车床是能对轴、盘、环等多种类型工件进行多种工序加工的卧式车床,常用于

传动齿轮轴加工工艺设计

加工工件的内外回转表面、端面和各种内外螺纹,采用相应的刀具和附件,还可进行钻孔、 扩孔、攻丝和滚花等。普通车床是车床中应用最广泛的一种,约占车床类总数的 65%,因其 主轴以水平方式放置故称为卧式车床。铣床指主要用铣刀在工件上加工各种表面的机床。通 常铣刀旋转运动为主运动,工件和铣刀的移动为进给运动。它可以加工平面、沟槽,也可以 加工各种曲面、齿轮等。铣床是用铣刀对工件进行铣削加工的机床。铣床除能铣削平面、沟 槽、轮齿、螺纹和花键轴外,还能加工比较复杂的型面,效率较刨床高,在机械制造和修理 部门得到广泛应用。

1.2.3 数控加工工艺
随着加工技术的发展,数控技术有了很大的进步,依靠数控技术加工齿轮轴,不但减少 了加工时间,提高了生产率,并且零件的精度也有了很大的提高。数控加工是现代制造技术 的基础,这一发明对于制造行业而言,具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发 达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。经过几十年的发展,目前的数控机床已实现 了计算机控制并在工业界得到广泛应用, 在模具制造行业的应用尤为普及。 针对车削、 铣削、 磨削、钻削和刨削等金属切削加工工艺及电加工、激光加工等特种加工工艺的需求,开发了 各种门类的数控加工机床。 如今的数控技术发展趋势有以下几个方面: 1、高速、高精度、高效、高可靠性。要提高加工效率,首先必须提高切削速度和进给速 度,同时,还要缩短加工时间;要确保加工质量,必须提高机床部件运动轨迹的精度,而可 靠性则是上述目标的基本保证。为此,必须要有高性能的数控装置作保证。 2、柔性化、集成化。为适应制造自动化的发展,向 FMC、FMS 和 CIMS 提供基础设备,要 求数控系统不仅能完成通常的加工功能,而且还能够具备自动测量,自动上下料、自动换刀、 自动更换主轴头(有时带坐标变换) 、自动误差补偿,自动诊断、进线和联网功能,特别是依 据用户的不同要求,可方便地灵活配置及集成。 3、智能化,网络化。智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加 工质量方面的智能化,如自适应控制,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便 方面的智能化,如前馈控制,电机参数的自适应运算,自动识别负载自动选定模型,自整定 等;简化编程、简化操作方面的智能化,如智能化的自动编程、智能化的人机界面等;还有 智能诊断、智能监控方面的内容,方便系统的诊断及维修等。

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4、市场适应性上的发展趋势:普及型、个性化。为了适应数控机床多品种、小批量的特 点,数控系统又要尽可能扩大批量,为此,数控系统生产厂家不仅应能生产通用的普及型数 控系统,而且更应能生产带有个性化的数控系统,特别是设计、生产能够由用户自己增加专 有功能的普及型数控系统:这是市场份额最大的数控系统,也是最有竞争力的数控系统,这 也是适应性的体现。 5、体系结构上的发展趋势:开放性。为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、 小批量、柔性化及数控迅速发展的要求,最要的发展趋势是体系结构的开放性,设计生产开 放式的数控系统。

第 2 章传动齿轮轴加工工艺设计
2.1 材料分析生产类型确定
2.1.1 确定零件材料
45 钢是中碳结构钢,冷热加工性能都不错,机械性能较好,且价格低、来源广,所以应 用广泛。它的最大弱点是淬透性低,截面尺寸大和要求比较高的工件不宜采用。45 钢淬火温 度在 A3+(30~50) ℃,在实际操作中,一般是取上限的。偏高的淬火温度可以使工件加热速 度加快,表面氧化减少,且能提高工效。为使工件的奥氏体均匀化,就需要足够的保温时间。 45 钢可制造强度要求较高的零件,如曲轴、轴、活塞销、工夹具等零件。这些零件的制 造要求大多是零件表面的高硬度性、高耐磨性,而心部具有高强度和高韧性,调质后进行高 频或火焰表面淬火等。45 钢经低温球化退火后,它可冷挤压为成形零件,如球头销、推力杆 等。 钢是轴类零件的常用材料, 45 淬火后表面硬度可达 45~52HRC 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。45 钢还 广泛用于机械制造等,这种钢的机械性能很好。但是这是一种中碳钢,淬火性能并不好,45 钢可以淬硬至 HRC42~46。所以如果需要表面硬度,又希望发挥 45 钢优越的机械性能,常将 45 钢表面渗碳淬火,这样就能得到需要的表面硬度。 所以本设计中齿轮轴采用 45 钢。

2.1.2 确定零件的生产类型
已知:备品率 a=3% 废品率 b=1% 年产量 Q=1000 个/年

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根据《机械设计手册》查表可知 45 钢密度ρ =7.85g/cm 根据图纸体积 V=V1+V2+V3+V4

3

=82*10π +16.52*25.5π +82*46π +72*30.5π =37745.5474 mm3 =37.75 cm3 齿轮轴质量 m=ρ V=296.34g 计算 N=Q*m(1+a%) (1+b%)=1000*(1+3%) (1+1%)=1040.3 生产类型 重型零件(30kg 以上) 单件生产 批量生产 大批量生产 <5 5~300 >300 零件生产纲领(件/年) 中型零件(4~30kg) <10 10~500 >500 小型零件(4kg 以下) <100 100~5000 >5000

根据表可知生产类型为批量生产

2.2 选择毛坯,绘制零件图
2.2.1 选择毛坯种类及制造形式
毛坯的选用主要包括毛坯的材料、类型和生产方法的选用。选用正确与否直接关系到毛 坯的制造质量、工艺和成本,并影响到机械加工质量、工艺和成本等。毛坯质量主要是指合 格毛坯本身能满足用户要求的程度。它主要包括外观质量、内在质量和使用质量。其中,外 观质量包括毛坯表面粗糙度、尺寸精度、质量偏差、形状偏差和表面缺陷等;内在质量包括 毛坯的物理性能、力学性能、金相组织、化学成分、偏析、内应力、致密度、内部缺陷等; 使用质量包括毛坯的抗疲劳性能、高温及低温力学性能、耐磨性、耐蚀性和精度保持性等。 毛坯材料的选用是保证产品内在质量的一个主要因素。 毛坯选用的原则有:①满足材料的工 艺性能要求。如碳钢主要使用锻造生产,但其中某些牌号也有较好的铸造性能;②满足零件 的使用性能要求;③降低制造成本;④符合生产条件。 尺寸大的齿轮轴通常选择自由锻造,中小型齿轮轴可选择模锻件,一些小齿轮轴也可制 作成整体毛坯。若锻件毛坯为锤上钢质自由锻件,其机械加工余量与公差应遵循 GB/T15826

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系列标准;若毛坯为钢质模锻件,其机械加工余量与公差应遵循 GB/T12362 系列标准。 本设计中,齿轮轴材料采用 45 钢,制造形式采用锻件。

2.2.2 确定毛坯尺寸及机械加工余量
国标中规定钢质模锻件的公差分为两级,即普通级和精密级。精密级公差适用于有较高技 术要求,但需要采取附加制造工艺才能达到的锻件,一般不宜采用。精密级公差可用于某一 锻件的全部尺寸,也可用于局部尺寸。平锻件只采用普通级。由齿轮轴零件的功用和技术要 求,可确定该零件的公差等级为普通级。锻件精度等级为F级。 根据零件图要求,采用粗车余量2mm。 根据零件图尺寸和加工余量可基本上确定毛坯的尺寸直径φ 40mm,长 120mm。

2.2.3 零件图、三维图

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2.3 选择加工方法,制定工艺路线
2.3.1 毛坯预备热处理
预备热处理的目的是改善加工性能、消除内应力和为最终热处理准备良好的金相组织。 本设计热处理工艺有退火、正火、时效、调质。 (1) 退火和正火:退火和正火用于经过热加工的毛坯。含碳量大于 0.5% 的碳钢和合金钢, 为降低其硬度易于切削,常采用退火处理;含碳量低于 0.5%的碳钢和合金钢,为避免其硬度 过低切削时粘刀,而采用正火处理。退火和正火尚能细化晶粒、均匀组织,为以后的热处理 作准备。 (2)时效处理:时效处理主要用于消除毛坯制造和机械加工中产生的内应力。为避免过多 运输工作量,对于一般精度的零件,在精加工前安排一次时效处理即可。但精度要求较高的 零件,应安排两次或数次时效处理工序。简单零件一般可不进行时效处理。除铸件外,对于 一些刚性较差的精密零件,为消除加工中产生的内应力,稳定零件加工精度,常在粗加工、 半精加工之间安排多次时效处理。 (3)调质:调质即是在淬火后进行高温回火处理,它能获得均匀细致的回火索氏体组织, 为以后的表面淬火和渗氮处理时减少变形作准备,因此调质也可作为预备热处理。

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2.3.2 粗加工(型材)
利用数控车床,编制数控程序,将毛坯加工成型材。

2.3.4 热处理
(1)调质热处理 45 钢是中碳结构钢,冷热加工性能都不错,机械性能较好,且价格低,来源广泛。它 的最大弱点是淬透性低,截面尺寸和要求比较高的工件不宜采用。 因为 45 钢淬透性低,故应采用冷却速度大的 10%盐水溶液。工件入水后,应当淬透, 但不是冷透。如果工件在盐水中冷透,就有可能使工件裂开,这是因为当工件冷却到 180° 左右时,奥氏体迅速转变为马氏体造成过大的组织应力所致。因此,当淬火工件快冷到该温 度区域,就应采取缓冷的方式,由于出水温度难以掌控,须凭经验操作,当水中的工件抖动 停止,即可出水空冷,油冷更好。另外,工件入水宜动不宜静,应按照工件的几何形状,做 规则运动。静止的冷却介质加上静止的工件,导致硬度不均匀,应力不均匀而使工件变形大, 甚至裂开。 (2)表面淬火,低温回火 表面淬火是仅对工件表层进行淬火以改变表层组织和性能的热处理工艺,它是通过快 速加热与立即淬火冷却相结合的方法来实现的,即利用快速加热使工件表面快速的加热到淬 火温度,在不等热量充分传到心部时,即迅速冷却,使表层得到马氏体而被淬硬,而心部仍 保持为未淬火状态的组织,即原来塑性、韧性较好的退火、正火或调质状态的组织。 (3)低温人工时效 将零件加热到 120~150℃进行去应力退火,长时间保温后(5-12 小时)取出在空气 中冷却。目的是为了减小淬火后轴零件内的微观应力、机械加工残余应力,防止变形及开裂。 低温人工时效操作简单、成本低。相比自然时效节省时间,残余应力去除较为彻底。

2.3.5 精加工
将热处理后的型材重新装夹在数控车床上,利用数控编制程序,对型材进行精加工。精加 工包括精车外圆、车螺纹、切槽、铣键槽、铣齿。

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2.3.6 数控程序 (1)T0101:90°外圆车刀 T0202:4mm 切槽刀 T0303:1.5mm 切槽刀 T0404:60°外螺纹车刀 T0505:φ 4mm 键槽铣刀 (2)粗车程序(型材)程序 O0001 右、O0002 左 (3)切槽程序 O0005 右、O0006 左 (4)车螺纹程序 O0007 (5)铣键槽程序 O0008

O0001; N1; G99 M03 S500 T0101 F0.15; G00 X42 Z2; G71 U1 R0.5; G71 P10 Q11 U2 W2; N10 G42 G00 X0; G01 Z0; X11.8 C1; Z-18; X14; Z-30.5; X16; Z-76.5;

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X40; N11 G40 G00 X42; GOO X100 Z100; N3; G99 M03 S800 T0101 F0.08; G00 X42 Z2; G70 P10 Q11; GOO X100 Z100; M05; M00;

O0002; N2; G99 M03 S500 T0101 F0.15; G00 X42 Z2; G71 U1 R0.5; G71 P12 Q13 U2 W2; N12 G42 GOO X0; G01 Z0; X16 C1; Z-10; X33; Z-40; N13 G40 G01 X42; G00 X100 Z100;

传动齿轮轴加工工艺设计

N4; G99 M03 S800 T0101 F0.08; G00 X42 Z2; G70 P12 Q13; GOO X100 Z100; M05; M00;

O0005; G99 M03 S400 T0202 F0.1; GOO X16 Z-18; G01 X10; G00 X20; G00 X100 Z100 T0200; G99 M03 S400 T0303; G00 X35 Z-76.5; G01 X31; G00 X32: G00 X100 Z100; M30;

O0006; G99 M03 S400 T0303 F0.1; G00 X35 Z-10; G01 X31;

传动齿轮轴加工工艺设计

G00 X32: G00 X100 Z100; M30;

O0007 G99 M03 S400 T0404 F1.5; G00 X14 Z3; G92 X11.8 Z-14; /X11.4; /X11; /X10.7; X10.5; X10.3; X10.2; X10.1; X10.05; X10.5; G00 X100 Z100; M30;

O0008 G90 G94 G21 G17 G40 G54; GOO X7.5 Y0 Z100 S1000 T0505 M03; Z2 M08; G01 X-7.5 Z-1 F80;

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X7.5 Z-2; X-7.5 Z-3; X7.5; G02 Y0.5 R0.25; G01 X-7.5; G02 Y0.5 R0.5; G01 X7.5; G02 Y-0.5 R0.5; G01 X-7.5; Z2; G91 G28 Z0 M09; M30;

参考文献

参考文献
[1] 张普林、杨琳: 《机械加工工艺》 ,机械工业大学出版社,2007.8. [2] 广利韩、文杰曹: 《机械加工工艺基础》 ,天津大学出版社,2009 年. [3] 赵如福等.机械制造工艺设计手册[M] .北京:机械工业出版社,2002. [4] 邹青.机械制造技术基础课程设计指导教程[M] .北京:机械工业出版社,2004. [5] 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,2004. [6] 林陈彪.工程机械齿轮轴加工工艺分析与优化[J] .机电技术,2008(4):42-44. [7] 曹德刚.大模数齿轮轴的加工[J] .机械工人冷加工,2005(6):59-60. [8] W.Muhammad , N.Ejaz , S.A.Rizvi . Failure Analysis of High-Speed Pinion Gear Shaft[J] .Fail.Anal.and Preven.2009(9). [9] 张玉花等.减速器高速齿轮轴的经济加工工艺[J] .南方农机,2007(5) :28-28. [10] 郭克希,王建国等.机械制图[M] .北京:机械工业出版社,2006. [11] 陈宏钧.《机械加工工艺手册(一、二卷) 》[M].机械工业出版社.2003. [12]《机械零件工艺手册》[M].机械工业出版社.2005. [13] 《机械加工技术》[M]. 西安电子科技大学出版社.2002. [14]岳贵友. Pro/ENGINEER Wildfire2.0 中文版数控加工教程. 中国水利水电出版社.
[15]曹岩. Pro/ENGINEER Wildfire 数控加工实例精解. 机械工业出版社.

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谢辞





本次设计是在孙红婵老师的指导下,亲自完成的。在整个设计中,孙老师始终给予我热 情的帮助和积极的指导。孙老师对待工作认真负责,表现出崇高的敬业精神和高度的责任心; 孙老师对我要求严格,对设计中出现的问题总是耐心帮助解决并提出许多宝贵意见。在此毕 业设计完成之际,向孙老师表示感谢!感谢孙老师在繁重的教学之余牺牲自己宝贵的休息时 间给我指导毕业设计;感谢孙老师在我遇到问题时及时给予我帮助;感谢孙老师在整个毕业 设计中给予我的支持和鼓励。 另外,我最要感谢的是自己的父母和教导过自己的老师。在大学四年,父母亲对我的支 持和鼓励才使得我能够顺利完成学业,在此,我要对他们一直以来默默无闻的支持和鼓励我 表示由衷的感激之情。求学路上,老师犹如海面上的一盏明灯指引着我航行的方向,没有老 师们的辛勤栽培,我也不可能在学业上有所收获、在思想上更加成熟、在行动上更加果敢。 如今,回首和老师们共同度过的那些时光至今仍是生命中最宝贵的财富,感激之情无以言表, 唯有一声“谢谢”以表心中敬重、感激之情。 最后,对我查阅的所有书刊的作者表示诚挚的感谢!


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