少齿数齿轮滚齿机传动系统的设计方案毕业论文.doc

陕西理工学院毕业论文目录绪论11.1 ）研究意义11.2 ）少齿数齿轮现状分析11.3） 齿轮成形技术的现状21.4） 滚齿机背景简介21. 滚齿机概述41.1 滚齿机工作原理及滚齿机分类41.1.1 滚齿机工作原理41.1.2 滚齿原理51.1.3 滚齿机特点61.1.4滚齿机分类61.2滚齿机的发展趋势7第二章滚齿机传动系统102.1滚齿机传动运动102.2 y38型滚齿机传动系统102.2.1 y38型滚齿机的主要技术参数102.2.2y38型滚齿机的传动系统113. 少齿数齿轮加工工艺153.1少齿数齿轮材料的选择153.2少齿数齿轮毛坯加工工艺173.2.1主要技术要求183.2.2毛坯加工工艺183.2.3切削用量和加工余量193.2.4工艺过程的拟定194. 少齿数齿轮滚齿机传动系统的设计方案224.1 改造方案一224.1.1机械部分的设计224.2改造方案二235. y38差动机构设计255.1 总传动比的计算255.2 传动比的分配255.3 设计计算265.3.1 螺旋伞齿轮的设计265.3.2 运动合成机构设计285.3.3差动蜗轮设计285.3.4圆柱直齿轮的设计33结束语38参考文献39致谢41附录 a 基本理论依据42第 42 页 共 43页绪论1.1 ）研究意义可以在传动比不变的情况下减少齿轮传动的体积与尺寸。也可在不改变齿轮传动体积与外形尺寸时，可得到较大的传动比，或使传动链缩短。研究少齿数齿轮正是解决齿轮加工小型化的突破口，从而使齿轮传动装置的体积减小，质量减轻，结构简化，成本降低。少齿数齿轮的齿数越少，这项研究便越有意义。目前在现有滚齿机上对齿数少于8的齿轮加工比困难，效率比较低，此次设计使我有了对少齿数齿轮加工的理论基础和对滚齿机传动链的设计方法。目前的世界工业形势，不仅使我国滚齿机在数量上急剧增加，而且刺激了滚齿机床向高效及全数控的方向发展，尽可能地减少机床的调整时间，降低工人的劳动强度，少齿数齿轮加工效率低，为此，我们有必要研究专门加工少齿数齿轮的滚齿机，研究新的加工工艺和夹具，突破少齿数齿轮的加工瓶颈。使少齿数齿轮得到较广泛的推广应用，发挥其优势，完善少齿数齿轮的理论基础。因此对本课题的研究是十分有必要和有意义的。1.2 ）少齿数齿轮现状分析少齿数齿轮传动主要应用在低功率大转速的场合，如磨铰机、电动自行车，手动葫芦,减速器等机械中应用较多。少齿数渐开线圆柱齿轮减速器是齿轮传动技术上的新进展, 因为减少小齿轮的齿数可显著增大齿轮的传动比; 并可减小减速器的外廓尺寸和重量, 具有一定的技术经济效益。当渐开线圆柱齿轮齿数在210之间取值时称为少齿数， 由于齿数的小齿轮与大齿轮组成的齿轮副称为少齿数渐开线圆柱齿轮机构。对于这种机构, 由于小齿轮齿数较少, 首先为避免根切, 须采用大变位系数的正变位; 这样又引起齿顶变尖而导致齿顶高缩短。其次由于端面重合度大幅度降低而须采用较大螺旋角和较大齿宽的斜齿轮传动。再次由于齿面相对滑动速度较在也带来新的问题。近代工业愈来愈要求齿轮传动装置既能承受高速重载,又要小型化.动力齿轮传动的齿轮装置发展趋势为:小型化(高承载能力)、高速化、标准化。本次设计就是针对这些问题进行理论和技术研究的基础上对现有的滚齿机进行改造使其可以加工少齿数齿轮。1.3） 齿轮成形技术的现状齿轮齿形的演变： 最原始的木制齿轮齿形是直线形。1 8 世纪后，渐开线齿轮逐渐得到广泛应用。2 0世纪初，美国人首先提出圆弧齿形，5 0 年代完成这项研究，6 0 年代被命名为w . n 齿轮。近几十年来，由于航空工业及其他机械工业的不断发展，传统的渐开线齿形逐渐被渐开线修形齿形所取代。近代渐开线齿轮( 包括修形齿) 、摆线齿形、圆弧齿形同时共存，其中渐开线齿形占主导地位，但他们各自有其独到的优越性，不可能被其中任何一种齿形完全取代。加工工艺的改善： 古代的木制齿轮、铜制齿轮和铸铁齿轮均采用手工生产。1 7 世纪末，已能用成形法切齿形，但铸造工艺还是加工齿轮的主要方法。此后，齿轮金属切削水平的提高，大大推动了齿轮加工技术的发展。近年来，随着高科技的发展和人们对机加工齿轮的强度和承载能力要求的提高，齿轮的精密成形技术便应运而生，其中，锥齿轮的精锻已日趋成熟；直齿轮的镦挤、正挤还有待进一步研究，以期早日投入规模化生产，为人类服务。但少齿数齿轮的加工在国内还很不成熟。1.4） 滚齿机背景简介20世纪60年代以后出现的高效滚齿机，主要采用硬质合金滚刀作高速和大进给量滚齿，滚刀主轴常采用液体静压轴承，能自动处理油雾和排屑。这种滚齿机适用于齿轮的大量生产。大型高精度滚齿机主要用来加工对运动平稳性和使用寿命要求很高的齿轮，如汽轮机和船舶推进装置等的大型高精度高速齿轮副。一般是立式和卧式配套发展。这种滚齿机除要求严格制造和精细装配调整外，有些还在滚刀主轴和工作台上设置运动误差检测装置,并自动反馈补偿误差,以提高精度。为避免这种滚齿机受内、外热源的影响，应严格控制液压和冷却系统的温度,还必须安装在恒温厂房内的坚固地基上,并设置防振隔离沟。小型滚齿机用于加工仪表齿轮。手表齿轮滚齿机普遍使用硬质合金滚刀加工钟表摆线齿轮，循环节拍快，对机床可靠性要求高，每台机床都配备自动上下料装置进行单机自动加工。此外，尚有多种特殊用途的滚齿机，如加工高精度蜗轮的分度蜗轮滚齿机等。1. 滚齿机概述1.1 滚齿机工作原理及滚齿机分类1.1.1 滚齿机工作原理图1-1滚切直齿圆柱齿轮的加工原理图普通滚齿机加工原理可用图1-1表示。根据展成法加工原理，滚刀转一转，工件必须严格地转k/z转。其中z为被加工齿轮的齿数，k为滚刀的头数。从图1.1中可以看出，必须保证和之间的严格传动比关系，这条传动链简称滚齿的内链。在图中该内链的传动路线为: -4-5-6-7- (工件)。而形成直线导线的运动则是滚刀架沿工件轴线方向的垂直进给运动，即:工件-7-8- 9-10-刀架升降丝杆-刀架。此外滚刀的旋转及调速由主传动链电机-1-2-3-4-，提供。因而要进行加工圆柱齿轮所需传动链至少有三个链，即一个展成运动内链，两个执行简单运动的外链。数控滚齿机的加工原理如图1-2所示，其内链与传动比关系仍然遵循展成法加工原理，但其严格的传动比关系不是通过调整机械传动比来实现的，而是通过数控系统的 “ 电子齿轮箱”来保证，从而实现滚齿展成运动。“ a”“” “”运动分别用单独的伺服电机进行控制，由数控系统进行计算控制来实现滚齿展成加工。图1-2数控滚齿机的加工原理图1.1.2 滚齿原理图1-3滚齿加工是展成法原理来加工齿轮。用滚刀来加工对轮相当于一对交错螺旋轮啮合。这对啮合齿轮传动副中，一个齿轮齿数很少，一个或几个，螺旋角很大就演变成了一个蜗杆，再将蜗杆开槽并铲背，就成为齿轮滚刀。齿轮滚刀螺旋线法向剖面各刀齿面也一根齿条，当滚刀连续转动时就相于一根无限长齿条沿刀具轴向连续移动。，齿轮滚刀按给定切 削速度作旋转运动时，工件则按齿轮齿条啮合关系传动（即当滚刀转一圈，相当于齿条移动一个或几个齿距，齿轮坏也相应转过一个或几个齿距），齿坏上切出齿槽，形成渐开线齿面，如图所示。，滚齿轮过程中，分布螺旋线滚刀各刀齿相继切出齿槽中一薄层金属，每个齿槽滚刀旋转中由几个刀齿依次切出，渐开线是展成法 ，成形运动是由滚刀旋转运动和工件旋轻快运动组成复合运动（b11+b12），,这个复合运动称为展成运动。当滚刀与工件连续转动时，便工件整个圆周上依次切出所有齿槽。这一过程中，齿面形成与齿轮分度是同时进行。展成运动也就 是分度运动。 由上所述，到渐开线齿廓和齿数，滚齿时，滚刀和工件之间必须保持严格相对运动关系，即当滚刀转过1时，工件相应转过k/z（k为滚刀头数，z为工件齿数。）1.1.3 滚齿机特点（1）适用于成批，小批及单件生产圆柱斜齿轮和蜗轮，尚可滚切一定参数范围的花健轴.（2）调整方便，具有自动停车机构（3）具有可靠的安全装置以及自动润滑滚齿机(gear hobbing machine)是齿轮加工机床中应用最广泛的一种机床，在滚齿机上可切削直齿、斜齿圆柱齿轮，还可加工蜗轮、链轮等。1.1.4滚齿机分类图1-4a立式滚齿机(工作台移动) 图1-4b立式滚齿机(立柱移动)滚齿机按布局分为立式和卧式两类。大中型滚齿机多为立式（图1-3 a立式滚齿机(工作台移动)、图1-3b立式滚齿机(立柱移动)），小型滚齿机和专用于加工长的轴齿轮的滚齿机皆为卧式（图1-3c 卧式滚齿机）。立式滚齿机又分为工作台移动和立柱移动两种。立式滚齿机工作时，滚刀装在滚刀主轴上，由主电动机驱动作旋转运动，刀架可沿立柱导轧垂直移动，还可绕水平轴线调整一个角度。工件装在工作台上，由分度蜗轮副带动旋转，与滚刀的运动一起构成展成运动(见齿轮加工)。滚切斜齿时,差动机构使工件作相应的附加转动。工作台(或立柱)可沿床身导轧移动,以适应不同工件直径和作径向进给。有的滚齿机的刀架还可沿滚刀轴线方向移动，以便用切向进给法加工蜗轮。大型滚齿机还设有单齿分度机构、指形铣刀刀架和加工人字齿轮的差动换向机构等。 20世纪60年代以后出现的高效滚齿机，主要采用硬质合金滚刀作高速和大进给量滚齿，滚刀主轴常采用液体静压轴承，能自动处理油雾和排屑。这种滚齿机适用于齿轮的大量生产。大型高精度滚齿机主要用来加工对运动平稳性和使用寿命要求很高的齿轮，如汽轮机和船舶推进装置等的大型高精度高速齿轮副。一般是立式和卧式配套发展。这种滚齿机除要求严格制造和精细装配调整外，有些还在滚刀主轴和工作台上设置运动误差检测装置,并自动反馈补偿误差,以提高精度。为避免这种滚齿机受内、外热源的影响，应严格控制液压和冷却系统的温度,还必须安装在恒温厂房内的坚固地基上,并设置防振隔离沟。小型滚齿机用于加工仪表齿轮。手表齿轮滚齿机普遍使用硬质合金滚刀加工钟表摆线齿轮，循环节拍快，对机床可靠性要求高，每台机床都配备自动上下料装置进行单机自动加工。图1-4c卧式滚齿机1.2滚齿机的发展趋势滚齿是国内外应用最广的切齿方法，一些国家滚齿机的拥有量约占所有齿轮机床总量的45- 50 。为适应齿轮加工行业对制造精度、生产效率、提高质量及清洁生产的要求，滚齿机及滚齿加工技术出现了以下几个发展趋势： 全数控化所谓的全数控化，指不仅齿轮加工机床的各轴进给运动是数控的，而月机床的展成运动和差动运动也是数控的，即机床的各运动轴进行cxc 控制及轴间实现联动。 零传动技术的应用“零传动”即直接驱动，由电机直接驱动刀具、回转工作台的回转及直线进给系统，完全取消所有机械传动环节，实现动力源对机床工作部件的直接传动传动链的长度为“零”。此外，零传动方案还可极大地简化机床的机械结构，提高机床的动静刚度，也有利于实现可重构机床的设计和制造。 高速、高精度滚齿机的高速化，主要是指机床拥有高的刀具主轴转速和高的工作台转速。它们是影响切削效率的主要指标。提高加工精度的途径可分为两大类，一是提高机床本身的精度，二是通过误差补偿来减少加工误差。由于采用了高精度、具有预加负荷的高刚性直线异轨、滚珠丝杠、滚动轴承、电主轴、大扭矩同步力矩伺服电动机，使齿轮加工机床在高速加工的条件下精度得到保证并有所提高。 环保化众所周知，金属切削中的切削液具有冷却、润滑和排屑等作用，可获得良好的加工质量并提高刀具耐用度和生产率。为此，通常将加工区用保护罩封闭起来，安装上油雾分离器，使排出的只是不含油的雾，而切削油则重新流回机床内循环利用。但这并不能从根木上解决环保问题。因此，不使用切削液的干切削就成为改善生态环境，降低生产成本的有效措施，也是实现清洁化生产的一条重要途径。 复合化齿轮机床（特别是大型齿轮机床）有集多种工艺于一体的趋势。数控高速滚齿机总体布局及尾座部件设计丝控高速滚齿机，能在一次安装中加工不同模数、不同齿数、不同螺旋角及不同螺旋方向的双联齿轮及单分度铣槽，并可配备自动对齿机构、去除齿轮端面毛刺及工件自动上下料装置，在该系列机床上还可进行硬齿面滚齿。 网络化数控系统的通讯联网功能不断加强。开放式的cnc 系统已成为数控行业不可抵挡的趋势，开放性的cnc 系统可以方便地进入各级通用网络，从而可以柔性地实现dnc 、fms 、ci ms 和fa （自动化工厂）。 智能化由于计算机技术及数控技术的发展智能技术也逐渐用于高性能数控齿轮机床中，具体表现在：a.完成加工质量与加工过程智能控制。根据对工件在线检测的结果和实时采集的机床状态，预测工件的加工质量，并及时调整加工过程的工艺参数，以保证机床的加工精度。b.智能诊断。故障诊断的智能化表现在两方而：一方面是机床会对曾经产生的故障作记录，当下次碰到该故障时，它会首先提示可能的原因；另一方面，现场信息经过压缩，存贮在机床的“黑匣子”中，一旦机床发生的故障超出其自身的诊断能力，就可以通过internet 从网上专家系统获得支持，进行交互式的远程协同诊断。第二章滚齿机传动系统2.1滚齿机传动运动滚齿机必须必须具备的传动运动：1切削运动（主运动）即滚刀的旋转运动，其切削速度由变速齿轮的传动比决定。2分齿运动即工件的旋转运动，其运动的速度必须和滚刀的旋转速度保持齿轮与齿条的啮合关系。其运动关系由分齿挂轮的传动比来实现。对于单线滚刀，当滚刀每转一转时，齿坯需转过一个齿的分度角度，即1/z转（z为被加工齿轮的齿数）。3垂直进给运动即滚刀沿工件轴线自上而下的垂直移动，这是保证切出整个齿宽所必须的运动，由进给挂轮的传动比再通过与滚刀架相连接的丝杆螺母来实现。在滚齿时，必须保持滚刀刀齿的运动方向与被切齿轮的齿向一致，然而由于滚刀刀齿排列在一条螺旋线上，刀齿的方向与滚刀轴线并不垂直。所以，必须把刀架扳转一个角度使之与齿轮的齿向协调。滚切直齿轮时，扳转的角度就是滚刀的螺旋升角。滚切斜齿轮时，还要根据斜齿轮的螺旋方向，以及螺旋角的大小来决定扳转角度的大小及扳转方向。2.2 y38型滚齿机传动系统2.2.1 y38型滚齿机的主要技术参数项目y38-1y38-1g机床加工精度jb179-83.7级jb179-83.7级最大加工模数钢材6模数 铸铁8模数钢材6模数 铸铁8模数加工圆柱正齿轮最大直径后立柱450毫米，无后立柱800毫米后立柱450毫米，无后立柱800毫米加工圆柱螺旋齿轮最大直径当螺旋角为30度时500毫米，当螺旋角为60度时190毫米当螺旋角为30度时500毫米，当螺旋角为60度时190毫米加工铣削齿厚（铣正齿轮时）250毫米(铣整齿轮时)600毫米(铣整齿轮时)滚刀主轴转速范围47.5-192转/分47.5-192转/分滚刀主轴转速级数7档7档工作台面直径660毫米660毫米工作台孔直径80毫米80毫米主轴与工件最小中心距30毫米30毫米最大安装刀具直径120毫米120毫米电机总容量4.125千瓦4.125千瓦主电机容量4千瓦4千瓦外形尺寸(长*宽*高)2280*1100*1910mm(长*宽*高)2280*1100*2260mm重量3400公斤3600公斤2.2.2y38型滚齿机的传动系统 y38型滚齿机的传动系统主要由四个传动链组成 1 .滚刀的切削运动。传动路线为主电动机滚刀。 运动传动链由主电动机带轮105/222齿轮z32/z48速度交换齿轮ab锥齿轮副z23/z23-锥齿轮副z23/z23-锥齿轮副z20z/20斜齿轮z13/z64滚刀n0（r/min）。其运动方程式为1430r/minx105/222x32/48xa/bx23/2323/23x20/20x16/64=n0化简后得i0=a/b=n0/113图2-1y38型滚齿38机传动系统图在y38型滚齿机上，变速交换齿轮a和b的中心距是固定的，两交换齿轮的齿数是个常数，a+b=60。y38型滚齿机变数交换齿轮共有八只，可搭配七种滚刀转速，见下表。交换齿轮速比i0=a/b18/4222/3825/3528/3232/2835/2538/22滚刀转速n0（rmin）47647997127155192y38型滚齿机滚刀转速交换齿轮表2工件的分齿运动。传动路线为滚刀工作台（工件）。分齿运动必须保证滚刀转速n0和工件转速n之间满足当滚刀转1r，则工件转过z0/z（r）的传动关系。运动由滚刀转1r斜齿轮z64/z16锥齿轮副z20/z20锥齿轮副z23/z23锥齿轮副z23/z23齿轮z46/z46差动机构i差挂论e/f分齿交换齿轮a1xc1/b1xd1蜗杆副z1/z96工作台（工件）z0/z（r）。其运动方程式为：1x64/16 x 20/20 x 23/23 x 23/23 x 46/46 x i差x e/f x a1xc1/b1xd1 x 1/96=z0/z化简后得e/f x a1xc1/b1xd1 =24 z0/z式中，i差为差动机构的传动比，在分齿运动链上，i差=-1。为了使分齿交换齿轮的速比不至过大，在分齿运动链中设置跨轮e和f，当工件齿数较多时，采用速度比1:2的跨轮。y38型滚齿机分齿交换齿轮的计算式见下表工件齿数跨轮分齿交换齿轮计算式z161e/f=36/36a1xc1/b1xd1 =24 z0/zz161e/f=24/48a1xc1/b1xd1 =48 z0/z表中z为工件齿数；z0为滚刀头数。3滚刀的垂直进给运动。传动路线为工作台刀架垂直进给丝杠。当工作台转1r时，滚刀的垂直进给量为fa（mm）以完成整个齿宽的加工。运动由工作台蜗杆副z96/z1蜗杆副z1/z30垂直进给交换齿a2xc2/b2xd2齿轮z45/z36锥齿轮副z17/17锥齿轮副z17/17蜗杆副z4/z20蜗杆副z5z30刀架垂直进给丝杠（t=10）。其运动方程式为工作台1x96/1 x 1/30 x a2xc2/b2xd2 x 43/36 x 17/17 x 17/17 x 4/20 x 5/30 x 10=fa化简后得a2xc2/b2xd2=3/4 fa4 .工件的附加运动（差动运动）。传动路线为刀架垂直进给丝杠工作台。滚切斜齿圆柱齿轮时，当滚刀沿工件轴线进给一个工件导程pz时，工件必须附加转动1r。运动由刀架垂直进给丝杠（t=10）蜗杆副z30/z5蜗杆副z20/z4锥齿轮副z17/17锥齿轮副z17/17齿轮z36/z45a3xc3/b3xd3蜗杆副z1/z30i差跨轮e/fa1xc1/b1xd1工作台蜗杆副z1/z96。其运动方程式为pz/10 x 30/5 x 20/4 x 17/17 x 17/17 x 36/45 x a3xc3/b3xd3 x1/30 x i差 x e/f x a1xc1/b1xd1 x 1/96=1上式中i差是差动机构的传动比，在差动链上i差=2导程pz的计算公式为 pz=mnz/sin将i差及pz带入运动运动方程式，化简后得a3xc3/b3xd3=7.95775x sin/mnz0式中 mn工件法向模数工件分度圆上的螺旋角z0 滚刀头数5.刀架垂直方向的快速运动。传动路线为快速行程电动机刀架垂直进给丝杠，刀架垂直方向的快速运动由快程电动机驱动。运动由快速行程电动机螺旋齿轮z16/z42齿轮z45/z36锥齿轮副z17/17锥齿轮副z17/17蜗杆副z4/z20蜗杆副z5/z30刀架垂直进给丝杠（t=10）。其运动方程式为1430r/min x 16/42 x 45/36 x 17/17 x 17/17 x 4/20 x 5/30 x10 =fa化简后得fa=3.78约等与4式中，fa为刀架快速垂向移动量。3. 少齿数齿轮加工工艺少齿数齿轮加工的关键是齿面加工工艺，在滚齿机上直接加工少齿数齿轮时，会出现机床无法起动的自锁现象。通过对机床传动系统进行分析计算发现，出现该现象的主要原因是机床传动链较长，传动系统效率太低，可以通过降低机床传动系统的起动速度来解决这个问题。3.1少齿数齿轮材料的选择在少齿数齿轮传动中，由于少齿数齿轮齿数很少，在啮合传动中每个齿的工作频率很高，少齿数齿轮传动比普通斜齿轮传动在同样使用条件下磨损严重，齿轮的耐磨性是一个非常关键的性能要求，而少齿数齿轮又不能进行磨齿加工，所以少齿数齿轮需做成硬齿面，否则，寿命太短就不能适应工程的需要。因此，在少齿数齿轮的设计与制造过程中，要考虑材料的性能能够适应零件的工作条件需要，使零件经久耐用，如果齿轮材料选择不当，则会出现零件的过早磨损，甚至失效，合理选择和使用齿轮材料十分重要。少齿数齿轮材料的选择可以参考普通圆柱齿轮的选择原则进行，材料的选择要同时满足齿轮的机械性能，切削工艺性能和经济性要求。在少齿数齿轮传动中，由于采用较大的螺旋角，齿面各点都有较大的相对滑动，因而会加剧磨损速度。因此，齿轮毛坯对材料要求有高的接触疲劳强度和抗弯曲疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，芯部也要有足够的强度和韧性。由于小齿轮受载荷次数比大齿轮多，且小齿轮齿根较薄，强度低于大齿轮，为使两齿轮的轮齿接近等强度，小齿轮的齿面要比大齿轮的齿面硬一些。因此，在确定大小齿轮硬度时应注意使小齿轮的齿面硬度比大齿轮的齿面硬度高。根据材料的使用性能确定了材料牌号后，要明确材料的机械性能或材料硬度，然后可通过不同的热处理工艺达到所要求的硬度范围，从而赋予材料不同的机械性能，主要要提高小齿轮的齿面的耐磨性。齿轮要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选材时要对材料的工艺性能加以分析。一般来说，碳钢的锻造、切削加工等工艺性能较好，其机械性能可以满足一般工作条件的要求。但强度不够高，淬透性较差。而合金钢淬透性好、强度高，但锻造、切削加工性能较差。我们可以通过改变工艺规程、热处理方法等来改善材料的工艺性能。在满足使用性能的前提下，选用齿轮材料还应注意尽量降低零件的总成本。我们可以从以下几方面考虑：从材料本身价格来考虑。碳钢和铸铁的价格是比较低廉的，因此在满足零件机械性能的前提下选用碳钢和铸铁，不仅具有较好的加工工艺性能，而且可降低成本。从金属资源和供应情况来看，应尽可能减少材料的进口量及价格昂贵材料的使用量。从齿轮生产过程的耗费来考虑。首先，采用不同的热处理方法相对加工费用也不一样，如12crni3a钢渗碳表白悴火的费用要比氮化处理的费用少得多，而碳氮共渗又具有生产周期短和成本低的特点。其次,通过改进热处理工艺也可以降低成本。如某齿轮工作时在高速。中载且承受中等冲击条件下，原选用中合金高级渗碳钢18crzni4认人材料，其经过910940渗碳，850淬火,180200回火后机械性能的抗拉强度1177mpa、屈服强度834mpa、延伸率10%、断面收缩率全45%，冲击韧性全98okj/m2，硬度为5862hrc。虽能满足齿轮的使用性能和工艺性能，但零件的价格高。现选用价格相对便宜的低碳中合金、中淬透性渗碳钢20crmnti。经过910940渗碳，870e淬火,180200回火后机械性能的抗拉强度100mpa、屈服强度850mpa、延伸率10%、断面收缩率45%，冲击韧性680，硬度为58一62hrc。仅此一项改进,材料费用不仅大大降低，而且满足了其使用性能和工艺性能。第三，所选钢种应尽量少而集中，以便采购和管理。随着齿轮形状、尺寸和材料向着多品种、多系列和个性化的方向发展,尤其是在型号多、产量小时，在齿轮锻造、机加工和热处理等生产工艺方面，存在着设计量大，生产周期长、效率低、成本高、能耗大、管理难和质量不易保证等不利状况，因此在齿轮选材时、精选、优选和压缩材料牌号和规格有利于提高选材通用化、系列化和标准化程度，提高材料的利用率，提高材料采购的计划性，以减少库存积压!加快资金流动，方便储存和保管以及降低材料的成本消耗。最后，我们还可以通过改进工艺来提高经济效益。如模锻件生产的模锻工艺己突破传统工艺的要求,在提供成型毛坯时,可利用少无切削工艺,模锻与机械精加工相结合，部分或全部取代切削加工直接生产零件，或在生产中采用成组技术与工艺，也可提高产品质量、生产效率和降低成本。综上所述，在选择齿轮材料时，必须结合我国资源和生产条件，从实际出发，全面考虑机械性能、工艺性能和经济性等方面的问题，只有合理选材才能保证齿轮质量、降低产品成本，从而提高市场竞争力。根据使用要求和工作条件选取合适的材料，普通传动齿轮选用中碳钢和中碳合金钢，如40、45、50、4omnb、4ocr、45cr、42simn、35simn2mov、38mnmoai等；要求高的齿轮可选取zomnzb、18crmnti、3ocrmnti、20cr等低碳合金钢；对于低速轻载的开式传动可选取zg4o、zg45等铸钢材料或灰口铸铁。由于少齿数齿轮啮合频繁，其耐磨性和耐疲劳性能要求较高，可选用40cr、轴承钢gcrlssimn和弹簧钢65mn等合金钢材料。这类材料经调质和表面淬火处理后，有较高的综合力学性能。通过调质和表面淬火处理后，使它们具有更高耐磨性和耐疲劳性能。但是，以上材料机械加工后均需进行淬火热处理再磨齿的加工工艺。由于少齿数齿轮不能用磨齿机磨削，现有的硬齿面生产工艺不能用于少齿数齿轮的加工。为了检验少齿数齿轮传递的性能，对于高转速!重载荷等条件下工作的少齿数齿轮，可选用20crmnti、20mnzb、20cr等低碳含金钢或38crmoai氮化钢，该类型的材料机械加工后不需要磨削，只需氮化热处理即可获得硬齿面，而且热处理后具有很高的表面硬度、抗冲击韧性和心部强度，齿轮变形也很小。本文在实验加工时选择的齿轮材料为38crmoai氮化钢，可滚出78级齿轮，能满足一般精度传动的要求。3.2少齿数齿轮毛坯加工工艺少齿数齿轮传动追求的目标主要是减速器体积的最小化，少齿数齿轮齿数较小，因此，设计的齿轮整体尺寸都比较小，为了使齿轮传动结构更加紧凑和可靠，提高传动系统整体刚性，通常都采用齿轮轴的结构形式，因此，其加工工艺可以参考齿轮轴的加工工艺来进行。3.2.1主要技术要求要根据设计要求确定齿轮轴的主要技术要求：尺寸精度：轴颈是轴类零件的主要表面，它影响轴的回转精度及工作状态。轴颈的直径精度根据其使用和装配要求通常为it69精密轴颈可达it5。齿轮直径的尺寸为齿轮齿顶圆直径，精度通常为it56。几何形状精度:由于齿轮齿面部分的定位基准是齿轮中心线，因此，在加工时应达到较高的同轴度要求，以保证加工出的齿轮有较高的精度。轴颈的几何形状精度(圆度、圆柱度)，一般应限制在直径公差范围内。对几何形状精度要求较高时，可在零件图上另行规定其允许的公差。表面粗糙度：根据零件的表面工作部位的不同，可有不同的表面粗糙度值，齿轮顶圆部分的表面粗糙度可以较大一些，为ra1.66.3um，配合轴颈的表面粗糙度为ra0.632.5um，随着机器运转速度的增大和精密程度的提高，轴类零件表面粗糙度值要求也将越来越小。位置精度:主要是指齿轮部分相对于装配轴承的支承轴颈的同轴度，通常是用配合轴颈对支承轴颈的径向圆跳动来表示的；根据使用要求，规定高精度轴为0.001o.o05mm，而一般精度轴为o.001一0.003mm，如果少齿数齿轮不是齿轮轴结构，则还要考虑内外圆柱面的同轴度和轴向定位端面与，轴心线的垂直度要求。3.2.2毛坯加工工艺齿轮轴零件加工的典型工艺路线如下：毛坯及其热处理预加工打顶尖孔车削外圆各台阶热处理磨削轴承轴颈等。对精度要求较高的零件，其粗、精加工应分开，以保证零件的质量。通过对该齿轮轴进行图样分析，其加工可划分为三个阶段：粗车(粗车外圆、钻中心孔等)，半精车(半精车各处外圆、台阶和修研中心孔及次要表面等)，粗、精磨(粗、精磨各处外圆)。各阶段划分大致以热处理为界。确定主要表面的加工方法：齿轮轴都是回转表面，主要采用车削与外圆磨削成形：粗车一半精车一磨削。选择可靠合理的定位基准，对于保证零件的尺寸和位置精度有着决定性的作用。由于该传动轴的几个主要配合表面及轴肩面对基准轴线均有径向圆跳动和端面圆跳动的要求，它又是实心轴,所以本着基准重合原则选择两端中心孔为基准比较合适，采用上下顶尖装夹方法，可以保证零件的技术要求。粗基准采用热轧圆钢的毛坯外圆：采用自定心三爪卡盘装夹热轧圆钢的毛坯外圆，车削两端面，钻两中心孔。但必须注意，一般不能用毛坯外圆装夹两次钻两端中心孔，而应该以毛坯外圆作粗基准，先加工一个端面,钻中心孔，车出一端外圆；然后用已车过的外圆作基准，车另一端面，钻中心孔。安排热处理工序：热处理方式需要根据齿轮材料和技术要求确定。对于齿轮轴，用得较多的热处理工艺是正火、调质和表面淬火。该轴要求调质处理，并安排在粗车各外圆之后，半精车各外圆之前进行。通过上述综合分析，确定齿轮轴的加工工艺路线如下：下料粗车两端面和外圆，钻两头中心孔粗车各外圆和端面调质热处理研修中心孔一半精车各外圆一倒角一磨削一检验。3.2.3切削用量和加工余量齿轮轴的磨削用量可取0.1mm，磨削余量可留0.5 mm左右，半精车切削用量可取0.5mm，车削余量可留,1.5mm。各工序加工尺寸可由此类推。切削用量和加工余量的选择，在单件、小批量生产时，可根据加工情况由工人确定；但在大批量生产中,为了保证生产效率和生产质量，需要制订严格的工艺卡，一般可查切削用量手册或机械加工工艺手册选取.3.2.4工艺过程的拟定定位精基准面和中心孔应在粗加工之前加工，在调质之后和磨削之前各需安排一次修研中心孔的工序。调质之后修研中心孔的目的是为了消除中心孔热处理时的变形和产生的氧化皮，磨削之前对中心孔进行修研是为了提高定位精基准面的精度和提高锥面的表面粗糙度精度。拟定传动轴的加工工艺时，要同时考虑主要表面和次要表面的加工。在半精加工13mm、15mm及10mm外圆时，应车到图样规定的尺寸，键槽应在半精车后以及磨削之前铣削加工出来，这样可保证铣键槽时有较精确的定位基准，又可避免在精磨后铣键槽时破坏己精加工的外圆表面。在拟定工艺过程时，应考虑检验工序的安排、检查项目及检验方法的确定。综上所述，所确定的该传动轴加工工艺过程如下：图3.1小齿轮轴工艺卡图3-1小齿轮轴零件图齿面及热处理工艺过程(接传动轴加工工艺过程):【工序v】滚齿滚成齿部,检验固定弦齿高到合格。【工序】热齿面氮化处理t0.3mm，硬度800850hv，齿心2540hrc，其余各部保护。【工序】铣铣削键槽3x3x12。【工序】线切割切去两端工艺加长部分。【工序】钳钳修成两端倒角。【工序】终检。4. 少齿数齿轮滚齿机传动系统的设计方案少齿数齿轮传动减速器， 具有体积小，传动比大等优点，是一种新型减速器， 它的应用日趋广泛。但该减速器的关键部件少齿数齿轮轴的加工却比较困难。目前， 现场用普通滚齿机y38 进行加工，由于受到工作台蜗轮副所允许的滑移速度的限制，要加工齿数只有3或4的齿轮， 加工效率非常低。为此，对现有的滚齿机进行改造设计，以提高加工效率，降低工人劳动强度。4.1 改造方案一4.1.1机械部分的设计主要介绍工作台机械传动的设计众所周知，在y 38滚齿机上加工齿轮， 为了避免分度蜗轮副的过早磨损， 要求工作台转速不得大于7.5r / m in，即n工=n刀z0/z工7.5（r/min）式中n工工作台转速；n刀 滚刀转速； z0滚刀头数； z被加工齿轮的齿数。由上式可知,工作台转速与工件齿数和主运动速度有关。当滚刀选用单头，转速取最低为50r/min 时， z 7，说明y38 通常能加工的最少齿数为7，要加工少于7 个齿的少齿数齿轮， 只有降低主运动速度， 但影响了加工效率。为此，我们将工作台的旋转运动采用齿轮传动替代原来的蜗轮副传动， 由此提高工作台和滚刀的工作速度且又不涉及摩擦烧伤问题， 加工效率可大大提高。同时为保证加工精度， 采用两点措施: 一是提高传动齿轮的精度。由于被加工齿轮的精度只有8 级， 按机床设计要求此时为6 级精度的齿轮即可，现采用4 级精度的齿轮。二是采用误差补偿的办法来提高加工精度。即预先测出工作台旋转速度的变化曲线与标准速度曲线相比较，将其误差折算到步进电机上的脉冲数， 并存放在存贮器中，当加工零件时，则在正常指令脉冲的基础上加上补偿脉冲，从而实现误差补偿， 使低精度分度机构实现高精度分度。4.2改造方案二少齿数齿轮为斜齿轮，采用滚齿加工，其加工方法和普通斜齿圆柱齿轮基本相同，在普通滚齿机床上进行少齿数齿轮加工时，由于机床的设计没有把少齿数齿轮加工考虑进去，机床自身传动比比较小；加工少齿数齿轮时，传动链传动比较大，降低了机床传动系统的机械效率，甚至会出现传动系统的锁死现象，使机床不能正常启动而无法工作，这就给加工少齿数齿轮带来了很大的困难。经过仔细分析发现，当机构的输出速度为零时，该机构的输出功率也为零，显然此时机构的机械效率也为零，这是因为机构的静态摩擦力较大，超过了机床主电机的起动功率，使机构自锁。综上所述，可得出如下结论:在有摩擦的情况下，在速比范围0iim时，机构的机械效率01当机构的速度由0增加至某一数值i0之前，机械效率随速比i的增加而增加，然后机械效率月又随速比i的增加而减少。当i=im ，=0，可以写出= (i)及i=i0=max，经过仔细分析，机床无法启动的原因是由于机床传动链比较长、传动效率太低!、传动比较大、起动电机转速较高，从而使传递链自锁。要解决自锁问题，可以通过提高机床传动系统效率来解决。齿轮传动效率的组成主要有以下几个方面:齿轮啮合副中的摩擦损失，相应的效率为月c轴承中的摩擦损失，相应的效率为月z液力损失，即使润滑油飞溅和搅动引起的功率损失，相应的效率为y；齿轮传动中的均载机构或输出机构的摩擦损失，相应的效率为月q；齿轮传动的总效率表示为=czyq其中月q值尚无准确计算方法，可通过试验确定。经过分析，由于滚齿机床传动链复杂，传动比较大，传动级数多，计算起来相当复杂和麻烦，而在调整机床时，通过降低传动系统的转动速度可以消除自锁，根据功率表达式p=fv可知，在功率p不变时，降低速度v可以使力f增大。针对这一问题，需要对机床传动系统进行降速改造。y38滚齿机的改造采用电磁调速异步电动机和减速器相结合的加工方案。该方案是针对原机床在加工少齿数齿轮时传动效率太低、传动比比较大、机床传动链比较长、启动电动机转速较高、传动链自锁等问题，采用电磁调速异步电动机(型号为jzt3224，功率为1.5kw)代替功率为机床的主电机。该电磁调速异步电动机，是一种交流恒转矩调速电动机，通过可控硅控制达到均匀无级调速，具有速度负反馈自动调节系统，速度变化率低于3%；无失控区!调速范围广，最大可达10:1；控制功率小，便于自控、群控、遥控；具有启动性能好、启动转矩大、启动平滑、使用维护方便等特点。调整方案如图所示。进行床调试时，首先拆掉滚齿机的主电动机，安装好简易支架并与机床床身固定，将电磁调速异步电动机安装在支架上，并在电磁调速异步电动机与机床带轮之间加装减速器，通过三角带传动将动力传递到机床带轮。安装好电动机和减速器后，调整机床各传动链配换挂轮，把电磁一调速异步电动机转速调在较低档，检查机床无误后，即可启动，机床主轴和工作台同时启动后，再提高电磁调速异步电动机的转速，机床仍然能正常工作。这种方法的准备比较麻烦和费时，适合加工成批量少齿数齿轮，但机床工作比较稳定，效率也较高。5. y38差动机构设计由传动系统图可以知道，差动机构是由螺旋伞齿轮（3212382a）、其与轴上的螺旋伞齿轮（y38-11202）相啮合，两个直伞齿轮（y38-11014）与直伞齿轮（y38-11013）及直伞齿轮（y38-11015）相啮合并通过十字轴连接。此外还有差动蜗轮（y38-11016），他们共同安装在轴上与安装在轴上的圆柱直齿轮（y38-11204）一起通过若干个标准件构成了差动机构。5.1 总传动比的计算展成运动传动链的运动平衡式如下： （5-1）设被加工齿轮为圆柱直齿轮，齿数为z=45 滚刀头数为k=1 查分度挂轮调整表得：a=24,b=c,d=45,又因为被加工的齿轮是圆柱直齿轮，所以差动机构里的合成机构其传动比为1，即，又因为被加工齿轮的齿数为45，小于160，为了保证由分齿运动与差动装置的辅助回转运动的总和达到工作要求，即k头滚刀回转一转时，齿坯转动周，所以取，把上述已知参数代入公式可得：。5.2 传动比的分配如图2-3所示，展成运动链采用了三级变速。第一级变速为直齿圆柱齿轮对啮合，取，（见主传动链设计）。第二、三级传动为同齿数锥齿轮等速传动，取。第四级传动为变速锥齿轮传动，取，查18表7.3-14，取齿轮对，则。校核： 。第五级为同齿数的直齿圆柱齿轮等速传动，取。第六级为蜗杆蜗轮传动，根据上述已知条件，可以得出：，查18表7.2得， 所以取。其运动平衡式如下：。5.3 设计计算5.3.1 螺旋伞齿轮的设计根据齿轮齿根弯曲疲劳强度的设计： （4-2）式中： m齿轮模数； k载荷系数； t转矩； 齿形系数； 应力修正系数； 齿宽系数； 齿轮的弯曲疲劳强度极限。确定公式中的各参数，取载荷系数 k=1.42，=24，已知滚刀的最低转数为47.5r/min。则： n=r/min 当量齿数：。齿形系数及应力修正系数：查p表6.4取齿轮的弯曲疲劳强度极限：查 p图6.9取齿轮的弯曲疲劳寿命系数，查 p图6.7取查取定弯曲疲劳安全系数应力修正系数，所以代入各个参数得： = =把各参数代入公式（4-2）可求得结果m,按照标准取m=4.5。则已知m=4.5，z=24，与齿数为28的螺旋伞齿轮（y38-11202）相啮合，下面我们来计算该螺旋伞齿轮的有关参数尺寸。取齿宽系数： 分度圆直径： 锥 距： r=108=82.9mm齿宽中点直径： =108（1-0.5）=90mm mm齿宽中点模数： mm齿顶圆直径： mm mm5.3.2 运动合成机构设计设计的y38型滚齿机的合成机构是具有两个自由度的圆锥齿轮行星机构。利用运动合成机构，在滚切斜齿圆柱齿轮时，将展运动传动链中工作台的旋转运动和附加运动传动链中工作台的附加旋转运动合成为一个运动后传送到工作台；而在滚切直齿圆柱齿轮时，则断开附加运动传动链，同时把运动合成机构调整为一个如同“联轴器”的机构。y38型滚齿机所用的合成机构是由模数m=4mm，齿数z=21，螺旋角的两个相同直伞齿轮和同模数同齿数两个直伞齿轮组成。则我们来计算该合成机构的有关参数和尺寸：分度圆直径：齿数比： 所以： 锥 距：r=mm取齿宽系数，齿宽b=59.39mm齿宽中点分度圆直径： mm齿顶高：