滚齿刀和插齿刀设计

1、28目 录一、插齿刀11.1工作原理及设计原理11.2结构设计51.3参数计算61.4工艺设计10二、齿轮滚刀132.1工作原理132.2滚刀的结构参数132.3结构设计152.4参数计算162.5工艺设计18三、刀具的发展前景21四、设计总结23五、主要参考文献25一、插齿刀1.1工作原理及设计原理插齿刀用于加工直齿和斜齿圆柱齿轮、人字齿轮以及齿条等，特别是加工内齿轮和双联齿轮时，用它很方便插齿刀的形状很像齿轮，它是按展成法原理加工齿轮的。加工圆柱齿轮时，主要有主轴往复运动（主运动）及它和工件相互配合的转动（展成运动），以逐渐包络出齿轮的齿形。在加工斜齿圆柱齿轮时用斜齿插齿刀，除有主运动和展

2、成运动外还有一个附加的转动，使切削刃的运动轨迹描绘出一个假象的斜齿圆柱齿轮的尺侧面；在加工无空刀槽的人字齿轮，其加工原理和加工斜齿圆柱齿轮相同，但需要专门的插齿机上用一对斜齿插齿刀分别加工人字齿轮的两边牙齿。插齿刀的设计重点在变位系数的确定。变位系数越大，那么加工出来的齿轮表面精度越高。但是变位系数的增大会相应的带来两个问题。第一是插齿刀的齿顶变尖使刀具的耐用度降低；第二是插出齿轮的齿根过渡曲线与啮合齿轮的齿顶发生干涉。所以在设计时我们要充分的考虑这两个因素，以确定变位系数的最大值。 变位系数越小，则有利于插齿刀的重磨次数，即可提高使用寿命。但的减小又会引起两个问题。第一是加工少齿数的齿轮时，

3、容易产生根切；第二是加工多齿数齿轮时易产生顶切。因此设计插齿刀时也必须考虑这两个因素，以确定变位系数的最小值。 1.最大变位系数的确定：(1)齿顶变尖的限制：在选择新插齿刀的时，为了保证插齿刀的耐用度，应是齿顶有足够的厚度，其关系如下： (2)齿轮过渡曲线干涉的限制： 外插齿刀切齿时，保证不发生过渡曲线干涉的条件应为：式中 被切齿轮与共轭齿轮啮合时的中心距；被切齿轮与共轭齿轮啮合时的啮合角；共轭齿轮的齿顶圆半径；共轭齿轮的基圆半径；插齿刀切削齿轮时的中心距；插齿刀切削齿轮时的啮合角；插齿刀齿顶圆半径；插齿刀基圆半径；齿轮分圆压力角；被切齿轮与共轭齿轮齿数；被切齿轮与共轭齿轮变位系数。2.最小变

4、位系数的确定：(1)齿轮根切的限制：当插齿刀的齿顶在切削过程中切入被切齿轮根部的渐开线齿形时，成为插齿刀切削齿轮室的根切现象。 插齿刀在切削齿轮时保证不发生根切条件应为：齿轮的齿数越少或它的变位系数越小，越易发生根切。当插齿刀的齿数越多、变位系数越小以及齿顶高越大时，越易发生根切。(2)齿轮顶切的限制： 插齿刀在切削过程中，当被切齿轮的齿顶进入插齿刀根部齿形以内时，成为插齿刀切削齿轮时的顶切现象。 插齿刀在切齿时保证不发生齿轮顶切的条件应为：式中插齿刀切齿时保证被切齿轮不发生顶切的最小啮合角；被切齿轮齿顶圆和基圆半径。确定最小变位系数的方法，先求出保证被切齿轮不发生顶切的值，然后代入限制根切的

5、不等式进行计算。如果不等式成立，则此时的可以保证不发生顶切和不发生根切。如果不等式不成立，则将发生根切。那就要相应的增大然后重新计算。当不等式左右相等时，即为最小值。另一重点是插齿刀前角和齿形的修正。插齿刀有前角可以改善切削条件，但这将造成齿形误差，必须修正齿形以减少齿形误差。插齿刀切削齿轮时，切削刃上下运动的轨迹包络形成齿轮的渐开线齿形。故切削刃在基面上的投影应是渐开线才没有理论上的误差。但是由于有了前角和变位，这种误差就不可避免。如下为修正公式：tan = 式中修正后齿形角； 分圆压力角；齿顶后角；前角。附：maag制和径节制模数，以弥补公制数离散点间隔过大的缺陷。maag制模数部分系列如

6、下表：5系列5.15.25.35.45.55.65.75.85.96系列6.16.26.36.46.56.66.76.86.91.2结构设计结构图如下：结构设计参考工称直径125mm碗形插齿刀的结构参数。具体参数，请看所附零件图。1.3参数计算插齿刀的设计步骤及计算举例已知条件名称被切齿轮参数共轭齿轮参数模数m6.1m6.1分圆压力角24°24°齿数3019齿顶高6.16.1齿根高7.6257.625齿全高13.72513.725分圆弧齿厚9.5829.582变位系数00齿顶圆半径97.664.05根圆半径83.87550.325分圆半径91.557.95根圆半径83.58

7、952.940序号计算项目符号计算公式或选取方法计算精度计算举例1前角通常取1°2齿顶后角根据已知条件(通常情况下取)1°0.0000001°3齿数 根据已知条件4根据已知条件0.01 求最大变为系数5允许齿顶厚0.01=1.5526计算参数0.01 求最大变位系数7求值根据已知条件0.018共轭齿轮的啮合角0.00000011° 9共轭齿轮中心距0.00110被切齿轮和插齿刀的啮合角0.00000011°11被切齿轮和插齿刀的中心距0.0112插齿刀齿顶圆半径0.00113插齿刀基圆半径0.00114计算参数将813项的计算结果带入不等式如果

8、不等式不能成立，则说明发生过渡曲线干涉，此时必须减少值，或增加插齿刀的齿数后重新计算。0.0010.001 左边右边，符合要求求最小变位系数15保证被切齿轮不发生顶切时插齿刀与被切齿轮的最小啮合角0.00000010.00001° = 19.52291°16保证被切齿轮不发生顶切时的最小变位系数0.00000117验算插齿刀在切削齿轮时是否发生根切0.001 =150.7700.0010.001 = 18.416 >0符合公式要求，所以取 = -0.7218原始截面到前端面距离0.1= 019厚度bb的尺寸还收到工艺因素的限制，特别是小模数插齿刀，b值不宜过。按表查取

9、整数b=4020修正后齿形角tan =0.00001° =0.4493608=24.19728°=24°1150cos=0.9121396sin=0.409879721侧刃后角=sintan0.0000001tan= 0.4098797×0.1051042 =0.0430801=2°2822分圆直径=m0.001=6.1×21 =128.10023齿形角修正后的基圆直径=128.100×0.9121396 =116.845原始截面上的齿形尺寸24齿顶高=0.01=1.15×6.1 =7.0225分圆弧齿厚=0.00

10、1 =9.58226齿全高=20.01=2×7.015=14.03前端面上的齿形尺寸27齿顶高=7.01528分圆弧齿厚0.001=9.58229顶圆直径=+20.01=128.1002×7.02 =142.1330根圆直径=0.01=142.142×14.04=114.0731前刀面齿顶高=0.01= =7.04232其他结构尺寸按表选取在距离前端面2.5毫米进行齿形检验，计算检验用的展开角33顶圆上的展开角=0.8251505=34.39625°tan =0.6846182=39.21707 tan=39°133334齿形有效部分起始点展开

11、角=0.1836497=10.52235°=10°312035有效部分展开角=28°4213在距前端面2.5毫米吃进行齿形检验，计算检验用的展开角36齿根圆压力角0.00000010.00001°由于 故cos=1=0inv=037根圆齿厚0.0138根圆齿间宽如0.01=5.52>(11.5) 1.4工艺设计 本设计盘形插齿刀采用高速钢w6mo5cr4v2，硬度为hrc6768，红硬比较好，韧性也不错。由于此材料含w、mo故提高了回火稳定性，但是须经过一次淬火、三次回火才能达要求，所以在工艺设计热处理中要考虑这个问题。 原材料须经过锻造使晶粒细化

12、，同时要愋慢冷却避免形成马氏体。为了便于加工，还必须退火以降低硬度(一般采用等温退火)。退火之后会形成索氏体和细粒状碳化物。当车削加工完成之后，需淬火、回火以提高硬度，符合刀具的硬度要求。其中要注意加热时要在盐炉中，还须预热两至三次，采用油淬火。进行多次回火使其弥散硬化。南 华 大 学 机 械 工 程 学 院 零 件 加 工 工 艺 卡图 号零 件 名 称材 料插齿刀w6mo5cr4v2工序号工 序 名 称 及 内 容设备型号工装夹具、刃具、量具工时定额备 注一锻造：Ø147×45，孔可不冲出二正火三车：车外圆锥面，内孔，要预留0.3，内外制成面各留0.15，外支撑面、内孔

13、装夹定位，外锥面、内孔、内支撑面、前刀面一次装夹车出，其余按图纸要求c a 61401.20四滚齿：外支承面朝下，矫正外锥面、滚珠锥底，测高度要在原基础加大0.5，测量齿厚要在原图纸加大0.3ykx313240转工序40五钳：去毛刺，不得伤到刀刃8'六热处理:一次淬火，三次回火，硬度6366hrc七磨：内孔，使用开口弹性套，找正节圆、前刀面，磨内孔至Ø，磨内支撑面；在前刀面上磨出宽度1.52mm的环状平面 m2120珠棒40'八磨：外支撑面，以环状面定位m712020'九研磨：磨内孔至尺寸1.00十磨：外锥面至图纸要求m131锥度心轴25'十一磨前刀面

14、m6025c插齿刀心轴、碗型砂轮4.00转工序4.00十二磨：齿形至图纸要求，齿厚要k向检测。基圆直径，基圆柱螺旋角十三送检：基圆直径Ø116.845，在前端面2.5mm处检查齿形。渐开线检测仪4.00十四液体喷砂十五激光刻标记十六浸蜡，真空包装二、齿轮滚刀2.1工作原理 齿轮滚刀是加工外啮合直齿和斜齿圆柱齿轮最常用的刀具，它是按螺旋齿轮啮合原理加工齿轮。在加工过程中，滚刀相当于一个具有一定切削角度的渐开线斜齿圆柱齿轮，它同被加工的齿轮形成螺旋齿轮啮合。其实质就是一个蜗杆。工业上采用易于制造和检验，而端截面又近似于渐开线的蜗杆，作为滚刀的基本蜗杆。滚刀轴线安装成与被加工的齿轮端面倾斜

15、一个角度。切削时，滚刀移动的距离称为工件每转进给量。为了形成展成运动，工件应与滚刀保持一定的速比旋转。在加工直齿轮是，滚刀每转一圈，工件转过的齿数等于滚刀的头数；在加工斜齿轮时，工件还要比上述转动稍快或者稍慢点，以形成螺旋齿。2.2滚刀的结构参数 (1)滚刀的外径：齿轮滚刀的外径是一个很重要的结构尺寸，其大小直接影响到其他结构参数的合理性。滚刀外径愈大，则滚刀分圆螺纹升角愈小，因而可使滚刀的近似造型误差愈小，提搞齿形的设计精度；(2)滚刀的长度： 滚刀的长度由螺纹部分的长度和两端轴台的长度所组成。滚刀的轴台用作检验滚刀安装准确程度的基准，它要求与滚刀孔有严格的同轴度。 除的ii型滚刀长度略小于

16、滚刀外径以外，其余滚刀长度均等于其外径(3)齿轮的容屑槽： 滚刀的容屑槽一般做成与轴心线平行的直槽形式。滚刀做成直槽，不仅能提高制造和刃磨精度，而且易于检查。直槽滚刀左右两侧刃的切削条件不一致。当滚刀的螺纹升角时，直槽滚刀并不引起被加工齿轮齿面质量有明显的差别。当时，容屑槽做成垂直于滚刀螺纹的螺旋槽形式。滚刀的容屑槽数关系到切削过程的平稳性、齿形精度和齿面光洁度，以及滚刀的每次重磨后的耐用度和使用寿命。滚刀的容屑槽数愈多，切削过程愈平稳，滚刀的耐用度愈高，且对提高齿轮的齿形精度和齿面光洁度也有直接的好处。但是容屑槽数过多，刀齿的宽度减小，会使滚刀的可重磨次数减少。(4)滚刀的切削角度： 滚刀的

17、前角：精加工滚刀和标准滚刀为便于制造和测量，一般都采用前角。正前角滚刀不但能改善切削条件，而且对提高滚刀的耐用度与被加工齿轮的吃面光洁度有很大的好处。但是不利于检测，故常用语初加工。负前角主要用于切削铸铁和硬齿面齿轮。 滚刀的后角: 齿轮滚刀的顶刃后角和侧刃后角应保持一定的关系，使滚刀重磨后齿形不发生变化。同时又要保证最小的侧刃后角，使滚刀不易磨损。因此，滚刀的顶刃与侧刃必须采用相同的径向铲背量。其值用下式计算： 式中 滚刀径向铲背量； 滚刀外径； 滚刀容屑槽数； 滚刀顶刃后角。为使滚刀铲磨时有砂轮空刀，滚刀必须进行双重铲齿。k22.533.544.555.566.57891012k20.6-

18、0.70.7-0.80.8-0.9(5)滚刀的分圆直径与螺纹升角随着齿轮滚刀的重磨，滚刀加工齿轮时的结缘直径要相应减小，因而滚刀加工齿轮时的安装斜角，应随滚刀重磨后的分圆螺纹升角而变化。但实际生产中，不可能每重磨一次就改滚刀的安装斜角。因此，应该设计一个比较合理的分圆直径，得到一个比较合理的分圆螺纹升角。滚刀的螺纹升角不仅于滚刀使用时安装有关，同时它又影响着滚刀的齿形角近似造形误差。2.3结构设计简单结构图如下：结构设计参考一般齿轮滚刀的结构参数。具体参数，请看所附零件图。2.4参数计算齿轮滚刀的设计步骤及计算举例已知条件被加工齿轮参数： 齿顶高系数f=1 变位系数 分度圆螺旋角 螺旋方向：右

19、旋精度等级：7fj gb10095-88序号计算项目符号计算公式或选取方法计算精度计算举例1滚刀精度等级按齿轮精度等级选定滚刀精度等级aa级2基本尺寸（1） 外径（2） 孔径（3） 全长（4） 容屑槽数dl根据滚刀精度等级为aa级，按表2-2-1选取基本尺寸3法向齿形尺寸（1） 齿顶高（2） 齿根高（3） 齿全高（4） 法向齿距（5） 法向齿厚0.010.010.0010.014切削部分（1） 前角（2） 铲背量 第一铲背量 侧刃后角 第二铲背量（3） 容屑槽深度（4） 槽底半径（5） 槽形角khr采用前角滚刀前刃面偏位值：0.1圆整到0.5圆整到0.5圆整到0.5圆整到0.25 e=0取为取

20、5作图校验见图略6分圆直径0.017分圆螺纹升角8容屑槽螺旋角 直槽9容屑槽导程t直槽滚刀t=110轴向齿形尺寸（1） 轴向齿距（2） 轴向齿厚（3） 齿顶圆弧半径（4） 齿根圆弧半径 0.0010.010.10.111轴向齿形角直槽滚刀（左右侧齿形角相等）12滚刀螺纹方向右旋13轴向尺寸（1） 直径（2） 长度（3） 倒棱按表2.2-1按表2.2-1按总附录表v14键槽尺寸（1） 键宽（2） 键高（3） 圆弧按总附录表按总附录表按总附录表15内孔空刀尺寸（1） 空刀直径（2） 磨光部分长度2.5工艺设计 本设计非标齿轮滚刀采用高速钢w6mo5cr4v2，硬度为6366hrc，红硬比较好，韧性

21、也不错。由于此材料含w、mo故提高了回火稳定性，但是须经过一次淬火、三次回火才能达要求，所以在工艺设计热处理中要考虑这个问题。原材料须经过锻造使晶粒细化，同时要慢慢冷却避免形成马氏体。为了便于加工，还必须退火以降低硬度(一般采用等温退火)。退火之后会形成索氏体和细粒状碳化物。当车削加工完成之后，需淬火、回火以提高硬度，符合刀具的硬度要求。其中要注意加热时要在盐炉中，还须预热两至三次，采用油淬火。进行多次回火使其弥散硬化。南 华 大 学 机 械 工 程 学 院 零 件 加 工 工 艺 卡图 号零 件 名 称材 料1齿轮滚刀w6mo5cr4v2工序号工 序 名 称 及 内 容设备型号工装夹具、刃具

22、、量具工时定额备 注一锻造：Ø205×205二正火三粗车：清一头端面，光大部分外圆，打两端中心孔c614025'四钻：内孔至Ø35z3510五车：内孔至Ø，0.4两端面各留0.2，外圆留0.6，凸台阶外圆留0.3内孔中间凹槽做出至尺寸c61401.20六插：键槽，注意内孔留磨量，去毛刺b5032专用键槽刀25'七磨：内孔至Øm212015八粗磨：穿锥心轴，光大外圆，靠两端面，见光m13110九车：螺旋槽深度至尺寸，分度圆齿厚留0.6ca6140带键锁紧心轴、专用铲刀2.40转工序1.00十铣：容屑槽x62w成形铣刀、带键心轴1.

23、00十一钳：去不全齿、去毛刺20十二铲：铲顶，齿形、齿厚留0.3=2.47787=0.40357=或c8955带键螺纹心轴，成形刀2.30转工序2.00十三热处理：6366hrc十四磨：内孔留0.010.02m2120开口套20'十五研磨：内孔至尺寸内孔研磨机1.00十六磨：穿心轴，两凸台外圆，靠两端面至尺寸m131锥度心轴20'十七磨：前刀面mg6425a25'十八铲磨：齿形至尺寸c89554.00转工序1.00十九送检二十液体喷砂二十一激光刻标记二十二浸蜡，真空包装三、刀具的发展前景 随着数控技术的发展，极大的推动了机床向数控、高速、高效和复合方向快速发展，为了满足

24、高精度和高效切削加工的需要，近年来，国内外齿轮刀具的研发也与数控高效机床的发展保持了同步并取得了很大的进步，这些进步主要依赖于几个方面：更先进的设计技术，更先进的数控专用加工技术和精密检测技术，性能优越的刀具材料，先进的表面涂层技术，而高速钢齿轮刀具的热处理技术也是关键。近几年齿轮刀具的发展趋势和特点主要表现在一下几个方面：环保干切化与传统湿切法相比，干切法方式不需要冷却液，既环保又降低了滚齿刀加工成本，干切法方式还可以采用更高的切削速度，提高加工效率。按照干切机床的加工要求，现主要研究环保干切滚刀。环保干切滚刀按材料分忧整体硬质合金滚刀，硬质合金可转位滚刀，粉末冶金高速钢滚刀。整体硬质合金滚

25、刀一般用于模数小于2mm的齿轮，精度可达aaa级，切削速度可达250m/min以上，硬质合金可转位滚刀一般用于模数大于645mm的齿轮，主要用于磨前粗切，切削速度可到120150m/min，粉末冶金高速钢滚刀一般模数范围更宽，可以盖有所模数段，这类刀具均采用高性能粉末冶金高速钢制造，刀具韧性好，加工难度小，其结构特点是小径加长结构，减少进刀出刀时间，并进行串刀，提高了刀具耐用度和加工效率，采用粉末冶金材料和高性能涂层，切削速度可达150200m/min，精度dinaa级或gbaa级。环保干切将成为切齿加工的主要方式齿轮刀具硬质合金化在传统意义上，齿轮刀具材料一般是高速钢，随着硬质合金材料的发展

26、和加工技术的进步，硬质合金刀具的比例越来越高。如各种硬质合金可转位齿轮刀具大大提高了齿轮加工的效率，也大大提高了刀具的寿命，m5-m8范围的机夹式硬质合金滚刀装配精度可达din b级、结构新颖。刀具规格超大化随着加工机床的大型化，重大装备对超大齿轮要求增加，出现了多种相配套的超大刀具，近年来研发的40时50时的弧铣刀就是雨大型弧齿机配套加工16002000mm的超大螺旋锥齿轮。；m40m45超大模数滚刀是大型滚齿机相配套加工大型圆柱齿轮，在水泥，冶金，起重，船舶等行业广泛应用；专用插齿刀具已由以前模数18发展到现在的m25。涂层技术的发展和刀具的紧密结合在现代刀具发展中，涂层技术的应用起到了关

27、键作用，可以说先进的涂层技术成就了现代高效切削刀具。目前，无论是化学涂层还是物理涂层都在积极研发各种涂层材料；从单一涂层向多层涂层，梯度涂层，纳米涂层，纳米复合涂层等方向发展；同时涂层技术也更加注意与涂前处理工艺和涂后吃力工艺的结合；先进的涂层技术具有更高的红硬性，抗热性和抗氧化性；具有更好的韧性，结合力及更低的摩擦系数；涂层技术对刀具的贡献就在于：显著提高了刀具的耐磨性和使用寿命，实现了刀具的高速高效及干式切削，实现了高硬材料及各种难加工材料的切削加工，大大促进了机械制造业的发展四、设计总结课程设计是一门将理论运用到实践当中的一门课程。此次的课程设计让我更加深入的了解了我们机械行业在日常生活当中的运用以及我们要发挥我们的创新能力，这样才能赶上欧洲发达国家的工业。本次课程设计，我了解了非标准齿轮滚刀，插齿刀的设计原理、结构参数、结构设计以及加工工艺过程。培养了我综合运用所学理论解决生产实际中刀具设计的能力，通过查资料、查手册，我开拓了视野，了解了我国刀具的发展史中国第一把插齿刀是20世纪60年代出现的同时不在局限我国现阶段已有的