直齿圆柱齿轮的设计和加工工艺设计

1、题目：直齿圆柱齿轮的设计和加工工艺设计学 院 冀中职业学院学生姓名 李朋辉 学号2009040217专 业 机电一体化技术 届别 2009指导教师 姜小丽 职称二011年 月诚信承诺本人慎重承诺和声明：我承诺在毕业论文(设计)活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，在本人毕业论文中为剽窃他人的学术观点、思想和成果，为篡改研究数据，如有违规行为发生，我愿承担一切责任，接受学校处理。学生（签名）：李朋辉2011年 月 日摘 要 现在齿轮传动是机械传动最常用的形式之一，它在机械、电子、纺织、冶金、采矿、汽车、航天等设备中得到广泛应用。其中直齿圆柱齿轮是汽车及机械行业中重要的传动零件，其形状复杂，材质尺

2、寸精度表面质量及综合机械性能很高。本文主要介绍直齿圆柱齿轮的结构及设计和加工工艺。目 录概述.第一章 直齿圆柱齿轮的设计1.1齿轮基础知识1.2直齿圆柱齿轮结构及零件图1.3直齿圆柱齿轮材料及其参数合理选取第二章 直齿圆柱齿轮的加工工艺2.1夹具及毛坯的选取2.2齿轮加工方法2.3齿轮加工方案选择及使用要求2.4直齿圆柱齿轮加工工艺过程结束语.参考文献.概述齿轮是机械行业量大面广的基础零件，广泛应用于机床，汽车，摩托车，农机，建筑机械，航空，工程机械等领域，而对加工精度，效率和柔性提出越来越高的要求。齿轮加工技术从公元前400200年的手工业制作阶段开始经历了机械仿形阶段、机械返程加工阶段以及

3、20世纪80年代至今的数控技术加工阶段。第一章 直齿圆柱齿轮的设计1.1齿轮的基础知识齿轮机构的特点如下： （1）齿轮机构的优点有：1）齿轮机构传动比恒定，寿命长，工作可靠性高。2)齿轮机构传递的功率和圆周速度分别可达100000kw、300ms。3）齿轮机构能够实现平行轴和不平行轴之间的传动。 （2）齿轮机构的缺点有：1）齿轮机构的制造成本过高。2）齿轮机构不适用于远距离的传动。3）低精度齿轮会产生有害的冲击，噪音和振动。齿轮的分类齿轮可按齿形、齿轮外形、齿线形状、轮齿所在的表面和制造方法分类。齿轮的齿形包括齿廓曲线压力角齿高和变位。齿轮按其外形分为圆柱齿轮、锥齿轮、非圆齿轮、齿条、蜗轮蜗杆

4、；按齿线形状分为直齿轮、斜齿轮、人字齿、曲线齿轮；按齿所在的表面分为外齿轮、内齿轮；按制造方法可分为铸造齿轮、切制齿轮、轧制齿轮、烧结齿轮等。1.2直齿圆柱齿轮的结构及零件图直齿圆柱齿轮各部分的名称和代号 1）齿顶圆-齿轮齿顶所在的圆。其直径（或半径）用da（或ra ）表示。2）齿根圆-齿轮齿槽底所在的圆。其直径（或半径）用df（或rf）表示。3）分度圆-用来分度（分齿）的圆，该圆位于齿厚和槽宽相等的地方。其直径（或半径）用d（或r表示）。4）齿顶高-齿顶圆与分度圆之间的径向距离，用ha表示。5）齿根高-齿根圆与分度圆之间的径向距离，用hf表示。6）全齿高-齿顶圆与齿根圆之间的径向距离，用h表

5、示。显然有： h = ha + hf7）齿厚-一个齿的两侧齿廓之间的分度圆弧长，用s表示。8）槽宽-一个齿槽的两侧齿廓之间的分度圆弧长，用e表示。9）齿距-相邻两齿的同侧齿廓之间的分度圆弧长，用p表示。显然有： p = s + e10）齿宽-齿轮轮齿的宽度（沿齿轮轴线方向度量），用b表示。直齿圆柱齿轮的基本参数与齿轮各部分的尺寸关系 1)齿数z 一个齿轮的轮齿总数。2）模数m 以z表示齿轮的齿数，那么齿轮的分度圆周长 =d = z p。因此分度圆直径为：d=(p/p)z,式中：p/p称为齿轮的模数，用m表示，即要使两个齿轮能啮合，它们的齿距必须相等。因此互相啮合的两齿轮的模数m必须相等。从d

6、= mz中可见，模数m越大，轮齿就越大；模数m越小，轮齿就越小。模数m是设计、制造齿轮时的重要参数。不同模数的齿轮，要用不同模数的刀具来加工制造。为了便于设计和减少加工齿轮的刀具数量，GBI357一78对齿轮的模数m已系列化，如下表所示。3）在选用模数时，应优先采用第一系列的模数，其次是第二系列，括号内的尽可能不用。当标准直齿圆柱齿轮的模数m确定后，按照与m的比例关系可算出轮齿的各基本尺寸。直齿圆柱齿轮零件图在齿轮零件图上不仅要表示出齿轮的形状、尺寸和技术要求，而且要列出制造齿轮所需要的参数和公差值，如图7.2-6所示。 图7.2-6 直齿圆柱齿轮的零件图 1.3直齿圆柱齿轮材料及其参数合理选

7、取 在加工之前，为了保证齿轮的可靠性，提高其使用寿命，齿轮的材料及其热处理应根据实际的工作条件和材料的特点来选取。对直齿圆柱齿轮材料的基本要求是;应使齿面有足够的硬度和耐磨性，齿心具有足够的韧性，以防止齿的各种失效，同时应具有良好的冷、热加工的工艺性，以达到齿轮的各种技术要求。满足材料的机械性能 加工过程中，如果齿根部受到大弯曲应力，可能产生齿面或齿体强度失效；如果齿面各点都有相对滑动，会产生磨损。 齿轮主要的失效形式有齿面磨损、齿面胶合、齿面塑性变形和轮齿折断等。 因此我们要求齿轮材料有高的弯曲疲劳强度和接触疲劳强度，齿面要有足够的硬度和耐磨性，心部要有一定的强度和韧性。满足材料的工艺性能

8、材料的工艺性能是指材料本身能够适应各种加工工艺要求的能力。 齿轮的制造要经过锻造、切削加工和热处理等几种加工，因此选择材料时要特别注意材料的工艺性能。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。因此可以通过改变工艺规程、热处理方法等途径来改善材料的工艺性能。材料的经济性要求 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。从材料本身价格来考虑，碳钢和铸铁的价格比较低廉，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，而且可以降低成本。齿

9、轮的材料及热处理 对于齿轮材料基本要求如下：齿面要硬，齿芯要韧；易于加工及热处理；软齿面齿轮齿面配对硬度差为3050HBS 常用的齿轮材料及其热处理方法有:(1)中碳钢（如45钢）进行调质或表面淬火，综合力学性能较好，用于低速轻载或中载的一些不重要的齿轮。(2)合金调质钢(如4Cr)进行调质或表面淬火，综合性能更好，其热处理变形小，适用于中速、中载及精度较高的齿轮。(3)合金渗碳钢进行渗碳淬火或液体碳氮共渗，齿面硬度可达58HRC，且心部有较高韧性，适用于高速、中载和或有冲击载荷的齿轮(4)铸铁及其他非金属材料。这些材料强度低、易加工，适用于一些轻载齿轮。a表面淬火常用于中碳钢和中碳合金钢，如

10、45、40Cr钢等。表面淬火后，齿面硬度一般为4055HRC。特点是抗疲劳点蚀、抗胶合能力高，耐磨性好;由于齿心部分未淬硬。齿轮仍有足够的韧性，能承受不大的冲击载荷。b渗碳淬火常用于低碳钢和低碳合金钢。渗碳淬火后齿面硬度可达5662HRC，而齿轮心部仍保持较高的韧性，齿轮的抗弯强度和齿面接触强度高，耐磨性较好，常用于受冲击载荷的重要齿轮传动。齿轮经渗碳淬火后，齿轮变性较大，应进行磨削加工。c渗氮是一种表面化学热处理。渗氮后不需要进行其他热处理，齿面硬度可达700900HV。由于渗氮处理后的齿轮硬度较高，工艺温度低，变形小，故适用于内齿轮和难以磨削的齿轮，常用于铅、铝等合金元素的渗氮钢。d调质一

11、般用于中碳钢和中碳合金钢，如45、40Cr、35SiMn钢等。调质处理后齿面硬度一般为200280HBS。因硬度不高，齿轮精加工可在热处理后进行。e正火能消除内应力，细化晶粒，改善力学性能和切削性能。机械强度要求不高的齿轮可采用中碳钢正火处理，大直径的齿轮可采用铸钢正火处理。本文中用到的齿轮材料为钢制齿轮，其热处理方法是正火和调质，选用8级精度齿轮，其表面粗糙度第二章 直齿圆柱齿轮的加工工艺2.1夹具及毛坯的选取夹具的选取 齿轮按齿坯形状分为轴类和盘类。加工轴类时一般采用双顶尖孔定位。 盘类齿轮的定位基准与设计基准及与轴连接的装配基准（圆孔和花键孔等）相一致。盘类齿轮的端面作为辅助辅助定位基准

12、。因此在齿坯加工时，端面对内孔的圆跳动不得大于0.04mm。 滚齿夹具一般采用组合结构，即由夹具底座和心轴组成，同一规格的夹具，底座能安装不同规格的心轴，具有成本低调整方便的优点。底座根据工件的大小可分为23种，按工件的分度圆选用。两端棉对中心线的端面跳动不能大于0.005mm。为保持夹具精度及使用寿命，心轴必须经过淬应处理和磨削。各压圈、垫片的两端要平行平行度不大于0.005mm.为使工件夹紧时受力均匀，压紧用的垫圈采用球面垫圈。 剃齿夹具一般采用心轴形式。因剃赤余量小，故切削力也小。压套与工件接触的端面要求平整，端面跳动不大于0.005mm。端面及内孔表面粗糙度不大于Ra0.4um。心轴的

13、工作尺寸选取与滚齿夹具相同，径向跳动不大于0.005mm。端面及外圆表面的粗糙度不大于Ra0.4um。压轴与心轴都要经过淬硬处理，中心孔需要研磨，表面粗糙度不大于Ra0.2um。 插齿工作尺寸小于40mm时，心轴采用整体结构，大于40mm时采用镶套结构。心轴工作尺寸的选取与滚齿夹具相同。外径及锥面径向跳动不大于0.005mm., 表面的粗糙度不大于Ra0.4um。心轴必须经过淬硬处理和磨削，螺纹部位不淬硬。毛坯的选择 由于齿轮毛坯的选择取决于齿轮材料、结构形式与尺寸、使用条件及生产批量等因素。常用的齿轮毛坯有：(1)下料件用于一些不重要，受力不大且尺寸较小，结构简单的齿轮。(2)锻件用于重要而

14、受力较大的齿轮。(3)铸钢件用于直径大或结构形状复杂，不宜锻造的齿轮。(4)铸铁件用于受力小，无冲击的开式传动的齿轮。本文就用的是下料件。2.2齿轮加工方法齿轮加工的关键是齿面加工。目前，齿面加工的主要方法是刀具切削加工和砂轮磨削加工。按照加工原理，可分为成行法和展成法。成行法成形法是采用与被切齿轮齿槽相符的成型刀具加工齿形的方法。用齿轮铣刀在铣床上加工齿轮是常用的成形法加工。(1)铣刀应选择与被加工齿轮模数压力角相等的铣刀。(2)我们在铣削的过程中，在卧式铣床上应将齿坯套在心轴上安装于分度头和尾架顶尖中，对刀并调好铣削深度后开始铣第一个槽，铣完齿退出进行分度，依次逐个完成齿数的铣削。(3)铣

15、齿加工特点：用普通的铣床设备，且成本低；生产效率低；齿轮精度低。展成法 展成法就是利用齿轮刀具与被切齿坯作啮合运动而切出齿形的方法。主要有： (1）插齿加工插齿加工在插齿机上进行，是相当于一个齿轮刀与齿坯按一对齿轮作啮合运动而把齿形切削成的。一把插齿刀，可加工相同模数而齿数不同的齿，插齿有以下切削运动:1) 主运动 插齿刀的上下往复运动2）展成运动 确保插齿刀与齿坯的啮合关系的运动3）圆周进给运动 插齿刀的转动，其控制着每次插齿刀的切削用量4) 径向进给量 插齿刀须作径向逐渐切入运动，以便切出全齿深5）让刀运动 插齿刀回程向上时，为避免与工件摩擦而使插齿刀让开一定距离的运动插齿适于加工直齿圆柱

16、齿轮及内齿轮加工精度为78级，吃面粗糙度为1.6um。 (2)滚齿加工滚齿是目前应用最广的切齿方法，滚齿加工原理是滚齿刀和齿坯模拟一对螺旋齿轮啮合运动。其精度一般为79级滚齿时，产生齿轮的基节偏差较小，而齿形误差通常较大。滚切直齿圆柱齿轮时有以下运动:1)主运动 滚刀的旋转运动。2）展成运动 是保证滚齿刀和被切齿轮的转速必须符合所模拟的一对齿轮的啮合运动关系。3)垂直进给运动 要切出齿轮的全齿宽，滚刀须沿工件轴向作垂直进给运动，滚齿加工适于加工直齿、斜齿圆柱齿轮。齿轮加工精度为87级，齿面粗糙度Ra1.6um。 (3)剃齿加工剃齿是用剃齿刀对齿轮的齿面进行精加工的方法。加工原理：剃齿时刀具与工

17、件作一种自由啮合的展成运动。安装时，剃齿刀与工件轴线倾斜一个剃齿刀螺旋角。剃齿刀的圆周速度可以分解为沿工件齿向的切向速度和沿工件齿面的法向速度，从而带动工件旋转和轴向运动，使刀具在工件表面上剃下一层极薄的切屑。同时，工作台带动工件往复运动，以剃削轮齿的全长。(4)衍齿加工 衍齿特点：衍齿的加工原理与剃齿相同，主要作用是降低齿面粗糙度，生产率高，一般用于大批量加工86级精度的淬火齿轮。 (5)磨齿加工 磨齿是获得高精度齿轮最有效和可靠的方法，既可磨削不淬火的齿轮，又可磨削淬火的齿轮。加工精度可达64级, Ra0.40.2um。磨削方法分为展成磨削和成形磨削两大类。 磨孔，对于淬硬零件中的孔加工，

18、磨孔是主要的加工方法。内孔为断续圆周表面、阶梯孔及盲孔时，常采用磨孔作为精加工。磨孔的方式有中心内圆磨削、无心内圆磨削。中心内圆磨削是在普通内圆磨削床或万能磨床上进行的。无心内圆磨削是在无心内圆磨床上进行的，被加工工件多为薄壁件，不宜用夹盘夹紧，工件的内外圆同轴度要求较高。由于内圆磨削的工作条件比外圆磨削差，其内圆磨削有以下特点： 1)磨孔用的砂轮直径受到工件孔的限制。约孔直径的0.5-9倍，砂轮直径越小则磨耗越快，因此经常需要修整更换。 2)由于选择直径较小的砂轮，因此磨削速度比外轮低的多，故孔的表面质量较低。 3)砂轮的直径受孔径和长度的限制，又是悬臂安装，故刚性差容易弯曲和变形，产生内圆

19、磨削砂轮的偏移，从而影响加工精度和表面质量。 4)砂轮与孔的接触面积大，单位面积压力小，砂粒不易脱落，砂轮显得硬，工件易发生烧伤，故选用较软的砂轮。 5)切削液不易进入磨削区，排屑较困难，磨屑易积集在磨粒间的空隙中，容易堵塞砂轮，影响砂轮的切削性能。2.3齿轮加工方案选择及使用要求齿轮加工方案的选取 由于齿轮加工方案的选取，主要取决于齿轮的精度等级、生产批量和热处理方法等。因此在选择齿轮加工方案时可参考以下原则： (1)对于8级及8级以下精度的不淬硬齿轮，可用铣齿、滚齿或插齿直接达到加工要求。 (2)对于8级及8级以下精度的淬硬齿轮，需在淬火前将精度提高一级，其加工方案可采用：滚齿齿端加工齿面

20、淬硬修正内孔。 (3)对于67级精度的不淬硬齿轮，其齿轮加工方案：滚齿剃赤。 (4)对于67级精度的淬硬齿轮，其齿形加工一般有两种方案：1）剃衍磨方案滚（插）齿齿端加工剃齿齿面淬硬修正内孔衍齿。2）磨齿方案滚（插）齿齿端加工齿面淬硬修正内孔磨齿。剃衍方案生产率高，广泛用于7级精度齿轮的成批生产。磨齿方案生产率低，一般用于6级精度以上的齿轮。 (5)对于5级及5级精度以上的齿轮，一般采用磨齿方案。 (6)对于大批量生产，用滚（插）齿冷挤齿的加工方案，可稳定地获得7级精度齿轮。齿轮传动的使用要求 由于齿轮的制造精度对机器的工作性能、承载能力及使用寿命影响很大，因此，在制造齿轮时必须满足齿轮传动的使

21、用要求。 （1）传动的准确性即主动轮转过一个角度时，从动轮应按给定的转动比转过相应的角度。要求齿轮在一转中，转角误差的最大不能超过一定的限度，即为一转角精度。 （2）工作平稳性要求齿轮转动平稳，无冲击;振动和噪音小。 （3）载荷均匀性齿轮载荷由齿面承受，两齿轮啮合时，接触面积的大小对齿轮的使用寿命影响很大。所以齿轮载荷的均匀性，由接触精度来衡量。（4）齿侧间隙一对相互啮合的齿轮，其非工作面必须留有一定的间隙，即为齿侧间隙，其作用是储存润滑油，使工作齿面形成油膜，减少磨损；同时可以补偿热变形、弹性变形及加工误差等因素引起的侧隙减少，防止卡死。2.4直齿圆柱齿轮加工工艺过程直齿圆柱齿轮加工工艺的内

22、容圆柱齿轮的加工工艺一般包括：齿轮毛坯加工、齿面加工热处理工艺及齿面的精加工。在编织工艺过程中，常因齿轮结构、精度等级、生产批量和环境的不同，而采取各种不同的工艺方案。如图11为直齿圆柱齿轮的简图，从中可以看出编制齿轮加工工艺过程大致可分为以下几个阶段: 1)齿轮毛坯的形成：锻件、棒料或铸件；2)粗加工：切除较多的余量； 3)半精加工：车、滚、插齿； 4)热处理：调质、渗碳淬火、齿面高频感应加热淬火等 5)精加工：精修基准、精加工齿形 齿轮加工工艺过程分析1、基准的选择 对于齿轮加工基准的选择常因齿轮的结构形状不同而有所差异。带轴齿轮主要采用顶点孔定位；对于空心轴，则在中心内孔钻出后，用两端孔

23、口的斜面定位；孔径大时则采用锥堵。顶点定位的精度高，且能作到基准重合和统一。对带孔齿轮在齿面加工时常采用以下两种定位、夹紧方式。 （1）以内孔和端面定位 这种定位方式是以工件内孔定位，确定定位位置，再以端面作为 轴向定位基准，并对着端面夹紧。这样可使定位基准、设计基准、装配基准和测量基准重合，定位精度高，适合于批量生产。但对于夹具的制造精度要求较高。 （2）以外圆和端面定位 当工件和加剧心轴的配合间隙较大时，采用千分表校正外圆以确定中心的位置，并以端面进行轴向定位，从另一端面夹紧。这种定位方式因每个工件都要校正，故生产率低；同时对齿坯的内、外圆同轴要求高，而对夹具精度要求不高，故适用于单件、小

24、批生产。 综上所述，为了减少定位误差，提高齿轮加工精度，在加工时应满足以下要求： 1)应选择基准重合、统一的定位方式； 2)内孔定位时，配合间隙应近可能减少； 3)定位端面与定位孔或外圆应在一次装夹中加工出来，以保证垂直度要求。 2、齿轮毛坯的加工 齿面 加工前的齿轮毛坯加工，在整个齿轮加工过程中占有很重要的地位。因为齿面加工和检测所用的基准必须在此阶段加工出来，同时齿坯加工所占工时的比例较大，无论从提高生产率，还是从保证齿轮的加工质量，都必须重视齿轮毛坯的加工。 加工过程中应注意以下几点： 1)当以齿顶圆作为测量基准时，应严格控制齿顶圆的尺寸精度； 2)保证定位端面和定位孔或外圆间的垂直度； 3)提高齿轮内孔的制造精度，减少与夹具心轴的配合间隙； 3、齿形及齿端加工 齿形加工是齿轮加工的关