中间轴齿轮机加工工艺及夹具设计

1 零件的工艺分析及生产类型的确定

1. 1 零件的作用

题目所给定的是设计宽度为40mm的中间轴齿轮“零件”，其功用是传递动力和改变输出轴运动方向。

1.2 零件的工艺分析及零件的生产类型

本零件为回转体零件，其最主要加工面是φ62H7孔和齿面，但基准孔φ62H7要求内孔表面粗糙度Ra值为0.8，且两者有较高的同轴度要求其公差为φ0.04，是加工工艺需要重点考虑的问题。其次两轮毂端面由于装配要求，对φ62H7孔有端面跳动要求其公差为φ0.05。最后，两齿圈端面在滚齿时要作为定位基准使用，故对φ62H7孔也有端面跳动要求。依据题目知：年产50000件，达到了批量生产的水平。

2 选择毛坯，确定毛坯尺寸，设计毛坯图

2.1 选择毛坯

该零件材料为20Cr钢。本零件的主要功用是传递动力，其工作时需承受较大的冲击载荷，要求有较高的强度和韧性，故毛坯应选择锻件，以使金属纤维尽量不被切断保证零件工作可靠。又由于年产量为50000件，达到了批量生产的水平，且零件形状较简单，尺寸也不大，故应采用模锻。这从提高生产率、保证加工精度上考虑，也是应该的。

2.2 确定毛坯的总余量

查机械制造技术基础课程设计指导书由表2-7查得a=6，b=5，c=9。

确定垂直方向上总余量为2×0.5a=2×0.5×6=6mm。

水平方向上总余量为2×0.5b=2×0.5×5=5mm。

内孔总余量为2×0.5c=2×0.5×9=9mm。

2.3 确定毛坯尺寸

上面得出加工总余量适用于机械加工粗糙度R a≥1.6μm,除φ62H7孔为R a=0.8μm以外，其余各加工表面为R a≥1.6μm，因此这些表面的毛坯尺寸只需要将零件的尺寸加上总余量即可，外圆尺寸为：130+6=136mm；锻造内孔尺寸：62-9=53mm；两个端面间间距为：40+5=45mm：齿宽方向尺寸为：20+5=25mm；

3. 制定零件工艺规程

3.1 选择定位基准

1）粗基准选择重要考虑装夹方便、可靠，选一大端面和外圆作为定位粗基准。

2）精基准选择齿轮的设计基准是φ62H7孔，根据基准重合原则，并同时考虑统一精基准原则，选φ62H7孔作为主要定位精基准。考虑定位稳定可靠，选一大端面作为第二定位精基准。

在磨孔工序中，为保证齿面与孔的同轴度，选齿面作为定位基准。

在加工环槽工序中，为装夹方便，选外圆表面作为定位基准。3.2 选择表面加工方法

1）φ62H7孔：①生产批量较大，应采用高效加工方法；②零件热处理会引起较大变形，为保证φ62H7孔的精度及齿面对φ62H7孔的同轴度，热处理后需对该孔再进行加工。故确定热加工前采用扩孔和拉孔的加工方法，热后采用磨孔方法。

2）齿面根据精度要求，并考虑生产批量较大，故采用滚齿－剃齿的加工方法。

3）大小端面采用粗车－半精车－精车加工方法。

4）环槽采用车削方法。

3.3零件加工工艺路线

1）扩孔（立式钻床，气动三爪卡盘）；

2）粗车外圆，粗车一端大、小端面，一端内孔倒角（普通车床，气动可胀心轴）；

3）半精车外圆，粗车另一端大、小端面，另一端内孔倒角（普通车床，气动可胀心轴）；

4）拉孔（卧式拉床，拉孔夹具）；

5）精车外圆，精车一端大、小端面，一端外圆倒角（普通车床，气动可胀心轴）；

6）精车另一端大、小端面，另一端外圆倒角（普通车床，气动可胀心轴）；

7）车槽（普通车床，气动三爪卡盘）；

8）滚齿（滚齿机，滚齿夹具）；

9）一端齿圈倒角（倒角机，倒角夹具）；

10）另一端齿圈倒角（倒角机，倒角夹具）；

11）检验；

12）热处理；（淬火+低温回火）

13）磨孔（内圆磨床，节圆卡盘）；

14）最终检验。

该工序采用分散原则，各工序工作相对简单考虑到该零件生产批量较大，工序分散可简化调整工作，易于保证加工质量，且采用气动夹具，可提高加工效率。

4 工序设计

4.1 加工余量及工序尺寸的确定

（1）外圆加工

由零件加工工艺路线得外圆加工由粗车外圆—半精车外圆—精车外圆三道工序。查文献[1]表3.2-2和查文献[2] 表 5-29 得粗车外圆加工精度为IT11～IT13，取IT12级精度，半精车外圆的加工精度为IT8～IT10，取IT9级精度，精车外圆的加工精度为IT7～IT8，取IT7级精度。

工序名称 工序余量 经济精度 工序尺寸

粗车 3.5 h12 φ132.50

4.0-

半精车 1.8 h9 φ130.70

1.0-

精车 0.7 h7 φ1300

15.0-

（2）端面的加工

由零件加工工艺路线得端面加工由粗车端面—半精车端面—精车端面三道工序。查文献[1]表 3.2-21和查文献[2]表5-29 得粗车端面加工精度为 IT11～IT13，取IT12级精度，半精车外圆的加工精度为IT8～IT10，取IT9级精度，精车外圆的加工精度为IT7～IT8，满足零件图要求。

① 大端面各工序尺寸为：

工序名称 工序余量 经济精度 工序尺寸

粗车 3.4 H12 41.63.00+

半精车 1.0 H9 40.6074.00+

精车 0.6 40±0.5

② 小端面各工序尺寸为：

工序名称 工序余量 经济精度 工序尺寸

粗车 3 H112 22021.00+

半精车 1.2 H9 20.8052.00+

精车 0.8 20±0.2

（3）内孔加工

根据零件加工工艺路线得内孔加工由扩孔—拉孔—磨孔三道工

序。

查文献[2] 表5-44 得磨孔加工余量0.5mm 。查文献[1]表3.2-12得拉孔加工余量为1mm 。根据内孔总余量9mm ，得出扩孔加工余量9+1+0.5=10.5mm 。

查文献[2]表5-29 得粗扩经济精度为IT12～IT13 取IT12，精拉经济精度为IT7～IT9，取IT7，查文献[1] 表4.1-9 得磨孔精度为IT7，满足零件图要求。

工序名称 工序余量 经济精度 工序尺寸

扩孔 9 H12 φ60.53.00+

拉孔 1 H8 φ61.5046.00+

磨孔 0.5 φ62009.0021.0+

-

4.2齿形加工

根据齿面粗糙度以及精度等级，选择滚齿与滚齿加工方法，查文献[2]表5-18 得滚齿加工精度为IT8，剃齿加工精度为IT7。

加工时先进行滚齿，然后在进行剃齿，保证各个尺寸要求。

2.4.1 切削用量的确定

1）外圆φ130的加工

本工序采用粗车—半精车—精车的加工方法，选用硬质合金外圆车刀左偏刀，刀片材料YT15,K r =90°和弯头车刀K r =45°精车用弯头刀K r =45°、刀尖圆弧半径0.5mm ，刀杆尺寸16×25。

查文献[4] 表3-13 得粗车外圆的进给量f=0.71mm/r 。

查文献[4] 表3-14 得半精车外圆进给量f=0.36mm/r 。

查文献[4] 表3-15 得精车外圆进给量f=0.23mm/r 。

查文献[4] 表3-19 取粗车切削速度V=1.5m/s ，半精车切削速度V=2m/s ，精车切削速度V=2.5m/s 。

根据加工余量可得粗车被吃刀量p a =2.25mm,半精车被吃刀量p a =0.9mm ，

精车被吃刀量p a =0.35mm 。

粗车主轴转速：

d v n π100060?==min /32.216132.5

14.35.1100060r =???. 查文献[4]附表5-56得CA6140主轴转速n=200r/min.

则实际切削速度：

s m dn v /39.11000

602005.13214.3601000=???=?=π. 半精车主轴转速：

d v n π100060?==min /40.2927

.13014.32100060r =???. 查文献[4]附表5-56得CA6140主轴转速n=320r/min.

则实际切削速度：

s m dn v /19.21000

603207.13014.3601000=???=?=π. 精车主轴转速：

d v n π100060?==min /47.367130

14.35.2100060r =??? 查文献[4] 附表5-56 得CA6140主轴转速n=400r/min.

则实际切削速度：

s m dn v /72.21000

6040013014.3601000=???=?=π 工时计算：

粗车: mm k a l r p

2)32(tan 1=-+= mm l 32= mm l 43=

m i n 24.0200

71.043225321=?+++=+++==i fn l l l l i fn L T J 半精车: mm k a l r p

2)32(tan 1=-+= mm l 32= mm l 43=

m i n 30.0320

36.043225321=?+++=+++==i fn l l l l i fn L T J 精车: mm k a l r p

35.2)32(tan 1=-+= mm l 32= mm l 43=

min 37.0400

0.234335.225321=?+++=+++==i fn l l l l i fn L T J 2）端面的加工

本工序也采用粗车—半精车—精车的加工方法，大小端面采用硬质合金左偏刀K r =90°和弯头车刀K r =45°

① 大端面的加工

根据加工余量可知，粗车被吃刀量p a =2.2mm,半精车被吃刀量p a =0.5mm 。精车被吃刀量p a =0.3mm

查文献[4] 表3-13 得粗车端面进给量f=0.73mm/r.查表3-14 半精车端面进给量f=0.30mm/r. 查表3-15 精车端面进给量f=0.20mm/r.

初取端面粗车切削速度V=1.6m/s,半精车切削速度V=2.2m/s. 精车切削速度V=2.8m/s

粗车主轴转速：

d v n π100060?==min /64.40775

14.36.1100060r =???. 查文献[4] 附表5-56 得机床主轴转速n=400r/min 。

则实际切削速度：

s m dn v /57.11000

604007514.3601000=???=?=π. 半精车主轴转速：

d v n π100060?==min /51.56075

14.32.2100060r =???. 查文献[4] 附表5-56 得机床主轴转速n=560r/min 。

则实际切削速度：

s m dn

v /2.21000

605607514.3601000=???=?=π. 精车主轴转速：

d

v n π100060?==min /38.7137514.38.2100060r =???. 查文献[4] 附表5-56 得机床主轴转速n=760r/min 。

则实际切削速度：

s m dn v /00.31000

607607514.3601000=???=?=π. 工时计算:

粗车: mm k a l r p 2)32(tan 1=-+=

mm l 32= mm l 43= mm l l l d d L 25.164322

5.607523211=+++-=+++-= m i n 05.01400

73.025.16=??==i fn L T j 半精车: mm k a l r p

2)32(tan 1=-+= mm l 32= mm l 43=

mm l l l d d L 75.154322

5.617523211=+++-=+++-= min 09.01560

3.075.15=??==i fn L T j 精车: mm k a l r p 3.2)32(tan 1=-+=

mm l 32= mm l 43= mm l l l d d L 8.15433.22

627523211=+++-=+++-= min 1.01760

2.08.15=??==i fn L T j ② 小端面的加工

根据加工余量可知，粗车被吃刀量p a =1.3mm,半精车被吃刀量p a =1.2mm ，精车被吃刀量p a =0.8mm.

查文献[4]表3-13 得粗车端面进给量f=0.94mm/r.查文献[4]表3-14 半精车端面进给量f=0.35mm/r. 查文献[4]表3-15 精车端面进给量f=0.24mm/r.

初取端面粗车切削速度V=1.5m/s,半精车切削速度V=2.0m/s. 精车切削速度V=2.5m/s.

粗车主轴转速：

d

v n π100060?==min /50.22013014.35.1100060r =???. 查文献[4] 附表4-3-1 得机床主轴转速n=200r/min 。

则实际切削速度：

s m dn v /36.11000

6020013014.3601000=???=?=π 半精车主轴转速：

d v n π100060?==min /97.293130

14.32100060r =???. 查文献[4] 附表4-3-1 得机床主轴转速n=320r/min 。

则实际切削速度：

s m dn v /18.21000

6032013014.3601000=???=?=π. 精车主轴转速：

d v n π100060?==min /50.367130

14.35.2100060r =???. 查文献[4] 附表5-56 得机床主轴转速n=400r/min 。

则实际切削速度：

s m dn v /72.21000

6040013014.3601000=???=?=π. 工时计算:

粗车: mm k a l r p 2)32(tan 1=-+=

mm l 32= mm l 43= mm l l l d d L 244322

10013023211=+++-=+++-= min 13.01200

94.024=??==i fn L T j 半精车: mm k a l r p 2)32(tan 1=-+=

mm l 32= mm l 43= mm l l l d d L 244322

10013023211=+++-=+++-= min 21.01320

35.029=??==i fn L T j 精车: mm k a l r p 8.2)32(tan 1=-+=

mm l 32= mm l 43= mm l l l d d L 8.24438.22

10013023211=+++-=+++-= min 26.01400

24.08.24=??==i fn L T j 3）内孔加工

本工序采用扩孔—拉孔—磨孔加工方法，选用扩孔钻，扩孔规格为Φ60.5。拉刀拉孔。砂轮磨孔。

扩孔：

查文献[5] 表14-58得立式钻床加工时切削用量如下：

取进给量f=0.9mm/r, 查文献[3] 表14-59切削速度V=1.28 m/s. 根据扩孔加工余量可得被吃刀量p a =4.5mm 。

计算主轴转速：

d v n π100060?==min /27.4045

.6014.328.1100060r =???. 根据Z550立式钻床主轴转速取：n=400r/min.

则实际切削速度：

s m dn

v /27.11000

604005.6014.3601000=???=?=π 工时计算： )2~1(cos 2

11+-=r k d D l =159cot 2405.60+-=100mm ； 2l =2~4取3

T fn

l l l fn L j 32++===4009.0310061?++=0.45min 拉孔:

查文献[5] 表13-20 得拉孔切削用量如下：

进给量f=0.07～0.1mm/r,切削速度V=2.5~2m/s.

取f=0.08mm/r,V=2.3m/s.

根据拉孔加工余量可得被吃刀量p a =0.5mm 。

计算主轴转速：

d v n π100060?==min /62.7145

.6114.33.2100060r =???. 根据L6120拉床主轴转速取：n=720r/min.

则实际切削速度：

s m dn v /32.21000

607205.6114.3601000=???=?=π 工时计算：p l =30~120mm l =61-2

65=28.5mm 1l =5~10mm i v l l l T p j 10001++==3.21000105.2890?++=0.06min 磨削内孔：

查文献[5] 表3-107 得磨削内孔工艺参数：

砂轮速度s V =20～30m/s,取s V =20m/s.工件速度W V =20～50m/min,取W V =30m/min=0.5m/s. 光次数：4次/双行程。

选用白刚玉砂轮 砂轮宽度B=16mm ，砂轮直径d=45mm 。

径向进给量 径f =0.005～0.01 取径f =0.01mm 。

轴向进给量 轴f =（0.25～0.7）B=4～11.2mm/s ，取轴f =8mm/s 。

根据磨削余量得p a =0.225mm 。走刀次数：0.225/0.04=6（双行程）

计算工件转速:d

n πw V 100060?==min /1.1546214.35.0100060r =???

圆整取n=150r/min.

计算砂轮转速:d n πVs 100060?==min /849245

14.320100060r =??? 工时计算：

走刀长度L=40+2+2=44mm ，加工精度系数K=2.

()min 67.3220468

244==?+??=s K T j . 4）切槽

查文献文献[4] 表3-16 选用硬质合金切刀,刀片材料YT5,主切削刃长度B=8mm,刀头长度L=25mm,刀杆截面尺寸12×20.进给量f=0.16～0.21mm/r,取f=0.2mm/r.

查表3-20 取切削速度V=1.45m/s.

计算主轴转速：

d v n π100060?==min /26.42665

14.345.1100060r =???. 根据CA6140主轴转速得：n=400r/min.

则实际切削速度：

s m dn v /36.11000

604006514.3601000=???=?=π. 工时计算：

查文献[2] 表2-24 得切槽时间计算公式如下：

3)32(tan 1=-+=

kr a l p mm 5.432

626523211=+-=+++-=l l l d d L mm min 06.01400

2.05.4=??==i fn L T j 5）滚齿

本工序选用硬质合金齿轮滚刀，刀具精度等级AA ，滚刀头数为1，，滚刀直径120mm ，选用Y3150型滚齿机，主电动机功率3KW 。

查阅相关资料得工件每转进给量f=2.2～2.6mm/r,取f=2.5mm/r. 切削速度V=0.5m/s.

计算主轴转速：

d v n π100060?==min /62.79120

14.35.0100060r =???

根据滚齿机型号可得转速：n=84r/min.

则实际切削速度：

s m dn v /53.01000

608412014.3601000=???=?=π. 确定工件转速：

Z n n =1=min /325

84r =. 工时计算

查文献[2] 表2-29 得齿轮加工时间计算公式：

98.362)25.11120(25.11)3~2()(1=+-=+-=h D h l mm 。

522-=l =3mm 。

m i n 14.75

.284125398.36120cos 21=?????? ??++=???? ??++=a j qnf z l l B T β] 5 夹具设计

5.1 夹具的功能分析与夹具总体结构设计

（以06工序夹具为例进行说明）本工序要求以φ61.5H8孔（4点）和已加工好的大端面（1点）定位，精车另一大、小端面及外圆倒角（1×45°），并要求保证尺寸20±0.2和40±0.5以及大、小端面对φ61.5H8孔的跳动不大于0.05mm 。其中端面跳动是加工的重点和难点，也是夹具设计需要着重考虑的问题。

工件以孔作为主要定位基准，所用的定位元件大多采用心轴，在加工端面时为了使工件在各个方向上不发生移动以及转动，故采用长心轴，限制X 、Y 方向的移动及转动，在加工好的端面上设置螺钉定位，这样能够限制Z 方向的移动，在加工的时候工件要随主轴而转动，故Z 方向转动的自由度不需要限制。因此采用弹簧套可胀式心轴。

根据车间条件为减小装夹时间和减轻装夹劳动强度，宜采用气动夹紧，夹具体与机床主轴采用过渡法兰连接，以便于夹具制造与夹具安装，为便于制造，弹簧套采用分离形式。

5.2 夹具的设计计算

(1) 切削力的计算：

主切削力： N f a C F p Fc C 61724.08.0225075.075.0=??=??=

进给抗力： N f a C F p

Fp P 54724.08.0195075.09.075.09.0=??=??= 最大扭矩： Nmm d F M c

401052

1306172=?== 夹紧力的计算： ()[]21222tan tan tan 2φφαφ++????????

?????????++??? ???=d p j F F D M K F 式中：φ1------弹簧套与夹具体锥面间的摩擦角，取：tan φ1＝0.15；

φ2 ------弹簧套与工件间的摩擦角，取：tan φ2＝0.2；

α--------弹簧套半锥角，α＝6°；

D-------工件孔径；

F d ------弹性变形力其中：

????=t l

d C F d 33

式中：C -- 弹性变形系数，当弹簧套瓣数为3、4、6时，其值分别为300、100、20

；

d -- 弹簧套外径；

l -- 弹簧套变形部分长度；

t -- 弹簧套弯曲部分平均厚度；

Δ-- 弹簧套（未胀开时）与工件孔之间的间隙。

至此可计算出7102.05325.6110033

33=???=????=t l d C F d 根据计算出d F 的值，可计算出j F ：

()[]21222tan tan tan 2φφαφ++????????

?????????++??? ???=d p j F F D M K F

=[]N 2.53692.026.07102.05475.614010525.122=+???????

????????++??? ????? 5.3 夹具的制造与操作说明

夹具制造的关键是夹具体与弹簧套。夹具体要求与弹簧套配合的锥面与安装面有严格的位置关系，弹簧套则要求与夹具体配合的锥面与其外圆表面严格同轴。此外，弹簧套锥面与夹具体锥面应配做，保证接触面大而均匀。

夹具使用时必须先安装工件，再进行夹紧，严格禁止在不安装工件的情况下操作气缸，以防止弹簧套的损坏。

6 方案综合评价与结论

阅读零件图，了解其结构特点、技术要求及其在所装配部件中的作用。分析时着重抓住主要加工面的尺寸、形状精度、表面粗糙度以及主要表面的相互位置精度要求。

确定毛坯种类和制造方法时应考虑与规定的生产类型（批量）相适应。查手册确定主要表面的总余量、毛坯的尺寸和公差。零件的结构、技术特点和生产批量将直接影响到所制定的工艺规程的具体内容和详细程度，这在制定工艺路线的各项内容时必须随时考虑到。

（1）表面加工方法的选择

针对主要表面的精度和粗糙度要求，由精到粗地确定各表面的加工方法。可查阅工艺手册中典型表面的典型加工方案和各种加工方法所能达到的经济加工精度，选择与生产批量相适应的加工方案和加工方法，对其它加工表面也作类似处理。

（2）定位基准的选择

根据定位基准的选择原则，并综合考虑零件的特征及加工方法，选择零件表面最终加工所用精基准和中间工序所用的精基准以及最初工序的粗基准。

（3）拟定零件加工工艺路线

根据零件加工顺序安排的一般原则及零件的特征，拟定零件加工工艺路线。在各种工艺资料中介绍的各种典型零件在不同产量下的工艺路线，以及在生产实习和工厂参观时所了解到的现场工艺方案。

对热处理工序、中间检验、终检等辅助工序，以及一些次要工序（或工步）如倒角等，应注意在工艺方案中安排适当的位置。

（4）选择各工序所用机床、夹具、刀具、量具和辅具

机床及刀、夹、量、辅具类型的选择应与设计零件的生产类型、零件的材料、零件的外形尺寸和加工表面尺寸、零件的结构特点、该工序的加工质量要求以及生产率和经济性等相适应，并应充分考虑工厂的现有生产条件，尽量采用标准设备和工具。

（5）机械加工工序设计

对于重要的加工工序，要求进行工序设计，其主要内容包括：

）划分工步根据工序内容及加工顺序安排的一般原则，合理划分工步。

）确定加工余量用查表法确定各主要加工面的工序（工步）余量。因毛坯总余量已由毛坯（图）在设计阶段定出，故粗加工工序（工步）余量应由总余量减去精加工、半精加工余量之和而得出。若某一表面仅需一次粗加工即成活，则该表面的粗加工余量就等于已确定出的毛坯总余量。

）确定工序尺寸及公差对简单加工的情况，工序尺寸可由后续加工的工序尺寸加上名义工序余量简单求得，工序公差可用查表法按加工经济精度确定。对加工时有基准转换的较复杂的情况，需用工艺尺寸链来求算工序尺寸及公差。

）选择切削用量切削用量可用查表法或访问数据库方法初步确定，再参照所用机床的实际转速、走刀量档数最后确定。

（6）夹具总体方案的构思和设计

1）根据零件加工工艺所给的定位基准和六点定位原理，确定工件的定位方法并选择相应的定位元件，定位方案和定位元件的选择要能够保证工件的位置精度。

2）确定刀具引导方式，并设计引导装置或对刀装置。

3）确定工件的夹紧方法，并设计夹紧机构，注意夹紧力作用点、方向和夹紧力动力源的选择及多点夹紧机构的联动性等。

4）确定其它元件或装置的结构形式。

5）考虑各种元件和装置的布局，确定夹具体的总体结构，并绘制方案图（结构略图）。

7 体会与展望

参考文献

[1]孟少农. 机械加工工艺手册[M]. 第1版.北京:机械工业出版社,2006.

[2]崇凯李楠郭娟.机械制造技术基础设计指南[M]. 第1版.北京:机械工业出版社,2006.

[3]刘守勇. 机械制造工艺与机床夹具[M]. 第1版.北京:机械工业出版社,2004.

[4]王绍俊.机械制造工艺设计手册[M]. 第1版.北京:机械工业出版社,2003.

[5]王绍俊.机械制造工艺设计手册[M]. 第2版.北京:机械工业出版社,2003.

[6]辽宁工程技术大学. 机械制造技术基础课程设计指导书[M].

[7]马兰. 机械制图[M]. 第1版.北京:机械工业出版社,2006.

[8] 华东纺织工学院、哈尔滨工业大学、天津大学.机械设计图册[M]。上海：上海科学技术出版社，1979.

[9] 周良德、朱泗芳.现代工程图学[M].长沙：湖南科学技术出版社，2000

[10] 王伯平.互换性与技术测量[M]. 第2版.北京:机械工业出版社,2004.

[11]形状和位置公差标准手册[M]. 第1版.北京:中国标准出版社,1995.