齿轮零件的机械加工工艺过程及进行滚齿加工用的夹具设计

齿轮零件的机械加工工艺过程及进行滚齿加工用的夹具设计
摘要
齿轮作为机械设备中的传动、控速、换向、变向的必要构件和设备，其设计和加工制作工艺决定着整个机械行业的发展进度。

机床夹具是在金属切削过程中，用以准确的确定工件位置，并将其牢固的夹紧，以接受加工的工艺装备。

为了保证工件的加工质量，提高加工效率，减轻工人的劳动强度，充分发挥和扩大机床的工艺性能。

因此，本次我们针对齿轮零件的机械加工工艺和流程提出了该设计理念。

本文针对齿轮在切机床上的加工工艺要求和具体流程，从定基、装夹、加工到设备的选用，均有深入研究。

其次，针对滚齿加工时使用的夹具和滚齿液压波形胀紧夹具设计采用的夹紧原理，通过不断实践深入分析，并对生产模型进行模拟。

并配合CAD、Pro/Engineer等辅助设计软件来实现整个设计过程。

完成了齿轮机械加工工艺的全部过程分析和与其配套的机床夹具研究，包括定基、加工、设备的选用分析和原理分析等，本文设计的齿轮生产方式，基本可以满足工程需要，本文使用的设计方法，也可为同类夹具的设计提供参考。

关键词：齿轮；加工工艺；夹紧原理；夹具设计
目录
1 绪论 (3)
1.1本课题研究的背景和意义 (3)
1.2国内外相关研究情况 (4)
1.3本课题研究的相关情况 (5)
1.4本课题的研究方法 (5)
2 齿轮零件的机械加工工艺 (6)
2.1定位基准的选择 (6)
2.1.1粗基准的选择原则 (6)
2.1.2精基准的选额原则 (7)
2.1.3辅助基准的应用 (9)
2.2装夹方法 (9)
2.2.1压板、螺丝、V 型架、垫块组合 (9)
2.2.2 采用502胶水粘合 (10)
2.2.3 磁性吸盘吸附 (10)
2.3加工工艺问题 (15)
2.3.1基准修正 (15)
2.3.2齿轮加工方案 (15)
2.3.3热处理的安排 (17)
2.3.4制定工艺路线 (18)
2.3.5选择加工设备及刀具 (19)
2.3.6加工工序设计 (23)
3 滚齿加工用的夹具设计 (26)
3.1夹紧原理简介 (26)
3.2夹具设计 (26)
4 滚齿液压波形胀紧夹具设计 (30)
4.1夹紧原理简介 (30)
4.2夹具设计 (30)
1 绪论
1.1本课题研究的背景和意义
机械工程是以有关的自然科学和技术科学为理论基础，结合在生产实践中积累的技术经验，研究和解决在开发设计、制造、安装、运用和修理各种机械中的理论和实际问题的一门应用学科。

而齿轮零件则是现代机械设备中必不可少的组成原件，齿轮零件将转动方式和运动轨迹等传递给下一个轴，以此实现机械的自动化运作和加工使用。

自亨利²福特将流水线生产作业运用于汽车生产中，大大提高了生产效率，降低了生产成本，实现了资源的最大化利用之后，流水生产作业作为世界工业发展的催化剂在机械产品制作、土木工程建设等各个领域得到广泛和长足的发展。

实现流水生产作业的必然前提是有通用的国际标准（ISO），零部件的生产采用流水生产的方式，对零部件生产实现标准化、通用化、和系列化，以此提高设计质量，缩短设计周期。

如何快速实现夹具设计以满足流水生产的快速生产节奏已成为企业的迫切要求。

将计算机辅助设计技术应用到夹具设计的过程是解决这一问题的必然选择。

随着计算机行业的迅速发展和广泛有用，计算机辅助夹具设计在理论和应用上都得到了迅速发展,大大提高了夹具的设计效率，缩短了生产准备周期。

在产品设计中,应用标准件的数量是代表一个国家和企业设计制造水平的重要标志。

在机床夹具设计中，有大约一半的零件是标准件和非标常用件，这类零件大多具有相同或相似的外形，从根本上说，其结构组成和设计原理都相差无几或者毫无差异。

但是这类标准件和非标常用件是根据不同规格的产品需要，而本身具有不同的尺寸大小。

如果没有三维标准件库, 将不得不在夹具设计和开发过程中对标准件进行重复建模, 不但耗费设计人员的时间和精力, 延长设计周期, 而且增加了产品的生产制造成本。

因此，建立通用的符合国家和行业标准的零部件库和典型组合库是提高设计效率的保证，也是当前制造业信息化的前提之一。

1.2国内外相关研究情况
在产品设计中，大量应用标准件的数量和规模是一个国家和企业设计制造水平的重要标志。

在机床夹具设计中，有大约30%～70%的零件是标准件或非标常用件，这些零件都具有相同或相似的外形特征，从根本上说，其结构组成和设计原理都相差无几或者毫无差异。

但是这类标准件和非标常用件是根据不同规格的产品需要，而本身具有不同的尺寸大小。

建立通用的符合国家标准和企业标准的边准件库和典型组合库是提高设计效率和保证，也是当前制造业信息化的基础研究工作之一。

根据产品不同的尺寸需要，制作出相应规格的标准件，是企业生产和产品开发过程中的必要步骤。

如果需要大部分工程技术人员在三维软件下进行标准件库的二次开发，就要求技术人员必须有编程的能力，显然是不现实的。

再者建立的标准件库因其过程复杂，同时生成的标准件模型特征较多，在使用标准件与数量较多的装配体中会影响整个生产和装配流程的进展速度，所以要根据本行业的需要尽量简化其建模过程，且规格属性还要详实。

我国的齿轮发展历程颇为艰辛，但是经过自新中国成力的60年来，齿轮的制造和发展取得长足的进步。

新中国成立初期，几本没有齿轮的生产能力，经过一、二个五年计划，初具规模。

但直到50年代末．仍旧存在渐开线齿轮齿面接触强度差、工艺水平低、质量差等薄弱环节，因此从苏联引进圆弧齿轮的科技成果，利用轴向共轭代替端面共轭和利用圆弧齿轮齿面接触强度比较高的特点，代替了不少机械产品的渐开线齿轮。

70年代末，在一系列高速与低速传动中成功地应用单圆弧齿轮的基础上，采用双圆弧齿轮代替单圆弧齿轮，使抗弯强度提套40%~60%,工艺上改善了，应用范围获得了进一步扩大。

近年来，我国结合贯彻齿轮精度标准，广泛开展基础工艺技术的以下研究试验：如精滚工艺试验、确定经济工艺的技术条件和精度等级；修磨剃齿刀齿形获得齿首理想接触区试验；改变刀具材料实现硬齿面剃齿的试验；采用负变位剃齿刀消除齿面中凹试验。

"改变珩轮结构和材料，提高齿面精整质量；磨齿修缘与齿向修形的试验等等，都大大促进了齿轮精度水平的提高。

1.3本课题研究的相关情况
（1）以齿轮零件的机械加工工艺流程为研究对象，对齿轮加工生产过程中的各项步骤进行分别研究，进行综合对比，完成整个流程分析；
（2）齿轮零件的加工过程中，对每个流程进行结果分析，并对相关数据进行验证，确保加工余量；
（3）根据夹紧原理设计滚齿机用塑料心轴夹具、滚齿加工用的夹具设计、滚齿液压波形套胀紧夹具；
（4）以齿轮加工生产流程为依据，用Office Word、Office Excel、Pro/Engineer、Photoshop、AutoCAD等软件完成，设计齿轮零件，完成机床专用夹具。

1.4本课题的研究方法
目前，现有的标准库基本上以世界上使用最多的通用绘图软件AutoCAD为开发平台，在AutoCAD平台上利用Autolisp语言及图标菜单技术进行二次开发，把Autolisp语言内嵌于AutoCAD，实现了计算与绘图的统一，建立机床夹具标准件库并在绘制时调出。

或者在SolidWorks、Pro／E、UG、Solidedge等主流三维软件中进行二次开发嵌入标准件库。

上述两种方法只是单一的平面图标准件库，或者只是三维实体模型。

2 齿轮零件的机械加工工艺
2.1定位基准的选择
在零件的加工过程中,合理的选择定位基准对保证零件的尺寸精度和位置度有着决定性的作用。

根据工件加工要求确定工件应限制的自由度数后，某一方向自由度的限制往往会有几个定位基准可选择，则提出了如何正确选择定位基准的问题。

定位基准有粗基准和精基准之分。

2.1.1粗基准的选择原则
（1）尽量选择不要求加工的表面作为粗基准.这样可使加工表面与不加工表面之间的位置误差量最小,同时还可以在一次装夹中加工出更多的表面。

（2）若零件的所有表面都要加工,应选择加工余量和公差最小的表面作为粗基准.这样可保证作为粗基准的表面在加工时,余量均匀。

①应保证各主要表面都有足够的加工余量。

为满足这个要求，应选择毛
坯余量最小的表面作为粗基准，如图4.34(c)所示的阶梯轴，应选择
Ф55mm外圆表面作为粗基准。

②对于工件上的某些重要表面，为了尽可能使其表面加工余量均匀，则
应选择重要表面作为粗基准。

如图4.35所示的床身导轨表面是重要
表面，则在加工导轨时，应选择导轨表面作为粗基准来加工床身底面。

然后以底面为基准加工导轨平面。

（3）选择光洁、平整、面积足够大、装夹稳定的表面作为粗基准。

（4）粗基准一般只在第一到工序中用,以后应避免重复使用。

2.1.2精基准的选额原则
利用已加工过的表面作为定位基准，则称为精基准。

精基准的选择应从保证零件加工精度出发，兼顾夹具结构简单。

选择精基准一般应按照如下原则选取。

（1）基准重合原则应尽量选择被加工表面的设计基准为其定位基准，这称为基准重合原则。

如果被加工表面的设计基准与定位基准不重合，则会增大定位误差。

（2）基准统一原则当工件以某一组精基准定位可以比较方便地加工其他表面时，应尽可能在多数工序中采用此组精基准定位，这就是“基准统一”原则。

如轴类零件大多数工序都以中心孔为定位基准。

这样，可减少工装设计制造的费用，并可避免因基准转换所造成的误差。

（3）自为基准原则当工件精加工或光整加工工序要求余量尽可能小而均匀时，应选择加工表面本身作为定位基准。

例如用浮动铰刀铰孔、用拉刀拉孔、用无心磨床磨外圆等，均为自为基准的实例。

（4）互为基准原则为了获得均匀的加工余量或较高的位置精度，可采用互为基准反复加工的原则。

例如要保证两个平面间较高的平行度要求，则先以一面定位加工另一面，再以另一面为定位基准加工前一面，这样反复加工多次，从而保证两个平面间的相互位置精度。

（5）精基准选择应保证工件定位准确、夹紧可靠、操作方便。

如图3-39，当加工C面时，如果采用“基准重合”原则，则选择B面作为定位基准，工件如图3-40所示。

这样不但工件装夹不便，夹具结构也较复杂；但如果采用3-39a 所示，以A面定位，虽然夹具结构简单、装夹方便，但基准不重合，定位误差较大。

应该说明的是，上述粗精基准选择原则，常常不能全部满足，实际应用时往往会出现相互矛盾的情况，这就要求综合考虑，分清主次，着重解决主要矛盾。

2.1.3辅助基准的应用
工件定位时，有些零件在加工中，为装夹方便或易于实现基准统一，人为地制造一种定位基准。

我们将为满足工艺需要而在工件上专门设计的定位基准称为辅助基准。

如毛坯上的工艺凸台和轴类零件加工时的中心孔等。

这些表面不是零件上的原有的表面，但为了提高工件的加工精度和表面质量，从工艺上角度，专门增加这些表面来作定位基准面。

2.2装夹方法
2.2.1压板、螺丝、V 型架、垫块组合
由于不存在切削力，线切割加工中的夹紧主要是为了防止工件在受到外力（非切削力）作用下而可能发生的位移。

如图1 所示，在一块模板中切割4 个方孔。

在多次的手动穿丝和去除废料的过程中均可能与工件相碰而引起工件的移动，切割时机床的振动也可能引起工件位置的改变，因此需要一定强度的夹紧。

圆柱形的工件，可以在底部垫上V 型架，改善装夹效果，如图2 所示。

1 工作台
2 垫块
3 压板
4 垫片
5 螺冒
6 螺栓
7 模板
图1 切割后的模板
1V 型架2工件
图2 圆柱工件
2.2.2 采用502胶水粘合
当工件较大而不会轻易发生位移时，可以在工件与工作台之间的适当位置用502胶水加以粘合（图3）。

使用502胶水进行粘合时，要注意粘合过程中不引起工件位置的改变，要注意工件与工作台之间的导电情况，必要时可以用导线来连接。

1上丝架2工件3下丝架4工作台5、6 502胶水粘合处
图3 502胶粘合示意图
2.2.3 磁性吸盘吸附
磁性吸盘是线切割加工中使用最为方便的一种夹具。

一般来说，只要磁性吸盘的吸力足以克服工件的重力，就可以使用磁性吸盘来吸附装夹工件。

如果购买不方便，可以自己做：准备一块六面互相垂直的长方体钢材（大小根据实际需要确定，为减少变形，材料需经相关热处理），加工出一系列圆孔，在圆孔中间填入强磁性材料（如充磁钕铁硼）即可。

在适当的位置切割一V型槽，用以装夹圆形工件，如图4 所示。

图5所示为使用磁性吸盘时的工件装夹。

1磁性吸盘2 磁性材料3 V型槽
图4 装夹圆形工件槽
1 磁性吸盘
2 方形工件
3 圆形工件
图5 磁性吸盘工件装夹
2.2.4 使用专用夹具
2.2.4.1 外形定位夹具
如图6 所示为小型车床的常用夹头，按照图纸要求，中间的六方孔与外形锥度处的同轴度为0.05mm。

考虑到该夹头的外形部分是在车床上一次装夹车削完成的，故只要保证外形小圆柱处（ф40-0.02）与六方孔的位置精度也就保证了六方孔与外形锥度处的位置精度。

准备一块大小适合，上下面经平面磨床磨削加工的普通钢材，在中间适当位置钻出一
个穿丝孔，按图7 所示装夹到线切割机床上，在中间适当位置切割出一个ф40+0.05的内孔。

按图8所示把夹头装入夹具切割加工内六方孔。

图6
1 夹具
2 内孔（ф40+0.05）
图7 工件装夹
图8 切割加工
2.2.4.2 内孔定位夹具
如图9 所示为一齿形零件。

零件的其他部分都在车床上完成，中间的键槽和周遍的齿形部分采用线切割加工完成。

图9 齿形零件
具体操作步骤：
（1）在线切割机床上完成所有零件的内键槽加工。

（2）准备一块大小适合，上下面经平面磨床磨削加工的普通钢材作为夹具体，并在适当位置钻出一个穿丝孔。

（3）按图10 所示装夹到机床上，根据零件内部尺寸切割出一定大小的内孔和键槽（键槽2个，对称）。

（4）按配合原则准备好心轴和平键。

心轴与夹具体内孔紧配，与零件内孔松配；平键与零件的内键槽紧配合，与夹具体的键槽松配。

（5）按图11所示装夹零件，完成零件其中四个齿型的加工。

（6）将零件转动180°，完成剩余四个齿型的加工，如图12 所示。

1—键槽2—内孔3—键槽4—夹具体图10 齿形零件装夹图
1 夹具
2 零件
3 心轴
4 平键
图11
1 夹具
2 零件
3 心轴
4 平键
图12
以上介绍的几种线切割加工中的工件装夹方法是在长期的实践中总结而来。

操作者要想对线切割加工中的工件装夹方法的进一步掌握与运用，需要通过不断的实践进行经验的积累。

同时，还需要根据被加工工件的特点，并进行多种方法的比较，最终确定出最佳的方案。

只有这样才能在保证加工质量的前提下，进一步提高工件的加工效率。

2.3加工工艺问题
2.3.1基准修正
齿形表面淬火后,内孔会受到影响而变形:一般的孔直径会缩小
0.01-0.05mm,因此淬火后应安排精基准修正工序.修正的方法有推孔和磨孔,也可以用镗孔。

推孔是用推刀进行的,用压力机将推刀强行从孔中间推过既可。

此法生产率较高,一般不要留推孔余量。

对精度要求较高的或是淬硬后的孔、直径大而短的孔则应采用,磨孔工艺,磨孔必须留有磨削余量。

2.3.2齿轮加工方案
保证齿轮精度是齿轮加工的主要工艺问题,轮齿的加工方案主要取决于加工精度和热处理要求。

根据各个加工精度等级的加工方案如下:
（1）8级以下精度的齿轮多采用:滚(插)齿→齿端加工→热处理→修正内孔。

因热处理后的齿面不再加工,为弥补热处理变形,热处理前的齿形加工精度应比设计图纸上的精度要求要提高一级。

（2）6-7级精度的齿轮有两个方案。

剃-珩方案:滚(插) →齿端加工→剃齿→表面淬火→修正基准→珩齿。

此方案生产率高、设备简单、成本较低,一般用于6级精度或热处理变形较大时。

（3）5级以上精度的齿轮采用的方案为粗滚(插)齿→精滚(插)齿→齿端加工→淬火→修正基准→粗磨齿→精磨齿。

此方案精度最高,但成本高,生产率最低。

参考文献<<金属工艺学>>表2.3.2齿形加工方案,得出各方案所达到的齿面加工质量如下表:
由设计图纸给出的加工精度和热处理要求确定齿轮的加工方案如下:
2.3.3热处理的安排
由设计图纸上的技术要求,热处理工序在工艺过程中的安排如下：
①正火。

大多数锻件都要经过正火处理,一般安排在毛坯制造和粗加工之间,以改善金属的机械切削性能。

②调质。

调质可获得良好是机械性能,调质后仍可用刀具进行加工,因而一般安排在粗精加工与半精加工之间,这样有助于消除粗加工产生的内应力。

③渗碳。

经渗碳后表层与心部含碳量相差明显,表现出表面硬、耐磨和心部韧性和朔性好的特点。

渗碳后的工件一般要经过淬火和低温回火处理,使表面层有回火马氏体结构和消除渗碳过程中形成的粗晶粒结构。

④淬火。

这种方法是快速加热使工件表层奥氏体化,不等心部组织发生变化,立即快速冷却,表层起到淬火作用,其结果是表层获得马氏体组织,而心部仍然保持朔性,韧性均匀的组织,工件各部都能满足使用要求。

⑤低温回火。

经过低温回火的工件的硬度没有发生大的变化(HRC60左右),但是应力减少了很多。

2.3.4制定工艺路线
根据各表面加工要求和各种加工方法能达到的经济精度，确定各表面的加工方法如下：
（1）齿坯外圆：粗车－精车；
（2）齿坯端面：由设计图纸上的要求，齿坯的小端面的表面粗糙度要求是1.6，而大端面的表面要求较低，但是在加工齿轮的整个过程中都要用到端面作为精基准，所以端面的加工方法为：先粗车后精车，同时也可以保证尺寸21.5；
（3）内孔：由于毛坯采用的是锻造的，所以内孔先经过粗车，精车后再用镗孔的方法加工以保证它的精度等级表面质量1.6和跳动精度控制在0.056；
（4）齿行的加工：先滚齿，精度等级还不能达到，而且热处理后内孔回缩小，所以要基准修配，然后在经过精加工用镗孔的方法来保证齿形的精度等级。

综合上面的分析，工艺路线确定如下：
2.3.5选择加工设备及刀具
由于生产类型为大批量生产，故加工设备宜以通用机床为主，辅以少量专用机床。

其生产方式为以通用机床加工专用夹具为主，辅以少量专用机床的流水生产线。

工件在各机床上的装卸及各机床之间的传送均由人工完成。

2.3.5.1车床的选择：
根据设计图纸上的设计尺寸，最大外径为Φ750.14加上加工余量，其直径比较大．查＜＜机械加工工艺设计手册＞＞一般的车床难以加工，由手册表４-２立式车床，选择立式车床Ｃ512-1A，其技术规格如下表：
2.3.5.2滚齿机的选择:
由参考文献<<机械制造工艺设计手册>>表4-25滚齿机,选择Y31125型滚齿机,其技术规格如下:
2.3.5.3剃齿机的选择:
由参考文献<<机械制造工艺设计手册>>选择剃齿机Y42125,其技术要求如下表:
2.3.5.4镗床的选择:
由参考文献<<机械制造工艺设计手册>>选择镗床T616,最大加工直径为240mm。

2.3.6加工工序设计
（1）工序3粗车毛坯外圆与工序5精车外圆
查参考文献<<金属实习>>表9-5机械加工的工序余量,粗车的工序余量为1.5～4mm,取余量为2mm,精车的加工余量为0.2～2.5mm,取精加工精度Z =2,已经知道毛坯外圆的加工余量为4,故粗加工余量Z =4-2=2mm由参考文献<<机械制造加工设计手册>>立式车床的进给量f=1.5～2.0mm取f=2.0(mm/r),粗车走刀一次 a =2.0mm.由设计手册得粗车加工的公差等级为IT13～IT11,取IT11,T=0.4mm;精加工的公差等级为IT8～IT7,取IT=0.063;所以X =754 0.2,精加工后的尺寸为752
校核加工余量Z :
Z =X -X
=(754-0.4)-752
=1.6<2
故余量足够.
机床的校核:
粗车工序3:由参考文献取粗车进给量为0.2m/r,粗车走刀一次a =2mm,由参考文献<<机械制造工艺设计手册>>取270r/mm,故切削速度为:V = =3.14*
754*270/1000=206
查<<机械制造技术>>表2.1得
单位切削力P=1962N/mm
F =P*A =1962*0.3*2=1177.2
P = =1172*206*10 /60=4.02KW
由参考文献得C512-1A的功率为28KW,取机床的效率为0.85则
28*0.85=23.8>4.02
所以机床的功率满足。

（2）车端面
=2mm，已知加工余量为4，故粗加工余量精车的加工余量为0.5~2.5,取Z
粗
=4-2=2mm，精加工面以内孔外圆定位。

为Z
粗
X
=142±0.12
精
X
=142±0.2 故
粗
校核加工余量
=143.8-142.12=1.68mm<2mm
Z
m粗
故加工余量足够
（3）镗内孔
由设计手册的精镗的加工余量为0.5~1.32，由设计图纸得镗孔后的尺寸既为设计尺寸φ189H7（0+0.046），精车后的内孔尺寸为φ195H8（0+0.046）.
校核加工余量：
Z精=195-194.903=0.097mm<1.32 故加工余量足够
（4）插键槽
由设计图纸得，内孔直径为φ195H8（
0+0.046），键槽在孔底的尺寸为204.4-
+0.3，
建立尺寸链如图，设键槽加工余量为A
0.
A 1=204.4
+0.3为增量；
A 2=195
+0.046
所以A
=204.4-195=9.4
上偏差 ES=0.3-0=+0.3
下偏差 EI=0-0.046=-0.046
所以加工工序尺寸A
0=9.4
0.046
+0.3
（5）钻孔攻丝
由参考文献《机械设计课程设计》手册表9-7普通螺纹基本尺寸（摘自
GB/T146-1981）：
查《机械制造工艺设计手册》表5-8镶硬金属片钻头，选择型号为：d=13~13.8，L=170，l=115 的钻头。

查《机械制造工艺设计手册》表5-30公制细牙机用丝锥选择如下：
3 滚齿加工用的夹具设计
3.1夹紧原理简介
本夹具以内孔及端面在斜面定心机构上定心。

在压板4上装有三个可摆动的压爪5，压爪5的一端通过滑柱6压在圆板7上，另一端压在盘形压板2上，旋紧螺母3，圆板7带动三个长销（或楔块）8向下移动，将工件定心夹紧；同时盘形压板2将工件轴向夹紧。

松开工件时，借碟形弹簧1的作用，是盘形压板2和长销8向上移动，取下盘形压板2即可卸下工件。

零件二维图如图3.1所示：
图3.1 加工大型齿圈用滚齿机夹具装配模型
3.2夹具设计
大量工程经验和实践可知，设计夹具时有以下基本要求：
（1）满足使用要求，应保证工件装夹时定位可靠、夹紧牢固，并能保证精度要求。

良好的结构工艺性，所设计的夹具应便于制造、装配、调整、维修、且便于加工中切屑的清理。

（2）使用安全省力，操作方便，有利用实现优质、高产、低耗、改善劳动条件。

（3）应尽量使用标准件、通用件、借用件等，以提高标准化、通用化、系。