滚齿刀、插齿刀课程设计

南华大学
课程设计说明书
课程名称：机械设计制造及其自动化专业课程设计
学生姓名：
专业班级：这是我们学校特有的题目，所以放心吧！学弟or学妹指导教师：学长只能帮你到这了
学院：机械工程学院
起止时间：2012年12月17日至2013年1月7日
2013年1月5日
南华大学
课程设计任务书
题目：齿轮滚刀、插齿刀设计及其加工工艺学生姓名：
专业班级：
指导教师：
学院：机械工程学院
起止时间：2012年12月17日至2013年1月7日
一、课程设计内容及要求：
1．齿轮滚刀、插齿刀的设计，包括参数计算、结构设计、刀具加工工艺的设计
2．插齿刀零件图（2#图一张）
3．滚刀零件图（2#图一张）
4．插齿刀、滚刀加工工艺
5．课程设计说明书：应阐述整个课程设计内容，要突出重点和特色，图文并茂，文字通畅。

应有目录、摘要及关键词、正文、参考文献等内容，字数一般不少于6000字。

二、主要参考资料
有关复杂刀具参数计算及结构设计、机械制造工艺与设备的手册与图册。

三、课程设计进度安排
阶段阶段内容起止时间
1 布置任务，准备资料1天(12月17日)
2 方案设计1天(12月18日)
3 设计计算4天(12月19～23日)
4 结构设计及绘图8天(12月24～1月1日)
5 工艺编制2天(1月2日～3日)
6 编写设计说明书3天(1月3日～6日)
7 准备答辩和正式答辩1天(1月7日)
指导教师（签名）：时间：
教研室主任(签名)：时间：
院长（签名）：时间：
专 业 课 程 设 计 刀 具 方 向 第 一 组
任 务 书
题目1：外啮合盘形直齿插齿刀的设计
已 知 条 件
名称 被切齿轮参数 共轭齿轮参数 符号 数值 符号 数值 模数 m
4 m
4 分圆压力角
f α
27° f α
27° 齿数
1z
19 2z
11 齿顶高 1e h 3.6 2e h 3.6 齿根高 1i h
4.6 2i h
4.6 齿全高 1h 8.2 2h
8.2
分圆弧齿厚 1f S
6.28 2
f S
6.28 变位系数 1ξ
0 2ξ
0 齿顶圆半径 1e R
41.6 2e R 25.6 根圆半径 1i R
33.4 2i R
17.4 分圆半径 1f r
38 2f r
22 基圆半径
01r
33.858
02r
19.602
要求：（1）设计公称分圆φ100的外啮合A 级盘形直齿插齿刀，前角γ=5°，齿顶后角e α=6°，齿数g z =25，齿顶高系数eg f =1.15，g ξ=0。

（2）编制该刀具加工工艺。

题目2：齿轮滚刀的设计
要求：（1）设计A 级Ⅱ型单头右旋齿轮滚刀，eg D =90或95，前角γ=0°，顶刃后角 e α=10°～12°，侧刃后角c α不小于3°，有第二铲背量K 2，滚刀螺旋角f λ≤5°。

（2）编制该刀具加工工艺。

已 知 条
件 名称 被切齿轮参数
符号
数值 法向模数
n m
4.25 分圆法向压力角 fn
α
17.5° 齿数 z
47 齿顶高系数 f 1 径向间隙系数
'
C
0.25 分圆法向弧齿厚
fn
S
6.68 变位系数 1ξ
0 分圆螺旋角 f β
5°14′10″
螺旋方向 右旋 精度等级
8FJ GB10095-88
目录
一、齿轮滚刀部分 (5)
1.1设计原理 (5)
1.2结构设计 (5)
1.3参数计算 (7)
1.4工艺设计 (10)
二、插齿刀部分 (12)
2.1设计原理 (12)
2.2结构设计 (14)
2.3参数计算 (14)
2.4工艺设计 (20)
三、刀具现状与发展方向 (21)
四、设计总结 (23)
五、主要参考文献 (25)
一、齿轮滚刀部分
1.1设计原理
（1）齿轮滚刀简单介绍
齿轮滚刀是加工直齿和斜齿圆柱齿轮最常用的刀具之一。

一般地说，滚齿的生产率比插齿高。

按其结构不同有整体式和镶片式。

按模数的大小有小模数滚刀、中模数滚刀和大模数滚刀（m>8）。

按加工用途可分为粗加工滚刀和精加工滚刀。

按精度等级又可分为四种：AA 级（用于加工7级精度齿轮）；A 级（用于加工8级精度齿轮）；B 级（用于加工9级精度齿轮）；C 级（用于加工10级精度齿轮）。

滚刀很少做成双头刀，因为双头滚刀加工出来的齿轮容易出现相邻齿齿距误差超差情况，难以满足运动精度，传动精度。

（2）加工齿轮原理
齿轮滚刀加工齿轮的原理，犹如一对螺旋齿轮的啮合过程。

滚刀就是具有一定切削角度的渐开线斜齿圆柱齿轮，滚刀的头数即相当于螺旋齿轮的齿数。

这种齿数极少、螺旋角很大、牙齿能绕轴线很多圈的变态斜齿圆柱齿轮，其实质就是一个蜗杆。

滚刀切削刃位在该蜗杆的螺纹表面上，这种切削刃所在的蜗杆称为基本蜗杆。

滚刀要滚出正确的渐开线齿形，作为滚刀的基本蜗杆，应该是渐开线蜗杆。

但是由于渐开线滚刀在制造上存在很多困难。

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。

端面的齿形为阿基米德螺旋线。

用这种近似蜗杆作为基本蜗杆的滚刀，称为阿基米德滚刀。

但其存在造型误差
1.2结构设计：
(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。

精度高的齿轮，滚刀的外径应愈大；反之可选择小一些。

但滚刀外径愈大，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。

但是国外普遍采用小外径的滚刀。

减少进给时间，效率高，精度低。

但是靠剃齿提高精度。

从而总工时少，精度反而更高。

(2)滚刀的长度
滚刀螺纹部分出去两端不全齿以外，应至少具有包络出被切齿面两侧完整齿形的所需长度，以及切削斜齿齿轮时所必须的增加量。

除2≤m 的II 型滚刀长度略小于滚刀外径以外，其余滚刀长度均等于其外径
(3)齿轮的容屑槽
除花键滚刀做成螺旋槽形式。

滚刀的容屑槽一般做成与轴心线平行的直槽形式。

提高制造和刃磨精度。

直槽滚刀左右两侧刃的切削条件不一致。

当滚刀螺纹升角 5f ≤λ时，直槽滚刀并不引起被加工齿轮齿面质量有明显差别。

5f ≥λ时容屑槽做成垂直于滚刀螺纹的螺旋槽形式。

当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容屑槽数愈多。

切削重叠系数愈大，分配在每个刀齿的负荷越小，因此切削过程愈平稳，滚刀耐用度愈高。

但是槽数过多，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：
①滚刀的前角：精加工滚刀和标准滚刀为便于制造和测量，一般都采用︒0前角（非标刀同样适用）。

负前角用于切削铸铁、硬齿面齿轮。

正前角主要用于粗加工，精加工还是用︒0前角
②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，侧刃后角小于顶刃后角。

使滚刀重磨后齿形不发生变化。

因此，滚刀的顶刃与侧刃必须采用相同的铲背量。

其值用下式计算：
tan eg
e g
K D
z
απ=
式中 K ———滚刀径向铲背量； D eg —— 滚刀外径； z g —— 滚刀容屑槽数； αe —— 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。

K 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 8 9 10 12
K2 0.6--0.7 0.7--0.8 0.8--0.9
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。

1.3参数计算
齿轮滚刀的设计步骤及计算
已知条件
被加工齿轮参数：
25
.4
=
m n
法向模数5.
17。

分度圆法向压力角=
αfn47
=
z
齿数
齿顶高系数f=1 25
.0
'=
C
径向间隙系数68
.6
=
S fn
分度圆法向弧齿厚
变位系数0
1
=
ξ分度圆螺旋角01
4
1
5''
'
=
β
f
螺旋方向：右旋
精度等级：8FJ 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
A级
2
基本尺寸
（1）外径
（2）孔径
（3）全长
（4）容屑槽数
eg
D
d
L
Z g
根据滚刀精度等级为AA级，
按表2-2-1选取基本尺寸
10
90
32
90
=
=
=
=
z g
L
d
Deg
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
h eg
S
t
h
h
fng
n
g
ig
m n
C
f
h eg)'
(+
=
2
)
('
m n
S
m n
t
h
h
h
m n
f
h
fng
n
ig
eg
g
ig C
π
π
=
=
+
=
+
=
0.01
0.01
0.001
0.01
()
()
68
.6
2
25
.4
1416
.3
25
.
13
25
.4
1416
.3
63
.
10
3125
.5
3125
.5
31
.5
25
.4
25
.0
1
31
.5
25
.4
25
.0
1
=
⨯
=
=
⨯
=
=
+
=
=
⨯
+
=
=
⨯
+
=
S
t
h
h
h
fng
n
g
ig
eg
4
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
γ
K
αc
k 2
H R
θ
采用0。

前角滚刀
前刃面偏位值：
=e ()
()
z
D
z
z
D
g
eg
c
fn
eg g
c
e
e
g eg
H
R K K h g H K K K t K D
10
21~5.02)5.1~3.1(sin
g
~tan
1
11
-3
12
10,-=
+++
====
π
π
π
α
α
α
α
α。

应不小于
取。

0.1
圆整到0.5
圆整到0.5
圆整到0.5 圆整
到0.25
0。

=γ e=0
9.5tan
10
90
12
=⨯=。

πk
取K=6
49336512.306381.0tg 34202.090610tg 1
-1-'
''===⨯⎪⎭
⎫
⎝⎛⨯⨯=
πα
c
965.11
=⨯=k
625
.185
.02
96625.10=+++=H
()
70
.166.110
10625
.18290==⨯⨯-=
R R 取π
取。

=
θ
5 作图校验 见注
略
6
分圆直径
fg
()为滚刀外径偏差
D eg
D eg h eg D eg d fg
k δ
δ+--=2.02
0.01
()98
.770.10.62.031.5290=+-
⨯-=d
fg
7 分圆螺纹升角
λf
1
sin ==
n n
d fg
m n
f
精加工滚刀λ
1'
7
3'
05450
.098
.77125.4sin。

=
=⨯=
λ
λ
f
f
8 容屑槽螺旋角
βfg
5。

≤
λf
0。

=
βfg
5。

λ
f
λβf
fg =
1'
直槽
9
容屑槽导程
T
直槽滚刀 T=∞
1
∞
=T
10 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
r r S fzg t z 2
1 m r
m r S
S t
t
n
n f
fng
fzg
f
n
z
3.03.0cos
cos 2
1===
=
λ
λ
0.001
0.01 0.1 0.1
3
.125.43.03.125.43.0690
.6cos
68.63672
.13cos
352.132
1'
'
7
37
3=⨯==⨯===
==
r
r S t
fzg
z。

11 轴向齿形角 直槽滚刀
αz
λ
α
α
f
fn
z
c c cos
tg
tg
=前角滚刀
直槽。

1'
1669
.3cos tg tg 7
35.17'
==。

c c z
α
3117
'。

=α
z
（左右侧齿形角相等）
12
滚刀螺纹方向
向相同
方向与被切齿轮螺旋方
的斜齿轮时，滚刀螺纹
；加工
时，一般制成右旋螺纹
的斜齿轮
加工直齿轮与。

1010f
f
><β
β
右旋
13
轴向尺寸 （1）直径 （2）长度 （3）倒棱
c
l D 1
按表2.2-1 按表2.2-1 按总附录表V
2
550
1
===c l D
14
键槽尺寸 （1）键宽 （2）键高 （3）圆弧
γ
t
b
'1
按总附录表Ⅲ 按总附录表Ⅲ 按总附录表Ⅲ
8
.08
.341
.862.0.00
'1
2
.00
==
=
++γt
b
15
内孔空刀尺寸 （1）空刀直径 （2）磨光部分长
度
l d 1
1
按总目录表V 按总目录表V
22
341
1==l d
1.4工艺设计
本设计非标齿轮滚刀采用高速钢W
6Mo
5
Cr
4
V
2
，硬度为63－66HRC，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，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GD0001 齿轮滚刀W
6Mo5Cr4V2
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：Ø95×95
二正火
三粗车：清一头端面，光大部分外圆，打两
端中心孔
CA6140 25'四钻：内孔钻至Ø29（双边余量留3mm）Z35 10'
五
车：内孔至Ø4.
311.00+，精度留0.3mm
的余量，大外圆留0.6mm，凸台外圆留
0.3mm，两端各留0.2mm，内孔中间凹槽
做出
CA6140 1.20
六插：键槽，注意内孔余量，去毛刺B5032 专用键槽刀25'
七
磨：粗磨内孔至Ø7.
31025.00+M2120 15'
八 粗磨：穿锥度心轴，光大外圆，靠两端面见光
M131W 10'
九 车：螺旋槽，深度至尺寸，分圆齿厚留0.6mm
1139333.1123672.13==⨯=d c b a i 螺距
80
76615789771.01⨯==i
C6140A 带键锁紧心轴，专用车铲刀
2.40 转工序1.00
十 铣：容屑槽
X62W
带键心轴，25 成
形铣刀
1.00
十一 钳：去不全齿，去毛刺
20' 十二
铲：铲顶，齿形，齿厚留0.3mm
7
.12t z
i ==
1
11
1d c b a ⨯
=1.1139333
i
1=0.89771=
80
7661
57⨯
，i=76
8057
61⨯
C8955
带键锁紧心轴，成形车铲刀
2.30
转工序2.00
十三 热处理：一次淬火，三次回火，63~66HRC 十四 磨：内孔留0.01~0.02mm 的余量 M2120 开口套
20' 十五 研磨：内孔至尺寸
1.00 十六
磨：穿锥度心轴，磨两凸台、外圆，靠两端面至尺寸
M131
锥度心轴
20'
十七 磨：刃磨前刀面 MG6425 25' 十八
铲磨：齿形至尺寸
C8955
4.00
转工序2.00
十九 送检 二十
液体喷砂
二十一 激光打标
二十二 浸蜡，真空包装
工艺说明：
① 工序九、十用带键锥度芯轴是因为车螺纹槽和铣容屑槽时切削力过大，用锥度芯轴容易打滑。

② 工序八和工序十在配挂轮时，π值应取计算机默认值，而不是3.14，因为i 值至少取到小数
点后五位，3.14不一定达到精度。

挂轮比较，不能超过规定值值与原z 1111t 12d c
b a ⨯⨯
③ 滚刀计算轴向齿距是为了便于检测
二、插齿刀部分
2.1设计原理
插齿刀实际是变型的变位齿轮。

插齿刀的设计重点在变位系数的确定。

变位系数g ξ越大，那么加工出来的齿轮表面精度越高。

但是变位系数g ξ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max g ξ。

变位系数g ξ越小，则有利于插齿刀的重磨次数，即可提高使用寿命。

但g ξ的减小又会引起两个问题。

第一是加工少齿数的齿轮时，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min g ξ。

最大变位系数的确定，可参考以下的几道公式： (1)齿顶变尖的限制：
插齿刀顶圆压力角。

插齿刀分圆压力角；插齿刀齿顶高系数；插齿刀齿数；模数；式中----------++-=++=
-++++=eg fg eg g eg g eg g fg g eg eg fg g
fg
g g eg g eg f z m m m
S f z z inv inv z f z m S ααξααααα
ξπξ 3381
.02643.00107.0][)
(2cos cos )]
(2tan 4)[2
(
2
(2)齿轮过渡曲线干涉的限制：
()ααα
α
ξξααα
αα1
2
11
2
1211212
21122
2112
2
221212cos
2cos tan )(2cos 2cos )(sin sin g f
z z A g f
f
f
og
eg g g o e m inv z z inv z z m A r R A r R A +
=
+++=
+=
--≤--
()αξααξξαf
r og g
f eg
z g R eg
f
z g
z f
g
g mz m inv
inv
cos
22tan
21
11
=⎪⎭
⎫ ⎝⎛+
+
=++
+=
式中 12A ――被切齿轮与共轭齿轮啮合时的中心距； 12α――被切齿轮与共轭齿轮啮合时的啮合角； 2e R ――共轭齿轮的齿顶圆半径； 2o r ――共轭齿轮的基圆半径；
1g A ――插齿刀切削齿轮时的中心距；
1g α――插齿刀切削齿轮时的啮合角；
eg R ――插齿刀齿顶圆半径；
og
r ――插齿刀基圆半径；
f α――齿轮分圆压力角；
21z z 、――被切齿轮与共轭齿轮齿数；
21ξξ、――被切齿轮与共轭齿轮变位系数。

最小变位系数的确定，也可参考以下的几道公式： (1)齿轮根切的限制：
0sin 2
2
11≥--
og
eg
g g r R A α
齿轮的齿数1z 越少或它的变位系数越小，越易发生根切。

当插齿刀的齿数g z 越多、变位系数g ξ越小以及齿顶高越大时，越易发生根切。

(2)齿轮顶切的限制：
f
o e d g f
f d
g gd
z z m r R z z inv inv α
αξα
α
αξcos )(2tan tan 2)
(212
1
2
1m in 11
21m in 1m in
+-=
-+-=
式中 min 1d g α――插齿刀切齿时保证被切齿轮不发生顶切的最小啮合角； 11o e r R 、――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min gd ξ值，然后代入限
制根切的不等式进行计算。

如果不等式成立，则此时的g ξ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g ξ然后重新计算。

当不等式左右相等时，g ξ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 fg α' = γ
ααtan tan 1tan e f
- 式中 fg α'――修正后齿形角； f α――分圆压力角；
e α――齿顶后角；
γ――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 制模数部分系列如下表：
5系列 5.1
5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8
5.9 6系列
6.1
6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9
2.2结构设计
根据题目要求为盘形插齿刀，分圆直径为100φ。

模数为4.齿数为25g =Z 可以查的相关的结构参数。

结构图如下：
结构设计参考工称直径Φ125mm 碗形插齿刀的结构参数。

具体参数，请看所附零件图。

2.3参数计算
齿轮插刀的设计步骤及计算
序号
计算项目 符号 计算公式或选取方法 计算精度 结果
1
顶刃前角 γ
通常取5γ=
1
5γ=
2
顶刃后角 e α
时
20=f
α
︒=6e α
1
0.0000001
6e α=
0.1051042e tg α=
3
齿数 g z
根据模数按标准插齿刀（表2.4-3）
选取
采用公称分圆100φ的盘形插齿刀
25=g z
4
齿顶高系数
eg f
'=eg eg f f 式中'
eg f 为被切齿轮原
始齿条的齿根高系数
0.01
1.15eg f =
求最大变位系数
5
允许齿顶厚 []eg S 2
[]0.01070.26430.3381
eg S m m
=-++ 0.01
[]22
.13381.0426243.040107
.0-2
eg
=+
⨯+⨯=S
6 计算参数 []eg S m
0.01 31.04
22.1=
7
求g ξ
g ξ 据设计要求0g ξ= 0.01
0g ξ=
8
共轭齿轮的啮合角
12α
121212
2()f
f
tg inv inv z z ξξα
αα
+=
++
0.0000001
4539905
.0sin 8910065.0cos 27
0382866
.01119tan )00(212121212====+++⨯=αααα
α
α
f
f
inv inv
9 共轭齿
轮中心
距
12
A12
12
12
()cos
2cos
f
m z z
A
α
α
+
=0.001
000
.
60
27
cos
2
27
cos
)
11
19
(
4
12
=
︒
⨯
︒
⨯
+
⨯
=
A
10 被切齿
轮和插
齿刀的
啮合角
1
g
α
1
1
1
2()
g f
g f
g
tg
inv inv
z z
ξξα
αα
+
=+
+
0.0000001
00001
.0
4539905
.0
sin
8910065
.0
cos
27
0382866
.0
1
1
1g
1
=
=
=
=
+
=
g
g
f
g
inv
inv
α
α
α
α
α
11 被切齿
轮和插
齿刀的
中心距
1
g
A1
1
1
()cos
2cos
g f
g
g
m z z
A
α
α
+
=0.001
000
.
88
27
cos
2
27
cos
)
25
19
(
4
1
=
︒
⨯
︒
⨯
+
⨯
=
g
A
12 插齿刀
基圆半
径
R
eg R()
2
g
eg eg g
z
m fξ
=++0.001
600
.
54
)0
15
.1
2
25
(
4
=
+
+
⨯
=
eg
R
13 插齿刀
基圆半
径
0g
r
cos
2
g
g f
mz
rα
=
550
.
44
27
cos
2
25
4
=
︒
⨯
⨯
=
eg
r
14 计算参
数
将8~13项的计算结果带入下面不
等式中：
22
121222
22
11
sin
sin
e o
g g eg og
A R r
A R r
α
α
--≥
--
如不等式不成立，则说明发生过
度曲线干涉，此时必须减少
g
ξ值
或增加插齿刀的齿数后重新计算
0.001
左边
=
774
.
10
602
.
19
6.
25
45399
.0
602
2
=
-
-
⨯
右边=
327
.4-
550
.
44
6.
54
45399
.0
602
2
=
-
-
⨯
左边>右边，符合不等式要求，
故取
m ax
g
ξ=
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
1m in
g d
α
22
11
1m in
1
2
()cos
e o
g d
g f
R r
tg
m z z
α
α
-
=
+
0.0000001
0.0001 3082589
.0
27
cos
)
25
19
(
4
858
.
33
6.
41
2
tan
2
2
min
=
︒
⨯
+
⨯
-
⨯
=
gld
α
13232
.
17
min
1
=
d
g
α
0092423
.0
min
1
=
d
g
invα
Sin
min
1d
g
α=0.2945794
Cos
min
1d
g
α=0.9556270
16 保证被
切齿轮
不发生
顶切的
最小变
位系数
m in
gd
ξ
m in1m in
1
1
()
2
gd g d f
g
f
inv inv
z z
tg
ξαα
ξ
α
=-
+
⨯-
0.01
25
.1-
0-
27
2
19
25
)
0382866
.0
0092423
.0(
min
=
︒
⨯
+
⨯
-
=
tg
gd
ξ
17 验算插
齿刀在
切削齿
轮时是
否发生
根切
将25
.1-
min
=
gd
ξ带入下列公式
中验算是否发生根切：
1
1min
1min
()cos
2cos
g f
g d
g d
m z z
A
α
α
+
=
0.001
050
.
82
9556270
.0
2
8910065
.0
25
19
4
min
1
=
⨯
⨯
+
⨯
=
）
（
d
g
A
min min
()
2
g
egd eg gd
z
R m fξ
=++0.001
600
.
49
)
25
.1
15
.1
2
25
(
4
min
=
-
+
⨯
=
egd
R
1m in1m in
sin
g d g d
Aα
22
m in
egd og
R r
--≥
0.001
365
.2
550
.
44
6.
49
2945794
.0
050
.
822
2
=
-
-
⨯
符合公式要求，所以
25
.1-
min
=
g
ξ
18 原始截
面到前
端面距
离
b m ax
g
e
m
b
tg
ξ
α
=0.1
b=
19 厚度B
)5
~
3(
tan
)
(
min
max
+
-
=
e
g
g
m
B
α
ξ
ξ
B的尺寸还受到工艺因素的限
制，B不宜取过大，参照表2.4-6
选取
整数
))5
~
3(
48
))5
~
3(
1051
.0
)
25.1
0(
4
+
=
+
+
⨯
=
B
按表2.4-3取B=24
20 修正后
齿形角fg
α'
1
f
fg
e
tg
tg
tg tg
α
α
αγ
'=
-
0.00001
或
1''
51425424
.0
5
tan
6
tan
1
27
tan
tan=
-
=
'
fg
α
4573221
.0
sin
889299
.0
cos
2
5
2
1
27
=
'
=
'
''
'
=
'
fg
fg
fg
α
α
α
21
侧刃后角
c α
sin c fg e tg tg ααα'=
0.0000001
5420480665
.01051042
.04573221.0tan c '
==⨯=
ααc
22
分圆直径 fg d fg g d m z =
0.001
100254=⨯=fg
d
23
齿形角
修正后的基圆直径
0g d ' 0cos g fg fg d d α''=
0.001
930.88889299.0100=⨯='og
d
原始截面上的齿形尺寸
24 齿顶高 0e g h 0e g eg h f m =
0.01 6.4415.1=⨯=eog h
25 分圆弧齿厚 0f g S 02
f g m
S π=
0.001 283.62
4
1416.3=⨯=
fog
S
26
齿全高
0g h
002g e g h h = 0.01
2.96.42=⨯=og h
前端面上的齿形尺寸
27 齿顶高 eg h 00eg e g e h h b tg α=+ 0.01 6.406.4=+=eg h 28
分圆弧齿厚 fg S
002fg f g e f S S b tg tg αα=+
0.01
283.60283.6=+=fg
S
29
顶圆直径 eg D 2eg fg eg D d h =+
0.01
20
.1096.42100=⨯+=eg D
30
根圆直径 ig D 02ig eg g D D h =-
0.01
8.902.92-20.109=⨯=ig D
31
前刃面齿顶高 eg h '
cos eg eg h h γ
'=
0.01
62.49961947
.06.4=='eg
h
32 其他结构尺寸
按表2.4-3选取
在距前端面2.5毫米处进行齿形检验，计算检验用的展开角
33
顶圆上的展开角
e ϕ
57.29578e eg tg ϕα=
式中eg α—齿顶圆压力角
0cos 5g eg eg e
d D tg αα'=
- 0.0000001
0.00001
1'
414024348
.407023813.029578.577023813
.0tan 08349
.358183154
.06
tan 5-2.109930.88cos c '
==⨯====⨯=
ϕαααeg eg eg
34 齿形有
效部分
起始点
展开角
y
ϕ
57.29578
y y
tg
ϕα
=
式中
y
α—齿形有效部分起始点压
力角
10
( 2.5)
sin
2
y fg
e e
g
fg
tg tg
f m b tg
d
αα
α
α
'
=
'--
-
'
'
式中
1e
f'—被切齿轮的原始齿条
齿顶高系数
0.0000001
1'
72
17
3046257
.0
29578
.
57
3046257
.0
4573221
.0
2
88.930
0.1051042
2.5
4
1
-
51425424
.0
tan
y
y
'
=
⨯
=
=
⨯
⨯
+
⨯
=
ϕ
α
35 有效部
分展开
角
x
ϕ
x e y
ϕϕϕ
=-1'7
4
22
7
2
17
-
4
1
40
x
'
=
'
'
=
ϕ
36 齿根圆
压力角ig
α
2
cos g
ig
ig
r
D
α=
当
ig g
D d
<时，以
0g
d处计算齿
间宽
0.0000001
0.00001
由于
ig g
D d
<，以
0g
d处计算
cos1
g
ig
g
ig
ig
d
d
inv
α
α
α
==
=
=
37 根圆齿
厚ig
S()
fg
ig ig f ig
fg
S
S D inv inv
d
αα
=+-0.01 18.9
)
0382866
.0
100
283
.6
(
8.
90
=
+
⨯
==
ig
S
本设计以基圆直径代入，所得
ig
S为基圆齿厚
38 根圆齿
间宽ig
W
(1 1.5)
ig
ig ig
g
D
W S
z
π
=->
如(1 1.5)
ig
W< ，磨齿形时有困
难，可适当减少
g
h
0.01 ）
（5.1
~
1
23
.2
18
.9
-
25
8.
90
1416
.3
=
⨯
=
ig
W
本设计以基圆直径代入，所得齿
间宽为基圆齿间宽
2.4工艺设计
本设计盘形插齿刀采用高速钢W 6Mo 5Cr 4V 2，硬度为HRC67－68，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，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
CD002
插齿刀 W 6Mo 5Cr 4V 2
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：Ø115×29，孔可不冲出 二 正火
三
车：车外圆锥面、内孔，要预留0.3mm ，内外支承面各留0.15，外支承面内孔装夹定位，外锥面、内孔、内支承面、前刀面一次装夹做出，其余按图纸要求 CA6140
1.20
四
滚齿：外支承面要朝下，找正外锥面，滚出锥底，测量高度在原图纸尺寸上加大0.15，测量齿厚在原图纸尺寸上加大0.3mm Y38
6走刀样板
40' 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，63~66HRC 七
磨：内孔使用开头弹性套，找正节圆，前刀面磨内孔至01
.00
725
.31+φ，磨内支承面，
在前刀面上磨出宽度1.5至2mm 的环状平面 M2120
珠棒
mm
92.1~8.1d p ）（=
40'
八
磨：外支承面，以环状面定位
M7120 20'
九 研磨：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
M6025C
插齿刀心轴 碗形砂轮
25'
十二 磨：齿形至图纸要求，齿厚按K 向检测，
基圆直径930.88d og ='
，侧后刀面基圆螺
旋角5542e
b '''=
）（β M7132 插齿刀心轴
4.00 转工序4.00
十三 送检：齿形精度（在距前刀面2.5mm 处检
查齿形），K 向齿厚
渐开线检查仪 转工序4.00
十四 除内孔外表面涂镀TiN 十五 浸蜡，真空包装
三、刀具现状与发展方向
我国是国际上公认的制造业大国,但并不是制造业的强国,制造业的水平并不是很高,能够独立制造的产品种类少,附加值和技术含量较低。

有些产品不是设计不出来,而是制造精度不够,达不到设计的要求。

而制造精度的高低在一定程度上取决于常用制造机器的基本零部件的设计、制造和装配的能力。

齿轮传动是最常见的一种机械传动,是传递机器动力和运动的一种重要形式。

它与带、链、摩擦、液压等机械传动相比,具有功率范围大、传动效率高、圆周速度高、传动比准确、使用寿命长、结构尺寸小等一系列特点。

齿轮已成为许多机械产品的重要基础零件,它的设计与制造水平将直接影响到机械产品的性能和质量,而决定齿轮加工质量的关键因素是齿轮刀具的设计、制造等。

目前我国齿轮刀具设计还是比较传统,齿轮刀具设计仍然是人工计算、用手工画图,标注尺寸和公差;有的根据人工设计结果,在AutoCAD 中绘图,设计思想仍然延用传统的方法,计算机仅用于绘图。

但实际上早在20世纪50年代，美国的Barter Colman 公司和Fellows 公司等，就已经应用计算机进行齿轮刀具齿形的设计计算，有效地提高了齿轮刀具的设计速度和精度。

我国起步较晚，渐渐的开始与国际接轨。

例如应用CAD 技术，宏LISP 语言编制剃齿刀专家系统，初步实现智能化。

到了20世纪末，复杂刀具CAD 技术基于DOS 系统环境下，主要侧重于CAD 系统的模型建立、算法研究、参数化绘图和系统构成的讨论。

进入21世纪后，面向日趋应用广泛的复杂刀具CAD 系统。

逐渐开始要求该系统具有良好的人机对话功能。

第一汽车集团公司工具厂尹宏伟利用VB6.0和AutoCAD 开发出一套集设计计算、参数查询、绘图输出、刀具信息管理和齿形包络模拟等功能于一体的集成化插齿刀CAD 系统，提高了插齿刀的设计效率和品质；四川大学王玫等人根据渐开线插齿刀设计的特点，分析了渐开线插齿刀设计的关键参数，即变位系数和齿数的合理选择，进而提出了一种
实用的渐开线插齿刀的方法。

近几年产品设计从二维绘图发展到三维建模不能不说是个质的飞跃，对机械制造业来说具有不可代替的深远意义，同期国内外出现了众多优秀的商业化三维建模软件，如美国EDS公司的UG、Theorem公司的Solidworks,PTC公司的Pro/ENGINEER，国内北航海尔软件有限公司的CAXA实体设计等。

这些软件为复杂刀具的CAD技术提供了新的平台，国内许多高校都展开了针对复杂刀具三维建模技术的研究工作。

西北工业大学吴占阳等人在UG环境下通过对矩形花键滚刀三维参数化建模过程的分析，提出了将特征参数化和草图参数化结合进行三维建模的方法，实现了复杂刀具参数化三维建模。

传统齿轮制造一般是湿切法，环保干切在齿轮加工方面已得到应用，国内外主机厂如美国Gleason公司、日本三菱公司、国内重庆机床等均研发了专用干切滚齿机床。

值得一提的是在国内外，CBN、PCD等超硬刀具也得到了越来越多的应用，也会成为未来刀具发展的方向。

数控技术的发展极大地推动了机床向数控、高速、高效和复合方向快速发展，为了满足高精和高效切削加工的需要环保干切在齿轮加工方面已得到应用，国内外主机厂如美国Gleason公司、日本三菱公司、国内重庆机床等均研发了专用干切滚齿机床。

与传统湿切方式相比，干切方式不需要冷却液，既环保又降低了滚齿加工成本，干切方式还可以采用更高的切削速度，提高加工效率，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进展，在传统意义上，齿轮刀具材料一般是高速钢（高性能粉末冶金高速钢也已普遍应用），随着硬质合金材料的发展和加工技术的进步，硬质合金刀具比例越来越高，在欧洲发达国家已高达70以上，近年来国内外各刀具厂商如Gleason、Kennametal、Fette、Ingersoll、SandvikCoromant研发了各种硬质合金可转位齿轮刀具，大大提高了齿轮加工效率，也大大提高了刀具寿命。

近十年来，随着高强度钢、高温合金、喷涂材料等难加工金属材料以及非金属材料与合材料应用的增加，现代刀具已不局限目前广泛使用的高速钢刀具和硬质合金刀具，陶瓷刀具、金刚石与立方氮化硼等超硬材料刀具、涂层刀具与合材料刀具更是今後的发展趋向，表示切削效率进一步提高。

由於HSS中钨、钴等主要元素的资源紧绌，其发展方向包括：发展各种少钨的通用型高速钢；扩大使用各种无钴、少钴的高性能高速钢，如501、Co3N等钢种；推广使用粉末冶金高速钢（PM HSS）和涂层高速钢。

例如，用ERASTEEL公司生产的ASP2030加TiN涂层造的插齿刀插削12Cr2Ni钢制齿轮时，刀具寿命比普通熔炼高速钢M2提高3~4倍。

高速钢是铁磁性材料，具有较高的剩磁感应和较大的矫顽磁力，而正常的切削温度都不超过650℃，因此高速钢可进行磁化切削。

浙江大学提交的“磁化切削研究”论文中，详细介绍了磁化原理与方法，分析比较了磁化切削与普通切削在切削力、切削功率、切削热及加工精度方面的差别。

结果表明，磁化切削可大大改善高速钢的切削性能，延长刀具使用寿命，提高加工质量。

与刀具材料同步发展的还有化学涂层CVD和物理涂层PVD技术。

当代CVD涂层的特点是多层涂层。

其涂层结构包括TiCN、TiC、TiN、ZnCN和Al2O3。

通过对CVD
工艺的良好控制，刀具制造商现在可提供质量稳定的从5～20μm厚度的涂层刀具，以及用于高硬度材料工件加工的单层涂层厚度不超过0.2μm的多层涂层合金刀具。

PVD物理涂层技术使在金属陶瓷和硬质合金基体上的涂层厚度为2～5μm 的硬质涂层已经进入商业化。

典型的商业化涂层方式包括TiN、TiCN、TiAlN、CrN、TiB2，还有诸如TiN-TiAlN的多层涂层。

PVD涂层工艺具有的独特优势为：可以给锐利的切削刃面提供超细晶粒、平滑、低摩擦和防止高温热裂的涂层。

新近发展的硬质合金刀具涂层采用外部为PVD类的TiN或者TiAlN涂层与内部为CVD类的TiN/TiCN/TiN涂层相结合的方式。

内部CVD涂层可提供极好的基体粘合力和耐磨性;而外部PVD涂层提供一个坚固的、超细晶粒的、不易脆裂的、表面光滑的刀具表层。

这种CVD-PVD相互结。