学习情境5圆柱齿轮的机械加工工艺卡片设计

机械制造工艺学学习情境5圆柱齿轮的机械加工工艺卡片设计任务直齿圆柱齿轮的加工工艺规程制定机械制造工艺学给定任务：图5-1所示为成批生产，材料为40Cr，精度为7级的双联圆柱齿轮；图5-2所示为小批量生产，材料为40Cr，精度为6-5-5的高精度单齿圆柱齿轮。试编制其机械加工工艺过程。任务直齿圆柱齿轮的加工工艺规程制定图5-1双联齿轮图5-2高精度齿轮简图机械制造工艺学任务分析：1.圆柱齿轮的功用与结构特点(a)、(b)、(c)－单联、双联、三联盘形齿轮(d)－内齿轮(e)－套筒齿轮(f)－轴齿轮(g)－齿条图5-3任务直齿圆柱齿轮的加工工艺规程制定机械制造工艺学1.齿轮的功用和结构特点（1）功用：按照规定的速比传递运动和动力。（2）结构特点：工艺观点大体上可以把它们分为齿圈和轮体两部分。齿圈上的轮齿的分布形式：直齿，斜齿，人字齿，单齿圈（工艺性好），多齿圈。齿圈上的轮齿的齿形：渐开线齿轮和摆线齿轮轮体的结构特点：盘形齿轮、套筒齿轮、轴齿轮、扇形齿轮、内齿轮，齿条。应用最广：渐开线齿形直齿盘形圆柱齿轮任务分析：机械制造工艺学5－5圆柱齿轮加工(a)、(b)、(c)单联、双联、三联盘形齿轮；(d)内齿轮；(e)套筒齿轮；(f)轴齿轮；(g)齿条机械制造工艺学齿轮的加工工艺性：齿轮的结构形式直接影响齿轮的加工工艺过程。单齿圈盘类齿轮的结构工艺性最好，可采用任何一种齿形加工方法加工轮齿；双联或三联等多齿圈齿轮的小齿圈的加工受齿圈间轴向距离的限制，其齿形加工方法的选择就受到限制，加工工艺性差。机械制造工艺学2.齿轮本身的制造精度，对整个机器的工作性能、承载能力及使用寿命都有很大影响。根据其使用条件，齿轮传动应满足（1）运动精度要求齿轮能准确地传递运动，传动比恒定，即要求齿轮在一转中，转角误差不超过一定范围。（2）工作平稳性。要求齿轮传动平稳，无冲击，振动和噪声小，这就需要限制齿轮传动时瞬时传动比的变化，即限制齿轮在转过一个齿形角时的转角误差。机械制造工艺学（3）接触精度齿轮在传递动力时，为了不致因载荷分布不均匀使接触应力过大，引起齿面过早磨损，这就要求齿轮工作时齿面接触要均匀，并保证有一定的接触面积和符合要求的接触位置。（4）齿侧间隙。一对相互啮合的齿轮，其齿面间必须留有一定的间隙，即为齿侧间隙，其作用是贮存润滑油，使齿面工作时减少磨损；同时可以补偿热变形、弹性变形、加工误差和安装误差等因素引起的齿侧间隙减小，防止卡死。机械制造工艺学3.齿坯的技术要求——基准孔（或轴）的直径公差，基准端面的端面跳动机械制造工艺学4.齿轮材料与毛坯齿轮的材料及热处理对齿轮的加工质量和使用性能都有很大的影响，选择时主要应考虑齿轮的工作条件（如速度与载荷）和失效形式（如点蚀、剥落或折断等）。（1）中碳结构钢（如45钢）这种钢经进行调质或表面淬火后，综合力学性能较好，但齿面粗糙度较粗，主要适用于低速、轻载或中载的一般用途的齿轮。机械制造工艺学（2）中碳合金结构钢（如40Cr）这种钢进行调质或表面淬火后综合力学性能较45钢好，且热处理变形小，适用于速度较高、载荷大及精度较高的齿轮。某些高速齿轮，为提高齿面的耐磨性，减少热处理后的变形，不再进行磨齿，可选用氮化钢（如38CrMoAlA）进行氮化处理。机械制造工艺学（3）渗碳钢（如20Cr和20CrMnTi等）这种钢经渗碳或碳氮共渗等渗碳淬火后，齿面硬度可达58~63HRC，而芯部又有较高的韧性，既耐磨又能承受冲击载荷，适用于高速、中载或有冲击载荷的齿轮。（4）铸铁及其它非金属材料（如夹布胶木与尼龙等）这些材料强度低，容易加工，适用于一些较轻载荷下的齿轮传动。机械制造工艺学齿轮毛坯棒料；小尺寸，结构简单，不太重要的齿轮锻件：一般均采用锻造毛坯。强度高，耐磨，耐冲击生产批量较小或尺寸较大的采用自由锻造，生产批量较大的中小齿轮采用模锻。铸钢：对于直径很大且结构比较复杂、不便锻造的齿轮，可采用铸钢毛坯。铸钢齿轮的晶粒较粗，力学性能较差，且加工性能不好，故加工前应先经过正火处理，消除内应力和硬度的不均匀性，以改善加工性能。机械制造工艺学知识准备：一、毛坯的选择1.常见毛坯的种类1）铸件形状复杂的零件毛坯，宜采用铸造方法制造。目前铸件大多用砂型铸造，它又分为木模手工造型和金属模机器造型。木模手工造型铸件精度低，加工表面余量大，生产率低，适用于单件小批生产或大型零件的铸造。金属模机器造型生产率高，铸件精度高，但设备费用高，铸件的重量也受到限制，适用于大批量生产的中小铸件。其次，少量质量要求较高的小型铸件可采用特种铸造（如压力铸造、离心制造和熔模铸造等）。机械制造工艺学２)型材型材有很多的品种。常用型材的断面有圆形、方形、长方形、六角形，以及管材、板材、带材等。型材有热轧和冷拉两种３)锻件锻件能获得纤维组织的连续性和均匀分布，从而提高了零件的强度，所以适用于制造强度要求较高，形状比较简单的零件毛坯。４)焊接件将型钢或钢板焊接成所需要的结构件，其优点是结构重量轻，制造周期短，但焊接结构的抗振性差，零件的热变形大。５)冲压件冲压件的精度较高，冲压生产的效率也比较高，适于加工形状复杂，批量较大的中小尺寸板料零件。机械制造工艺学•2.选择毛坯应考虑的因素•毛坯质量的提高，对减少机械加工量，降低加工成本，提高加工材料的利用率都是十分有利的。但是，在一定的生产技术的条件下，毛坯质量的提高也将伴随着毛坯制造难度的增加，也就意味着毛坯制造成本的增加。因此，在选择毛坯材料和制造方法时，应考虑如下几个问题。•1）零件生产纲领的大小当零件产量较大时，应选择精度和生产率比较高的毛坯制造方法。在单件小批生产时，应选择精度较低和生产率较低的毛坯生产方法。•2）毛坯材料及工艺特性毛坯材料的选择一般是根据零件在机器中的作用为依据的。主要是考虑机器工作对零件强度、刚度、韧性、耐磨性、耐腐蚀等方面的要求。在满足使用要求原前提下，再来考虑加工工艺对毛坯材料及工艺性的要求。机械制造工艺学对机械性能要求高的钢制零件，应选择锻造毛坯。对某些材料，如铸铁、铸铝等，只能采用铸造成形。3）零件的结构形状和尺寸零件形状的复杂程度、尺寸的大小对毛坯的制造方法确定有很大的影响。形状复杂的零件，一般不宜采用金属模铸造；尺寸较大的毛坯，往往不能采用模锻、压铸、精铸，而应选择砂型铸造、自由锻和焊接等方法制造毛坯。4）毛坯的制造还必须考虑现有的生产条件，充分挖潜，提高毛坯质量。机械制造工艺学二、实现机械零件加工精度的方法1.试切法即先加工出很小的一部分表面，测量试切所得的尺寸，调整、试切，再测量；如此反复，直到达到图纸要求的尺寸后，再切削出整个待加工表面。2.定尺寸刀具法用刀具的相应尺寸（如麻花钻、扩孔钻、铰刀等）来保证工件被加工部位尺寸精度的方法称为定尺寸刀具法。在孔加工中，使用麻花钻、扩孔钻、铰刀等刀具，其尺寸具有一定的精度范围，因此所加工出来的孔的精度也保持在一定的范围内。机械制造工艺学3.调整法利用机床上的定程装置或对刀装置或预先调整好的刀架，使刀具相对于机床或夹具达到一定的位置精度，然后加工出一批工件。4.自动控制法采用一定的装置，使工件在达到图样要求的尺寸时，自动停止加工。具体方法主要有两种：①自动测量，②数字控制。机械制造工艺学任务实施：一、圆柱齿轮加工工艺过程机械制造工艺学机械制造工艺学机械制造工艺学圆柱齿轮的加工工艺过程编制齿轮加工工艺过程大致可以划分如下几个阶段：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：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。二、圆柱齿轮加工工艺分析机械制造工艺学对精度要求较高的齿轮加工工艺路线毛坯制造-→齿坯热处理-→齿坯加工-→齿形加工（包括齿端加工）-→齿圈热处理-→精基准修整-→齿形精整加工→终结检查。（一）定位基准选择基准重合，基准统一原则：孔齿轮：大批:内孔，大端面----专用心轴，生产率高小批：外圆，大端面----不用心轴，生产率低；轴齿轮：大直径：轴颈加大端面；小直径：两端中心孔机械制造工艺学盘形齿轮加工齿形时一般采用的两种定位方式：(1)内孔和端面定位符合“基准重合”原则。采用专用心轴，定位精度较高，生产率高，故广泛用于成批及大量生产中。为保证内孔的尺寸精度和基准端面的跳动要求，应尽量在一次安装中同时加工内孔和基准端面。图2-50以内孔和端面定位图2-51以外圆和端面定位机械制造工艺学(2)外圆和端面定位，不符合“基准重合”原则。用端面作轴向定位，以外圆为找正基准，不需专用心轴，生产率较低，故适用于单件小批生产。为保证齿轮的加工质量，必须严格控制齿坯外圆对内孔的同轴度误差。图2-50以内孔和端面定位图2-51以外圆和端面定位机械制造工艺学（二）齿坯的加工方法1.齿坯的加工内容加工内容：齿圈外圆，端面，孔（轴）。齿坯精度；与齿轮精度等级有关。对于轴齿轮和套筒齿轮的齿坯，其加工过程和一般轴、套基本相似，现主要讨论盘类齿轮齿坯的加工过程。齿坯的加工工艺方案主要取决于齿轮的轮体结构和生产类型。2.加工方案机械制造工艺学1）大批大量生产的齿坯加工大批大量加工中等尺寸齿坯时，多采用“钻—拉—多刀车”的工艺方案：（1）以毛坯外圆及端面定位进行钻孔或扩孔；（2）拉孔；（3）以孔定位在多刀半自动车床上粗精车外圆、端面、切槽及倒角等。这种工艺方案由于采用高效机床可以组成流水线或自动线，所以生产效率高。机械制造工艺学(3)单件、中小批生产粗车（端面、外圆、内孔，外圆、端面定位）、精车（端面、外圆、内孔，外圆、端面定位）。2）成批生产的齿坯加工成批生产齿坯时，常采用“车—拉—车”的工艺方案：（1）以齿坯外圆或轮毅定位，精车外圆、端面和内孔；（2）以端面支承拉孔（或花键孔）；（3）以孔定位精车外圆及端面等。这种方案可由卧式车床或转塔车床及拉床实现。特点：加工质量稳定，生产效率较高。机械制造工艺学（三）齿轮热处理（1）齿坯（毛坯）热处理：——预备热处理，目的是为了消除锻造内应力，改善材料的加工性能，为以后的淬火时减少变形做好组织准备。正火，（粗加工前）、调质，（粗加工后）正火：安排在齿坯加工前，使拉孔和切齿加工中刀具磨损较慢，表面粗糙度较小，生产中应用较多。调质：一般安排在齿坯粗加工之后，可消除锻造内应力和粗加工引起的残余应力，提高材料的综合力学性能，但齿坯硬度稍高，不易切削，所以生产中应用较少。机械制造工艺学（2）齿形热处理：目的：为提高齿面的硬度及耐磨性，种类(根据材料与技术要求选择)：渗碳淬火，表面淬火，碳氮共渗，渗氮。（变形大的终加工前，变形小的终加工后）经渗碳淬火的齿轮齿面硬度高耐磨性较好，使用寿命长。但齿轮变形较大，对高精度齿轮尚需进行磨齿加工。表面淬火的齿轮变形小，但内孔直径一般会缩小0.01～0.05mm，淬火后应予以修正。有键槽的齿轮，淬火后内孔常出现椭圆形现象，为此键槽加工应安排在齿轮淬火之后。机械制造工艺学（四）齿形加工方案的选择，主要取决于齿轮的精度等级、生产批量和齿轮的热处理方法等。（1）滚齿（或插齿）—齿端加工—渗碳淬火—修正基准—磨齿：适于较小批量，精度为3~6级淬硬齿轮。（2）滚齿（或插齿）—齿端加工—剃齿—表面淬火—修正基准—珩齿：适于较大批量，并且精度要求为6~8级的淬硬齿轮。机械制造工艺学•（3）滚齿（或插齿）—剃齿（冷挤）：•适用于较大批量，精度要求中等，且不淬硬的齿轮。•（4）对8级精度以下的齿轮，用滚齿（或插齿）就能满足要求。•当需要淬火时，在淬火前应将精度提高一级或在淬火后珩齿，•Ａ、滚齿（或插齿）—齿端加工—热处理（淬火）—修正内孔；•Ｂ、滚齿（或插齿）—齿端加工—热处理（淬火）—修正基准—珩齿。机械制造工艺学剃-珩齿方案生产率高，广泛用于7级精度齿轮的成批生产中。磨齿方案生产率低，一般用于6级精度以上或虽低于6级但淬火后变形较大的齿轮。随着刀具材料的不断发展，用硬滚、硬插、硬剃代替磨齿，用珩齿代替剃齿，可取得很好的经济效益。5级精度以上的齿轮一般应取磨齿方案。机械制造工艺学（五）齿端加工齿轮的齿端加工有倒