圆柱齿轮毕业设计

毕业论文（设计）

圆柱齿轮零件的生产

张斌

指导老师： *** 班 级： 机电设备09 系 （部）： 机电工程系 专 业： 机电设备 答辩时间： 2012-7

圆柱齿轮零件的生产

摘要

现在的机械工业快速发展，工业生产为提高效率，确保生产质量，都大力发展齿轮，延长其寿命并试着提高其精度，从而使得产品合格率提高，生产效率也大大提高。齿轮作为机械的重要部分，越来越多的被认重视。齿轮研发与应用可以很好的反映国家的生产生产效率发展程度，机械中齿轮主要起着支撑作用完成一些具有重复性又劳动强度高的工作，例如力矩传递等。

本文列举了圆柱齿轮加工和设计过程中应注意的问题，在机械都是首要问题。首先，设计圆柱齿轮的毛坯做好适当毛坯，次之我们要选择合适的刀具和合适方式加工，完成了圆柱齿体的构造。以此作为基础，然后用磨齿进行精加工，最后选择合适的热处理方式，增加圆柱齿轮的硬度，延长其寿命。

关键词：圆柱齿轮，精加工，热处理，机械工业

ABSTRACT

Now the machinery industry is rapidly developing, the industrial production is to improve efficiency, ensure the production quality, develop vigorously the gear, prolong its life and try to improve its accuracy. thereby making the product qualification rate is improved and the production efficiency is greatly improved. As the important part of mechanical gear, more and more be valued.Development and application of gear can well reflect the state of the production efficiency of production development degree, mechanical gear mainly plays a supporting role to complete some repeatable and high labor intensity of the work, such as torque transmission.

This article lists the problems of cylindrical gear machining and design which should pay attention to, what I mention is the primary problems in the machinery. First of all, we should design proper blank for cylindrical gear and,second we should choose the suitable cutting tool and the appropriate way to

processe, completing the general structure of cylindrical gear. As a basis, then we use the grinding to finish it , finally we select the appropriate heat treatment to increase the hardness of cylinder gear and prolong the life of it.

Key word: Cylindrical gear, heat treatment, mechanical industry

目录

中文摘要及关键词………………………………………………………1 英文摘要及关键词 …………………………………………………… 1 第1章 绪论 ……………………………………………………………2 1.1 发达国际齿轮加工的发展………………………………………3 1.2 国内齿轮加工工艺研究以及发 …………………………………3 1.3齿轮加工技术的现状及未来发展趋势 …………………………3 1.3.1全数控化 ……………………………………………………3 1.3.2直接驱动………………………………………………………4 1.3.3高速传动、高精度生产 ……………………………………4 1.3.4环保节能化 …………………………………………………4 1.3.5多种工艺集成化……………………………………………4 第二章 圆柱齿轮的选材……………………………………………5 2.1毛坯的选择……………………………………………5 2.2材料的选择……………………………………………5 第三章 圆柱的热处理……………………………………………6

3.1几种热处理方式的优点和弊端……………………………………………6 第四章 齿轮的加工……………………………………………8 4.1圆柱齿轮的加工工艺过程及精度分析……………………………………8 4.2齿轮齿面加工方法……………………………………10 附录……………………………………13

第一章 绪论

齿轮是机械传动中的最主要部件，一般是电机通过带传动在大小齿轮间传递力矩以及调

整好转速最后达到所需要的转速。各齿轮间相互齿合相互传递力矩，齿轮与筒体把合，齿轮的精度决定传递的准确性，而齿轮的热处理工艺—加工工艺决定了齿轮的使用的寿命和承载的最大力矩。齿轮传动很早以前就出现了，随着科学技术的进步，出现了一系列的齿轮传动形式，并形成了相应的齿轮啮合理论、设计、加工方法，这些工作都丰富和发展了齿轮传动理论体系。

齿轮是机械行业量大面广的基础件，广泛应用于机床，汽车，摩托车，农机，建筑机械，工程机械，航空，兵器，工具等领域，而且对加工精度，效率和柔性提出的要求越来越高。目前在国内绝大部分仍采用普通机床加工齿轮，精度很难提高。近几年，我国齿轮加工技术在发展的过程中取得了一定的进，但是总体还远远落后与西方发达国家，很多东西都在格里森齿轮等基础上发展过来的。随着科学技术的发展，齿轮加工技术必定会朝着数控化、智能化、高速化、集成化、环保化的方向发展。 1.1 发达国际齿轮加工的发展史

工业以来，齿轮的需求量已成线性函数式猛增，齿轮加工工艺也水涨船高随之迅速发展。航空、舰艇工业等重工业对齿轮传动提出了高速、重载、大功率的需求，随需求而产生的以磨齿加工为代表的硬齿面加工技术开始出现。齿轮机械都是欧美人先发明，日本人在欧美的基础上也创造了许多新的齿轮技术。目前中国在齿轮方面紧追欧美等发达国家，到为止欧美发达国家在齿轮研究方面一直远远领先于中国 1.2 国内齿轮加工工艺研究以及发展

新中国成立以来我们对齿轮的研究主要集中在螺旋锥齿轮加工的研究中的“格里森”机床方面，而且起步较晚，从70 年代才开始引进美国格里森公司的齿轮机床，对格里森公司的计算公式进行了逆向推导和改进并制造出来我国自己的车床。我国把“格里森成套技术研究”列为重点科研项目，组织许多高等院校和科研机构进行攻关。经过“七五”、“八五”，基本上摸清了格里森齿轮的理论基础和加工原理，并根据我们所掌握的，做出了自己的东西，但是总体未能摆脱格里森齿轮体系。 1.3齿轮加工技术的现状及未来发展趋势

.0虽然全球齿轮加工工艺日新月异，但当前最广泛被应用的齿轮加工工艺方法依然是滚齿加工。在汽车行业迅速发展拉动下，国内汽车齿轮制造业水平虽然不高，但是总体上还是呈现出持续高速增长的态势。汽车是衡量一个国家工业水平的一个重要标准，目前我国的汽车齿轮加工工艺方面也顺势迈入了入了快速发张的通道，开始向世界制造强国这条路发展，

我国虽然己成为真正的汽车齿轮生产大国，但是汽车工业整体上与欧美发达国家相比车距仍然很大。为了使齿轮加工行业有生产质量水平、高生产效率、高制造精度以及绿色制造的高标准，滚齿加工设备和加工技术在不断向前推进。下面谈谈未来滚齿技术及滚齿机的发展趋势。

1.3.1全数控化

所谓全数控化，顾名思义是指滚齿机的所有运动全部实现数控化，机床展成运动链和差动运动链挂轮的调整也是通过数控完成。滚齿机实现全数控化后，为滚齿加工技术创造了很多优点和方便，具有性的突破。 a、机床结构发生了根本性变化

机床传动系统结构会发生根本变化，这样可以大大缩短了机床的传动链，各轴问的机械传动联系也会随着减少，各轴承之间的摩擦也会相对减少。 b、齿轮精度会有大的提高

基于机床的各条传动链完全被电主轴取代或者因为采用电主轴而变短，因此可以用对刀具的磨损进行自动补偿，智能控制技术的日新月异，以及计算机技术的广泛运用与快速提高，会大大提高使滚齿机床的工艺能力指数及加工精度。 c、齿轮加工效率会有大的跃升

机床数控化的实现，完全有可能取消交换齿轮的调整工序，至少明显可以节约很多时间，而且可以在不经过任何调整，只需要进行一次安装下即可进行多联齿轮的加工。 1.3.2直接驱动

随着电机技术和计算机控制技术迈入高速发展轨道，取消了所有的机械传动环节，使机床可以由电机直接驱动主轴、工作台及垂直进给系统，实现了动力源直接驱动机床工作部件，即直接驱动。数控滚齿机的主轴通常是由一对斜齿轮和交流变频电机组成;变频电机直接驱动工作台，机床的分度常用特殊齿形的大尺寸齿轮副、多头双蜗轮副或高精度蜗轮副;各轴间由旋转运动向直线运动的转换机构依然采用滚珠丝杠副。 1.3.3高速传动、高精度生产

滚齿机的主轴转速和工作台转速是影响切削效率的主要指标，滚齿机切削加工的高速化，主要是使机床拥有高的主轴转速、高的工作台转速以及高的进给速度。传统机械滚齿机的主轴最高转速比较低，工作台转速也不高。在数控化运用到滚齿机上以后，影响齿轮加工精度的因素很多，像电气方面、刀具磨损等诸多等因素。这些因素都可以采用数控化系统和建模进行补偿，随着数控技术的快速发展，车床处理各种问题的能力越来越强了，也大大提

高了加工精度。 1.3.4环保节能化

随着制造技术向绿色方向发展，对制造业的环保要求和节能要求的呼声也不断地提高。齿轮制造的企业在提高生产质量和经济效益的时侯必须将寿命的设计纳入重要议题，从产品的环保和回收利用等角度思考。现在新研制的新技术能够满足绿色环保的要求能力。 1.3.5多种工艺集成化

大型齿轮机床(特别是高速数控齿轮机床)的发展趋势是集多种工艺于一体。这种机床在一次安装中加工不同齿数、不同模数、不同螺旋方向和螺旋角的多联齿轮，并配备工件自动上下料装置、自动对齿机构、去除齿轮端面毛刺装置等。集成化的大型齿轮能加工的齿轮也越来越多。

第二章 圆柱齿轮的选材

2.1 毛坯的选择

齿轮毛坯的形式主要有棒料，锻件和铸件。棒料用于小尺寸、结构简单且对强度要求低的齿轮。当齿轮要求强度较高、耐磨和耐冲击时，多用锻件。对于直径大于400到600mm的齿轮，常用的铸造方法铸造齿坯。为了减少机械加工量，对大尺寸、低精度齿轮，可以直接铸出轮齿；压力铸造、精密锻造、粉末冶金、热轧和冷剂技术的新工艺，可制造出具有轮齿的齿坯，以提高劳动生产率，节约原材料。 2.2材料的选择

轮齿的材料的选择对轮齿的加工性能和使用寿命有直接的影响。一般来讲，对于低速重载的传力齿轮，其齿面受压产生的塑性变形或者磨损，且轮齿容易折断，应该用机械强度，硬度等综合力学性能好的材料，经渗碳淬火，心部具有良好的韧性，齿面硬度可达56到62HRC；线速度高的传力齿轮，齿面易产生疲劳点蚀，所以齿面硬度要高，可用CrMoAlA渗氮钢，这种材料经渗氮处理后表面可得到一层硬度很高的渗氮层，而且热处理变形小；非传力齿轮可以用非淬火钢、铸铁、夹布胶木或尼龙等材料。

下表为常用材料及其机械性能表。

材料牌号 HT250 HT300 HT350 处理方法 不处理 强度极限 250 300 350 屈服极限 硬度 芯部 齿面 145-235 169-255 182-273

QT500-5 QT600-2 ZG310-570 ZG340-0 45 45 30CrMnSi 35SiMn 38SiMnMo 40Cr 45 20Cr 20CrMnTi 12Cr2Ni4 20Cr2Ni4 35CrAIA 38CrMoAIA 夹布胶带 常化 调质 调质后氮化 500 600 580 650 580 650 1100 750 735 700 7 735 650 1100 1100 950 1000 100 320 350 290 360 900 450 588 500 373 400 850 850 110 750 850 320 370 310 340 300 320 350 255 321 170-230 190-270 162-197 179-207 169-217 229-286 56-62HRC 229-286 235-298 241-286 40-50HRC 58-60HRC >850 25-35HRC 第三章 圆柱齿轮的热处理

3.1几种热处理方式的优点和弊端

材料经过粗车以后就是基本的圆柱齿轮结构，在这个基础上我们要进行热处理之后，在进行精车。下面是几种常用的热处理方式：

a.表面淬火

表面淬火常用于中碳钢和中碳合金钢，如 45、 40Cr钢等。表面淬火后，齿面硬度会达到40～55HRC。具有抗疲劳点蚀、抗胶合能力高，耐磨性好的特点。由于齿心部分未淬透，齿轮仍保留着足够的韧性，能承受一定的冲击载荷。

b.渗碳淬火

渗碳淬火一般应用在低碳钢和低碳含金钢上，如 20、 20Cr钢等。渗碳淬火后齿面硬度可达56～62HRC，齿轮芯部的韧性不会有很大降低仍会满足要求，轮齿的抗弯强度高，齿面接触强度也高，耐磨性也较好，多数情况下应用在受冲击载荷的重要齿轮传动。齿轮经渗碳淬火后，轮齿会有较大变形，还要进行一定的磨削加工处理。

c.渗氮

渗氮是一种表面化学热处理方式。渗氮后不需要进行其他热处理，齿面硬度会有大的提高可达700～900HV。鉴于渗氮处理后的齿轮工艺温度低，硬度高，变形小，故适用于内齿轮和难以磨削的齿轮，一般情况下用于含铅、钼、铝等合金元素的渗氮钢，如38CrMoAl等。

d.调质

调质一般用于中碳钢和中碳合金钥，如45、40Cr、35SiMn钢等。调质处理后齿面硬度一般为220～280HBS。因硬度不高，轮齿精加工可再进行热处理。

e.正火

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，大直径采用铸钢的齿轮可运用正火处理。

抗拉强热处理方类别 材料牌号 法 度 屈服点 硬度 HBS或HRC σs/MPa σb/MPa 正火 35 调质 优质碳素钢 45 正火 调质 500 550 588 7 270 294 294 373 150～180HBS 190～230 HBS 169～217 HBS 229～286 HBS 40～50 HRC 表面淬火 50 40Cr 表面淬火 调质 合金结构钢 调质 40MnB 表面淬火 20Cr 渗碳淬火637 392 735 490 35SiMn 表面淬火 750 450 正火 调质 700 500 628 373 180～220 HBS 240～258 HBS 48～55 HRC 217～269 HBS 45～55 HRC 241～286 HBS 45～55 HRC 56～62 HRC

20CrMnTi 38CrMnAlA 后回火 渗氮 正火 1079 980 580 650 300 834 834 320 350 370 420 56～62HRC 850HV 156～217 HBS 169～229 HBS 185～278 HBS 202～304 HBS 190～270 HBS 225～305 HBS 25～35 HBSv ZG45 铸钢 ZG55 HT300 灰铸铁 HT350 QT600-3 球墨铸铁 QT700-2 非金属 夹布胶木 ─ ─ ─ 350 600 700 100 第四章 齿轮的加工

4.1 圆柱齿轮的加工工艺过程及精度分析

齿轮加工的工艺路线是齿轮的材质和热处理要求、齿轮的结构及尺寸大小、精度要求、生产批量和车间设备条件而定。 齿轮加工的工艺过程：

基准的选择：（1）选择基准重合、统一的定位方式 （2）内孔定位时，配合间隙应尽可能的减小

（3）定位断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。

齿坯的加工：齿形加工前的齿轮加工成为齿坯加工。齿坯的外圆、端面或孔经常最为

齿形、测量和装配的基准，所以齿坯的精度对于整个齿轮的精度有着重要的影响。

（1） 齿坯的精度：齿轮在加工、检验和装夹的时的径向基准面和轴向基准面应尽量

一致。

齿坯尺寸和形状公差

齿轮精度等级 孔的尺寸和形状公差 轴的尺寸和形状公差 外圆直径的尺寸和形状公差 IT7 5 IT5 IT5 IT8 齿坯基准面径向和端面圆跳动公差

6 IT6 7 IT7 IT6 8

齿轮精短等级 公差/μm 分度圆直径/mm ～125 125～400 400～800 齿坯加工方案的选择：

1） 大批量生产加工中等尺寸齿轮齿坯是，多采用“钻——拉——多车到”的工艺方案： 1：以毛坯外圆端面定位进行钻孔和扩孔 2：拉控

3：以孔定位精车外圆及端面等

由于这种工艺采用高效机床组成流水线或自动线，所以生产率高

2） 成批生产的齿坯加工 成批生产齿坯时，常采用“钻——拉——多车到”的工艺方

案;

1:以齿坯外圆或轮毂定位，粗车外圆、端面和内孔。 2：以端面支撑拉孔。 3：以孔定位精车外圆及端面等

这种方案可由卧室机床或转塔车床及拉床实现。它的特点是加工质量稳定，生产效率高。 3） 单件小批生产的齿坯加工 单件小批生产齿轮时，一般齿坯的内孔、端面的粗精加

工都在通用车床上经2次装夹完成，但必须注意将孔和基准端面的精加工再一次装夹内完成以保证位置精度。 （3）齿形加工：

齿形加工是齿轮加工的核心，其方案的选取取决于多方面的因素，如齿轮精度等级、结构形状、设备条件、生产类型等。常用的齿形加工方案如下： 1）8级精度以下齿轮 2）6～7级精度齿轮 3）5级以上精度齿轮 （4）齿端加工：

11 14 20 18 22 32 5和6 7和8

齿轮的齿端加工方式有倒圆、倒尖、倒棱后的齿轮，沿轴向移动是容易进入力合。齿端倒圆应用最多。

齿端加工必须安排在齿形淬火之前、滚齿之后。 （5）精基准的修整

齿轮淬火后其孔常发生变形，孔直径可缩小0.01～0.05mm。为确保齿形精加工质量，必须对基准孔予以修整。基准孔修整的方法，一般采用磨孔或推孔。对于成批或者大批量生产的为淬硬的外径定心的花键孔及圆柱孔，常采用推孔。推孔生产率高并可用长推刀前引导部分来保证推孔的精度。对于以小径定心的花键孔或以淬硬的齿轮，以磨孔为好，可稳定的保证精度。磨孔应以齿面定位，符合互为基准原则。

4.2齿轮齿面加工方法

下图所示为齿轮齿面加工方法。

滚齿

.滚齿的加工原理即滚刀和工件相当于齿轮齿条啮合，齿轮滚刀是一个经过开槽和铲齿的蜗杆，具有切削刃而后后角，其法向剖面近似于齿条，滚刀旋转时，就相当于齿条在连续移动，被切齿轮的分度圆沿齿条节线无滑动的纯滚动，滚刀切削刃的包络线就形成被切齿轮的齿廓曲线，。滚齿是齿形加工中心生产效率最高、应用最广的一种方法。用一把滚刀可加工模数相同而齿数和螺旋角不同的直齿圆柱齿轮、斜齿轮，滚齿法还用于涡轮加工。滚齿即可以用于粗加工，也可用于精加工。滚齿加工精度一般为6～9级，对于8～9级精度齿轮，可以直接滚齿得到。对于7级精度以上的齿轮，通常滚齿可作为粗加工或半精加工。当采用AA级齿轮滚刀和高精度滚齿机时，可直接加工出7级精度以上的齿轮。滚齿加工时，齿面是由滚刀的刀齿包络而成的，由于参加切削的刀齿数有限，因此齿面的表面质量不太高。为提高加工精度和齿面的质量，通常将粗、精滚齿分开。精滚的加工余量一般比较小（＜1mm），且应取较高的切削速度和较小的进给量。

插齿

插齿刀与工件相当于一对平行轴的圆柱直齿啮合，一个齿轮磨出前后角以形成切削刃即插刀，通过严格的啮合运动，其包括线形成齿形。插齿是齿形切削加工方法中应用范围最广的一种，可加工圆柱直齿轮、多联齿轮、内齿轮，扇形齿轮和齿条等；配上专门附件，也可以加工斜齿轮。插齿即可以用于齿轮的粗加工，也可用于精加工。插齿精度一般为7～9级，最高可达6级，插齿过程为往复运功，有空行程；插齿系统刚度较差，切削用量不宜太大，故一般插齿生产率比滚齿低。插齿多用于中小模数齿轮加工，插齿刀有三个精度等级：AA适用于加工6级精度的齿轮；A级适用于加工7级精度的齿轮；B级适用于加工八级精度齿轮。一般可根据被加工齿轮的传动平稳性、精度等级选取相应的插齿刀。

剃齿

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β。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，工作台带动工件作往复运动，以剃削轮齿的全长。

珩齿

珩齿特点:珩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8～6级精度的淬火 齿轮。

磨齿

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。

各齿之间的比较

加工精度 通常加工6～10，最高能达到4级 生产率 较高 齿面光洁度 较差 较好 适用范围 通用性大，常用于加工直齿、斜齿的外啮合圆柱齿轮和蜗杆 通用性大，适于加工内外啮合齿轮(包括阶梯齿轮)、扇形齿轮、齿条等 滚齿 插齿 通常能加工7～9，最高能达到6级 较高 剃齿 珩齿 磨齿 能加工5～7级精度齿轮 高，2～4分钟便能加工一个齿轮 一般用于加工6～8级精度齿轮 一般情况下能达到3～7级精度 低 较低 可达8～10 可达7～9 可达7～9 主要用于齿轮滚插预加工后、淬火前的精加工 多用于经过剃齿和高频淬火后，齿形的加工 加工成本较高，多用于齿形淬硬后的精密加工

附录.

齿轮加工工艺全过程

选用材料为钢棒45的棒料

1． 下料：

1）锻造：按工序锻造

2）正火：按专业工艺规范进行 2.粗车：按工序 1）车端面，车平即可。 2）打顶尖孔。

一夹一顶装卡，车轴各个台阶，要求严格的台（轴承台）留一定的磨量（0.5-1，与成活尺寸有关）；齿轮轴齿部公差较大，可以直接车成； 车床6140，车刀：粗车刀、精车刀、切槽刀。

3.调头车：1）车端面、保证总厂

2）打顶尖孔

4.粗车：（两顶尖装夹）粗车符图。 5.调质处理：按本专业工艺内容。

6.车： 1）按工序,车右端面（余量均分，半边1mm） 2）修正中心孔。

7.调头车：1）按工序车端面

2）车内锥符图

3）打中心孔 8.车：研磨两中心孔 9.精车（两顶尖装夹） 按工序精车全部 10.磨削：研磨两中心孔 11.磨削：磨外圆

12.表面处理：按专业工艺操作规程

参考文献： 1、《数控编程和加工》

2、《机械制造工艺学》 2006.1 机械工业出版社 王先逵

3、《机械制造技术课程设计指导》 2009.4.29 黄河水利出版社 李永敏 4、《机械设计基础》 2006.7.1 机械工业出版社 张久成 5、《机械工程制图》 6、《机械制造基础》