齿轮轴的加工工艺规程夹具设计.docx
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齿轮轴的加工工艺规程夹具设计
摘要
齿轮轴零件的主要作用是支撑回转零件、实现回转运动并传递转矩和动力。
齿轮轴具备传动效率高、结构紧凑和使用寿命长等一系列优点，是通用机械特别是工程机械传动中的重要零件之一。
齿轮轴加工材料、热处理方式、机械加工工艺过程的优化，将对提高齿轮轴的加工质量及寿命有着重要借鉴意义。
本文对某企业提供的“齿轮轴”零件进行了机械制造工艺规程设计和滚齿专用夹具设计。
对于工艺规程设计和夹具设计制订了一套方案。
本设计首先分析了齿轮轴零件的作用和加工工艺性，然后进行工艺规程设计，最后是滚齿专用夹具设计。
齿轮轴零件的机械综合性能要求较高，一般选择锻件作为毛坯。
合理安排工艺路线，划分加工阶段对保证零件加工质量至关重要。
使用夹具可以缩短辅助时间，提高劳动生产率，保证加工精度，稳定加工质量，降低对工人的技术要求，扩大机床工艺范围。
本次设计的题目是齿轮轴的机械加工工艺规程及滚齿夹具的设计。
首先根据齿轮轴，进行工艺设计，进而确定工艺规程布局，随后，对滚齿夹具进行设计。
关键词：
齿轮轴，滚齿机，加工工艺，滚齿夹具。
ABSTRACT
Themainfunctionofthegearshaftistosupportrotatingparts,achieverotarymotionandtransfertorqueandpower.Gearshafthasaseriesofadvantages,suchashightransmissionefficiency,compactstructure,longservicelifeandsoon.Itisoneoftheimportantpartsinthegeneralmachinery,particularlytheengineeringmachinerytransmission.Theoptimizationofthegearshaft’smachiningmaterials,thermaltreatm
-entmethodandmachiningprocesswillhavegreatsignificanceonthemachiningqual
-ityofthegearshaftandtheservicelife.Thispaperdiscussedthemachinerymanufa-
cturingprocessplanningandfixturedesignofmillingkeyofa"gearshaft"provided
byaenterprise.Asforprocessplanningandfixturedesign,thereweretwodifferentplansforselectingthebetterone.Thepaperfirstlyanalyzedthefunctionofthegears
-haftanditsmechanicalproperties,andthenplannedthemachiningprocess,finally,thefixturedesign.Asgearshaftrequiresthehighermachinerycomprehensiveproperties,weusuallyselecttheforgingsastheforgingblank.Itisveryimportantforensuringtheprocessingqualityofthegearshafttoarrangetheprocessroutereasonablyanddividetheprocessingstage.UsingFixturecanreducetheauxiliarytime,increaseproductivity,ensuremachiningaccuracy,stabilizetheprocessingquality,reducethetechnicalrequirementsforworkersandexpandthetechnologyrangeofmachinetool.
Thesubjectisdesignedtogeardesignandgearmachiningprocessdesign.First,todesignthegearaccordingtoconditions,thenthegeardesignprocess,andtodeterminetheoveralllayoutdesign,then,forhobbingfixturedesign
Keywords:
Gearhobbingmachine,processingtechnology,gearhobbingfixture
1绪论
本次设计的意义在于：
1）培养综合分析和解决本专业的一些问题的独立能力，拓宽和深化所学知识。
2）培养树立正确的设计思维，掌握设计的一般程序、规范和方法的能力。
3）培养正确地使用技术知识、国家标准、有关手册、图册等工具，进行设计计算、数据处理、编写技术文件等方面的工作能力。
4）熟悉齿轮轴零件加工工艺过程和掌握夹具设计的方法步骤，为以后从事相关的技术性工作打下坚实的基础。
5）通过对齿轮轴零件的机械制造工艺设计，使我们在机械制造工艺规程设计，工艺方案论证，机械加工余量计算，工艺尺寸的确定，编写技术文件及查阅技术文献等各个方面得到一次综合性训练。
6）能根据被加工零件的技术要求，运用夹具设计的基本原理和方法，拟定夹具设计方案，完成夹具机构设计，初步具备设计出高效、省力、经济合理并能保证加工质量的专用夹具的能力。
7）通过零件图、装配图的绘制，使我们进一步熟练AutoCAD的使用。
熟悉和掌握我国相关的制图标准和要求。
2齿轮轴零件分析
该齿轮轴是减速器中高速轴那段，即为低扭矩段，由于小齿轮直径较小，所以便采用齿轮轴的设计方式。
该轴包括圆柱、齿轮等表面。
轴是组成减速器的重要零件之一，它本身要求有足够的强度和刚度，足够精确的尺寸和较高的表面粗糙度，与轴承配合处的轴颈表面还有高的硬度，因而材料应具有优良的综合机械性能。
渗碳钢价格低廉、锻造工艺性能好、对载荷较大，较为重要的场合，以12Gr2Ni4最为常用。
如下为该齿轮轴的零件图。
图2.1齿轮轴
3齿轮轴加工工艺规程设计
3.1毛坯的选择
毛坯类型及制造方法与毛坯材料密切相关，材料不同，其工艺性能及毛坯类型和制造方法也不同。
然而零件结构或生产批量变化是，获得毛坯的具体工艺方法也随之改变。
一次毛坯类型及制造方法是应考虑毛坯选择的原则：
1）满足零件的使用要求
1，结构形状和尺寸的要求。
2，力学性能的要求。
3，对于具有某些特殊要求的零件，必须结合毛坯材料和制造方法来满足这些要求。
2）满足降低生产成本的要求
3）考虑实际生产条件
毛坯种类的选择决定与零件的实际作用，材料、形状、生产性质以及在生产中获得可能性，毛坯的制造方法主要有以下几种：
1、型材
2、锻造
3、铸造
4、焊接
5、其他毛坯。
根据零件的材料，推荐用型材或锻件，对于齿轮轴是用于承受重载、动载机复杂载荷的重要零件，最常用的毛坯是锻件。
由于铸造的缺点是铸件的组织疏松，晶粒粗大，力学性能较差。
而锻造能提高其组织结构和力学性能，锻造组织经过锻造方法热加工变形后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了金属的塑性和力学性能。
此外，锻造加工能保证金属纤维组织的连续性，使锻件的纤维组织与锻件外形保持一致，金属流线完整，可保证零件具有良好的力学性能与长的使用寿命。
对于轴类零件来说，锻造中常采用模锻。
它有几下优点：
1，生产率较高
2，锻件的形状和尺寸比较精确，机械加工余量小。
3，可以锻造形状比较复杂的锻件。
4，模锻节省加工工时、金属材料。
5，操作简单，劳动强度低，易实现机械化和自动化生产。
6，锻件内流线分布更加合理，力学性能高。
故应采用模锻。
对于采用齿轮轴所使用的材料的因素。
1，轴类零件的工作条件、失效形式及性能要求。
齿轮轴是重要的机械零件，其作用是支承回转零件并传递运动和动力。
也是影响机械设备精度和寿命的关键零件。
因此为保证零件的正常工作，零件选用的材料必须具有足够的强度和刚度，适当的冲击韧性和高的疲劳强度，要求具有高的硬度和良好的耐磨性。
在工艺性能方面，应具有良好的切削加工性和足够的淬透性。
2，对轴类进行选材时，主要是根据载荷的性质和大小，以及轴类的运行精度要求来进行。
因此，考虑到零件的经济性和综合性能要求，零件材料为45钢。
3.2机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定
1、毛坯外圆表面直径的确定
外圆Ø105mm只要粗加工就可以达到要求，而外圆Ø50k6和Ø60mm锻一样的直径，查参考文献4表2-15可知直径加工余量为2mm，考虑实际加工时，因锻造表面较硬而加工余量少可能难加工，所以取毛坯直径为Ø65mm。
Ø45与Ø35mm锻一样的直径，而Ø45mm只要粗加工就可以达到要求，参考文献4表2-15可知直径加工余量为2mm，同上，所以取毛坯直径为Ø50mm。
2、加工余量
表2.1加工余量
尺寸
项目
Ø35
Ø45mm
Ø50mm
Ø60
Ø105
粗车余量
（直径）
9.2
5
9.2
5
7
半精车余量（直径）
0.5
0.6
精车余量
（直径）
0.3
0.4
0.4
磨削余量
（直径）
0.4
总余量
（直径）
10
5
10.0
5
8
3.3选择定位基准
1）精基准的选择
设计基准是图样上所采用的基准。
如零件图上的轴心线是各外圆和孔的设计基准。
由零件的工艺分析可以知道，此零件的设计基准是Ø50k6mm和Ø35mm的轴线，根据精基准选择的原则是：
（1）基准重合原则。
（2）基准统一原则。
（3）自为基准原则。
（4）互为基准原则。
（5）便于装夹原则。
根据以上选择的原则，我们就可以选择端面的中心孔作为精基准。
应选择设计基准为精基准，即以Ø50k6mm和Ø35mm的轴线为精基准，由于多数工序的定位基准都是中心孔，符合基准统一原则，且能保证工件定位准确，装夹方便，夹具结构简单。
所以精基准选择中心孔。
2）粗基准的选择
根据选择的原则是：
（1）非加工表面原则。
（2）加工余量最小原则。
（3）重要表面原则。
（4）不重复使用原则。
（5）便于装夹原则。
根据以上选择的原则，在加工时：
（1）车左端时，以两端端面中心孔作为粗基准。
（2）车右端时，以两端端面中心孔作为粗基准。
故选择左端Ø105mm的未加工外圆柱面作为粗基准
3.4选择加工方法
根据各表面加工要求和各加工方法能达到的经济精度，确定各表面的加工方法如下：
尺寸Ø50k6mm：
粗车→精车→磨削；
尺寸Ø60mm：
粗车；
尺寸Ø105mm:
粗车→半精车→精车；
尺寸Ø60mm:
粗车；
尺寸Ø50k6mm：
粗车→半精车→精车；
尺寸Ø35mm：
粗车→半精车→精车；
尺寸宽为:
10mm深为5mm长为60的键槽：
粗铣；
大径为Ø105的直齿轮：
滚齿→剃齿或粗滚齿→精滚齿；
根据先粗后精，基准先行，以及先主后次的原则，加工顺序：
两端面和中心孔的加工，粗车各外圆表面，精车外圆Ø50k6mm，Ø35mm表面，铣键槽，齿轮的加工，磨削两Ø50k6mm外圆面。
3.5工艺路线的拟定
工序10：
模锻；
工序20：
正火；
工序30：
车端面、打中心孔；
工序40：
粗车各外圆；
工序50：
调质处理；
工序60：
修研中心孔；
工序70：
精车外圆Ø50k6mm、Ø35mm；
工序80：
铣键槽；
工序90：
滚齿；
工序100：
修研中心孔；
工序110：
剃齿；
工序120：
磨外圆Ø50k6mm（两段）；
工序130：
去毛刺；
工序140：
检验；
工序150：
入库。
3.6确定切削用量及基本工时
工序1：
粗车外圆
粗车外圆Ø50k6mm：
背吃刀量：
单边余量Z=4.6mm,可三次切除。
背吃刀量为1.8mm。
进给量：
根据参考文献2表1.1-47取
。
切削速度:
根据参考文献2表1.1-46取
。
确定主轴转速：
按机床选取
。
所以实际切削速度为
验证机床功率：
主切削力按《机械工艺手册》表1.1-57所示公式计算
式中，
所以
切削时消耗功率
为
由CA6140机床说明书可知，CA6140的主电机功率为7.8kw，当主轴转速为560r/min时，主轴传递最大功率为5.5kw，所以机床功率足够，可以正常加工。
6）切削工时：
式中，
所以
工序2：
滚齿
背吃刀量：
根据参考文献7表11-13可知，
。
进给量：
根据参考文献7表11-16取
切削速度：
根据参考文献7表11-14取
。
根据修正公式：
式中
查参考文献1表6.1-39可得：
所以
确定主轴转速：
按机床选取
切削工时：
式中，
所以
4滚齿夹具的设计
本次夹具是为了滚齿设计的专用夹具，机床选用精密滚齿机Y3112E型滚齿机。
4.1定位基准的选择
由零件图可知，本齿轮轴是回转体面，由于在进行齿轮加工时，各外圆圆已经加工完成，所以各外圆面均可以作为定位基准，本次以选择
面为基准。
以此面为基准定位即可限制五个自由度，然后再固定两端面即可限制六个自由度。
4.2定位元件的设计
选择
面为基准面后，这里需要设计专用连接板和
面相配合，此专用连接板的孔径也为
mm，直接将
孔打通，齿轮轴的
下为
和
面所以，用此专用连接板以
面定位不会造成过定位现象。
在齿轮轴的两个端面用两个顶尖支撑，使得齿轮轴不会窜动，这样定位元件设计即可。
如下图专用连接板的图样：
图4.1夹具
在滚齿机上滚齿时，机床上配有顶尖，所以顶尖为标准件不必设计，但在另一端顶尖为了考虑要和夹具体连接，本次设计中的顶尖样式如下：
图4.2顶针
4.3夹紧装置的设计
在齿轮轴工件定位后，需要对工件进行夹紧，避免工件在被加工时窜动，除了在齿轮轴两个端面上用顶尖支撑顶住外，在齿轮轴的外圆面上也需要夹紧它，避免转动，我们在与
面配合的定位连接块上的侧面开两个螺纹孔，用机床夹具附件固定式手柄压紧螺钉进行压紧齿轮轴的外圆面，这样既可避免齿轮轴在滚齿时窜动，实现夹具设计的夹紧装置。
图4.3固定手柄压紧螺钉
图4.4夹紧部位的大致图
4.4夹具设计的操作及简要说明
本夹具以
面为基准，齿轮轴两端面用两顶尖支撑住齿轮轴，同时在外圆面上用两个固定式压紧螺钉压紧齿轮轴的外圆面，使得工件被装夹完成。
滚齿加工完后只需松开压紧螺钉将齿轮轴拿起即可，同时另一顶尖下端有圆螺母，每次装夹和拆卸时需要松开圆螺母和拧紧圆螺母。
同时本次夹具设计中考虑到齿轮轴批量生产，每次加工的齿轮轴的长度会有偏差，所以在另一顶尖设计中采用顶尖连接块与夹具体内壁可以调节，与夹具体内壁连接处有密封圈，防止在滚齿过程中的残渣和泄露进去，同时在夹具体两侧开有加油孔，为了定期对内壁进行加油润滑，保证在长期调节顶尖连接块能更好使用，延长夹具使用寿命。
整个夹具装配图如下：
图4.5夹具装配图
5结论
本课题开发研制的齿轮轴加工工艺规程和滚齿夹具。
在开发过程中，针对加工过程中存在的难点进行了攻关。
在滚齿夹具的设计上采取了一系列的措施，保证了被加工工艺的加工程度度。
主要完成了以下工作：
1）对齿轮轴加工工艺进行了分析研究，明确了齿轮轴加工的技术要求和工艺要点。
2）恰当地选择了滚齿机的切削参数，以及滚齿夹具的设计要求。
3）根据通用、经济的原则，选择了刀具，满足了工艺的需要。
本项工作还有许多值得完善的地方，例如：
装夹、定位由人工完成，效率较低；自动化程度有待提高等问题。
这些问题通过改进设计、完善工艺、现场的不断实践、总结，必将会得到进步的提高。
参考文献
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致谢
本次毕业设计涉及的全部内容是在指导老师张敬东教授的悉心指导下完成的。
感谢张教授给我提供了良好的课题条件，让我从这次设计中得到了很好的锻炼。
同时也为我讲解了不少难题，在此特别感谢。
教授渊博的学识、严谨的治学态度、平易近人的作风和认真负责的工作态度让我们受益非浅。
从周教授处我们学到了许多的专业知识和相关的设计方法。
在此，谨向恩师表示最真诚的感谢。
感谢他在百忙中给予我们的指导。
在这次的设计过程中也得到了老师的指导。
当然还有本院其他老师的指导。
在此我向各位给予我指导的老师表示忠心的感谢和致敬。
最后还要感谢的，也是最应该感谢的是攀枝花学院，学院让我们有这么好的学习条件。
通过三年的学习，让我们成为有用之才；也是学院给我们了这次毕业设计机会，让我们在走上工作岗位之前好好的锻炼一下自己。
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