蜗杆零件工艺的指设计方法和专用夹具的设计.docx
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蜗杆零件工艺的指设计方法和专用夹具的设计
【摘要】
本论文主要阐述蜗杆零件工艺的指设计方法和专用夹具的设计，蜗杆是只具有一个或几个螺旋齿，并且与蜗轮啮合而组成交错轴齿轮副的齿轮。
其分度曲面可以是圆柱面，圆锥面或圆环面。
在论文中首先简单简述了蜗杆的设计，再以KCSJ-12为例详细讲述就设计蜗杆的步骤、要求、及注意事项。
目前在蜗杆零件的设计、制造以及应用上，国内与国外先进水平相比仍有较大的差距。
国内在设计制造蜗杆零件过程中存在着很大程度上的缺点，正如论文中揭示的那样，重要的问题如：
齿轮的根切、蜗杆毛坯的正确设计、蜗轮蜗杆的校核，夹具选择等。
有待于更好的探讨与发展。
关键词：
蜗杆轴数控加工加工工艺程序
面；毛坯；校核。
Abstract
thispapermainlyexpoundstheprocesstowormpartsdesignmethodandspecialfixturedesign,andthewormiswithonlyoneorafewspiral,andwithwormgearteethmeshandcompositionofthegearaxisgearpairinterlaced.ThedividingsurfacecanbeYuanZhuMian,conesurfaceorringsurface.Inthethesisfirstdescribedthedesignofsimpleworm,againwithKCSJ-forexampledetaileddesignstepsabouttheworm,requirements,andthemattersneedingattention.Themillingflutesfordesignthefixture.
Atpresentinthewormpartsdesign,manufacturingandapplication,thedomesticandforeignadvancedlevelstillhasabiggapcompared.Inthedesignandmanufactureofdomesticwormpartsprocesstherearealargelytheshortcomings,asthepaperrevealsthattheimportantissuessuchas:
therootofgearcutting,wormofblankdesign,correctwormcheckingfixturedesign,thespecificity.Tobeabetterapproachanddevelopment.
Keywords:
wormparts;Tapersurfaceorcircleface;Blank;Checking.
【摘要】1
Abstract2
文献综述5
蜗杆传动简介5
蜗杆传动特点5
引言6
蜗杆轴类零件的功用与结构6
2蜗杆轴类零件的技术要求7
2.1加工精度7
2.2表面粗糙度7
3蜗杆轴类零件的材料和毛坯8
3.1蜗杆轴类零件的材料8
3.2蜗杆轴零件的毛坯8
3.2.1蜗杆轴加工的工艺及车床选择分析8
4蜗杆轴加工的工艺路线11
4.1基本加工路线11
4.2蜗杆轴的加工工艺11
4.3蜗杆轴的加工过程12
4.3.1外圆表面的加工方法和加工精度12
4.3.2外圆表面的车削加工13
4.3.3外圆表面的磨削加工14
4.3.4外圆表面的光整加工15
4.3.5蜗杆轴的加工工总结19
5专用夹具的基本要求和设计步骤20
5.1对专用夹具的基本要求20
5.2专用夹具设计步骤20
5.3蜗杆轴夹具体的设计21
5.3.1对夹具体的要求21
5.3.2夹具体毛坯的选型22
5.3.3专用夹具设计22
5.4夹具总图上尺寸、公差和技术要求的标注24
5.4.1夹具总图上应标注的尺寸和公差24
5.4.2夹具总图上应标注的技术要求24
5.4.3夹具总图上公差值的确定25
5.5工件在夹具上加工厂的精度分析25
5.5.1影响加工精度的因素25
5.5.2保证加工精度的条件26
5.6.1经济分析的原始数据27
结论28
致谢29
参考文献30
附录30
文献综述
蜗杆传动简介
蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，一般蜗杆为主动件。
蜗杆和螺纹一样有右旋和左旋之分，分别称为右旋蜗杆和左旋蜗杆。
蜗杆上只有一条螺旋线的称为单头蜗杆，即蜗杆转一周，蜗轮转过一齿，若蜗杆上有两条螺旋线，就称为双头蜗杆，即蜗杆转一周，蜗轮转过两个齿。
蜗杆传动特点
1.传动比大，结构紧凑。
蜗杆头数用Z1表示（一般Z1=1~4），蜗轮齿数用Z2表示。
从传动比公式I=Z2/Z1可以看出，当Z1=1，即蜗杆为单头，蜗杆须转Z2转蜗轮才转一转，因而可得到很大传动比，一般在动力传动中，取传动比I=10-80；在分度机构中，I可达1000。
这样大的传动比如用齿轮传动，则需要采取多级传动才行，所以蜗杆传动结构紧凑，体积小、重量轻。
2.传动平稳，无噪音。
因为蜗杆齿是连续不间断的螺旋齿，它与蜗轮齿啮合时是连续不断的，蜗杆齿没有进入和退出啮合的过程，因此工作平稳，冲击、震动、噪音小。
3.具有自锁性。
蜗杆的螺旋升角很小时，蜗杆只能带动蜗轮传动，而蜗轮不能带动蜗杆转动。
4.蜗杆传动效率低，一般认为蜗杆传动效率比齿轮传动低。
尤其是具有自锁性的蜗杆传动，其效率在0.5以下，一般效率只有0.7～0.9。
5.发热量大，齿面容易磨损，成本高。
蜗杆传动类型
按蜗杆形状的不同可分：
1．圆柱蜗杆传动2．环面蜗杆传动 3．锥蜗杆传动
引言
蜗杆轴类零件的功用与结构
蜗杆轴是组成机械的重要零件，也是机械加工中常见的典型零件之一。
它支撑着其它转动件回转并传递扭矩，同时又通过轴承与机器的机架连接。
蜗杆轴类零件是旋转零件，其长度大于直径，由外圆柱面、圆锥面、内孔、螺纹及相应端面所组成。
加工表面通常除了内外圆表面、圆锥面、螺纹、端面外，还有花键、键槽、横向孔、沟槽等。
根据功用和结构形状，蜗杆轴类有多种形式，如光轴、空心轴、半轴、阶梯轴、花键轴、偏心轴、曲轴、凸轮轴等。
如图1-1
图1-1蜗杆轴
2蜗杆轴类零件的技术要求
2.1加工精度
1）尺寸精度：
蜗杆轴类零件的尺寸精度主要指轴的直径尺寸精度和轴长尺寸精度。
按使用要求，主要轴颈直径尺寸精度通常为IT6-IT9级，精密的轴颈也可达IT5级。
轴长尺寸通常规定为公称尺寸，对于阶梯轴的各台阶长度按使用要求可相应给定公差。
2）几何精度：
蜗杆轴类零件一般是用两个轴颈支撑在轴承上，这两个轴颈称为支撑轴颈，也是轴的装配基准。
除了尺寸精度外，一般还对支撑轴颈的几何精度（圆度、圆柱度）提出要求。
对于一般精度的轴颈，几何形状误差应限制在直径公差范围内，要求高时，应在零件图样上另行规定其允许的公差值。
3）相互位置精度蜗杆轴类零件中的配合轴颈（装配传动件的轴颈）相对于支撑轴颈间的同轴度是其相互位置精度的普遍要求。
通常普通精度的轴，配合精度对支撑轴颈的径向圆跳动一般为0.01-0.03mm，高精度轴为0.001-0.005mm。
此外，相互位置精度还有内外圆柱面的同轴度，轴向定位端面与轴心线的垂直度要求等。
2.2表面粗糙度
根据机械的精密程度，运转速度的高低，轴类零件表面粗糙度要求也不相同。
一般情况下，支撑轴颈的表面粗糙度Ra值为0.63-0.16μm；配合轴颈的表面粗糙度Ra值为2.5-0.63μm。
3毛胚的确定及各部分加工方法
3.1毛胚的选择
该轴的材料采用445#钢锻件，根据选择毛胚的考虑因素，该零件体积较小，形状简单，而锻件由于能获得纤维组织的连续性和均匀分布，从而可以提高零件的强度，所以适用于强度高、形状比较简单的零件毛胚。
蜗杆轴外表面采用不去除材料方法获得粗糙度要求，由于零件产生类型为大批量生产，而模锻尺寸精度较高，故本零件毛胚采用模锻。
如图：
3.2各加工面加工方法的确定
平左端面，以工件左端面为基准，钻中心孔：
调头加工：
平右端面，以工件右端面为基准，钻中心孔，采用双顶尖夹持，并保持两基准间的圆跳动公差不大于0.015：
￠52mm外圆柱：
粗车-半精车-磨削；
￠34mm外圆柱：
粗车-半精车-磨削；
￠25mm外圆柱：
粗车-半精车-磨削；
￠23mm槽：
粗车；
￠28mm槽：
粗车；
￠30mm槽：
粗车-精车；
梯形螺纹：
粗车-精车；
3.3基准的选择
粗基准的选择
选取最大外圆面作为粗基准
精基准的选择
选用两中心孔的公共中心线作为精基准
零件表面的加工方法
序号
加工方法
经济精度
粗糙度Ra/μm
适用范围
1
粗车
IT13-IT11
50-12.5
适用于淬火钢以外的各种金属
2
粗车-半精车
IT10-IT8
6.3-0.8
3
粗车-半精车-精车
IT8-IT7
1.6-0.8
4
粗车-半精车-精车-滚压
IT8-IT7
0.2-0.025
5
粗车-半精车-磨削
IT8-IT7
0.8-0.4
主要用于淬火钢也可用于未淬火钢
6
粗车-半精车-粗磨-精磨
IT7-IT6
0.4-0.1
7
粗车-半精车-粗磨-精磨-超精加工
IT5
0.1-0.012
8
粗车-半精车-精车-粗精车（金刚车）
IT7-IT6
0.4-0.025
主要用于要求较高的有色金属
9
粗车-半精车-粗磨-精车-超精磨
IT5以上
0.025-0.006
极高精度的外圆加工
10
粗车-半精车-粗磨-精磨-研磨
IT5以上
Rz0.1
该零件某些表面加工粗糙度要求不高可以采用粗车—半精车即可达到要求而某些表面加工的粗燥度要求比较高需采用粗车—半精车—磨削。
每个表面所用的加工方法如下表所示：
加工表面
加工方法
IT8
粗糙度
Ø46
粗车—半精车—磨削
IT10
0.8
Ø22
粗车—半精车
IT8
6.3
Ø17
粗车—半精车—磨削
IT10
0.8
Ø26
粗车—半精车
IT8
6.3
Ø20
粗车—半精车—磨削
IT10
0.8
Ø18
粗车—半精车
IT10
6.3
Ø16
粗车—半精车—磨削
IT8
0.8
锥面2°51
粗车—半精车—磨削
IT8
0.8
Ø12
粗车—半精车
IT10
6.3
轴段外圆面
粗车—半精车
IT10
6.3
3.4拟定工艺路线
方案一
1锻造
2去飞边
3正火处理
4车端面M12左端ø17右端面打中心孔以最大外圆定位
5粗车一端外圆Φ46Φ22Φ17掉头粗车另一端外圆分别至Φ26Φ20Φ18Φ16Φ12粗车锥面2°51′以外圆及中心孔做为基准。
6半精车该端外圆Φ46Φ22Φ17车槽Φ16×1Φ16×1倒角1×45°掉头半精车该端外圆分别至Φ26Φ20Φ18Φ16Φ12半精车锥面2°51′车槽至Φ16×1倒角1×45°车螺纹M18×1M12修整各阶梯过度地方以两中心孔作为精基准
7粗车蜗杆螺纹半精车蜗杆螺纹
8两端轴颈高频淬火回火40~45HRC
9修研两端中心孔
10粗磨一端外圆至Φ17精磨该端外圆至Φ17粗磨另一端外圆至Φ20精磨该端外圆至Φ20磨锥面及蜗杆螺纹到规定尺寸。
以两中心孔作为基准。
11去毛刺
12检验入库
方案二
1锻造
2去飞边
3正火处理
4车端面M12左端ø17右端面打中心孔以最大外圆定位
5粗车一端外圆Φ46Φ22Φ17以外圆及中心孔做为粗基准。
半精车该端外圆Φ46Φ22Φ17车槽Φ16×1Φ16×1倒角1×45°以两中心孔作为精基准
6粗车另一端外圆分别至Φ26Φ20Φ18Φ16Φ12粗车锥面2°51′以外圆及中心孔做为粗基准。
半精车该端外圆分别至Φ26Φ20Φ18Φ16Φ12半精车锥面2°51′车槽至Φ16×1倒角1×45°以两中心孔作为精基准
7两端轴颈高频淬火回火40~45HRC
8修研两端中心孔
9粗磨一端外圆至Φ17精磨该端外圆至Φ17粗磨另一端外圆至Φ20精磨该端外圆至Φ20磨锥面以两中心孔作为精基准
10车蜗杆螺纹车螺纹M18×1M12半精车蜗杆螺纹磨蜗杆螺纹以两中心孔作为精基准
11去毛刺
12检验入库
方案比较
上述两个工艺路线的特点在于方案一对整个蜗杆一起加工减少了装夹次数同时在加工过程中有效防止了加工产生的应力对后加工工序的影响。
方案二对不同部位进行粗半精精加工不能对一台机床进行连续运用。
误差相对方案一来的大所以选方案一。
3.5最终方案
1锻造
2去飞边
3正火处理
4车左端面端面打中心孔车右端面打中心孔
5粗车一端外圆Φ46Φ22Φ17掉头粗车另一端外圆分别至Φ26Φ20Φ18Φ16Φ12粗车锥面2°51′以外圆及中心孔做为基准。
6半精车该端外圆Φ46Φ22Φ17车槽Φ16×1Φ16×1倒角1×45°掉头半精车该端外圆分别至Φ26Φ20Φ18Φ16Φ12半精车锥面2°51′车槽至Φ16×1倒角1×45°车螺纹M18×1M12修整各阶梯过度地方以两中心孔作为精基准
7粗车蜗杆螺纹半精车蜗杆螺纹
8热处理两端轴颈高频淬火回火40~45HRC
9修研两端中心孔
10粗磨一端外圆至Φ17.1k5精磨该端外圆至Φ17k5粗磨另一端外圆至Φ20.1j6精磨该端外圆至Φ20j6磨锥面及蜗杆螺纹到尺寸
11去毛刺
12检验入库
3.6机械加工余量工序尺寸及毛坯尺寸的确定
蜗杆零件材料为45钢硬度为217255HBS生产类型为中大批生产采用普通模锻IT13的精度。
该工件的最大直径为ø46质量为4.1kg
锻件形状复杂系数S=m锻件m外轮廓包容体=π4.622×23.8×4.1=1622g=1.622kg
m锻件=4.1kg
S=4.11.622=2.53>1可定形状复杂系数为S1属于简单级别机械加工余量根据锻件重量、加工精度F1F2、S1查表2.2-25得Ø12粗糙度为6.3属于一般加工精度直径方向单边余量取2mm水平方向取2mm同理ø18ø26ø22直径方向单边都是2mm水平方向都是2mmØ16粗糙度为0.8属于磨削加工精度直径方向单边余量取2.5mm水平方向取2mm同理ø20ø46ø17直径方向单边余量都是2.5mm水平方向都是2mm毛坯图如下图：
4.机床及量具的选择
4.1机床的选择
本次选择了车床CA6140，因为它通用性好。
CA6140型普通车床是在C620型车床的基础上改进的卧式车床,工件最大回转直径400毫米,可以加工普通螺纹、英制螺纹、摸数螺纹和径节螺纹。
传动链由电动机经三角带（V带）将动力传递到主轴箱在交换齿轮作用下，正转24级，转速10-1400转/分钟；反转12级，转速14-1580转/分钟。
主轴转速经挂轮箱将动力传递到走刀箱，纵向走刀级数64，进给范围0.08-1.59mm/r，横向进给级数64，进给范围0.04-0.79mm/r。
溜板行程横向320mm，纵向按照车床长度而定。
4.2量具的选择
外径、内径千分尺、游标卡尺、螺纹环、塞、规及卡板测量。
螺纹量规是综合性检验量具，分为塞规和环规两种。
塞规检验内螺纹，环规检验外螺纹，并由通规、止规两件组成一副。
螺纹工件只有在通规可通过，止规通不过的情况下为合格，否则零件为不合格。
5.切削用量以及进给速度的确定
5.1主轴转速的确定
车外圆是主轴转速，主轴转速应根据允许的切削速度和工件的直径来选择。
其计算公式为η=1000v/Iid。
车螺纹时的主轴转速，在车削螺纹时车床的主轴转速将受到螺纹的螺距P大小，驱动电机的升降频特性以及螺纹插补运算速度等多种因素影响。
5.2被吃刀量的确
背吃刀量根据机床、工件、刀具的刚度来决定。
在钢度允许的条件下应尽可能使背吃刀等于工件的加工余量这样就可以减少走刀次数提高生产效率为了保证加工表面质量可以留少许加工余量一般为0.2mm~0.5mm。
车削用量的具体常规如下粗车时首先尽可能大的背吃刀量，其次选择一个较大的进给量，最后确定一个合适的切削速度。
精车时加工表面要求较高加工余量不大且均匀因此选择较小的背吃刀量和进给量。
5.2进给速度的确定
进给速度是数控机床切削用量中的主要参数确定进给速度的原则当工件的质量要求能得到保障时为提高生产率可选择较高的进给速度一般在100~200mm/min范围内选择。
再切断加工深孔或用高速钢刀具加工时宜选择较低的进给速度一般在20~50mm/min范围内选取。
当加工精度表面粗糙度要求时进给量应选小一些，一般在20~50mm/min范围内选取。
6.确定各工序采用的加工设备和工艺装备
工序号
工序名称
工序内容
车间
加工设备
工艺装备
1
模锻
模锻
锻工
2
热
正火
3
车
车两端面，钻中心孔
金工
CA6140
45°车刀中心孔钻千分尺
4
车
粗车一端外圆Φ46Φ22Φ17掉头粗车另一端外圆Φ26Φ20Φ18Φ16Φ12粗车锥面2°51′以外圆及中心孔做为基准。
金工
CA6140
90°车刀、外螺纹车刀、顶尖鸡心夹游标卡尺
5
车
半精车该端外圆Φ46Φ22Φ17车槽Φ17×1Φ17×1倒角1×45°掉头半精车该端外圆Φ26Φ20Φ18Φ16Φ12半精车锥面2°51′车槽至Φ16×1倒角1×45°车螺纹M18×1M12修整各阶梯过度地方以两中心孔作为精基准
金工
70°车刀、45°车刀外螺纹车刀、顶尖鸡心夹千分尺
6
车蜗杆螺纹半精车蜗杆螺纹以两中心孔作为基准
金工
外螺纹车刀、顶尖、鸡心夹、千分尺
7
热
调质处理两端轴颈高频淬火回火40~45HRC
金工
8
磨
修磨中心孔
金工
M1432A
9
磨
粗磨一端外圆Φ17k5粗磨另一端外圆至Φ20j6精磨该端外圆Φ17k5另一端外圆Φ20j6磨锥面及蜗杆螺纹到尺寸
金工
M1432A
顶尖、平行砂轮千分尺
10
钳工
去毛刺
金工
锉刀
11
检
检验
质检室
千分尺、游标卡尺、
致谢
经过几个月的准备，查阅了很多参考书，阅读了很多关于蜗杆与KCSJ-12知识。
本次毕业设计已经完成，心里如释重负。
作为一个大专生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，回想起设计过程中的一个个困难，心中涌动的全是感激之情。
首先要感谢的是我的指导教师唐少琴老师，从题目的确定，中期检查，到后期的详细设计都给了我悉心的指导。
论文的逻辑结构不清晰时，是唐老师耐心的为我分析，让我明白了自己的问题所在。
除了敬佩唐老师的专业水平外，她的治学严谨和科学的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。
其次要感谢各科老师，他们以自己渊博的知识为我们讲授了《机械设计》与《机械制图》这两门课。
使我了解了蜗杆图的分析和设计方法。
然后感谢与我同窗四年的同学。
他们以各自的方式在学习和生活上给与我可感知而不可言语的温暖。
这些都成为我的记忆深处难以忘怀的美丽风景。
最后感谢大学三年的所有老师，为我打下了扎实的专业基础知识，有利于我以后的工作和学习。
三年时间，白驹过隙，有太多的事历历在目，宛如昨天：
有太多的人音容笑貌，跃然纸上。
此刻，我心潮澎湃，再次向我尊敬的老师们和同窗们表达我最诚挚的谢意。
参考文献
1.成熙治,刘法权等著.蜗轮蜗杆测量[M].1989第二版.56-70.
2.石照耀,叶勇,丁毅著.锥面包络圆柱蜗杆齿廓的精密测量[M].1999第一版
3.王积森,王全娟,艾兴著.ZK蜗杆的测量方法研究[M].1998第二版.
4.柴琪著.基于三维仿真ZK蜗杆齿形误差的研究[C].2006第一版.230-328
5.吴序堂著.齿轮啮合原理[D].1982.6.127-154.
7.赵玉良.杨军等著.ZK1蜗杆的齿廓误差及其控制[M].2000第五版97-112.
附录
图1蜗杆零件加工工艺过程卡
图2蜗杆零件加工工序卡片
图4蜗杆KCSJ-12零件图
图5铣槽夹具图
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