齿轮轴课程设计说明书.docx
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齿轮轴课程设计说明书
机械制造工艺学课程设计
设计说明书
设计“齿轮轴”零件的
机械加工工艺规程
起止日期：
2011年12月19日至2011年12月25日
学生
班级
学号
成绩
指导教师（签字）
机械工程学院（部）
2011年12月19日
《机械制造工艺学》课程设计任务书
2011—2012学年第一学期
机械工程学院机械工程及其自动化专业班
课程名称：
机械制造工艺学课程设计
设计题目：
设计“齿轮轴”零件的机械加工工艺规程
完成期限：
自2011年12月19日至2011年12月25日共1周
一、课程概述
课程名称:
机械制造工艺学课程设计
总学时数:
一周
课程类别:
必修专业课
授课专业:
机械设计制造与自动化专业
先修课程:
机械制图、机械设计、互换性与技术测量、机械制造工艺学等
二、本课程的目的和任务
本课程设计是学生在学完机械制造工艺学课程、进行了生产实习之后的一个综合性和实践性很强的教学环节，学生通过课程设计，能综合运用所学基本理论以及在生产实习中学到的实践知识进行工艺及结构设计的基本训练，掌握机械制造过程中的加工方法、加工装备等基本知识，提高学生分析和解决实际工程问题的能力，为后续课程的学习及今后从事科学研究、工程技术工作打下较坚实的基础。
三、课程设计的基本容
（一）对零件（中等复杂程度）进行工艺分析，画零件图。
（二）选择毛坯的制造方式。
（三）制订零件的机械加工工艺规程
1．选择加工方案，制订工艺路线；
2．选择定位基准；
3．选择各工序所用的机床设备和工艺装备（刀具、夹具、量具等）；
4．确定加工余量及工序间尺寸和公差；
5．确定切削用量
（四）填写工艺文件
1．填写机械加工工艺卡片；
2．填写机械加工工序卡片。
（五）编写设计说明书。
四、课程设计的基本要求
（一）通过本课程设计，应使学生在以下几方面得到锻炼：
1．能运用机械制造工艺学课程中的基本理论和生产实习中学到的实践知识，正确地解决一个零件在加工中的定位、夹紧以及工艺路线安排、工艺尺寸确定等问题，保证零件的加工质量。
2.学会使用手册及图标资料。
掌握与本设计有关的各种资料的名称及用途，做到熟练运用。
（二）在规定时间应完成以下任务：
1．机械加工工艺卡片一；
2．机械加工工序卡片一套；
3．设计说明书一份。
五、设计说明书要求
设计说明书用统一纸书写。
容包括设计任务书，零件的分析，加工工艺规程设计等。
建议编写顺序如下：
（1）设计说明书封面
（2）设计任务书
（3）目录
（4）零件的分析
（5）加工工艺规程设计
（6）小结
一、零件的分析………………………………………………………6
1.阶梯轴的外圆表面………………………………………………………………
2.外螺纹表面………………………………………………………………………
3.锥面………………………………………………………………………………
4.普通平键键槽……………………………………………………………………
5.齿轮表面…………………………………………………………………………
圆柱齿轮加工分析………………………………………………………7
二、毛坯的确定……………………………………………………10
1.毛坯材料的选择…………………………………………………………………
2.毛坯机械加工余量的确定………………………………………………………
3.毛坯的尺寸示意图………………………………………………………………
三、工艺规程设计…………………………………………………11
1.工艺路线的制订…………………………………………………………………
定位基准的选择…………………………………………………………………
热处理工序的安排………………………………………………………………
加工方法的选择…………………………………………………………………
工艺路线的制订…………………………………………………………………
2.机械加工余量、工序尺寸的确定………………………………………………
3.刀具选用、切削用量和工时定额的确定………………………………………
四、设计小结………………………………………………………21
一、零件的分析
该零件的零件图如图1所示，为一齿轮轴，主要用来传递运动和扭矩。
假设该零件的生产类型为单件小批生产（≤500件）。
该零件的加工表面主要由阶梯轴的外圆表面，外螺纹表面，锥面，普通平键键槽和齿轮表面等几部分组成。
1）阶梯轴的外圆表面
阶梯轴的外圆表面由两个Φ20±0.0065mm的外圆表面，一个Φ24mm的外圆表面，一个Φ21mm的外圆表面和一个Φ18mm的外圆表面组成。
2）外螺纹表面
该齿轮轴的外螺纹为公称直径为Φ12mm的粗牙普通螺纹，螺距为1.75mm，螺纹长度为10mm。
3）锥面
该锥面的大端直径为Φ18mm，锥度为1：
10。
锥面的轴向长度为28mm。
且该锥面围绕公共基准线A-B旋转的圆跳动公差为0.012mm，公差等级为IT7级。
4）普通平键键槽
与该齿轮轴配合的为普通平键A型，其尺寸为5mm×22mm，工作表面的表面粗糙度为Ra3.2µm。
键槽在轴上的深度mm。
5）齿轮表面
该齿轮为标准圆柱直齿轮。
其齿数z1=15，模数m=2，压力角ɑ=20°。
分度圆直径为Φ30mm，齿顶圆直径为mm。
该齿轮轴除了由以上几部分组成之外，还包括四个尺寸为C1和两个尺寸为C2的倒角，两个尺寸为2mm×Φ18mm和一个尺寸为2mm×Φ10mm的退刀槽组成。
圆柱齿轮加工分析
一、圆柱齿轮毛胚与热处理
1.齿轮毛坯毛坯的选择取决于齿轮的材料、形状、尺寸、使用条件、生产批量等因素，常用的毛坯种类油：
1）铸铁件：
用于受力小、无冲击、低速的齿轮；
2）棒料：
用于尺寸小、结构简单、受力不大的齿轮；
3）锻坯：
用于高速重载齿轮；
4）铸钢坯：
用于结构复杂、尺寸较大不宜锻造的齿轮。
2.齿轮热处理在齿轮加工工艺过程中，热处理工序的位置安排十分重要，它直接影响齿轮的力学性能及切削加工的难易程度。
一般在齿轮加工中有两种热处理工序：
1）毛坯的热处理为了消除锻造和粗加工造成的残余应力、改善齿轮材料部的金相组织和切削加工性能，在齿轮毛坯加工前后通常安排正火或调质等预热处理。
2）齿面的热处理为了提高齿面硬度、增加齿轮的承载能力和耐磨性而进行的齿面高频淬火、渗碳淬火、氮碳共渗和渗氮等热处理工序。
一般安排在滚齿、插齿、剃齿之后，珩齿、磨齿之前。
二、圆柱齿轮齿面（形）加工方法
1．齿轮齿面加工方法的分类
按齿面形成的原理不同，齿面加工可以分为两类方法：
⑴成形法用与被切齿轮齿槽形状相符的成形刀具切出齿面的方法，如铣齿、拉齿和成型磨齿等；
⑵展成法齿轮刀具与工件按齿轮副的啮合关系作展成运动切出齿面的方法，工件的齿面由刀具的切削刃包络而成，如滚齿、插齿、剃齿、磨齿和珩齿等。
2．圆柱齿轮齿面加工方法选择
齿轮齿面的精度要求大多较高，加工工艺复杂，选择加工方案时应综合考虑齿轮的结构、尺寸、材料、精度等级、热处理要求、生产批量及工厂加工条件等。
常用的齿面加工方案见表1。
表1齿面加工方案
齿面加工方案
齿轮精度等级
齿面粗糙度Ra（μm）
适用围
铣齿
9级以下
6.3~3.2
单件修配生产中，加工低精度的外圆柱齿轮、齿条、锥齿轮、蜗轮
拉齿
7级
1.6~0.4
大批量生产7级齿轮，外齿轮拉刀制造复杂，故少用
滚齿
8~7级
3.2~1.6
各种批量生产中，加工中等质量外圆柱齿轮及蜗轮
插齿
1.6
各种批量生产中，加工中等质量的、外圆柱齿轮、多联齿轮及小型齿条
滚（或插）齿—淬火—珩齿
0.8~0.4
用于齿面淬火的齿轮
滚齿—剃齿
7~6级
0.8~0.4
主要用于大批量生产
滚齿—剃齿—淬火—珩齿
0.4~0.2
滚（插）齿—淬火—磨齿
6~3级
0.4~0.2
用于高精度齿轮的齿面加工，生产率低，成本高
滚（插）齿—磨齿
6~3级
三、圆柱齿轮零件加工工艺过程示例
1． 工艺过程示例
圆柱齿轮的加工工艺过程一般应包括以下容：
齿轮毛坯加工、齿面加工、热处理工艺及齿面的精加工。
在编制齿轮加工工艺过程中，常因齿轮结构、精度等级、生产批量以及生产环境的不同，而采用各种不同的方案。
图1为一直齿圆柱齿轮的简图，表2列出了该齿轮机械加工工艺过程。
从中可以看出，编制齿轮加工工艺过程大致可划分如下几个阶段：
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：
车，滚、插齿面；
4）热处理：
调质、渗碳淬火、齿面高频淬火等；
5）精加工：
精修基准、精加工齿面（磨、剃、珩、研齿和抛光等）。
表2直齿圆柱齿轮加工工艺过程
工序号
工序名称
工序容
定位基准
1
锻造
毛坯锻造
2
热处理
正火
3
粗车
粗车外形、各处留加工余量2mm
外圆和端面
4
精车
精车各处，留磨削余量0.2mm，其余至尺寸
外圆和端面
5
滚齿
滚切齿面，留磨齿余量0.25～0.3mm
外圆和端面
6
倒角
倒角至尺寸（倒角机）
外圆和端面
7
钳工
去毛刺
8
热处理
齿面：
HRC52
9
磨齿
齿面磨削
外圆和端面
10
检验
终结检验
三、定位基准的选择
以外圆和端面定位工件和夹具心轴的配合间隙较大，用千分表校正外圆以决定中心的位置，并以端面定位；从另一端面施以夹紧。
这种方式因每个工件都要校正，故生产效率低；它对齿坯的、外圆同轴度要求高，而对夹具精度要求不高，故适于单件、小批量生产。
二、毛坯的确定
（一）毛坯材料的选择
该齿轮轴零件的材料为45钢，为轴类零件。
根据设计要求，其硬度需达到220~250HBS，经查表可得，45号热轧钢的硬度小于等于241HBS（黑p109）。
因为该齿轮轴的外圆直径变化不大，加工简单，且对其机械性能没有很高的要求，且无须选用锻件，选择棒料即可。
经过调质处理（淬火温度：
820~840℃，淬火介质：
水；回火温度：
560~600℃，冷却介质：
空气），其硬度为220~250HBS，符合设计要求（黑145）。
故材料选择45号热轧钢，然后进行调质处理。
（二）毛坯机械加工余量的确定
由零件图可知，零件的长度为154mm，零件的最大直径为Φ34mm，两者之比，经查表（蓝1034）可以确定毛坯的直径为Φ38mm。
另外，因为毛坯是由45号热轧钢切断得到，经查表（蓝1038）和计算，一个零件的毛坯长度
。
切断后，可以得到长度为161mm，直径为Φ38mm的棒料。
（三）毛坯的尺寸示意图
三、工艺规程设计
（一）工艺路线的制订
1）定位基准的选择
该零件为轴类零件，主要加工表面为外圆表面。
应先以棒材的外圆表面为粗基准，车削轴的两个端面同时钻中心孔，然后以中心孔为精基准车削棒材的外圆。
轴向尺寸的基准则是以两个端面以及轴肩为精基准，键槽的定位也是以右端面作为精基准。
2）热处理工序的安排
为了消除材料的应力，在毛坯进行切削加工之前安排正火。
为了改善材料的切削性能，获得较好的机械综合性能，在粗加工之后，半精加工之前安排调质处理。
为了提高齿面硬度，在齿轮粗加工之后，精加工之前安排齿面局部淬火。
为了消除淬火过程中的应力和防锈，增加金属表面美观，在机加工完成后安排发蓝。
3）加工方法的选择
由于零件部分表面的加工精度要求比较高，故将零件的工艺过程划分为粗加工阶段，半精加工阶段和精加工阶段，这样就可以使后续加工精度提高，并且合理的使用设备和安排人力资源，提高产品质量。
粗加工阶段应在卧式车床上对毛坯外圆表面进行粗车外圆，粗车圆锥面。
经查相关技术手册（白758黑320）得知，粗车圆锥面时有转动小刀架车锥体，用靠模板车锥体，用偏移尾座车锥体和用宽刀刃车锥体。
由于该零件为单件小批生产，圆锥长度较短，但锥面的位置公差和表面质量要求比较高，故采用转动小刀架粗车锥体的加工方法。
半精车阶段在精度相对较高的卧式车床上对表面质量要求较高的表面进行半精车，其中表面粗糙度要求为Ra3.2µm的两个端面要半精车才能达到表面粗糙度要求，齿顶面和锥面也要进行半精加工。
另外还应切退刀槽，以及倒角。
半精加工后，需要加工齿轮。
因为齿顶面的精度等级为8级，齿面的表面粗糙度为Ra1.6µm，故先精车齿顶面。
这样做既可以满足齿顶表面的质量要求，还能避免精加工后再进行齿轮加工可能会破坏已经加工好的外圆表面的情况。
齿面加工采用滚齿加工，插齿加工、剃齿加工和磨齿加工都能达到要求（白735）。
由于滚齿加工的应用较广，效率较高，而插齿加工对加工双联齿轮或三联齿轮及齿轮更为合适，故选择滚齿加工。
为了达到要求的加工精度，需要先进行粗滚。
由于齿面局部淬火安排在齿面粗加工之后，精加工时继续采用滚齿加工会因为齿面过硬而无法加工，故精加工时应采用剃齿加工。
键槽可以通过铣削，插削，刨削的方法加工，该锥面上的键槽通过选用合适的键槽铣刀进行加工比较方便。
由于键槽工作表面的表面粗糙度要求达到Ra3.2µm，故可分粗铣和半精铣两步铣削。
键槽加工完成后，应对上面半精车后的圆锥面，一个直径为Φ10的螺纹外圆和两个直径为Φ20的外圆进行精加工。
由于直径为Φ20的外圆表面粗糙度要求为Ra1.6µm，精度等级为IT6级，故可以采用先精车后金刚石车或者先粗磨后精磨的方法。
为了便于加工，降低对设备和工人的要求，故采用先粗磨后精磨的方法。
圆锥面要求的公差等级为7级，表面粗糙度为Ra1.6µm，精加工时可以精车或者粗磨与半精磨，这里采用粗磨与半精磨的方法以便获得较高的加工精度。
而螺纹外圆的加工因为精度要求不高，只需粗磨即可。
外螺纹的加工放在机加工的最后，目的是为了避免在加工别的表面时破坏已加工完成的螺纹表面。
其尺寸为M12-6g，公称直径比较小，经查表（难19），可采用车削螺纹、套螺纹和滚压螺纹的加工方法。
因为该零件为单件小批生产，则采用车削螺纹的方式比较合适。
4）工艺路线的制订
序号
工序名称
工序容
定位基准
设备
0
备料
10
热处理
正火
20
车两端面
粗车齿轮轴两端面，并钻中心孔
毛坯外圆
30
粗车
粗车各处外圆和1：
10圆锥面
中心孔
40
热处理
调质处理
50
钳工
修研中心孔
60
半精车
半精车各处外圆和圆锥面，切退刀槽和倒角
中心孔
70
精车齿顶面
精车Φ34齿顶面
中心孔
80
滚齿加工
滚齿粗加工Φ30齿轮表面
90
热处理
齿面局部淬火
100
剃齿加工
剃齿精加工Φ30齿轮表面
110
铣键槽
铣5×22键槽
120
粗磨
粗磨两处Φ20外圆，1：
10圆锥面和M12-6g螺纹外圆
130
半精磨
半精磨1：
10圆锥面
中心孔
140
精磨
精磨两处Φ20外圆
中心孔
150
车螺纹
车M12-6g螺纹
中心孔
160
钳工
去锐边倒角，去毛刺
170
热处理
发蓝
180
检验
按照零件图样要求检验
190
入库
涂上防锈油
（二）机械加工余量、工序尺寸的确定
1）沿轴线方向两端面的长度加工余量（蓝307）
工序名称
工序间余量/mm
工序
工序基本尺寸/mm
标注工序尺寸公差/mm
经济精度/mm
表面粗糙度/µm
粗车
3.5
IT12
Ra6.3
154
154
粗车
3.5
IT12
Ra6.3
154+3.5=157.5
161
毛坯
157.5+3.5=161
161
2）直径为Φ34mm的齿顶面加工余量（蓝1039）
工序名称
工序间余量/mm
工序
工序基本尺寸/mm
标注工序尺寸公差/mm
经济精度/mm
表面粗糙度/µm
精车
0.5
h8
Ra1.6
34
半精车
1.3
h10
Ra3.2
34+0.5=34.5
粗车
2.2
h12
Ra6.3
34.5+1.3=35.8
毛坯
35.8+2.2=38
3）直径为Φ24mm的外圆表面加工余量
工序名称
工序间余量/mm
工序
工序基本尺寸/mm
标注工序尺寸公差/mm
经济精度/mm
表面粗糙度/µm
半精车
1.3
h10
Ra3.2
24
粗车
10.5
h12
Ra6.3
24+1.3=25.3
25.3+10.5=35.8
4）齿轮左侧直径为Φ20mm的外圆表面加工余量（白1118）
工序名称
工序间余量/mm
工序
工序基本尺寸/mm
标注工序尺寸公差/mm
经济精度/mm
表面粗糙度/µm
精磨
0.03
js6
Ra0.8
20
粗磨
0.35
js8
Ra1.6
20+0.03=20.03
半精车
1.3
js10
Ra3.2
20.03+0.35=20.38
粗车
3.62
js12
Ra6.3
20.38+1.3=21.68
21.68+3.62=25.3
5）直径为Φ21mm的外圆表面加工余量
工序名称
工序间余量/mm
工序
工序基本尺寸/mm
标注工序尺寸公差/mm
经济精度/mm
表面粗糙度/µm
半精车
1.3
h10
Ra3.2
21
粗车
13.5
h12
Ra6.3
22.3
22.3+13.5=35.8
6）齿轮右侧直径为Φ20mm的外圆表面加工余量
工序名称
工序间余量/mm
工序
工序基本尺寸/mm
标注工序尺寸公差/mm
经济精度/mm
表面粗糙度/µm
精磨
0.03
js6
Ra0.8
20
粗磨
0.35
js8
Ra1.6
20+0.03=20.03
半精车
1.3
js10
Ra3.2
20.03+0.35=20.38
粗车
0.62
js12
Ra6.3
20.38+1.3=21.68
21.68+0.62=22.3
7）直径为Φ18mm的外圆表面加工余量
工序名称
工序间余量/mm
工序
工序基本尺寸/mm
标注工序尺寸公差/mm
经济精度/mm
表面粗糙度/µm
半精车
1.3
h10
Ra3.2
18
粗车
2.38
h12
Ra6.3
18+1.3=19.3
19.3+2.38=21.68
8）分度圆为Φ30mm的齿面加工余量（白735、903、954黑651）
工序名称
工序间余量/mm
工序
工序基本尺寸/mm
标注工序尺寸公差/mm
经济精度/mm
表面粗糙度/µm
剃齿
0.06
7
Ra0.8
30
粗滚
3.94
8
Ra3.2
30+0.06=30.06
30.06+3.94=34
9）锥度为1：
10的锥面加工余量
工序名称
工序间余量/mm
工序
工序基本尺寸/mm
（锥面小端直径）
标注工序尺寸公差/mm
经济精度/mm
表面粗糙度/µm
半精磨
0.025
h7
Ra0.8
15.2
粗磨
0.30
h8
Ra1.6
15.2+0.025=15.225
半精车
1.2
h10
Ra3.2
15.225+0.30=15.525
粗车
2.575
h12
Ra6.3
15.525+1.2=16.725
16.725+2.575=19.3
10）尺寸为5mm×22mm的键槽加工余量（黑414，蓝307）
工序名称
工序间余量/mm
工序
工序基本尺寸/mm
标注工序尺寸公差/mm
经济精度/mm
表面粗糙度/µm
半精铣
0.5
IT10
Ra3.2
14.5
粗铣
3
IT12
Ra6.3
14.5+0.5=15
15+3=18
11）公称尺寸为M12-6g的螺纹加工余量（难19，65）
工序名称
工序间余量/mm
工序
工序基本尺寸/mm
标注工序尺寸公差/mm
经济精度/mm
表面粗糙度/µm
车螺纹
IT6
Ra1.6
粗磨
0.3
h8
Ra1.6
11.78
半精车
1.2
h10
Ra3.2
11.78+0.3=12.08
粗车
6.02
h12
Ra6.3
12.08+1.2=13.28
13.28+6.02=19.3
（三）刀具选用、切削用量和工时定额的确定（黑179蓝1056）
1）车削两端面，钻中心孔的切削用量的确定（车刀白271,287蓝1059）
该加工过程为粗车，加工表面为两端面，且精度等级和表面质量要求均不高，因此选用YT15硬质合金车刀。
刀具的主偏角，副偏角，前角，后角，刃倾角。
经查，其切削用量为：
切削速度：
进给量：
背吃刀量：
双边余量，故第1次背吃刀量为，第2次背吃刀量为。
2）粗车外圆和圆锥面的切削用量的确定（刀207）
该加工过程仍为粗车，加工表面分别为外圆和圆锥面，且精度等级和表面质量要求均不高，因此选用YT15硬质合金车刀。
刀具的主偏角，副偏角，前角，后角，刃倾角。
经查，其切削用量为：
切削速度：
进给量：
背吃刀量：
第1次背吃刀量为，第2次背吃刀量为，第3次背吃刀量为，第4次背吃刀量为，第5次背吃刀量为，第6次背吃刀量为，第7次背吃刀量为，第8次背吃刀量为，第9次背吃刀量为，第10次（粗车圆锥面）背吃刀量为。
3）半精车外圆和圆锥面的切削用量的确定
该加工过程为半精车，加工表面为外圆和圆锥面，精度等级和表面质量要求相比粗加工稍高，但仍选用YT15硬质合金车刀。
刀具的主偏角，副偏角，前角，后角，刃倾角。
经查，其切削用量为：
切削速度：
进给量：
背吃刀量：
半精车外圆的背吃刀量为，半精车螺纹外圆的背吃刀量为，半精车圆锥面的背吃刀量为。
4）精车齿顶面的切削用量的确定
该加工过程为精车，加工表面为外圆，精度等级和表面质量要求比较高，因此选用YT30硬质合金车刀。
刀具的主偏角，副
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