畢業(yè)設(shè)計論文直齒圓柱齒輪的加工工藝規(guī)程

1、直齒圓柱齒輪的加工工藝規(guī)程 摘 要人們的生產(chǎn)和生活廣泛使用各種機器。隨著近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人類運用各方面的知識和技術(shù)，不斷創(chuàng)新出各種新型的機器，因此“機器”也有了新含義。 本設(shè)計研究的對象是為機械中常見的齒輪傳動、齒輪的校核和基本設(shè)計理論、計算方法以及一些零件的選擇和維護。各部分內(nèi)容都是按照工作原理、結(jié)構(gòu)、強度計算、使用維護的順序介紹的。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對設(shè)計的理解在不斷的深化，設(shè)計方法也在不斷的發(fā)展，然而常規(guī)的設(shè)計方法是工程技術(shù)人員進行機械設(shè)計的重要基礎(chǔ)。設(shè)計的傳動方案滿足其工作要求，具有結(jié)構(gòu)緊湊、便于加工、使用維護方便等特點。 【關(guān)鍵詞】：齒輪傳動 設(shè)計理論 計算過程 齒輪校核。 目

2、 錄一 摘要1 前言3二 齒輪加工工藝4第一章 齒輪轉(zhuǎn)動基礎(chǔ)知識 4第二章齒輪的發(fā)展歷史及我國齒輪發(fā)展現(xiàn)狀 6第三章 齒輪的種類及應(yīng)用范圍 9第四章 齒輪加工方法及工藝過程14 三 結(jié)束語 18四 參考文獻 19五 結(jié)束語 .20前 言齒輪是工業(yè)生產(chǎn)中的重要基礎(chǔ)零件，其加工質(zhì)量和加工能力反映一個國家的 工業(yè)水平。實現(xiàn)齒輪加工的數(shù)控化和自動化，加工和檢測的一體化是目前齒輪加工的發(fā)展趨勢。齒輪加工機床系指用齒輪切削工具加工齒輪齒面或齒條齒面的機床及其配套輔機。齒輪機床按加工原理分為兩類，仿形法和范成法(或稱展成法)。仿形法是用刀具的刀刃形狀來保證齒輪齒形的準確性，用單分齒來保證分齒的均勻。范成法是

3、按照齒輪嚙合原理進行加工，假想刀具為齒輪的牙形，它在切削被加工齒輪時好似一對齒輪嚙合傳動，被加工齒輪就是在類似嚙合傳動的過程中被范成成形的，范成法具有加工精度高，粗糙度值低，生產(chǎn)率高等特點，因而得到廣泛應(yīng)用，范成法按其加工方法和加工對象分為：    (1)插齒機：多用于粗、精加工內(nèi)外嚙合的直齒圓柱齒輪，特別適用于雙聯(lián)、多聯(lián)齒輪，當(dāng)機床上裝有專用裝置后，可以加工斜齒圓柱齒輪及齒條。    (2)滾齒機：可進行滾銑圓柱直齒輪、斜齒輪、蝸輪及花鍵軸等加工。    (3)剃齒機：按螺旋齒輪嚙合原理用剃齒刀帶動工件

4、(或工件帶動刀具)旋轉(zhuǎn)剃削圓柱齒輪齒面的齒輪再加工機床。    (4)刨齒機：用于外嚙合直齒錐齒輪加工。    (5)銑齒機：用于加工正交、非正交(軸交角不等于90)的弧齒錐齒輪、雙曲線錐齒輪加工。(6)磨齒機：用于熱處理后各種高精度齒輪再加工。  第一章 齒輪轉(zhuǎn)動基礎(chǔ)知識1.概述 齒輪傳動是應(yīng)用最廣泛的傳動機構(gòu)之一。齒輪傳動的主要優(yōu)點是：適用的圓周速度和功率范圍廣；效率較高，一般 =0.940.99；傳動比準確；壽命較長；工作可靠性較高；可實現(xiàn)平行軸、任意角相交軸和任意角交錯軸之間的傳動。齒輪轉(zhuǎn)動的主要缺點是：要求較高的制

5、造和安裝精度，成本較高；不適宜遠距離兩軸之間的傳動。 齒輪傳動的類型很多，最常見的是：兩軸線相互平行的圓柱齒輪傳動，兩軸線相交的圓錐齒輪傳動，兩軸線交錯在空間既不平行也不相交的螺旋齒輪傳動。 圓柱齒輪傳動又可分為直齒圓柱齒輪傳動，斜齒圓柱齒輪傳動和人字齒圓柱齒傳動。按照輪齒排列在圓柱體的外表面、內(nèi)表面或平面上，它又可分為外嚙合齒輪傳動、內(nèi)嚙合齒輪傳動和齒輪齒條傳動（圖327 a.b.c） 。此外，按照齒輪傳動的工作條件又分為開式傳動和閉式傳動直齒圓柱齒輪的構(gòu)造最簡單，應(yīng)用最廣泛，本章僅以它為典型，分析齒輪傳動的基本原理和設(shè)計計算的基本方法2. 齒廓嚙合的基本定律對齒輪傳動的基本要求是其瞬時角速

6、度之比（傳動比）必須保持恒定，否則，當(dāng)主動輪以等角速度回轉(zhuǎn)時，由于從動輪角速度的變化，而產(chǎn)生慣性力。這種慣性力不僅影響齒輪的壽命，而且還引起機器的振動和噪音，影響其傳動質(zhì)量。齒廓嚙合基本定律就是研究當(dāng)齒廓形狀符合什么條件時才能滿足這個基本要求。圖所示出一對齒廓的嚙合，兩嚙合齒輪的齒廓E1和E2在K點相接觸。兩輪的角速度分別為w1和w2，vK1為齒廓E1上K點的速度，vK1w1× O1K；vK2為齒輪E2上K點的速度，vK2=w2× O2K。過K點作兩齒廓的公法線nn交連心線于C點，由于兩齒廓在嚙合過程中不應(yīng)互相壓入或分離，所以vK1和vK2在nn方向的分速度應(yīng)相等，故abn

7、n。過 O2作 O2znn，與 O1K的延長線交于z點,因Kab與K O2z的對應(yīng)邊互相垂直，故K O2z Kab，因而：Kz/O2K=Kb/Ka=vK1/vK2=(w1× O1K)/(w2×O2K)即 Kz/O1K=w1/w2又因O1O2zO1cK，cKO2z 故 Kz/O1K=O2c/O1c 因而得： w1/w2=O2c/O1c（334） 上式說明兩輪的角速度與連心線被齒廓接觸點的公法線所分得的兩線段成反比。由此可見，要使兩輪的傳動比恒定，應(yīng)使比值O2c/O1c為常數(shù)。因兩齒輪 中心距O1O2為定長，故欲滿足上述要求，必須使c點為連心線上的一個固定點。此固定點c稱為節(jié)點

8、。兩輪齒廓不論在任何位置接觸，過接觸點所作的齒廓公法線都必須通過中心連線的一定點，這就是齒廓嚙合基本定律。凡能滿足齒廓嚙合基本定律的一對齒廓稱為共軛齒廓。齒廓曲線的選擇要求滿足齒廓嚙合基本定律之外，還必須考慮制造、安裝和強度要求。在機械中，通常采用漸開線齒廓、擺線齒廓和圓弧齒廓等，其中漸開線齒廓應(yīng)用最廣。本章僅討論漸開線齒輪傳動。如圖328所示，分別以O(shè)1和O2為圓心，以O(shè)1c、O2c為半徑，過節(jié)點c點所作的兩個相切的圓稱為節(jié)圓。式3-34也說明一對節(jié)圓的圓周速度相等，也說明一對齒輪傳動時，它的一對節(jié)圓是在作純滾動。 第二章 齒輪的發(fā)展歷史及我國齒輪發(fā)展現(xiàn)狀 據(jù)史料記載，遠在公元前400200

9、年的中國古代就已開始使用齒輪，在我國山西出土的青銅齒輪是迄今已發(fā)現(xiàn)的最古老齒輪，作為反映古代科學(xué)技術(shù)成就的指南車就是以齒輪機構(gòu)為核心的機械裝置。17世紀末，人們才開始研究能正確傳遞運動的輪齒形狀。18世紀，歐洲工業(yè)革命以后，齒輪傳動的應(yīng)用日益廣泛，先是發(fā)展擺線齒輪，而后是漸開線齒輪。一直到20世紀初，漸開線齒輪已在應(yīng)用中占了優(yōu)勢。國外齒輪發(fā)展情況：早在1694年，法國學(xué)Philippe De La Hare首先提出漸開線可作為齒形曲線。1733年，法國人M.Clause 提出輪齒接觸點的公法線必須通過中心連線上的節(jié)點。一條輔助瞬心線分別沿大輪和小輪的瞬心線（節(jié)圓）純滾動時，與輔助瞬心線固聯(lián)的輔

10、助齒形在大輪和小輪上所包絡(luò)形成的兩齒廓曲線是彼此共軛的，這就是Camus定理。它考慮了兩齒面的嚙合狀態(tài)，明確建立了現(xiàn)代關(guān)于接觸點軌跡的概念。1765年瑞士的L·Euler提出漸開線齒形解析研究的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，闡明了相嚙合的一對齒輪，其齒形曲線的曲率半徑和曲率中心位置的關(guān)系后來Savary進一步完成這-方法，成為現(xiàn)在的EulerSavary方程對漸開線齒形應(yīng)用作出貢獻的是Robert Willis.他提出中心距變化時，漸開線齒輪具有角速比不變的優(yōu)點1873年德國工程師Hoppe提出，對不同齒數(shù)的齒輪在壓力角改變時的漸開線齒形，從而奠定了現(xiàn)代變位齒輪的思想基礎(chǔ) 19世紀末，展成切齒法的原理及

11、利用此原理切齒的專用機床與刀具的相繼出現(xiàn)，使齒輪加工具有較完備的手段后，漸開線齒形更顯示出巨大的優(yōu)越性。切齒時只要將切齒工具從正常的嚙合位置稍作移動，就能用標準刀具在機床上切出相應(yīng)的變位齒輪、1908年，瑞士MAAG研究了變位方法并制造出展成加工插齒機。后來，英國bss、美國AGM A、德國DIN相繼對齒輪變位提出了多種計算方法。 為了提高動力傳動齒輪的使用壽命并減小其尺寸。除從材料、熱處理及結(jié)構(gòu)等方面改進了外圓弧齒形的齒輪獲得了發(fā)展。1907年，英國人Frank Humphris最早發(fā)表了圓弧齒形1926年瑞士人Eruest Wildhaber取得法面圓弧齒形斜齒輪的專利權(quán)。1955年，蘇聯(lián)

12、的M·L·Novikov完成了圓弧齒形齒輪的實用研究并獲得列寧勛章。1970年。英國RollsRoyce公司工程師R·M.·Studer取得了雙圓弧齒輪的美國專利。這種齒輪現(xiàn)已日益為人們所重視，在生產(chǎn)中發(fā)揮了顯著效益。 我國的情況新中國成立后，當(dāng)時基本上沒有生產(chǎn)齒輪的能力，經(jīng)過第一、二個五年計劃的努力。我國初步形成了一套包括汽車、機床、重型機械。電站設(shè)備、石油化工與通用設(shè)備等機械制造能力，同時，齒輪制造業(yè)也隨著發(fā)展起來。到1963年左右。我國不僅已能成批生產(chǎn)齒輪，而且一般規(guī)格的齒輪機床與刀具、量儀也能由國內(nèi)制造。后來，國家新建和改建了一大批齒輪與齒輪箱的

13、專業(yè)廠與專業(yè)車間。進一步擴大了齒輪配套的生產(chǎn)能力，到70年代末，已基本上形成我國齒輪制造工業(yè)的完整體系。 圓柱齒輪在機械產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛，品種、規(guī)格繁多。長期來，在齒形上以采用漸開線齒形為主。在一般設(shè)計中較多采用中碳鋼（或中碳合金鋼）調(diào)質(zhì)處理的齒輪（也稱軟齒面齒輪）。很少采用低碳合金鋼經(jīng)滲碳淬火處理的齒輪（也稱硬齒面齒輪）。在工藝上，對于如汽車、拖拉機工業(yè)中大批生產(chǎn)的中、小模數(shù)齒輪；通常采用滾（插）齒一剃（擠）齒一熱處理一珩齒工藝。對于冶金、礦山、起重運輸、通用等機械中所用的大、中模數(shù)齒輪，一般采 用調(diào)質(zhì)處理一滾齒工藝；對于電站、石油化工、冶金、船用等機械中的高速齒輪多數(shù)采用調(diào)質(zhì)處理-滾齒-剃齒

14、工藝，但近年來，滾齒-滲碳-淬火處理一磨齒工藝逐漸發(fā)展起來。 1959年以后針對當(dāng)時漸開線齒輪齒面接觸強度差、工藝水平低、質(zhì)量差的薄弱環(huán)節(jié)，我國從蘇聯(lián)引進了圓弧齒輪的科技成果，利用軸向共軛代替端面共軛和利用圓弧齒輪齒面接觸強度比較高的特點，代替了不少機械產(chǎn)品的漸開線齒輪，70年代末，在一系列高速與低速傳動中成功地應(yīng)用單圓弧齒輪的基礎(chǔ)上，采用雙圓弧齒輪代替單圓弧齒輪，使抗彎強度提套40%60%,工藝上改善了，應(yīng)用范圍獲得了進一步擴大。 1970年以來，工業(yè)發(fā)達國家隨著機械產(chǎn)品功率與參數(shù)的提高，對齒輪結(jié)構(gòu)尺寸、性能與可靠性要求也提高了，硬齒面齒輪日益發(fā)展目前正在對硬齒面齒輪的設(shè)計、工藝、材料熱處理

15、、試驗等進行一系列研究我國已經(jīng)研制出一批較高設(shè)計參數(shù)的硬齒面齒輪，如應(yīng)用于壓縮機與軋鋼機的齒輪功率30004500kw，圓周速度140152m/s，負荷系數(shù)180310N/cm2精度等級45級；已能成批制造用于加工硬齒面的超硬刀具；國產(chǎn)新系列滾齒機巳能適應(yīng)加工硬齒面齒輪的需要。 為了進一步提高齒輪的精度水平，我國正在貫徹JB179-83"漸開線圓柱齒輪精度標準"，普遍提高了對齒輪量儀的要求。目前對于中等尺寸以下的中小模數(shù)齒輪，各種量儀巳基本配套，大模數(shù)齒輪上置式周節(jié)測量儀已研制出來；1968年我國首創(chuàng)了齒輪整體誤差測量理論和方法，1970年運用這一方法研制成了截面整體誤差測

16、量儀，從而將我國齒輪測量技術(shù)發(fā)展到動態(tài)綜合測量的新階段。 近年來，結(jié)合貫徹齒輪精度標準，廣泛開展了基礎(chǔ)工藝技術(shù)的研究試驗，如精滾工藝試驗、確定經(jīng)濟工藝的技術(shù)條件和精度等級；修磨剃齒刀齒形獲得齒輪理想接觸區(qū)試驗；改變刀具材料實現(xiàn)硬齒面剃齒的試驗；采用負變位剃齒刀消除齒面中凹試驗。"改變珩齒結(jié)構(gòu)和材料，提高齒面精度質(zhì)量；磨齒修緣與齒向修形的試驗等等，都大大促進了齒輪精度水平的提高。 汽車、拖拉機、礦山及運輸設(shè)備等所用的螺旋園錐齒輪，大多采用美國格利森制。這種齒輪生產(chǎn)批量大，但因切齒計算與調(diào)整繁復(fù)，生產(chǎn)上難以獲得理想的輪齒接觸區(qū)，制造質(zhì)量差，使用壽命不高七十年代以來，在引進國外加工設(shè)備與整

17、套電算程序基礎(chǔ)上；開展對螺旋錐齒輪嚙合理論的研究消化掌握其程序軟件。在生產(chǎn)上已取得成效。 在要求單級減速比大、傳遞扭矩大的傳動中，大多采用蝸桿副，一般設(shè)計為軸向直廓的圓柱蝸桿副。多數(shù)用在傳遞運動的機床上和功率不大的動力傳動中，為改善齒面潤滑條件提高承載性能，發(fā)展了一種圓弧圓柱蝸桿副。與此同時，針對大中型重載傳動，還發(fā)展了直廓環(huán)面蝸桿副與平面包絡(luò)環(huán)面蝸桿副。這些蝸桿減速器均有工廠成批生產(chǎn)。 另外，各種行星式傳動發(fā)展迅速。有低速行星齒輪減速器、高速行星齒輪箱，還有擺線針輪減速器、各種少齒差減速器與諧波齒輪減速器等。目前我國每年生產(chǎn)各種齒輪減速器已達十多萬臺。 我國越來越多的人掌握了齒輪嚙合原理的分

18、析方法，對復(fù)雜曲面的幾何計算還提供了各種計算方法，一般能從嚙合理論的觀點，分析計算各種齒輪的參數(shù)。因而提高了我國齒輪設(shè)計的水平。我國在齒輪材料、熱處理技術(shù)與齒輪試驗技術(shù)與測試方法方面也積累了不少的經(jīng)驗。綜上所述，我國齒輪生產(chǎn)已達相當(dāng)規(guī)模。設(shè)計與工藝水乎不斷提高，有一批齒輪產(chǎn)品已經(jīng)接近或達到國際水平，但就總體來講還有一定差距，需要我們共同努力，狠抓薄弱環(huán)節(jié)，才能有更大進展發(fā)展趨勢 國際上，動力傳動齒輪裝置正沿著小型化、高速化、標準化方向發(fā)展特殊齒輪的應(yīng)用、行星齒輪裝置的發(fā)展、低振動、低噪聲齒輪裝置的研制是齒輪設(shè)計方面的一些特點為達到齒輪裝置小型化目的，可以提高現(xiàn)有漸開線齒輪的承載能力。各國普遍采

19、用硬齒面技術(shù)，提高硬度以縮小裝置的尺寸；也可應(yīng)用以圓弧齒輪為代表的特殊齒形。英法合作研制的艦載直升飛機主傳動系統(tǒng)采用圓弧齒輪后，使減速器高度大為降低。隨著船舶動力由中速柴油機代替的趨勢，在大型船上采用大功率行星齒輪裝置確有成效；現(xiàn)在冶金、礦山、水泥一軋機等大型傳動裝置中，行星齒輪以其體積小、同軸性好、效率高的優(yōu)點而應(yīng)用愈來愈多。 由于機械設(shè)備向大型化發(fā)展，齒輪的工作參數(shù)提高了。如高速齒輪的傳遞功率為1000-30000kw。齒輪圓周速度為20200ms（1200-12000rmin），設(shè)計工作壽命為5X104-10X104 小時；軋鋼機齒輪的圓周速度已由每秒幾米提高到20m/s，甚至3050m

20、/s。傳遞扭矩達l00200t.m, 要求使用壽命在2030年以上。這些齒輪的精度等級一般在38級。并對平穩(wěn)性與噪聲有較高的要求。對于高速齒輪在圓周速度超過100ms時，由于運轉(zhuǎn)中的熱效應(yīng) 要求在設(shè)計時對產(chǎn)生的熱變形進行修正，使齒輪在工作時達到一個正常的嚙合狀態(tài)。特別對于高速重載齒輪，更要加以考慮。其次，對于低速重載齒輪 如軋鋼機齒輪，由于采用硬齒面齒輪后，其齒面負荷系數(shù)增加而引起的整個齒輪裝置系統(tǒng)的彈性變形變得突出了，所以有時也要對反映到齒面的彈性變形進行修正。這種對齒輪輪齒修形的技術(shù)是目前大功率、高速、重載齒輪制造的一個重要趨勢。在齒輪制造技術(shù)方面重點是進行硬齒面加工，尤其是大型硬齒面齒輪

21、的切切與熱處理工藝的發(fā)展，如超硬切齒、滾內(nèi)齒、成形磨齒、大模數(shù)齒輪珩齒、彈性砂輪拋光、輪齒修形、以及深層沙碳等新工藝正在生產(chǎn)上不斷地試驗與應(yīng)用。 齒輪制造工藝的發(fā)展很大程度上表現(xiàn)在精度等級與生產(chǎn)效率的提高自七十年代以來各種齒輪的制造精度，普遍提高一級左右有的甚至23級一般低速齒輪精度由過去的89級提高到78級。機床齒輪由68級提高到46級軋機齒輪由78級提高到56級。 對于模數(shù)不大的中小規(guī)格齒輪，由于高性能滾齒機的開發(fā)，加上刀具材料的改善，滾齒效率有了顯著提高。采用多頭滾刀，在大進給條件下，可達到的切削速度為90m/s。如用超硬滾刀加工模數(shù)3左右的調(diào)質(zhì)鋼齒輪，切削過度可達200ms第三章 齒輪

22、的種類及應(yīng)用范圍一 齒輪的種類按照齒圈上輪齒的分布形式，可分為直齒，斜齒，人字齒輪；按照齒圈上輪齒的齒形，可分為漸開線齒輪和擺線齒輪等；按照輪體的結(jié)構(gòu)特點，齒輪大致分為盤形齒輪，套筒齒輪，內(nèi)齒輪，軸齒輪，扇形齒輪和齒條等。以上各種齒輪中，以漸開線齒形直齒盤形圓柱齒輪應(yīng)用最為廣泛。盤形齒輪的內(nèi)孔多位精度較高的圓柱孔或花鍵孔，其輪沿具有一個或幾個齒圈。單齒圈齒輪的結(jié)構(gòu)工藝性最好，可采用任何一種齒形加工方法加工齒輪；雙聯(lián)或三聯(lián)等多齒圈齒輪。齒輪精密鍛造技術(shù)源于德國。早在50 年代，由于缺乏足夠的齒輪加工機床，德國人開始用閉式熱模鍛的方法試制錐齒輪。其中的主要特征是使用了當(dāng)時很新的電火花加工工藝來制造

23、鍛模的型腔。另外還對鍛造工藝過程進行了嚴格地控制。在此基礎(chǔ)上，齒輪鍛造技術(shù)進一步應(yīng)用到螺旋錐齒輪和圓柱齒輪的生產(chǎn)。但是在圓柱齒輪鍛造中，由于金屬材料的塑性流動方向與其受力方向垂直，所以其齒形比錐齒輪更難形成。60 年代開始圓柱齒輪的鍛造研究，70 年代有較大的發(fā)展，這主要是受到來自汽車工業(yè)降低成本的壓力。到80 年代，鍛造技術(shù)更加成熟，能達到更高的精度和一致性，使鍛造生產(chǎn)齒輪能在流水生產(chǎn)線上準確定位，適合于批量生產(chǎn)。 齒輪精密鍛造的目的是直接生產(chǎn)出不需要后續(xù)切削加工的齒輪。如果能在室溫下進行鍛造，則齒輪的形狀和尺寸較易控制，也可避免高溫帶來的誤差。目前已有較多的錐齒輪和小尺寸的圓柱齒輪用這種方

24、法制成。當(dāng)整體尺寸適合時，還可以用冷擠壓的工藝來制造圓柱直、斜齒輪。但大部分用于汽車傳動的齒輪，其直徑、高度比較大，不適合采用擠壓工藝。如用閉式模鍛，則需要很高的壓力才能使金屬材料流動并充滿模具型腔，因而此類齒輪需要采用熱鍛或溫鍛工藝。而高溫將帶來材料的氧化，模具畸變，影響鍛件的精度和表面質(zhì)量。用附加的切削加工來修正這些誤差難度較大，還要增加成本。特別是當(dāng)使用后續(xù)磨削工藝來修正齒形上的誤差，除增加成本和延長工時外，還存在磨削工藝中齒輪的定位問題。目前，比較一致認同的工藝途徑為熱鍛、溫鍛和冷鍛的結(jié)合。熱鍛、溫鍛可實現(xiàn)高效能和材料的高利用率，冷鍛過程則修正熱、溫鍛過程的誤差和提高表面質(zhì)量。同時，冷

25、處理工藝還能使輪齒表面獲得殘余壓應(yīng)力，提高齒輪的壽命。二 齒輪的應(yīng)用空心圓柱坯常用于空心軸對稱零件或齒輪的鍛造。圖1 為一用于圓柱直齒輪的閉式模鍛的設(shè)計。圖中右側(cè)顯示鍛造前的情形，左側(cè)顯示鍛造后的情形。該模具由上模(沖頭) ，下模(反沖頭) ，芯棒和具有輪廓的型腔構(gòu)成(如圖所示) 。模具型腔部分由彈簧支承，在鍛造過程中，沖頭隨壓機滑塊一起向下運動，并帶動模具型腔向下運動。由于沖頭只需封住型腔上表面，無需壓入型腔，因此沖頭可作成簡單的形狀。該設(shè)計中沖頭為一階梯圓柱形狀。反向沖頭在鍛造過程中保持靜止，在鍛造后把齒輪頂出型腔。芯棒此處與沖頭連成一體，用來幫助毛坯的定位。由于型腔在鍛造過程中與鍛件一起

26、運動，型腔與鍛件之間的摩擦力將有助于金屬流動，所需載荷也比型腔固定時低。鍛件的形狀不僅受高溫?zé)崤蛎浀挠绊?，而且與模具的彈性變形有關(guān)，后者與載荷和徑向壓力有關(guān)。在齒輪鍛造中，輪齒的角部最后形成。正是在此最后填充階段，載荷急劇上升。例子顯示，沖頭最后的013mm 的沖程(112 %的總變形)會導(dǎo)致增加50 %的載荷?？梢詮哪＞咴O(shè)計上加以考慮來減小載荷。比如引入倒角可使金屬易于流入輪齒的上下角部；由此帶來的端部余量可在后續(xù)切削工序中容易地去掉。這樣一來，模具的畸變減小，壽命延長，鍛件精度提高。對本文涉及的關(guān)于圓柱直齒輪的例子，詳細分析了幾種可能的模具設(shè)計方案：如把模具型腔固定，對沖頭和沖頭倒角，并用

27、有限元分析了各種情形下金屬的流動、輪齒的形成和鍛造載荷的變化。文中還討論了磨擦在各種條件下對變形和載荷的影響。 圖2 為一按圖1 所示設(shè)計制造的模具，裝配在伯明翰大學(xué)機械工程學(xué)院的一臺1200t 的機械壓力機上。上下模具的相對定位是通過兩套筒實現(xiàn)的。通過實踐，證實高效率的鍛造是可行的。采用同一模架，對模具型腔作些修改，還完成了圓柱直齒輪和斜齒輪以及復(fù)合齒輪的鍛造。冷處理工藝 熱、溫鍛工藝作為齒輪精密鍛造的第一階段，相對而言比較容易控制，因為鍛造齒輪有一定余量可以調(diào)節(jié)。而冷成形工藝則需要相當(dāng)高的精度。當(dāng)把鍛造齒輪擠過冷成形模具后，形狀應(yīng)該達到最后要求，無需再加工。對輪齒而言，輪廓的精度要求在10

28、m 左右，對模具的設(shè)計提出非常高的要求。 在齒輪冷成形(精整) 工藝中，齒輪被逐漸擠過冷成形模具，模具的內(nèi)應(yīng)力和變形與齒輪的位置有關(guān)。特別是徑向壓力的變化將決定模具的變形，如能設(shè)計適當(dāng)?shù)哪＞咝螤?，模具的變形可以被加以利用。比如，?dāng)齒輪在模具入口和出口處，模具的受力相對小些，因此變形也相對小些。當(dāng)齒輪在模具中部時，模具的變形就相對大些。該特征有可能被利用來獲得具有鼓形的輪齒。文獻6 用角度的空心圓柱形零件對鼓形成作了理論分析和實驗研究。 有限元法被用于齒輪冷成形(精整) 工藝，分析模具的變形、齒輪的變形和回彈?？紤]了鍛造齒輪的余量、模具形狀、尺寸和結(jié)構(gòu)對最終產(chǎn)品的影響。圖5 為一用于分析圓柱直齒

29、輪冷成形過程的有限模型。沖頭的變形對齒輪的形狀影響不大，所以在有限元模型中可處理為剛性體。而模具型腔的變形則直接影響輪廓的形狀和尺寸，因此模具按變形體模擬。冷處理過程中，只有輪齒表面發(fā)生塑性變形，輪齒內(nèi)部和輪齒的大部分區(qū)域處于彈性變形狀態(tài)。彈性回復(fù)的比例很大，必須用彈塑性材料模型才能預(yù)計輪廓的最后形狀圖6 為一用于圓柱直齒輪冷成形的模具。沖頭與芯棒作為一體，裝在壓機的上滑塊上。芯棒與鍛造齒輪孔之間有微小間隙，它不用來定位，只用來幫助導(dǎo)向。因為在鍛造過程中，只保證輪齒的精度而不能保證內(nèi)孔的精度。齒輪進入模具型腔也是靠模具的倒角導(dǎo)入。如果要用于斜齒輪的精整，齒輪在擠入過程中會轉(zhuǎn)動。需在沖頭于壓機之

30、間裝配一滾動軸承，使沖頭能隨之轉(zhuǎn)動。另外在擠壓斜齒輪時，輪齒兩側(cè)受力不對稱，變形也不相同，可把該齒輪反向再擠一次。事實上，直齒輪也可用兩次處理，這樣不但輪齒形狀較好，而且表面的殘余應(yīng)力狀態(tài)也比一次擠壓效果好。經(jīng)過實驗，單次擠壓可獲得20MPa50MPa 的殘余壓應(yīng)力，兩次處理可使殘余壓應(yīng)力達到100MPa 左右8 。 圖7 為一圓柱直齒輪冷成形的分析和實驗結(jié)果。用坐標測量機對冷擠齒輪的輪廓進行測量，并與有限元預(yù)測的結(jié)果相比較。圖中顯示了鍛造齒輪、模具、實測的精整齒輪以及有限元計算的輪廓?？梢钥闯?，理論分析與實際測量吻合較好。從分析可準確估計輪廓的回彈量，從而精確地設(shè)計模具的尺寸和形狀。冷成形的

31、另一優(yōu)點是改善輪齒的表面質(zhì)量，實驗表明，其光潔度達到Ra = 1m 以下，滿足輪齒加工的要求8 。 模具制造與齒輪的測量 冷成形模具的精度是齒輪精密鍛造技術(shù)的關(guān)鍵。目前的分析手段已經(jīng)發(fā)展到一定水平，可以考慮多種影響因素，精確地設(shè)計模具。但要制造出高精度的模具，還有很多困難，尤其是齒輪精鍛模的輪齒，更難加工。因為要補償齒輪的彈性回復(fù)和模具的彈性變形，模具的齒輪輪廓不再是標準的漸開線。因此，為模具廠家提供的數(shù)據(jù)不是齒輪的標準參數(shù)，而是描述輪廓的數(shù)據(jù)坐標，通常要求精度在5m 以內(nèi)。對直齒輪的模具，可用線切割加工；但對斜齒輪的模具，則需用電解加工。線切割加工可接近5m 的精度，但這超過了一般電解加工的

32、精度。再用磨削工藝來提高精度，必須注意到其輪廓不是標準齒輪。在本文提到的研究課題中，模具的制造就經(jīng)過了兩次以上的加工和修正。 齒輪精密鍛造技術(shù)的另一關(guān)鍵是測量，包括模具和齒輪的測量。由于模具的輪齒為非標準齒輪，不能用一標準齒輪來作比較進行測量，也存在模數(shù)和其他參數(shù)的誤差。 測量鍛造齒輪的關(guān)鍵困難是其缺乏精確的基準。用常規(guī)方法切削加工齒輪，其內(nèi)孔同時作為輪齒加工和測量的基準。但用鍛造方法獲得的齒輪內(nèi)孔的精度有限，不能作為測量的基準。事實上只有輪齒才有精密的特性。因此，如果用標準的齒輪測量設(shè)備來測量鍛造齒輪，很難避免定位誤差。常有這樣一種情況，輪廓能精確測量并滿足精度要求，但很難確定其精度等級。

33、第四章 齒輪加工方法及工藝過程一 加工方法齒輪輪齒的加工方法很多，如切削、鑄造、軋制、沖壓等，其中常用的是切削加工方法。切削加工方法分為成形法和范成法兩類。 1 成形法成形法是在銑床上用具有漸開線齒形的成形銑刀直接切出齒形。常用的有圓盤銑刀圖334(a)和指狀銑刀圖334(b)兩種。切齒加工時，銑刀旋轉(zhuǎn)，同時輪坯沿齒輪軸線方向移動。銑出一個齒槽以后，將輪坯轉(zhuǎn)過360°/z，再銑第二個齒槽。其余依此類推。這種切齒方法簡單，不需要專用機床，但生產(chǎn)率低，精度低，故僅適用單件或小批量生產(chǎn)及精度要求不高的齒輪加工。 2范成法 范成法是利用齒輪的嚙合原理進行加工齒輪的一種方法。這種方法強制刀具同

34、工件（輪坯）相對運動同時進行切削。它們之間的運動關(guān)系同一對齒輪嚙合一樣，以此來保證齒形的正確和分齒的均勻。對于模數(shù) m 和壓力角 a 都相同而齒數(shù)不同的齒輪，可以用同一刀具進行加工。用范成法切齒的常用刀具如下。1）齒輪插刀 齒輪插刀的形狀如圖335（a）所示，刀具頂部比正常齒高出c*m，以便切出齒頂間隙部分。 插齒時，插刀沿輪坯軸線方向作往復(fù)切削運動，同時強迫插刀與輪坯模仿一對齒輪傳動那樣以一定的傳動比轉(zhuǎn)動圖335（b），直至全部齒槽切削完畢。 插齒刀的齒廓是精確的漸開線，所以插制的齒輪也是漸開線。根據(jù)正確嚙合條件，被切齒輪的模數(shù)和壓力角必定與插刀的模數(shù)和壓力角相等，故用同一把插刀切出的齒輪都

35、能正確嚙合。 2）齒條插刀 圖336為利用齒條插刀加工齒輪的情形。當(dāng)齒輪插刀的齒數(shù)增加到無窮多時，其基圓半徑變?yōu)闊o窮大，漸開線齒廓變?yōu)橹本€齒廓，齒輪插刀變?yōu)辇X條插刀。圖337表示齒條插刀齒廓的形狀，其頂部比傳動用的齒條高出c*m，以便切出傳動時的徑向間隙。因齒條的齒廓為一直線，由圖可見，不論在中線上還是在與中線平行的其他任一直線上，它們都具有相同的周節(jié)p(pm)、相同的模數(shù)m和相同的齒廓壓力角a。對于齒條刀具，a稱為刀具角，其大小與齒輪分度圓上的壓力角相等3）齒輪滾刀 以上兩種加工方法的原理都是基于齒輪的嚙合原理，加工精度較高，但都只能間斷切削，生產(chǎn)率較低。目前廣泛采用齒輪滾刀，它能連續(xù)切削，生產(chǎn)率較高。圖338（a）（b）分別表示滾刀及其加工齒輪的情況。滾刀形狀很象螺旋，其軸向剖面為具有直線齒形齒廓的齒條。滾刀轉(zhuǎn)動時就相當(dāng)于齒條移動，這樣便按范成原理切出輪坯的漸開線齒廓。滾刀除刀旋轉(zhuǎn)外，還沿輪坯的軸向進刀，以便切出整個齒寬。滾切直齒輪時，因為滾刀的螺旋是傾斜的，為了使刀齒螺旋線方向與被切輪齒方向一致，在安裝滾刀時需使其軸線與輪坯端面成一滾刀升角 。二 工藝過程1. 定位基準的選擇兩種定位方式（1） 內(nèi)孔和端面定位即依靠齒坯內(nèi)孔與夾