剃齿刀优化设计与应用【通过答辩毕业论文+CAD图纸】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 摘 要 剃齿作为一种齿轮精加工工艺，具有效率高、方便经济等特点。在剃齿加工中，被剃齿轮的齿形和粗糙度是否合格，是衡量一把剃齿刀设计是否合理最为关键的因素。本设计从剃齿原理上分析了产生被齿轮齿形畸变的原因，从而推导出按照齿面平衡接触条件下，选择剃齿刀啮合角的齿形的设计方法。同时，采用呈螺旋分布的切削小刃的设计方法，以及径向剃齿的方式，来解决被剃齿轮齿面粗糙度和剃齿效率问题。按此方法设计加工的剃齿刀经用户使用后，普遍反映剃齿刀齿形较以前更容易修合格，被剃齿轮齿面粗糙度也更好了，且剃齿的效率也提高了百分之三十左 右。通过本次设计， 改造了传统的生产方式和工艺，全面提升了剃齿刀技术水平和产品档次。 关键词：剃齿刀平衡接触剃齿 径向剃齿 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 目 录 中文摘要 1. 引言 1 2. 剃齿刀及剃齿的基本原理简介 1 齿刀简介 1 齿的基本原理 2 3. 剃齿刀 的优化设计及计算方法 2 响剃齿精度的因素 2 齿刀的优化设计 3 统剃齿刀设计存在的问题 3 现平衡接触条件下剃齿是保证剃齿质量的关键 5 例验算 8 4. 径向剃齿刀简介 10 向剃齿简介 10 向剃齿刀容屑槽的分布要求 11 5. 针对用户齿轮参数的设计计算实例 12 6. 设计总结 15 参考文献 16 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 1 引言 从 20世纪 80年代开始，在世界制造业发展及制造技术进步的强劲带动下，现代切削技术进入了以发展高速切削、开发新的切削工艺和加工 方法、提供成套技术为特征的发展新阶段。为了应对 家正大力扶持汽车、摩托车等支柱产业，这是制齿机床及切削刀具发展的一次历史性机遇。国内刀具制造企业通过改变传统的加工工艺，使切削效率成倍提高，加工质量、控制精度、自动化程度大大提升，从而加速汽车、摩托车等相关行业的加工能力的升级换代，提高其国际竞争能力。 本次设计从剃齿最基本原理着手进行分析，推导出最佳的设计方案，采用新技术、新工艺、新设备等高新技术，改造了传统的生产方式和工艺，全面提升产品的档次，缩小了国内刀具技术水平与发达国家的差距。 同时， 还能部分替代进口，对我国刀具行业的产品升级换代做出了积极的贡献。 2 剃齿刀及剃齿的基本原理简介 齿刀简介 剃齿刀是在齿轮加工中常用的一种齿轮精加工刀具。其加工的主要优点是生产效率高，加工一个齿轮最快仅需几十秒钟，且使用寿命长，故在大批量齿轮加工中使用较多。剃齿后齿轮精度可达 6 7 级，齿面粗糙度达到 年来，随着径向剃齿刀越来越广范的使用，剃齿刀的加工效率和加工精度得到了进一步的提高，这种加工方法也得到了业内人士的密切关注。 目前，比较常用的剃齿方式主要有轴向剃齿和径向剃齿。轴向剃齿主 要是：为保证齿轮全部齿宽都能加工到，剃齿刀有沿齿轮轴线方向的进给，齿轮每转一转进给量 S 约为 轮有向上的径向进给，工作台每行程进给量 为 提高加工齿轮的质量，最后不加垂直进给而令工作台有 24 次光整行程。径向剃齿时，剃齿刀不需要轴向进给运动，它只有沿半径方向的切入进给，比普通的轴向剃齿方法效率要提高很多倍。径向剃齿的剃削速度大约在 80 150m/和工件的模数、齿数、材料以及剃削轴交角有关。径向进给速度在 3mm/围内选择，留剃量控制在 右。由于径向剃齿要求在不作轴向进给的条件下加工出齿轮全部齿宽，因此刀具的宽度总买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 要大于工件宽度。 齿的基本原理 剃齿刀加工齿轮时成交错轴空间螺旋齿轮啮合。剃齿刀装在机床主轴上，被剃齿轮装在工作台上的顶针间，剃齿刀旋转带动齿轮转动（见图 剃齿刀与被加工齿轮形成无侧隙啮合自由对滚，齿面间的相对滑移速度产生切削力。轴向剃齿刀加工齿轮时，切削运动来源于两方面：螺旋齿轮啮合时的齿面滑移运动和剃齿刀沿齿轮轴线的纵向进给运动。由于啮合时接触点是变化的，所以剃齿刀工作时的切削速度在刀齿的不 同高度是变化的，剃齿时的切削速度实际就是剃齿刀和齿轮齿面之间的相对滑移速度，即二者沿齿长方向的运动速度差。根据对某剃齿刀和零件分析的结果看，齿顶和齿根的切削速度都比节圆处要大不少。由于剃齿过程的特点，实际生产使用的剃齿刀主要磨损处多数是在节圆附近。 图 齿刀的工作原理 3 剃齿刀的优化设计及计算方法 响剃齿精度的因素 1）剃前齿轮的加工精度对剃齿后齿轮的精度影响很大，一般情况剃前齿轮的精度只能比剃后齿轮要求的精度低一级。例如成品齿轮要求 7 级精度时，要求剃前齿轮应有 8 级精度；如最后要求齿 轮为 6 级精度时，则剃前齿轮应有 7 级精度。如果剃前齿轮的精度太差则虽增加剃齿时留量，仍无助于提高剃齿后齿轮的精度，这一点和磨齿不同。 由于剃齿时因机床上无传动链不是强迫传动，对于修正齿距累积误差的能力买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 较差，因此，剃前齿轮要求有较高的齿距精度。由于滚齿加工可达到较高的齿距精度，因此，在条件允许时剃前齿轮尽可能采用滚齿加工。 2）剃齿时留剃量应适当。在齿面应有厚度为 2 的留剃量，齿轮根部应有适量的沉切，使剃齿刀的齿顶不参加切削过程，沉切深度不宜过大（ 免降低齿轮强度，齿轮齿顶应有修缘，以免剃 齿后齿顶处挤出毛刺。剃齿后得到的齿形为 K 点应略低于齿轮和配对齿轮啮合时的有效渐开线齿形起点 F，以保证齿轮正常啮合工作。齿面留剃量 2 应取得适当，过小则不能保证要求的剃齿精度，过大则将延长剃齿时间和降低剃齿刀的耐用度。要提高剃齿精度并同时提高剃齿生产率，可提高剃前齿轮的精度，剃前齿轮加工精度提高后可以减少剃齿留量。 3）剃齿时的切削用量对精度也有很大影响。人们经常将齿轮齿形的好坏完全归结于剃齿刀的齿形形状。剃齿刀的齿形固然在很大程度上决定着被剃齿轮的齿形形状，但这不是唯一的因素，剃齿时的切削用量对齿轮齿形 也有着一定影响。这是因为剃齿齿形是剃齿过程中工艺系统弹性变形的综合产物。工艺系统的变形是与所采用的工艺参数分不开的，下面的剃齿实例可说明这一现象。采用的剃齿刀参数为： 20 12 形实际中凹量为 2，压力角加大 6。剃齿首先采用的剃齿用量为：剃齿刀的转速 130 转 /分，径向进给速度分别为： 2 mm/1.2 mm/0.7 mm/0.5 mm/歇时间 1，剃一件齿轮的时间为 19。剃齿结果为齿形中凹 3，不能满足齿轮的齿形精度要求。为改善剃齿精 度，在没有重新修磨剃齿刀的条件下，保持先前采用的剃齿用量，但将每一工步的停留时间加长到 3，总的剃齿时间为 27 28。所剃齿轮的齿形为中凸 5，完全满足了齿轮齿形的设计要求。 齿刀的优化设计 统剃齿刀设计存在的问题 根据实际工作经验，如剃齿刀是完全标准的渐开线齿形，剃出的齿轮不易得到要求的渐开线齿形，齿形是有误差的。在不同情况下这误差发生的位置和数值亦不同，最常见的是齿形产出中凹现象。用直齿剃齿刀加工斜齿轮时，加工处的齿轮齿形误差较小；而用斜齿剃齿刀加工直齿轮时产生误差就较 大，渐开线齿形买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 中凹较严重，可达 右。被加工齿轮齿数多时，剃齿后的误差小些；而齿轮齿数少时，剃出齿轮的齿形误差就可能很大。齿面接触区不够稳定以及剃齿刀的使用寿命低，这一现象是一直困扰齿轮加工，特别是剃齿加工的一大难题。下面我们来分析一下产生这一现象的原因，以及尽可能避免这一现象的剃齿刀优化设计方法。 剃削时，剃齿刀与齿轮处于无侧隙的啮合状态，轮齿的两侧位于啮合线的点常与剃刀刀齿上的对应点同时接触。在啮合线的啮合区中同时存在的齿轮齿廓与剃刀齿廓接触点数是变化的，这是由于剃齿时刀齿和轮齿在啮 合线上向前移动，不断有新的剃刀刀齿和齿轮轮齿进入啮合，同时推动前面的啮合齿廓离开啮合区间，脱离啮合的动态过程所造成。在整个啮合区内的啮合齿廓数随齿位的不同而不同，可能是 2、 3，也可能是 4 甚至是 5（ 见图 图 齿过程中接触齿廓数的变化 长期以来，在剃齿刀设计的参数选择上，往往没有考虑到剃齿刀与被加工齿轮无侧隙啮合时，由于接触齿廓数的变化进而带来的接触压力的变化情况，很随意地选用新剃齿刀节圆上法向啮合角 n 与齿轮分度圆上的压力角接近或相等。采用这种设计方法，剃齿刀在设计、制造及使用上都存在 很多缺陷，直接影响了剃齿的效果。使用这种方法设计的剃齿刀加工齿轮，首先带来的问题是齿形达不到用户要求，最常见的现象还是齿形的中凹问题。目前，在剃齿加工中，解决齿轮齿形中凹问题的办法还是只能采用对剃齿刀的齿形曲线进行修形。但采用这种办法又具有明显的缺陷。首先，剃齿刀的齿形曲线本身就难于刃磨，刃磨设买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 备需要花很大的成本从国外进口，一般的齿轮加工厂家根本承受不起。其次，即使对剃齿刀齿形进行了修形，在生产加工中也容易出现加工出的齿轮齿形不稳定，每次剃齿刀刃磨后磨损较快、加工的齿轮件数较少等问题。另外，采用这种设计方法 ，特别是当选择新剃齿刀节圆上法向啮合角 n时，往往会出现生产出的剃齿刀齿顶较尖，梳齿槽后齿顶部分强度较差，刀齿齿顶在加工齿轮时容易造成崩刃等问题。同时，又会造成剃齿刀齿根处的法向齿槽宽较窄，给梳齿槽及磨削齿形时都增大了难度。 现平衡接触条件下剃齿是保证剃齿质量的关键 由于剃齿刀设计的缺陷，剃齿端面重叠系数选择不当，在啮合区间的不同齿位上同时啮合的齿廓数经常是有一段两个齿廓接触，有三段三个齿廓接触及两段四个齿廓接触。两个齿廓接触区间的中点过剃齿的中心线，并距两侧二分之一基节的位置就是两段四个齿 廓接触区的中心位置。实践证明，在上述三点上齿轮的齿形不会产生误差。将剃齿齿形误差沿着啮合线描绘出来，三段偶数接触区的中点上的齿形点均位于零位，也就是说在这些点上无齿形误差。而齿形误差的最大值出现在三段三齿廓接触区间的中间位置上。在中间的三点接触区上，在这一侧只有一个齿廓接触。由于这一点几乎承担了剃齿接触压力的 50，故在这一点上剃出的余量最多，而在另两个三齿廓接触区上，此侧均有两齿廓接触，接触压力最小，剃出的金属量最少，故该点齿面最高。要消除上述齿形误差，消除奇数齿廓接触区，或将其降至最小，将剃齿接触压力的 变化控制在尽可能小的范围内是剃齿刀设计要解决的问题。 如果我们采用剃齿刀的优化设计，避免在啮合区上的奇数齿廓接触，使得在左右两侧有相同数量的齿廓接触，即在啮合中接触齿廓的总数为偶数，从而实现对称剃齿或叫平衡剃齿，就将大大改善由于采用传统设计方法造成的上述弊端，提高剃齿刀的使用效果，从而提高剃齿质量。下面我们就来推导一下剃齿刀与工件在平衡接触条件下啮合角 以直齿轮为例，当剃齿到齿轮基圆直径 ，就可以推导计算出平衡接触条件下的啮合角 n（选节点在轮齿中线上时）。 （ 见图 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 图 衡接触条件下剃齿到基圆直径时的啮合角 = 2m a （ to （ 式中： 2m （ （ 2 do （ 式中： 基圆上的弧齿厚 m a （ )m a x(21 d o in （ 将式（ 入式（ 并由于 化简后得： 0174533.0 （ 单位：度） （ 式中：齿轮基圆上的弧齿厚为： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 gd o in c o s 解式（ 得到平衡接触条件下的压力角。但此式仅适用于直齿轮剃到于剃齿剃到 时最终的啮合点位于 （见图 则 : 2m 由于 离不用于有效接触，故 为有效接触线。按上述方法，同样可求得平衡接触条件下的压力角为： o 0 1 7 4 5 33.0 m a x （单位：度） （ 式（ 出了对于剃到 衡接触条件下的压力角。 对于斜齿轮，还需要将端面压力角换算成法向啮合角： )s in s in(s （ 式中： 为斜齿轮分度圆法向压力角； 为斜齿轮分度圆端面压力角。 图 衡接触条件下剃齿到基圆以上某点时的啮合角 至此，我们已经推导出直齿轮、斜齿轮在平衡接触条件下的节圆法向压力角 n。以此来选择剃齿刀节圆上的法向 啮合 角，加之配合确定合理的剃齿超越量，剃齿刀的基本参数就可以确定了。实践证明，以上述方法为依据优化设计的剃齿刀剃出的产品，不但齿形中凹现象得以消除，剃齿刀的耐用度也得到大大提高。买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 与此同时，剃齿刀的齿顶的强度增强了，剃齿刀切削小槽加工也容易得多了，剃齿刀的 重磨也大大方便了。 例验算 用户提供的工件参数见下面的剃齿刀订货卡： 通过对用户提供的齿轮参数来看，工件齿数较少 2，根据我们前面的分析，对于这种少齿数的齿轮，如果按以前通常的设计方法设计剃齿刀 (剃齿刀与工件的啮合角取到 20左右 )，由于剃齿刀与齿轮啮合时重叠系数较小，奇数齿廓接触区域相对较长，齿轮的节圆附近相对于其它区域接触压力加大，会造成剃削的金属不均。因此，剃出的齿形极易形成中凹现象（见实际剃出的齿形图买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 图 传统方法设计的剃齿刀剃出齿轮齿形图 但如果我们 按照前面介绍的方法，采用平衡接触条件下的啮合角设计该剃齿刀，中凹现象就会随之消除。下面是具体每一步的计算： 1）计算齿轮齿顶的渐开线展开长度 e 根据公式： 2/22 （ = 2/3 7 1 2 =）计算齿轮最低啮合点的渐开线展开长度 i 通过用户提供的齿轮副中心距，以及配对齿轮参数，我们可算出被剃齿轮的渐开线起始圆直径以及展开长度。 公式： c ( （ 式中： 12合角 7 8 3 0c o s)2612(25.2(c o s)2 c o s)(c o s 121112 由公式： 222212s in （ = 22 3 =）计算齿轮基圆处的弧齿厚 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 由公式： )( in （ )1(co s/ in （ = )2012)12(o s/ i n v =in vS o =）计算平衡接触条件下压力角 根据公式（ o*0 1 7 4 5 33.0 m a x = 37 45 8 0 = 下面的图 是我们根据上面的计算结果，选取平衡接触条件下的啮合角所设计的剃齿刀所剃出的工件齿形图。由图可见，齿轮齿形中凹现象已完全解决，说明剃齿刀优化设计已取得了预期的效果。 图 化设计的剃齿刀剃出齿轮齿形图 4 径向剃齿刀简介 向剃齿简介 在前面的分析中，我们解决了在剃齿加工中常会遇到的齿形不好，即经常会出现的齿形中凹问题。但是，在实际的剃齿生产加工过程中，还时常会遇到表面买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 粗糙度不好，加工效率低等问题。要解决这一问题，我们将通过改变传统的剃齿方式，采用更为先进的一种 剃齿方式 径向剃齿。径向剃齿时，剃齿刀不需要轴向进给运动，它只有沿直径方向的径向进给运动，故它的加工效率较普通轴向剃齿提高很多。加工一件齿轮一般仅需十几秒钟，有的甚至更快。径向剃齿的切削速度一般在 80 180 转 /分，它和剃削轴交角、工件齿数、和工件材料有关。径向径给速度在 3mm/间选择，而留剃量与轴向剃齿差不多，间。由于径向剃齿要求在不作轴向进给的条件下加工出齿轮全齿宽，因此，径向剃齿刀的宽度会根据齿轮的宽度设计而定。 向剃齿刀容屑槽的分布要求 在轴向剃 齿时，由于在加工过程中，有机床完成的剃齿刀沿轴向的进刀运动，故对齿面小槽的位置无特殊要求。但对于径向剃齿，由于没有剃齿刀与被加工齿轮沿轴向的相对运动，加工中沿齿轮轴向的切削运动是剃齿时，剃刀和齿轮轴线相交，及剃刀和齿轮的回转运动中产生了刀刃在齿轮齿面上的相对滑移运动，这一滑移运动的行程远小于剃齿刀齿面小槽的槽距。因此，仅靠普通轴向剃齿刀齿面上平行分布的小齿是不能完成径向剃齿的，这样的剃齿刀不能剃除全齿面上的剃齿余量。为实现径向剃齿，径向剃齿刀的容屑槽必须呈螺旋排列。 关于容屑槽的尺寸设计与小齿错位量的计算， 有多种方法，不同的剃齿刀生产厂家有不同的取法，但基本的原则是一样的。那就是： 1）剃齿刀的齿数与被剃齿轮的齿数不能有公约数，否则，会造成齿轮齿面剃齿不均。 2）剃齿刀和齿轮齿数与剃齿刀容屑槽分布的螺旋方向应与剃齿轴交角方向保持适当的关系。 其排列的基本原则如下： 令小槽齿距为 t,切削刃沿剃齿刀圆周作螺旋排列，它的导程为 T T= (N=1,2,3, ) （ 设工件齿数为 具齿数为 Z，则当工件旋转几转后，螺旋线沿刀具轴线 的位移量 L=mt+s （ 式中： 而： m=) （ S=) （ 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 L=t 1 （ 式中 : 是剃齿速比 将（ 代人（ 得到： S=t( （ n=1,2,3,） （ 式中： S 值的选择十分重要，一般要求在 间。如果选择不当，齿轮齿面粗糙度将达不到相应的要求。合适的错位量设计，能够保证被剃齿轮的齿面粗糙度，即达到 下。 常用径向剃齿刀容屑槽槽距的推荐值见表 剃齿轮模数 容屑槽槽距 小齿宽度 小槽宽度 用径向剃齿刀容屑槽槽距的推荐值 5 针对用户齿轮参数的设计计算实例 近年来，我公司 运用当代计算机技术，采用图形工作站，成功地实现了有效集 成。因此， 根据我公司运用以上设计原理编制而成的二次开发的产品设计程序，可以比较容易地得到优化设计的剃刀设计图及其加工工艺。现有用户提供的被剃齿轮参数及齿轮图（见附图 1）。 用户提供的行星轮参数为： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 模数： 齿数： 16，压力角： 螺旋角： 0，公法线长度（跨3齿）： 径： 径： 过已知条件计算得到的渐开线起始圆直径： 配对齿轮参数：齿数： 25，外径： 心距： 79 剃齿刀基本参数为：齿数： 61，分度圆螺旋角： 12 输入参数见下面程序输入窗体： 设计实例程序输入窗体 1 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 设计实例程序输入窗体 2 设计实例程序输入窗体 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 专业论文设计图纸资料在线提供，优质质量，答辩无忧 采用本程序设计的剃齿刀经用户使用后，渐开线起始圆、终止圆都到达用户要求。最关键的是少齿数齿轮剃齿后，最容易出现的齿形中凹问题解决了，剃后齿面粗糙度也达到用户要求，用户对使用效果十分满意。该刀具经用户第一次使用就取得成功。附：刀具设计图（附图 2）、用户会签图（附图 3） 6 设计总结 从上述分析、计算以及实际应用情况来看，可得出以下结论： 1）本次设计是针对我公司实际生产加工过程中， 长期困扰我们的剃齿过程中的种种问题而提出的。通过对剃齿过程的分析，特别是针对剃齿过程中经常出现的齿形中凹问题，从齿轮在啮合过程中的受力情况，啮合过程中的接触平稳性，以及解决受力不均的办法