（机械工程专业论文）zy3nb1300型钻井泵人字齿轮的新型加工方法.pdf

兰i - h 理工大学t 程硕士学位论文 题目：z 兰! ! 二! q q 型笪荭垂厶皇鲎筮盟堑型翅王直鲨 研究生( 签名) ：垄垒弛 指导教师( 签名) ：碰事等 摘要 本项目是为了适应国内外对钻井泵的供不应求的现状面提出的。本文主 要以z y 3 n b 一1 3 0 0 型钻井泵的人字齿轮为研究对象，在借鉴国内外的先进制造 技术的基础上，研究窄退刀槽的人字齿轮的加工问题。它是针对本企业的实 际情况而提出一种新型的加工方法。 首先从齿轮加工机床、加工图样分析、刀具种类及应用范围、提高表面 质量途径及工装设计等方面进行了总体分析，对多种加工方法进行对比后进 行了窄退刀槽的人字齿轮总体工艺方案及工装的研究和制订，使其保持较高 的先进性、科学性和合理性。在确保产品质量的同时，尽可能充分优化工艺 方案，缩短生产周期，降低生产成本。 接着通过分析确定了人字齿轮的加工难点为：齿轮的齿面硬度较高为 h b 2 8 5 3 2 0 ，退刀槽很窄仅为8 m m ，并由此确定了在y 3 1 2 0 0 b 滚齿机上用指形齿 轮铣刀铣齿的加工方案，提出了将指形齿轮铣刀的几何形状及结构、刀具材 料的选择、切削用量的选择、切削液的选择等方面作为主要的研究方向。 然后，本文分别从截面法求指形齿轮铣刀的有效齿形的计算、粗精加工 用指形齿轮铣刀的形状和结构、刀具材料应具备的性能、各种刀具材料性能 分析、刀具材料与工件材料的匹配、切削用量三要素a 。f 、v 的选择、切削 液的种类、切削液的选择等方面作了详细的探讨和分析。并最终完成了加工 时所需的各项因素的确定。 最后，通过本厂的实际加工情况及应用效果表明，我所研究的在y 3 1 2 0 0 b 滚齿机上用指形齿轮铣刀铣窄退刀槽入字齿轮的新型加工方法，控制方法简 单且控制精度也达到了图样要求，误差在允许误差限之内，取得了较好的加 工效果，是现实而有效的。同时，此加工方法同样适用于其它型号的钻井泵 中的窄退刀槽的人字齿轮加工。 关键词：指形、铣刀、机床、人字齿轮、刀具、有效、齿形、切削 兰型些三奎兰王堡堡圭茎堡兰；! j ! ： 一 t h en e w p r o c e s sm e t h o d o fc h e v r o ng e a ro fz y 3 n b - 1 3 0 0d r i l l i n gp u m p p o s t g r a d u a t e ：l i x i u h u a n g u i d i n gp r o f e s s o t ：h uc h i b i n gz h a n gs h u b a o a b s t r a c t z h isi t e mi sp u tf o r w a r di no r d e rt os u i tt h eh o m ea n da b r o a dt o t h ep r e s e n ts i t u a t i o nt h a ts u p p l vf a l t ss h o r to fd e m a n do fw e l ld r i l l i n g p u m p t h e t e x tism a in 1yr e s e a r c ht h ec h e v r o ng e a ro fz y 3 n b l3 0 0 d r i l l i n gp u m p ，a n d o nt h ef o u n d a t i o n o fr e f e r e n c et h ea d v a n c e d m a n u f a c t u r et e c h n i a u eo fh o m ea n da b r o a d ，r e s e a r c ht h en e wp r o c e s s m e t h o do fn a r r o wr e l i e fg r o o v ec h e v r o ng e a r i tis an e wp r o c e s sm e t h o d b a s e do nt h er e a lc i r e u m s t a a c e so fo u rc o m p a n y f i r s t ，ic a r r yo nt h eo v e r a l la n a l y s i so ng e a rp r o c e s sm a t h i n e 、 d e s i g na n a l y s i s s 、t o o lk i n da n dt h ea p p l i c a t i o ns c o p e 、t h ew a yo f r a is i n gs u r f a c eq u a l i t y 、p r o c e s su n i td e s i g na n ds oo n t h o u g h t h e c o m p a r a t e v eo fs e r v e a l p r o c e s sm e t h o d s ，i d e c i d e dt h eo v e r a l l t e c h n 0 1 0 9 i c a lp r o c e s sa n dp r o c e s s t i n i to f t h en a r r o wr e l i e fg r o o v e c h e v r o ng e a ra n dm a k ei tk e e p i n gh i g h e ra d v a n c e dn a t u r e ，s c i e n c ea n d r e a s o n a b l e f u l l yo p t i m i z et h et e c h n o l o g ys c h e m ea sf a ra sp o s s i b l e ， a n ds h o r t e n st h ep r o d u c t i o r lc y c l ew h e ne n s u r i n gt h ep r o d u c tq u a l i t y ， a n dr e d u c e st h ec o s to fp r o d u c t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，id e f i n i t e d t h ep r o c e s sd i f f i c u l tp c i n to f c h e v r o ng e a r ：t o o t hf a c eh a r d n e s sish b 2 8 5 3 2 0 ：t h er e lie f g r o o v e i sv e r yn a r r o wo n t yf o r8 m m b yt h i s ，id e f i n e du s i n gf i n g e rg e a rm i l l in g c u t t e ro ny 3 1 2 0 0 bg e a r h o b b i n gm a c h i n et op r o c e s s i n g ia ls od e f i n i t e d t h er e s e a r e hd i r e c t i o n s ，i tis ：t h es h a p ea n ds t r u c t u r eo ff i n g e rg e a r m i l l i n gc u r t e r 、t 0 0 1 m a t e r i a ls e l e c t i o n 、c u t t i n gu s a g e s e l e c t i o n 、 c u t t i n g1 i6 1 u i d s e l e c t i o l la n de t c t h e n ，f r o mt h ec o m p u t a t i o no ft h ea c t i v ep r o f i l eo ft h ef i n g e rg e a r m i l l i n gc u t t e r ，t h es h a p ea n ds t r u c t a r eo ff i n g e rg e a rm i l l i n gc u t t e r ， p e r f o r m a n c eo ft 0 0 1m a t e r i a l s h o u l db eh a d ，v a r i o u st o o lm a t e r i a l 兰州理工犬学工程钡i ：学位论文 p e r f o r m a n c ea n a l y s i s s t h em a t c h i n go ft 0 0 1m a t e r i a la n dw o r k p i e c e m a t e j 7 i a l ，t h es e l e c t i o f to fc u t t i n gu s a g es u c ha sa ”f 、v ，k i n do ft h e c u t t i n gl i q u i da n ds e l e c t i o i lo fc u t t i n gli q u i da n de t c t h et e x th a v e ad e t a i l e da n a l y s i s f i h a l l y ，ia c c o m p l i s h e da 1 1f a c t o r st h a tp r o c e s s n e e d i n g f i h a l l y ，b yt h ew a yo ff a c t o r yf e s c h e sa p p l i c a t i o n ，i ti n d i c a t e d t h a tt h i sn e wp r o c e s sm e t h o d0 ft h en a r r o wr e li e fg r o o v ec h e v r o ng e a r isr e a la r l de f f e c t i v e t h em e t h o d0 fc o n t r o lis s i i i l d l ya n dt h ec 0 n t f 0 1 a c c u r a c yh a sa l s oa c h i e v e dt h ed r a w i n gr e q u i r e l n e n t ，a n dt h ee r f o ri s ir lt h ea 1 1 0 w a b l el i m i t i th a sg a in e db e t t o rp r o c e s se f f e c t 。a tt h e s 8 m et i m e ，t h is p r o c e s sm e t h o d i ss u i t a b le e q u a l l yf o r t h er l a r r o w r e l i e fg r o o v ec h e v r o n g e a r 0 f0 t h e rm o d e l d r i l l i n gp u m p k e y w o r d s ：f i n g e r 、r n i l l i n gc u t t e r 、m a c h i f i e 、c h e v r o n g e a r 、t 0 0 l 、 e f f e e t i v e 、c u t t i n g 、8 c t i v ep r o f i l e 2 兰州理工大学工程硕士学位论文 z y 3 n b - 1 3 0 0 型钻井泵人字齿轮的新型加工方法 1 1 课题研究的目的 第一章：绪论 本课题是2 0 0 3 年中原石油勘探局重要科技项目钻机部件研制中的重 要内容之一。 随着世界能源需求量的r 益增大和我国社会主义现代化建设的需要，油 田勘探开发的重要装备一石油钻井机械的世界需求量也越来越显示出其供不 应求的发展前景。其中钻机配套系统中的钻井泵是钻机主机系统的重要部件， 目前无论在国内还是国外均已经出现了供不应求的局顽。根据我对目前国内 石油加工行业的调查发现，在国内，钻井泵主要由兰州“兰石集团”的兰石 国民油井设备有限公司及宝鸡石油机械厂( 以下简称“宝石厂”) 两家制造。 产品的制造技术附加值很高，市场潜力巨大。为此，我决心进行钻井泵的制造 研究，以此提升我厂钻井机械装备的制造能力和工艺水平及产品的技术含量。 使我厂真正走在石油机械制造的前列。 经过对钻井泵各零部件的分析，我发现限于我厂的实际情况，其中人字 齿轮的制造难度非常大，其主要加工难点在于其退刀槽很窄只有8 m m ，而我厂 的此类大型齿轮的加工机床只有y 3 1 2 0 0 b 滚齿机，若齿轮滚刀加工齿形则需 要的退刀槽为1 0 0 m m 。从国内看，目前主要以国外进口的数控刨齿机和数控插 齿机来加工此种窄退刀槽的人字齿轮，而我厂缺乏相应的加工装备，若购买 则需约1 0 0 0 万元台左右，若采用外协方案则周期长，质量有时无法保证，严 重影响整台钻井泵的完成：为此，在本厂现有设备基础上加工中硬齿面人字 齿轮的难题急待解决。 1 2 课题研究内容 1 ) 借鉴国内外的先进制造技术，从齿轮加工机床、加工图样分析、刀具 种类及应用范围、提高表面质量途径及工装设计等方面进行总体分析，对多 种加工方法进行对比后进行窄退刀槽的人字齿轮总体工艺方案及工装的研究 和制订，使其保持较高的先进性、科学性和合理性。在确保产品质量的同时， 充分优化工艺方案，缩短生产周期，降低生产成本； 2 ) 通过分析确定加工难点与主要研究方向 3 ) 对中硬度齿面的加工刀具的几何形状及结构进行研究，并绘制出粗精 加工指形铣刀的结构图，解决中硬度齿面难加工和精度低的问题； 兰州理t 大学工程硕二b 学位论文 4 ) 从刀具材料的性能分析、刀具材料与工件材料匹配等方面进行分析， 对加工刀具的刀具材料进行选择，必保证零件所需精度及表面粗糙度； 5 ) 对加工零件时的切削用量进行选择，以保证零件精度及表面粗糙度 6 ) 对加工零件时的切削液进行选择。 1 3 课程设计的一般步骤 1 3 1 计准备阶段 1 ) 设计前应预先准备好各种与设计有关的设计手册及参考文献等用于查 阅的资料： 2 ) 对设计任务书进行详细的研究和分析，明确设计内容和要求，分析需加 工的人字齿轮的图样及其它原始数据，复习设计中需要的有关课程内容等。 3 ) 参考国内外各种人字齿轮的加工方法，结合本厂的实际情况，比较其 优缺点，从而选择一种适合本厂的加工方案； 4 ) 拟定总的进度计划如下： r 与总 阶段主要内容完成时间 学时 比例 1硬计的准备阶段。从齿轮加工机床、加j ：图 2 0 0 3 1 1 2 0 0 4 0 22 1 样分析、刀具种类及应用范围、提高表面质 量途径及工装设计等方面进行总体分析，拟 定总体加工方案。并通过分析确定加工难点 与主要研究方向。 2 完成对中硬度齿面的加工刀具的几何形状及2 0 0 4 0 3 2 0 0 4 0 72 6 结构的研究，并分别绘制租精加工指形铣刀 的结构图 3 从刀具材料的性能分析、刀具材料与工件材2 0 0 4 0 8 2 0 0 4 1 01 6 料匹配等方面进行分析，完成加工刀具的刀 具材料的选择 4 对切削用量的三个要素及切削液的性能等方2 0 0 4 1 l 2 0 0 5 0 ii 6 面进行分析，完成加工零件时的切削用量及 切削液的选择 一 摧理并编写论文2 0 0 5 0 2 2 0 0 5 0 5 1 8 b 6 答辩或考核2 0 0 5 0 5 。0 63 兰州理工人学工程硕+ 一学位论文 1 3 2 整体加工方案的确定 1 ) 齿轮加工机床的发展概况 世界进行入2 0 世纪，齿轮的需求量迅速增长，从而促进了齿轮加工机床 的开发和生产。国际上，德国首先创造了滚齿机，美国出现了插齿机、剃齿 机、珩齿机，瑞士奥利康出现铣齿机。在国内，我国的齿轮机床制造业，始 建于5 0 年代，开始时全面引进前苏联的技术，发展了我国第一代齿轮加机床。 从6 0 年代起，通过引进、吸收德、英、美等国的先进技术并结合我国国情进 行创新，开发了一系列齿轮机床新产品，至8 0 年代初，已达到全面更新换代。 总之，通过半个世纪的发展，奠定了现代齿轮加工机床的基础。 2 ) 插齿机与滚齿机的工作原理 插齿加工按展成原理一滚切法，其插削过程如同一对齿轮作无间隙的啮合 运转，其中一个是工件，另一个是特殊的齿轮( 插齿刀) 。 滚切齿轮加工可以看成为齿条与齿轮啮合运动而形成渐开线齿轮的过 程。其条件是齿轮的模数、压力角相同，切削是强制连续的运动，滚刀的轴 向剖面是一齿条，齿廓是直线，与工件展成切削运动，即滚刀转一转工件转 一齿，这样的定比传动就切出渐开线齿轮，这种运动称为范成运动或称展成 法加工。 滚齿机与插齿机的利弊分析。分别从加工精度、生产效率、切削范围、 加工刀具制造的难易程度、使用效率以及切削工作时的平稳性等各方面进行 了分析。得出，齿轮加工在工艺上的安排，一般优先考虑滚齿机，但滚齿也 有一定的局限性，例如多联齿轮、内齿轮和齿条等在滚齿机上加工部比较困 难，甚至不能加工，而在插齿机上加工就较方便。因此，根据齿轮的结构形 式，应安排不同的齿轮加工机床，尽量发挥各种机床的特长。 3 ) 整体加工工艺路线的确定 锻造一检验毛坯一粗车一调质一精车一划铣齿找正线一铣齿成一车退刀槽 4 ) 工艺分析 结合本厂的实际情况及以上工艺路线分析确定本厂加工此人字齿轮的难 点，然后通过进一步分析确定齿轮刀具的几何形状、刀具材料及切削用量的 选择。 5 ) 加工工装设计 兰州理工大学工程硕士学位论文 设计用于加工时人字齿轮在滚齿机上的定位的工装 6 ) 刀具的种类及应用范围 仿形法的刀具是用成形刀具来加工齿轮的。用这种方法加工齿轮的刀具 有：盘形齿轮铣刀、指形齿轮铣刀、成形齿轮切削刀盘、拉刀、成形磨轮等。 展成法是利用一对齿轮啮合或齿轮与齿条啮合的原理加工齿轮的。刀具 种类主要有以下几种：齿轮滚刀、梳齿刀、插齿刀、剃齿刀、珩轮、平磨轮、 切向铣齿的双刀盘等。 7 ) 提高表面质量的途径 表面质量是一个涉及范围非常广泛的问题，也是一个不容忽视的闯题。 凡是参加切削加工的因素，都在不同程度上影响着表面质量。这些影响通过 切削变形、切削力、切削温度、切削用量及刀具几何参数的变化表示出来。 提高表面质量可分别在刀具方面、工件方面、切削用量方面、正确选择切肖 液及其它方面迸行控制提高。 首先在刀具方面。对切害4 与推挤作用影响较大的是前角与刃口圆弧半径 的大小。一般加大前角，减小刃口圆弧半径，采用斜刃切削都能使推挤作用 减小，加强切割作用：适当减小主偏角和副偏角或加磨修光刃、过渡刃都能 降低表面粗糙度值；合理选择主、副偏角，可减小径向力，避免振动；提高 刀具刃磨质量，控制磨损量，特别是成形刀具的加工可提高表面质量：合理 选择刀具材料是影响切削质量和切削效率的一令基本因素。 其次在工件方面。提高毛坯质量，通过热处理改善切削加工性能，有利 于获褥所需要的表面质量， 在切削用量方面。提高切削速度能减小切削变形，降低切削力。同时， 在高速切削下，积屑瘤和鳞刺高度会降低甚至消失。采用较小的背吃刀量和 进给量对精加工有利。 在其它方面。正确选择切削液，提高设备刚性及运动精度，合理选择加 工方法，控制残余应力的平衡等，均能达到提高袭面质量的效果。 1 3 3 指形齿轮铣刀的有效齿形计算及结构的研究 1 ) 指形齿轮铣刀的有效齿形的计算。根据渐开线齿轮啮合原理人字齿轮 的齿面在垂直于齿轮轴线的端截面中为渐开线齿形，齿面为渐开螺旋线。指 形齿轮铣刀表面为回转面。刀具加工齿轮齿面是按无瞬心包络法原理。 兰州理工大学工程硕卜学位论文 在任一垂直于铣刀轴的截面中，铣刀圆都与工件截形曲线相切。只要找 到每一个铣刀圆的直径及它在刀具坐标系中的轴向坐标值，铣刀的齿形曲线 即可德到，这就是截面法求刀具齿形的基本原理。 用截面法求出加工人字齿轮时指形铣刀齿形上各点的计算公式。然后取 1 5 个计算点数根据已知的人字齿轮的各项参数在e x c e l 中进行铣刀齿形的计 算。根据计算出的两点绘制出指形铣刀齿形图。 2 ) 指形齿轮铣刀的结构。指形齿轮铣刀的工作条件相当沉重，几乎全部 切削刃都参加切削工作，铣刀一端固定相当于一个悬臂梁。因此，它除了承 受扭矩外，还受到弯矩作用。铣齿过程中，由于切削力变化很大，因而造成 切削振动。从而导致指形齿轮铣刀的加工效率、加工精度及表面质量较低。 为此，改进指形铣刀结构，提高其切削效率是值得注意的问题。 粗加工用指形齿轮铣刀结构设计。在铣齿工序中，粗铣工序切去金属的 7 5 一9 0 ，约占总工时的6 0 一8 0 ，所以提高粗铣工序的加工效率有重要意义。 因此，研究指形齿轮铣刀的切削机理，指出刀具合理结构参数十分必要。 首先对切屑阻塞原因及主要结构参数进行分析：以前一般认为切屑阻塞 是由于空例不够造成的，所发只注意增大容屑空间。实验指出，除容屑槽容积 外，容屑槽形状也是影响切屑阻塞的主要原因。在容屑空间足够的条件下， 与切屑的附加变形有关，解决切屑在容屑槽中的卷曲问题，有利于切屑的排 出。另外，切削刃的偏摆过大，将引起切削厚度的急屠变化，也易产生切屑 的阻塞。因此，减少刀刃的偏摆也是不能忽视的。 之后又进行了结构参数设计，分别确定了刀具容屑槽底圆弧半径r 的大 小、螺旋角0 的大小、刃上的刃带及端齿部分的结构设计、刀具锥度、齿数 等参数，从而绘制租加工锥度指形齿轮铣刀结构图。 精加工用指形齿轮铣刀结构设计。目前，精加工用指形齿轮铣刀大多数制 成铲齿形式，而且是直槽。根据实践经验斜向铲齿法可得到较好的效果，目前 生产上都应用此方法。 在结构设计上，首先从容屑空间、增强刀齿强度两方面综合考虑从而确 定了铣刀容屑槽的设计：从铣刀端齿结构上选择中心孑l 无保护锥的端齿结构； 根据滚齿机床的指形刀头的结构确定铣刀夹持型式；根据齿轮齿数及铣刀长 度l 。确定齿数、外径和长度。 最后，结合一些工厂的实际情况，分别从刀具材料、硬度、表面性能、 表面粗糙度、锥孔接触面积等确定出精加工用指形齿轮铣刀的技术要求。最 后绘制出精加工用指形齿轮铣刀工作图。 兰州理工大学工程硕士学位论文 1 3 4 加工刀具的刀具材料的选择 l 刀具材料应具备的性能。刀具的切削部分在切削过程中，要承受很大 的切削力和冲击力，并且在很高的温度下进行工作经受连续和强烈的摩擦。 因此，刀具切削部分应具备：高硬度、良好的耐磨性、足够的强度和韧性、 高的热硬性及良好的工艺性。 2 ) 对各种刀具材料如：高速钢、硬质合金、超硬刀具材料等的性能进行 对比分析。 3 ) 刀具材料与工件材料的匹配。刀具材料与工件材料在机械、物理、化 学性能等方面进行合理的匹配，切削过程方能正常进行，并获得较高的刀具 耐用度。 4 ) 通过材料分析和对产品批量、刀具性能、价格等到方面进行综合考虑 最终确定用适合我国国情的超硬高速钢材料。 1 3 5 加工工件时的切削用量及切削液的选择 1 ) 切削用量的选择。制订切削用量，就是要在已经选择好刀具材料和几 何角度的基础上，确定切削深度a 。，进给量f 和切削速度v 。制订切削用量的 原则是在保证加工质量，降低成本和提高生产率的前提下，使a ，f 和v 的乘 积最大，此时工序的切削工时最少。 切削深度的选择。切削深度应根据加工余量确定。此人字卤轮的模数较 大为1 0 m m ，并且指状铣刀的刚性较差，所以分四次走刀切削。根据生产中的 实践确定切削深度的具体数值。值得注意的是：在精铣前仅在齿厚方向留余 量2 - 3 m m ，而齿高方向不留余量，雨且在精铣对，采用一把刀连续不停的铣好， 中途不得停车或改变切削用量，尽可能采用一把刀连续铣完。另外，在安装指 形铣刀刀架和指形铣刀时，要具体做好检查工作。 一 进给量f 的选择。因为此处指状铣刀的刚性较差，为了减小工艺系统弹性 变形和降低已加工表面残留面积的高度，所以应适当减小进给量。 切削速度v 的选择。确定了切削深度和进给量后，选择切削速度。精加工 时，切削速度v 主要受刀具耐用度的限制，还要考虑抑制积屑瘤和鳞刺的产 生。一般硬质合金刀具应选用较高的切削速度，而高速钢刀具则应选用较低 的切削速度。 2 ) 切削液的选择。切削液主要起冷却、润滑、防锈、清洗和排屑等作用。 对各种切削液进行了成份及所起作用的分析。然后根据工件材料、刀具材料、 加工方法、加工要求、机床类别等各方面迸行综合考虑，合理选用。此处， 6 兰州理工大学工程硕士学位论文 我们选用的是含硫化棉油的极压切削油。另外，在使用切削液时应注意：加 工一开始就加入切削油并且喷在刀具、工件和切屑间的区域，直保持充足 的切削油。 1 3 6 整理并编写论文 1 3 7 进行答辩准备 t 4 设计时应注意的问题 1 ) 设计时应首先以本厂实际情况为基础，进行切实有效的理论研究。使 设计完成的工作即能真正用于生产实际又能切实反映设计者的实际设计水 平。 2 ) 设计应在指导教师的指导下独立完成，在设计过程中，提倡独立思 考深入钻研的学习精神，设计中发现的问题，应该首先自己思考，提出看法 和建议，然后与指导教师共同研究并自己解决，要创造性的进行设计，切勿 盲目抄袭。 兰州理工大学- 程硕 学位论文 第二章：整体加工方案的确定 2 i 齿轮加工机床概述 2 1 i 齿轮加工机床的发展概况 世界进入2 0 世纪，齿轮的需求量迅速增长，从而促进了齿轮加工机床的 开发和生产。德国首先创造了滚齿机，美国出现了插齿机，尤其是美国格利 森公司研制的刨齿机和铣齿机，使其人字齿轮和锥齿轮的加工机床得到了较 大的发展：瑞士奥利康铣齿机的出现，使等到高齿系列的摆线齿锥齿轮得到 应用。随着各行业对齿轮传动提出高性能的要求，以磨齿为代表的硬齿面加 工技术开始出现。上世纪4 0 年代，美国创造了剃齿机，为欹齿面的高效精加 工作出了贡献。5 0 年代，美国首先发展了珩齿机，作为淬硬齿轮的高效光整 加工设备，为齿轮生产行业广泛使用。总之，通过半个世纪的发展，奠定了 现代齿轮加工机床的基础。 我国的齿轮机床制造业，始建于5 0 年代，开始时全面引进前苏联的技术， 发展了我国第一代齿轮加工机床。从6 0 年代起，通过引进、吸收德、英、美 等国的先进技术并结合我国国情进行创新，开发了一系列齿轮机床新产品， 至8 0 年代初，已达到全面更新换代。 齿轮加工机床的数控，由于技术难度大和其他原因，起步较晚。但计算 机数控给齿轮加工机床带来了革命性的变化。所以，自8 0 年代初进入实用期 以来，进展十分迅速。德国的普法特公司已停止普通滚齿机的生产，日本的 三菱和瑞士的莱士豪尔公司生产的齿轮机床大部也是c n c 型。我国自8 0 年代 中期开始研制，通过2 0 多年的努力，已能生产各类c n c 型齿轮加工机床。当 前，齿轮机床f m c 、齿轮制造f m s 在技术上已不存在问题，可以为齿轮c a m 提供可靠的设备。= 2 i 2 普通插齿机与滚齿杌的工作原理 目前，加工人字齿轮的机床在国内主要有人字齿轮插齿机和人字齿轮刨 齿机。与一般插床和刨床一样，插齿机与刨齿机的结构原理是相似的，只是 加工的运动方向不同。下面简单介绍一下插齿机的工作原理。 ( 1 )插齿机 兰州理工大学工程硕士学位论文 n o 、方 i。 芰：圭工羔 、 i k 竹 一一一上一 。 一。一- - 图2 一l ：插齿机的工作原理图 u v ， i - 二i j o 二* p 一十一j ，_ 。 v 工件 图2 - 2 ：插齿机的传动原理图 其二， t 0 。， 4 d 9 e 。_ o 插齿加工按展成原理一滚切法，其插削过程如同一对齿轮作无间隙的啮合 运转，其中一个是工件，另一个是特殊的齿轮( 插齿刀) 。插齿刀本身如同一个 修正齿轮，它在磨损后可重复刃磨使用。插齿刀的模数和压力角必须与被加 工齿轮的模数和压力角相等，当用圆盘刀插削斜齿轮时，两者的螺旋角必须 相等，加工外齿轮时，两者螺旋方向相反；加工内齿轮时两者螺旋方向相同。 插齿刀每个刀齿的渐开线齿廓和齿顶都做出刀刃：一个顶刃和两个侧刃，它 们都有前角和后角。 用齿条刀加工齿轮时的原理与用圆盘刀时是一样的，插渤过程如同齿轮 齿条做无间隙的啮合运转。 9 印 址 兰州理t 人学工程硕仁学位论文 为了在切削时实现滚切过程，插齿刀和齿坯( 工件) 按不同的方向各绕 其本身的轴线回转，它们的相互关系为： n n o = z “z ， 式中：n 一工件转速； n o - 插齿刀转速； z r 插齿刀齿数； z 一工件齿数。 滚切运动是形成工件渐开线齿廓所必须的，插齿刀轴的上f 往复运动( 主 运动) 形成齿线。 此外，整个加工过程还需要插齿刀相对于工件作径向进给( 切入) 运动。 这个运动根据具体情况可分为一次至多次进行。若采用一次进给，则一次进 给到全齿深为止。此后插齿刀与工件继续对滚，当工件转过一整圈时，全部 轮齿切至全齿深，加工结束。刀架或工作台退出并回复至原始位置。 通常，插齿刀轴的向下运动为工作行程，向上运动为空行程。滚切运动、 进给运动和刀轴往复运动同时进行，为了避免插齿刀刮伤己加工的工件表面， 在插齿刀空回行程时，插齿刀相对于工件还必须有一个让刀运动，而在工作 行程开始时插齿刀( 或工件) 必须回复至原来的位置。 普通插齿机床具有以下运动： i ) 插齿刀轴的旋转运动： 2 ) 工件主轴的旋转运动： 3 ) 插齿刀轴的往复运动： 4 ) 插齿刀轴接近工件( 或工件接近刀轴) 的径向进给运动 5 ) 插齿刀轴( 或工作台) 的让刀运动 6 ) 刀具加工或工作台退出并回复至原始位置的运动 7 ) 工件主轴快速旋转( 找正一t l , 轴或齿坯) 的运动 1 0 兰州理工大学1 = 程碳十学位论文 ( 2 ) 滚齿机 一= ；三里 ，一7 7 b ；一，- - l t 二 2 i i 一暑f 否诫 卜。+ 。l ； 图2 - 3 ：滚齿机的传动原理图 滚切齿轮加工可以看成为齿条与齿轮啮合运动而形成渐开线齿轮的过 程。其条件是齿轮的模数、压力角相同，切削是强制连续的运动，滚刀的轴 向剖面是一齿条，齿廓是直线，与工件展成切削运动，即滚刀转转工件转 一齿，这样的定比传动就切出渐开线齿轮，这种运动称为范成运动或称展成 法加工。 齿条与齿轮传动是符合渐开线啮合原理的。它的运动特点是：齿条以速 度v 等速移动时，便推动齿轮以转速n 等速回转，并且齿条的移动速度和齿 轮分度圆上的圆周速度相等，也就是齿条中线和齿轮分度圆在p 点上做纯滚 动。从而形成渐开线齿形。 滚刀的转动称为切削运动，卤坯的转动称为分齿运动，为了切出具有一 定宽度的齿轮，切削时滚刀还有平行于齿坯轴线的轴向进刀运动，这三个运 动构成了滚齿加工的基本运动。 滚切斜齿轮时，要保证滚刀刀齿的运动方向和斜齿轮韵齿向一致，所以 滚刀刀架要转动一个角度。这个角度的大小和方向，不但要考虑滚刀刀齿的 螺旋升角x 的大小和方向，而且要考虑斜齿轮的螺旋角b 的大小和方向，当 滚刀和斜齿轮的螺旋方向一致时，刀架转动的角度为b 一 ；当滚刀和斜齿轮 的螺旋方向相反时，刀架转动的角度为1 3 + ；其旋转方向，对右旋齿轮，刀 架逆时针转角度，对左旋齿轮，刀架顺时针转角度。 兰州理工大学工程硕士学位论文 ( 3 ) 滚齿机与插齿机的利弊 滚齿是目前齿轮加工中用得较多的一种。滚齿比插齿加工精度高、生产 率高、滚削范围较广。滚齿影响加工精度的主要部件是台面蜗轮副和滚刀的 精度；插齿影响加工的主要部件是台面蜗轮副、刀架主轴上的蜗轮副和插齿 刀精度，它比滚齿多了个运动偏差，另外，滚齿刀具比插齿刀具容易制造， 滚刀损坏一个齿还能继续使用，而插刀损坏一个齿后则不能继续使用。 滚削工作是连续切削，切削时比较乎稳；而插削工作是断续往复切削 插削时容易产生振动。 齿轮加工在工艺上的安排，一般优先考虑滚齿机，但滚齿机有一定的局 限性，例如多联齿轮、内齿轮和齿条等在滚齿机上加工就比较困难，甚至不 能加工，而在插齿机上加工就较方便。因此，根据齿轮的结构形式，应安排 不同的齿轮加工机床，尽量发挥各种机床的特长。“ ( 4 ) 指状铣刀 图2 - 4 ：指状铣刀的工作原理图 指状铣刀是用成形法加工的刀具，加工时的主要运动是：铣刀的旋转运 动；铣刀的轴向进给运动；工件的旋转运动；工件的分齿运动； 1 2 影 兰州理工大学工程硕士学位论文 ( 5 ) 指状铣刀安装图 1 3 兰州理工大学工程硕士学位论文 2 1 3 国内、外现有的一些人字齿轮加工设备 下面为济南机床二厂的s u n d e r l a n dg 2 5 0 型刨齿机加工窄退刀槽的人字 齿轮轴的照片。目前国内有此种刨齿机的只有洛阳矿山机械厂和上海矿山机 械厂等少数厂家。 1 4 兰州理工人学工程硕士学位论文 下面为济南机床二厂的s h 3 5 0 5 0 0 m 从g 型插齿机加工窄退刀槽的人字齿 轮的照片。目前国内有此种插齿机的也只有兰卅f “兰石集团”的兰石国民油 井设备有限公司及宝鸡石油机械厂等少数厂家。 兰! ! ! ! 些三奎兰三堡堡主兰堡丝兰 一 下面为美国生产的3 c 型刨齿机的照片。从左上图及中间的图可看出，加 工人字齿轮时，它将两把插齿刀同时安装在一根刀杆上，然后由刀具和工件 同时旋转形成的复合曲线即为人字齿轮的斜齿线。 2 2 工艺方案的总体设计 2 2 1 人字齿轮的图样要求：如下图 ( 1 ) 人字齿轮的技术要求： 调质处理h b 2 8 5 - 3 2 0 ： 齿轮沿端面齿形棱角倒圆r o 5 左右旋加工时，人字齿错位不大于0 1r a m ( 2 ) 人字齿轮的技术参数： 兰州理工大学工程硕士学位论文 齿形角：d = 2 0 。 螺旋角：p = 3 0 。 变位系数：= o 齿顶高系数：h a = l 全齿高：h = 2 2 5 齿轮精度：8 8 7 j l g b l 0 0 9 5 8 8 齿距积累公差：f p = o 2 2 0 齿距极限偏差：f p t = o 0 3 0 齿形公差：f f = o 0 4 0 轴向齿距极限偏差：f 。= 0 0 2 0 ( 3 )人字齿轮的简图 妻象 图2 - 5 ：人字齿轮简图 1 7 兰州理工t = 学t 程硕士学位论文 2 2 2 加工工艺路线 ( 1 ) 锻造毛坯并正火处理 ( 2 ) 检验毛坯质量、加工余量及硬度 ( 3 ) 粗车各档留加工余量 ( 4 ) 调质处理h b 2 8 5 3 2 0 ( 5 ) 精车各档成型，窄退刀槽处不倒角 ( 6 ) 划铣齿找正线 ( 7 ) 滚齿机上铣齿成。 1 ) 调整机床，找正刀具，并用工装安装找正工件； 2 ) 将指形铣刀对中、扳好刀架角度、开车试切，用啃刀花法检 查分齿及螺旋方向，铣齿成，精铣行程应连续进行，中途不得停车。 ( 8 ) 车退刀槽处倒角一修锉圆角做标记。仞嘲 兰州理工人学t 程硕l 学位论史 2 2 ，3 工艺分析 结合本厂的实际情况及以上工艺路线分析发现，由本厂加工此人字卤轮 的难点就在工序7 9 ：滚齿机上铣齿。而通过进一步分析可知铣齿的难点义主 要在于齿轮刀具的几何形状、刀具材料及切削用量的选择。 2 2 4 加工工装设计 图2 6 ：人字齿轮安装底座 此工装用于加工时人字齿轮在滚齿机上的定位” 2 3 刀具的种类及应用范围 用切削加工法加工齿轮时，按其工作原理可分为仿形、无瞬心包络法及 展成法( 或称范成法) 两类。 2 3 1 仿形法刀具 仿形法的刀具是用成形刀具来加工齿轮的。用这种方法加工齿轮的刀具 有下面几种： ( 1 ) 盘形齿轮铣刀：这种刀具结构简单，可加工直齿及斜齿圆柱齿轮。 ( 2 ) 指形齿轮铣刀：此刀具可用来加工直齿、斜齿及人字齿轮。它的加 工精度及加工效率较低，但使用的机床结构简单，刀具结构也简单，在加工 兰州理工大学工程硕士学位论文 大模数齿轮和人字齿轮时经常使用。 ( 3 ) 成形齿轮切削刀盘：刀具为专用刀具，且结构复杂，价格昂贵仅用 于大量生产中。 ( 4 ) 拉刀；其刀具复杂，主要用于加工内齿轮。 ( 5 ) 成形磨轮：用此方法磨出的齿轮有足够的精度，机床结构简单。 2 3 2 展成法7 j 具 展成法是利用一对齿轮啮合或齿轮与齿条啮合的原理加工齿轮的。此加 工方法优点是：加工精度及生产率较高。展成法工作的齿轮刀具种类很多， 主要有以下几种： ( 1 ) 齿轮滚刀：用来加工直齿、斜齿圆柱齿轮及有空刀槽的人字齿轮。 ( 2 ) 梳齿刀：可加工直齿、斜齿、人字齿轮。刀具外形简单但机床结构 复杂，因此用的不多。 ( 3 ) 插齿刀：可用来加工直齿、斜齿、人字齿轮及内齿轮。加工精度较 高但效率不及滚齿加工。 ( 4 ) 剃齿刀：主要用于精加工未淬火的齿轮。 ( 5 ) 珩轮：用于淬火后齿轮的精加工。 ( 6 ) 平磨轮：主要用于磨淬火齿轮及齿轮刀具。 ( 7 ) 切向铣齿的双刀盘：是高效专用刀具。 针对以上情况，又对国内生产入字齿轮的厂家进行了调研，发现目前国内 只有少数几个厂家能加工此零件，且均为利用进口刨齿机床加工，硬度比我 们设计要求低。为此，本着提升我厂制造能力和工艺水平，掌握产品的核心 制造技术的思想，经过多方考察和了解，最后确定了利用我厂y 3 1 2 0 0 b 滚齿 机，采用指形铣的加工方法。但指形铣的加工精度较低，于是，如何提高表 面质量的问题摆在面前。 2 4 提高表面质量的途径 表面质量是一个涉及范围非常广泛的问题，也是一个不容忽视的问题。 凡是参加切削加工的因素，都在不同程度上影响着表面质量。这些影响透过 切削变形、切削力、切削温度、切削用量及刀具几何参数的变化表示出来。 2 0 兰州理丁犬学工程碳：l 学位论文 提高表面质量，可采用如下措施。 2 4 1 刀具方面 ( 1 ) 加强切割作用，减小推挤作用。对切割与推挤作用影响较大的是前 角与刃口圆弧半径的大小，一般加大前角，减小刃口圆弧半径，采用斜刃切 削都能使推挤作用减小。 ( 2 合理选择几何参数。适当减小主偏角和蓟偏角或加磨修光刃、过渡 刃都能降低表面粗糙度值；合理选择主、副偏角，可减小径向力，避免振动 等。 ( 3 ) 提高刀具刃磨质量，控制磨损量，特别是成形刀具的加工。 ( 4 ) 合理选择刀具材料。刀具材料是影响切削质量和切削效率的一个基 本因素。 2 4 2 工件方面 提高毛坯质量，通过热处理改善切削加工性能，有利于获得所需要的表 面质量。 2 4 3 切削用量方面 提高切削速度能减小切m 变形，降低切削力。同时，在高速切削下，积 属瘤和鳞刺高度会降低甚至消失。采用较小的背吃刀量和进给量对精加工有 利。 2 4 4 其它方面 正确选择切削液，提高设备刚性及运动精度，合理选择加工方法，控制 残余应力的平衡等，均能达到提高表面质量的效果。“ 针对以上介绍，我分别对中硬度齿面的加工刀具的几何形状、加工刀具 的刀具材料、加工零件时的切削用量及切削液的选择等各项内容进行了专门 的研究。 + 兰州理工大学工程顾i 。学位论文 第三章：指形齿轮铣刀的有效齿形计算及几何形状的研究 3 1 指形齿轮铣刀的有效齿形的计算 根据渐开线齿轮啮合原理，人字齿轮的齿面在垂直于齿轮轴线的端截面 中为渐开线齿形，齿面为渐开螺旋线。指形齿轮铣刀表面为回转面。刀具加 工齿轮齿面是按无瞬心包络法原理。 3 1 1 截面法求指形齿轮铣刀的齿形 ( 1 ) 基本原理：如图3 所示 i z ! k 图3 1截面法求指形齿轮铣刀齿形 在任一垂直于铣刀轴的截面中，铣刀圆都与工件截形曲线相切。只要找 到每一个铣刀圆的直径及它在刀具坐标系中的轴向坐标值，铣刀的齿形曲线 即可得到，这就是截面法求刀具齿形的基本原理。 此方法求解刀具齿形的计算步骤如下：首先以参数形式写出齿轮渐开螺 旋面的方程式：然后用垂直于铣刀轴的平面截渐开螺旋面，得出截形盐线方程 式：在每个截面中确定出与截形曲线相切的铣刀圆半径r 。r ，。与沿铣刀轴向 坐标就构成刀具齿形。 ( 2 ) 渐开螺旋面的方程 兰州理工大学工程硕士学位论文 b 沙巍 繇到、属 、m 呵“臌 j 臆i乏 ，一盐。彳 p 镶 黝殄 垂l f 鼎糍错十瓦 张8 撇州 p k 0 图3 - 2 ：右旋斜齿轮左侧面的方程式 图3 - 2 为加工右旋斜齿轮左侧面的情形。国中，平面s - s 与半径为r 。的 基圆柱相切于直线c b 。a a o 为端面中轮齿的渐开线齿形，n 。为基圆上齿槽所 对中心半角。现取坐标，令o z 轴与齿轮轴线重合，似轴通过前端面齿槽的对 称轴，半径线0 c 与轴线o x 的夹角为q 。现以距离坐标原点为z 的端平面p - p 去截齿轮，得渐开线m m o 。渐开线a a o 与m m o 为同一基圆所形成。渐开线a a o 在a 点处的展开角为巾，渐开线m m o 在m 点的展开角为中，。 渐开螺旋面上任意点m 的坐标为 z = m m = a m c t g bb = ( a c c m7 ) c t g pb = ( a c - c m ) c t g bb = r b ( 中一中，) c t g bb x = r b ( 中s i n q + c o s q ) y = r b ( s i n q + 中。c o s q ) 式中q = o + nb ( 3 ) 指形齿轮铣刀的齿形 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 铣刀切削刃上任一点在加工过程中的运动轨迹为圆。以与铣刀轴线垂直 的平面q q 截齿轮齿形，令x = x ，= 常数，代入式( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 得到此截面中 斜齿轮齿面曲线k k 方程式： 兰州理工大学工程硕士学位论文 z = “c t gb 。 q hb - - ( x , -