汽车螺旋伞齿轮的机械加工工艺规程及夹具设计

目 录序 言 .1第 1 章 零件的分析 .21.1 结构工艺性分析 .21.2 技术要求分析 .2第 2 章 毛坯确定 .32.1 毛坯类型确定 .32.2 毛坯结构、尺寸和精度确定 .3第 3 章 工艺路线拟订 .43.1 工艺分析 .43.2 制订机械加工工艺路线 .43.3 确定各工序加工余量 .6第 4 章 设备、工艺装备确定 .114.1 工序 7：车轴颈及背锥 .114.2 工序 15：加工小孔 .124.3 工序 17：加工螺纹 .13第 5 章 第 5 工序夹具设计 .145.1 工序尺寸精度分析 .145.2 定位方案确定 .145.2.1 理论限制自由度分析 .145.2.2 定位基准选择 .145.3 定位元件确定 .145.4 定位误差分析计算 .145.5 夹具总装草图 .15心得体会 .16参考文献 .17 1序 言齿轮传动作为一种传统、高效的传动形式很早以前就出现了，随着科学技术的进步，出现了一系列的齿轮传动形式，并形成了相应的齿轮啮合理论、设计、加工方法，这些工作都丰富和发展了齿轮传动理论体系。螺旋伞齿轮作为齿轮的一种，在各种机械中都有广泛的使用。在汽车驱动桥中，螺旋伞齿轮是纵向配置发动机的汽车所不可缺少的，因此，螺旋伞齿轮的制造工艺在汽车制造业占有重要地位。螺旋伞齿轮在汽车上的主要功用为：1. 将发动机输出的动力经变速箱、主传动器传给驱动车轮；2. 将纵向配置的发动机所输出的旋转运动改变方向，使驱动车轮获得与汽车行驶方向一致的旋转运动 ；3. 降低发动机输出的旋转速度，提高发动机输出的扭矩，使驱动车轮获得足够的牵引力。汽车行业通常将螺旋伞齿轮称为减速齿轮，由其组成的总成称为减速器总成。CA1092 汽车采用双极主传动器，由一对螺旋伞齿轮实现一级减速，一对螺旋圆柱齿轮实现二级减速。螺旋伞齿轮共有四种速比：11:25,12:25,13:25,9:25.螺旋圆柱齿轮有两种速比：14:47,15:46.驱动桥组成四种速比：25/11*47/14=7.63，25/12*46/15=6.39，25/13*46/15=5.897 ，25/9*47/14=9.33 。汽车的行驶状况是随外界条件瞬息变化的，所以螺旋伞齿轮的工况极其复杂。中型载重汽车螺旋伞齿轮的线速度可高达 17m/s，要求齿面具有耐磨性能、抗冲击性能及抗弯曲性能等。通常要求齿面具有高硬度，心部具有良好的任性。本文通过对 CA1092 汽车驱动桥中螺旋伞齿轮主动轮的分析，进行了汽车螺旋伞齿轮的机械加工工艺规程及专用机床夹具设计。本文多采用常规设计方法，使用通用机床以及通用夹具，只对铣齿的夹具进行了设计。本文并无创新之处，只是通过此次设计整理所学知识，将理论与实际相结合。 2第 1 章 零件的分析1.1 结构工艺性分析 螺旋伞齿轮的设计精度一般是依据齿轮线速度确定工作平稳性精度等级的，然后在按标准规定选定运动精度等级、接触精度等级及齿侧间隙精度等级。中型载重汽车螺旋伞齿轮的精度等级一般为 8-7-7。CA1092 载重汽车驱动桥中，主、从动螺旋伞齿轮轮的精度为 8-7-7D。图 1 为主动螺旋伞齿轮轴的零件图 。 图 1 主动螺旋伞齿轮轴零件图1.2 技术要求分析螺旋伞齿轮经过渗碳淬火后会产生变形，其中轮齿变形可通过磨齿或研齿方法进行修正，同时会显著降低螺旋伞齿轮的传动噪音，这种方法已在轿车生产中被采用。中型载重汽车通常以提高齿形精度来弥补热处理造成的精度损失。表 1 所示为主动螺旋伞齿轮轴的渐开线花参数和齿轮参数。表 1 主动螺旋伞齿轮轴的渐开线花键参数和齿轮参数渐开线花键参数 齿轮参数花键齿形 渐开线 齿轮 13模数（mm） 3 分齿圆上端面模数（mm） 9齿数 14 法面计算啮合角 20o原始齿形压力角 20o 齿顶高（mm） 10.26原始齿形移位距（mm） +1.5 齿全高（mm） 16.992分齿圆直径（mm） 42 轮齿中点螺旋角 35o旋转方向 左刀盘直径（mm） 228.6（9）分齿圆上弧齿厚：理论值（mm）用通过量规检验（mm）用量棒检验（mm）5.805.825.76 分齿圆上端面理论弧齿厚（mm） 16.652 3配对齿轮研磨后在检验台上的齿隙（mm） 0.200.35渐开线的转变直径（mm）41 齿的工作表面粗糙度（um） Ra1.6齿侧表面粗糙度（um） Ra3.2 按需要量研磨牙齿，配对后在齿轮上打上标记第 2 章 毛坯确定2.1 毛坯类型确定汽车驱动桥齿轮一般都选用 20GrMnTi 合金钢，采用渗碳淬火处理。CA1092 汽车驱动桥齿轮材料及热处理如表 2。大批生产中齿轮毛胚采用模锻工艺制造。经正火处理，硬度为 157207HV。表 2 汽车驱动桥齿轮材料及热处理零件名称 材料 渗碳深度（mm）表面硬度HRC心部硬度HRC螺旋伞齿 20CrMnTi 1.21.6 5863 3348螺旋圆柱齿轮 20CrMnTi 1.01.6 5863 3348差速器齿轮 20CrMnTi 1.01.4 5863 33482.2 毛坯结构、尺寸和精度确定简化零件结构细节，由于零件为大批生产，故毛坯精度取普通级，CT9 级。根据这些数据，绘出毛坯图。如图 2 所示：图 2 主动螺旋伞齿轮轴的毛胚图 4第 3 章 工艺路线拟订3.1 工艺分析螺旋伞齿轮的加工主要分成以下几个阶段：1) 齿坯加工：齿坯成形，保证铣齿基准的加工精度。2) 中间检查：重点检查铣齿定位夹紧尺寸精度。3) 齿形加工：保证接触区的形状、位置、大小、齿面间隙及齿侧间隙变动量。4) 中间检查：重点检查接触区、齿侧间隙和轮齿表面的粗糙度。5) 热处理：渗碳淬火，校正。6) 热处理后加工：精加工装配（使用）基准。7) 最后检查：全面检查装配基准尺寸精度。3.2 制订机械加工工艺路线制订机械加工工艺路线的出发点，应当是使零件的几何形状、尺寸精度及位置精度等技术要求得到合理的保证。在生产纲领已确定为中批量生产的条件下，可以考虑采用通用机床配以专用夹具，并尽量使工序集中来提高生产率。除此以外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量降低。 工艺路线方案一工序 1 锻造造；工序 3 热处理；工序 5 铣两端面及钻中心孔；工序 7 车轴颈及背锥；工序 9 车槽锥端面；工序 11 铣渐开线花键；工序 13 磨轴颈及端面；工序 15 加工小孔；工序 17 加工螺纹；工序 19 中间检查轴颈；工序 21 粗铣螺纹；工序 23 精磨齿轮。 5工序 25 中间检查；工序 27 热处理校正；工序 29 磨轴颈及端面；工序 31 最后检查；工序 33 入库 工艺路线方案二工序 1 铸造；工序 3 热处理；工序 5 铣两端面及钻中心孔；工序 7 车轴颈及背锥；工序 9 车槽锥端面；工序 11 铣渐开线花键及钻小孔；工序 13 磨轴颈及端面；工序 15 加工螺纹；工序 17 中间检查；工序 19 粗铣轮齿；工序 21 精铣轮齿凸面；工序 23 精铣轮齿凹面；工序 25 中间检查；工序 27 热处理校正；工序 29 磨轴颈及端面；工序 31 最后检查；工序 33 入库。 工艺方案的比较与分析上述两个工艺方案的特点在于：方案一是按工序集中原则及保证各加工面之间的尺寸精度为基础而制订的工艺路线。而方案二只是按工序集中原则制订，没有考虑到各个加工面的加工要求及设计基准。这样虽然提高了生产率，但可能因设计基准与工序基准不重合而造成很大的尺寸误差，使工件报废。因此， 6最后的加工路线确定如下：工序 1 铸造；工序 3 热处理；工序 5 铣两端面及钻中心孔；工序 7 车轴颈及背锥；工序 9 车槽锥端面；工序 11 铣渐开线花键及钻小孔；工序 13 磨轴颈及端面；工序 15 加工螺纹；工序 17 中间检查；工序 19 粗铣轮齿；工序 21 精铣轮齿凸面；工序 23 精铣轮齿凹面；工序 25 中间检查；工序 27 热处理校正；工序 29 磨轴颈及端面；工序 31 最后检查；工序 33 入库。3.3 确定各工序加工余量1. 车轴颈及背锥由于零件整体加工为外圆端面，故所有轴颈可以一次车削加工，所有轴颈加工余量相同。现已轴颈 为例，说明所有轴颈的加工余量。（参考机械021.65制造工艺设计简明手册表 2.3-9），确定工序尺寸及余量：粗车：65.5mm；精车： 021.65具体工序尺寸见表 3。表 3 工序尺寸表工序名称工序间余量 /mm工序间 工序间尺寸 /mm工序间 7经济精度/m表面粗糙度/m尺寸公差/mm表面粗糙度/m精车 0.5 H9 Ra6.3 66 05.6Ra6.3粗车 1 H12 Ra12.5 68 18Ra12.52. 加工 5mm 孔毛坯为实心，而孔没有精度要求，因此可以只钻孔。（参照机械制造工艺设计简明手册表 2.3-9 及表 2.3-12），确定工序尺寸及余量：钻孔 5mm；具体工序尺寸见表 4。表 4 工序尺寸表工序间 工序间工序名称工序间余量/mm经济精度/m表面粗糙度/m工序间尺寸/mm 尺寸公差 /mm 表面粗糙 度/m钻孔 5 H12 Ra12.5 5 无 Ra12.53. 加工螺纹螺纹参数为 M27x1.5-6h，（参照机械制造工艺设计简明手册表 2.3-9及表 2.3-12），确定工序尺寸及余量：具体工序尺寸见表 5。表 5 工序尺寸表 工序间 工序间工序名称工序间余量/mm经济精度/m表面粗糙度/m工序间尺寸/mm 尺寸公差 /mm 表面粗糙 度/m精车螺纹 0.16 6h Ra6.3 26.6808.62Ra6.3粗车螺纹 0.80 8h Ra12.5 25.08.Ra12.5 83.4 工艺流程图 序号 工序名称 使用机床1 锻造3 热处理 正火5铣两端面及钻中心孔12.512.54730 ZBT8216铣钻组合机床7车轴颈及背锥274.5-0.3 122165.70-.2O64-0.1-.35O50.70-.5O47.50-.1O26.950-.2OCA6140卧式车床9车槽锥端面 1320-.5O 449.5O12+0.1-.810.530-.15CA6140卧式车床11铣渐开线花键及钻小孔 60245 O5ZBT8216铣钻组合机床 913磨轴颈及端面 0.3A-B47.250-.5O50.40-.5O0.3A-B0.3A-B65.40-.3O10.430-.153T16 端面外圆磨床15加工螺纹 227M*1.5-6hCA6140卧式车床17 中间检查 65.4 50.40 47.2519粗铣齿轮格里索铣齿机N01621精铣齿轮凸面格里索铣齿机N016 1023精铣齿轮凹面格里索铣齿机N01625 中间检查 接触区、齿侧间隙、齿面粗糙度27 热处理校正渗碳层深 1.21.6 淬火：表面硬度 5863HRC，心部硬度 3348HRC29磨轴颈及端面 50Ou.0647-0.9-.34O0.2-B0.2A-B65+0.21-.O 0.5A-B M1420A外圆磨床31 检验图 3 主动螺旋伞齿轮工序简图 11第 4 章 设备、工艺装备确定4.1 工序 7：车轴颈及背锥1.加工条件工件材料：20CrMnTi 正火，模锻。加工要求：粗车 27mm、47.5mm、50.75mm、64mm、65.75mm 外圆及 27o 锥面。机床：CA6140 卧式车床。刀具：刀片材料 YT15，刀杆尺寸 16x25mm2。2.计算切削用量1）切削深度 单边余量 Z=1.5，可一次切除。2）进给量 根据切削手册表 1.4，选用 f=0.5mm/r。3）计算切削速度 见切削手册表 1.27min)/(1697.081.415.0.2431.0kfaTCvvyxpmwcv4）确定主轴转速min)/(56810rdvwcs 按机床选取 n=600r/min。所以实际切削速度in)/(120651nv5）检验机床功率 主切削力 Fc按切削手册表 1.29 所示公式计算cFCpxpckvfa其中： ,15.0,7.,0.1,2795cccc FF nyC94)6()(.FnbMk8.k所以 )(5.1028.012.0795.075Nc切削时消耗功率 PC为)(6.106.44 KWvFcc 由切削手册表 1.30 中 CA6140 机床说明书可知，CA6140 主电动机功率为 127.8KW，当主轴转速为 600r/min 时，主轴传递的最大功率为 5.5KW，所以机床功率足够。可以正常加工。6）校验机床进给系统强度 已知主切削力 Fc=1012.5N，径向切削力 FP按切削手册表 1.29 所示公式计算。cFcFCpxpckvfa其中 3.0,6.,9.0,14cccc FFF nyxC897.)5()(.1FFbMk.k所以 )(1955.0.12.043.069.Nc而机床纵向进给机构可承受的最大纵向力为 3530N，故机床进给系统可正常工作。7）切削工时 nflt21其中 0,4921ll所以 (min)31.569t4.2 工序 15：加工小孔1）确定进给量 f：根据切削手册表 2.7，当钢的时，f=0.390.47mm/r。由于本零件在加工 25mm 孔时mdMPaob25,80属于低刚度零件，故进给量应乘以系数 0.75，则 f=（0.390.47）x0.75=0.290.35（mm/r）根据 Z4006A 机床说明书，现取 f=0.25mm/r。2) 切削速度:根据切削手册表 2.13 及表 2.14，查得切削速度 v=18m/min。所以 min)/(2951801rdvnws 根据机床设计说明书，取 nw=195r/min，故实际切削速度为i)/(3.10v切削工时ml27(min)5.2.0191 fntw 13以上为钻一个孔时的基本时间。故本工序的基本时间为(min)1.25.01mt4.3 工序 17：加工螺纹1） 切削速度的计算 见切削用量手册表 21，刀具寿命 T=60min，采用高速钢螺纹车刀，规定粗车螺纹时 ap=0.17，走刀次数 i=4；精车螺纹时ap=0.08，走刀次数 i=2。min)/(1ktTCvvyxpmov其中： 1t,3.0,7.,.0,8.1螺 距vvvC75.)6.(5.1kmk所以粗车螺纹时：min)/(.2.017.0683.0.vc 精车螺纹时i)/(8.3675.1.3.071.0c2） 确定主轴转速粗车螺纹时min)/(4.60.21 rDvnc按机床说明书取in/9r实际切削速度 18vc精车螺纹时min)/(9560.302 rDnc按机床说明书取i/184rn实际切削速度 3vc3） 切削工时 取切入长度 ml1粗车螺纹时(in)04.196321ifnlt精车螺纹时 14(min)24.0195321ifnlt所以车螺纹的总工时为 i8.21t第 5 章第 5 工序夹具设计5.1 工序尺寸精度分析由工序图可知此工序的加工精度要求不高，铣两端面和钻中心孔加工要具求如下：铣两端面和钻中心孔，为自由公差，无其他技术要求，该工件在铣钻组合机床上加工，零件属中批量生产。5.2 定位方案确定5.2.1 理论限制自由度分析分析加工要求必须限制的自由度，为保两端面的相对位置，该工件必须限制工件五个自由度，即 X 移动、z 移动 y 移动、y 转动、Z 转动。5.2.2 定位基准选择一般情况下，铣齿基准要与装配基准（通常亦是设计基准）重合。从产品使用方面分析，主动螺旋伞齿轮的轴颈 65mm 和轴颈 50mm 是配合表面，根据安装距（118mm）可知 65mm 的轴颈端面是装配基准；从产品设计方面分析，65mm 轴颈端面又是设计基准，其轴线是形位公差的基准。因此，可确定齿形加工的定位基准应该是 65mm 和 50mm 两个轴颈和 65mm 轴颈的端面。5.3 定位元件确定选择定位元件：由于本工序的定位面是 65mm 和 50mm 两个轴颈和65mm 轴颈的端面,所以采用 v 型块及挡板定位，而夹紧元件采用压板夹紧。5.4 定位误差分析计算 定位误差（dw）的计算：由于定位基准与工序