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企业名称机械加工工序卡产品型号零件图号01-01产品名称双联齿轮零件名称双联齿轮共9 页第1 页 车间 工序号工序名称材料牌号机加工030粗车40Cr毛坯种类毛坯外形尺寸每毛坯可制作数每台件数锻件11设备名称设备型号设备编号同时加工件数卧式车床CA61401夹具编号夹具名称切削液车夹具工位夹具编号工位器具名称工序工时准终单件工步号工步名称工艺装备主轴转速(r/min)切削速度(m/min)进给量(mm/r)背吃刀量(mm)进给次数工时/min机动单件01三爪装夹左端毛坯,车右端面以及72外圆，留精加工余量外圆车刀560700.481.510.07020304编制 (日期)审核 (日期)标准化 (日期)会签 (日期)标记处数更改文件号签字日期标记处数更改文件号签字日期企业名称机械加工工序卡产品型号零件图号01-01产品名称双联齿轮零件名称双联齿轮共9 页第 页 车间 工序号工序名称材料牌号机加工040粗车40Cr毛坯种类毛坯外形尺寸每毛坯可制作数每台件数锻件11设备名称设备型号设备编号同时加工件数卧式车床CA61401夹具编号夹具名称切削液车夹具工位夹具编号工位器具名称工序工时准终单件工步号工步名称工艺装备主轴转速(r/min)切削速度(m/min)进给量(mm/r)背吃刀量(mm)进给次数工时/min机动单件01掉头，三爪装夹右端外圆,车左端面以及84外圆，留精加工余量外圆车刀560700.481.510.07020304编制 (日期)审核 (日期)标准化 (日期)会签 (日期)标记处数更改文件号签字日期标记处数更改文件号签字日期企业名称机械加工工序卡产品型号零件图号01-01产品名称双联齿轮零件名称双联齿轮共9 页第3 页 车间 工序号工序名称材料牌号机加工050精车40Cr毛坯种类毛坯外形尺寸每毛坯可制作数每台件数锻件11设备名称设备型号设备编号同时加工件数卧式车床CA61401夹具编号夹具名称切削液车夹具工位夹具编号工位器具名称工序工时准终单件工步号工步名称工艺装备主轴转速(r/min)切削速度(m/min)进给量(mm/r)背吃刀量(mm)进给次数工时/min机动单件01车右端面以及72外圆及倒角，达到图纸尺寸外圆车刀560700.50.510.05020304编制 (日期)审核 (日期)标准化 (日期)会签 (日期)标记处数更改文件号签字日期标记处数更改文件号签字日期企业名称机械加工工序卡产品型号零件图号01-01产品名称双联齿轮零件名称双联齿轮共9 页第4 页 车间 工序号工序名称材料牌号机加工060精车40Cr毛坯种类毛坯外形尺寸每毛坯可制作数每台件数锻件11设备名称设备型号设备编号同时加工件数卧式车床CA61401夹具编号夹具名称切削液车夹具工位夹具编号工位器具名称工序工时准终单件工步号工步名称工艺装备主轴转速(r/min)切削速度(m/min)进给量(mm/r)背吃刀量(mm)进给次数工时/min机动单件01车左端面以及84外圆及倒角，达到图纸尺寸外圆车刀560700.50.510.05020304编制 (日期)审核 (日期)标准化 (日期)会签 (日期)标记处数更改文件号签字日期标记处数更改文件号签字日期企业名称机械加工工序卡产品型号零件图号01-01产品名称双联齿轮零件名称双联齿轮共9 页第5 页 车间 工序号工序名称材料牌号机加工060扩40Cr毛坯种类毛坯外形尺寸每毛坯可制作数每台件数锻件11设备名称设备型号设备编号同时加工件数卧式车床CA61401夹具编号夹具名称切削液钻夹具工位夹具编号工位器具名称工序工时准终单件工步号工步名称工艺装备主轴转速(r/min)切削速度(m/min)进给量(mm/r)背吃刀量(mm)进给次数工时/min机动单件01扩30的通孔至2828钻头450168020.220.08020304编制 (日期)审核 (日期)标准化 (日期)会签 (日期)标记处数更改文件号签字日期标记处数更改文件号签字日期企业名称机械加工工序卡产品型号零件图号01-01产品名称双联齿轮零件名称双联齿轮共9 页第6页 车间 工序号工序名称材料牌号机加工080镗40Cr毛坯种类毛坯外形尺寸每毛坯可制作数每台件数锻件11设备名称设备型号设备编号同时加工件数卧式车床CA61401夹具编号夹具名称切削液钻夹具工位夹具编号工位器具名称工序工时准终单件工步号工步名称工艺装备主轴转速(r/min)切削速度(m/min)进给量(mm/r)背吃刀量(mm)进给次数工时/min机动单件01镗38H7孔，达到图纸尺寸镗刀800500.5220.6020304编制 (日期)审核 (日期)标准化 (日期)会签 (日期)标记处数更改文件号签字日期标记处数更改文件号签字日期企业名称机械加工工序卡产品型号零件图号01-01产品名称双联齿轮零件名称双联齿轮共9 页第7页 车间 工序号工序名称材料牌号机加工090镗40Cr毛坯种类毛坯外形尺寸每毛坯可制作数每台件数锻件11设备名称设备型号设备编号同时加工件数卧式车床CA61401夹具编号夹具名称切削液钻夹具工位夹具编号工位器具名称工序工时准终单件工步号工步名称工艺装备主轴转速(r/min)切削速度(m/min)进给量(mm/r)背吃刀量(mm)进给次数工时/min机动单件01镗50孔镗刀800500.5220.4020304编制 (日期)审核 (日期)标准化 (日期)会签 (日期)标记处数更改文件号签字日期标记处数更改文件号签字日期企业名称机械加工工序卡产品型号零件图号01-01产品名称双联齿轮零件名称双联齿轮共9 页第8页 车间 工序号工序名称材料牌号机加工100滚齿40Cr毛坯种类毛坯外形尺寸每毛坯可制作数每台件数锻件11设备名称设备型号设备编号同时加工件数滚齿机Y3150E1夹具编号夹具名称切削液滚齿工位夹具编号工位器具名称工序工时准终单件工步号工步名称工艺装备主轴转速(r/min)切削速度(m/min)进给量(mm/r)背吃刀量(mm)进给次数工时/min机动单件01滚齿（Z=26)滚刀672890.45116020304编制 (日期)审核 (日期)标准化 (日期)会签 (日期)标记处数更改文件号签字日期标记处数更改文件号签字日期企业名称机械加工工序卡产品型号零件图号01-01产品名称双联齿轮零件名称双联齿轮共9 页第页 车间 工序号工序名称材料牌号机加工110滚齿40Cr毛坯种类毛坯外形尺寸每毛坯可制作数每台件数锻件11设备名称设备型号设备编号同时加工件数滚齿机Y3150E1夹具编号夹具名称切削液滚齿工位夹具编号工位器具名称工序工时准终单件工步号工步名称工艺装备主轴转速(r/min)切削速度(m/min)进给量(mm/r)背吃刀量(mm)进给次数工时/min机动单件01滚齿（Z=22)滚刀672890.451150203编制 (日期)审核 (日期)标准化 (日期)会签 (日期)标记处数更改文件号签字日期标记处数更改文件号签字日期企业名称机械加工工艺过程卡片产品型号零件图号01-01产品名称双联齿轮零件名称双联齿轮共1 页第 1页材料牌号40Cr毛坯种类锻件毛坯外形尺寸每毛坯可制作数 1每台件数1备注工序号工序名称工序内容车间工段设备工艺装备工时/min010锻造锻造准终单件020热处理正火，去应力退火热处理030粗车三爪装夹左端毛坯,车右端面以及72外圆，留精加工余量机加工车沈阳一机CA6140外圆车刀0.07040粗车掉头，三爪装夹右端外圆,车左端面以及84外圆，留精加工余量机加工车沈阳一机CA6140外圆车刀0.07050精车车右端面以及72外圆及倒角，达到图纸尺寸机加工车沈阳一机CA6140外圆车刀0.05060精车车车左端面以及84外圆及倒角，达到图纸尺寸机加工车沈阳一机CA6140外圆车刀0.05070扩扩30的通孔至28机加工钻沈阳一机CA614028钻头0.08080镗镗38H7孔，达到图纸尺寸机加工镗沈阳一机CA6140镗刀0.6090镗镗50孔机加工镗沈阳一机CA6140镗刀0.4100滚齿滚齿（Z=26)机加工滚齿滚齿机Y3150E滚刀6110滚齿滚齿（Z=22)机加工滚齿滚齿机Y3150E滚刀5120钳去毛刺机加工130检验140入库编制 (日期)审核 (日期)标准化 (日期)会签 (日期)标记处数更改文件号签字日期标记处数更改文件号签字日期机 械 技 术 学 院毕 业 设 计 论 文双联齿轮机械加工工艺及三维造型设计学生姓名： 指导教师姓名： 所在班级： 所在专业： 论文提交日期： 2015.4 论文答辩日期： 2015 答辩委员会主任： 主答辩人： xxxx 系2无锡职业技术学院毕业设计论文独创性声明本人声明所呈交的毕业设计论文是我个人在指导老师指导下进行的研制工作及取得的研制成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得无锡职业技术学院或其它教育机构的毕业文凭或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本论文所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学生签名： 日期：2015.4.1无锡职业技术学院毕业设计论文使用授权声明无锡职业技术学院及其图书馆、档案室有权保留本人所送毕业设计论文：双联齿轮机械加工工艺及三维造型设计的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存本论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除此以外，允许本论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。论文的公布（包括刊登）授权无锡职业技术学院机械技术学院办理。学生签名： 指导教师签名： 日期：2015.4.118双联齿轮机械加工工艺及三维造型设计摘要 双联齿轮零件加工工艺及夹具设计是包括零件加工的工艺设计、工序设计部分。在工艺设计中要首先对零件进行分析，了解零件的工艺再设计出毛坯的结构，并选择好零件的加工基准，设计出零件的工艺路线；接着对零件各个工步的工序进行尺寸计算，关键是决定出各个工序的工艺装备及切削用量并在以后设计中注意改进。关键词 工艺，工序，切削用量 Double gear machining technology and three-dimensional designabstract Double gear parts and fixture design process includes parts machining process design, process design part. In the process of designing the parts to be the first analysis to understand the parts of the process re-design the structure of the blank, and select the machining datum good parts, the design process route parts; then the part of each step of the process to calculate the size of a key is to determine the technical equipment and cutting the amount of each process and attention to improving the design in the future.Key words technology, processes, cutting the amount of目 录第1章 序 言1第2章 零件的分析22.1零件的形状22.2零件的工艺分析3第3章 工艺规程设计53.1 确定毛坯的制造形式53.2定位基准的选择零件表面加工方法的选择53.3 制定工艺路线53.4 选择加工设备和工艺装备73.4.1 机床选用73.4.2 选择刀具83.4.3 选择量具83.5 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定8第4章 确定切削用量及基本时间104.1 工序切削用量的及基本时间的确定104.2 工序切削用量的及基本时间的确定124.3 工序切削用量及基本时间的确定124.4 工序切削用量及基本时间的确定14总 结16致 谢17参 考 文 献18无锡职业技术学院毕业设计论文双联齿轮机械加工工艺及三维造型设计 第1章 序 言机械制造业是制造具有一定形状位置和尺寸的零件和产品，并把它们装备成机械装备的行业。机械制造业的产品既可以直接供人们使用，也可以为其它行业的生产提供装备，社会上有着各种各样的机械或机械制造业的产品。我们的生活离不开制造业，因此制造业是国民经济发展的重要行业，是一个国家或地区发展的重要基础及有力支柱。从某中意义上讲，机械制造水平的高低是衡量一个国家国民经济综合实力和科学技术水平的重要指标。双联齿轮零件加工工艺及夹具设计是在学完了机械制图、机械制造技术基础、机械设计、机械工程材料等的基础下，进行的一个全面的考核。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，并设计出专用夹具，保证尺寸证零件的加工质量。本次设计也要培养自己的自学与创新能力。因此本次设计综合性和实践性强、涉及知识面广。所以在设计中既要注意基本概念、基本理论，又要注意生产实践的需要，只有将各种理论与生产实践相结合，才能很好的完成本次设计。本次设计水平有限，其中难免有缺点错误，敬请老师们批评指正。第2章 零件的分析2.1零件的形状题目给的零件是双联齿轮零件，主要作用是起连接作用。它主要用于轴与轴之间的连接，以传递动力和转矩。 双联齿轮主要用于一些机械设备变速箱中，通过与操作机构的结合，滑动齿轮从而实现变速。圆柱齿轮一般分为齿圈和轮体两部分，根据齿轮轮体的结构形状来划分可知上图中的双联齿轮为盘类齿轮，有两个齿圈，在齿圈上切出直齿齿形。零件的实际形状如上图所示，从零件图上看，该零件是典型的零件，结构比较简单。具体尺寸，公差如下图所示。2.2零件的工艺分析由零件图可知，具有较高强度，耐磨性，耐热性及减振性，适用于承受较大应力和要求耐磨零件。该零件属于齿轮类零件，形状规则，尺寸精度和形位精度要求均较高，零件的主要技术分析如下：（1）齿轮端面对准A的圆跳动公差不超过0.018mm，主要是保证端面平整光滑，双联是利用轴和孔进行配合定位，因此必须保证孔的尺寸精度。 双联齿轮之间啮合要求严格，要保证双联齿轮的齿形准确及同轴度较高。（2）由于零件是双联齿轮，轴向距离较小，根据生产纲领是选择合理的加工工艺。（3）齿轮要求加工精度高，要严格控制好定位（4）38H7孔是一比较重要的孔，也是以后机械加工各工序中的主要定位基准。因此加工孔的工序是比较重要的。要在夹具设计中考虑保证到此孔精度及粗糙度要求。双联齿轮零件主要加工表面为：1.车外圆及端面，表面粗糙度值为3.2。2.车外圆及端面，表面粗糙度值3.2。3.镗装配孔，表面粗糙度值3.2。4.半精车侧面，及表面粗糙度值3.2。5.两侧面粗糙度值1.6。第3章 工艺规程设计本双联齿轮假设年产量为10万台，每台需要该零件1个，备品率为111%，废品率为0.25%，每日工作班次为2班。考虑到零件在工作时要有高的耐磨性，所以选择锻造。依据设计要求Q=100000件/年，n=1件/台；结合生产实际，备品率和 废品率分别取111%和0.25%代入公式得该工件的生产纲领 N=2XQn(1+)（1+)=23134115件/年3.1 确定毛坯的制造形式 由于零件结构简单，尺寸较小，且有台阶轴，力学性能要求较高，精度较高且要进行大量生产所以选用模锻件，其加工余量小，表面质量好，机械强度高，生存率高。工件材料选用40Cr钢，毛坯的尺寸精度要求为IT1112级3.2定位基准的选择零件表面加工方法的选择待加工的两零件是盘状零件，孔是设计基准（也是装配基准和测量基准），为避免由于基准不重合而产生的误差，应选孔为定位基准，即遵循“基准重合”的原则。具体而言，即选一端面作为精基准。由于待加工的两零件全部表面都需加工，而孔作为精基准应先进行加工，对主动端而言，应选面积较大的外圆及其端面为粗基准；对从动端而言，应选面积较大190mm的外圆及其端面为粗基准。3.3 制定工艺路线制定工艺路线的出发点，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能得到合理的保证。在生产纲领已经确定为成批生产的条件下，可以考虑采用万能性机床配以专用夹具，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下降。 工艺路线一：010锻造锻造020热处理正火，去应力退火030粗车三爪装夹左端毛坯,车右端面以及72外圆，留精加工余量040粗车掉头，三爪装夹右端外圆,车左端面以及84外圆，留精加工余量050精车车右端面以及72外圆及倒角，达到图纸尺寸060精车车车左端面以及84外圆及倒角，达到图纸尺寸070扩扩30的通孔至36080镗镗38H7孔，达到图纸尺寸090镗镗50孔100滚齿滚齿（Z=26)110滚齿滚齿（Z=22)120钳去毛刺130检验140入库工艺路线二：010锻造锻造020热处理正火，去应力退火030粗车三爪装夹左端毛坯,车右端面以及72外圆，留精加工余量040粗车掉头，三爪装夹右端外圆,车左端面以及84外圆，留精加工余量050精车车右端面以及72外圆及倒角，达到图纸尺寸060精车车车左端面以及84外圆及倒角，达到图纸尺寸070滚齿滚齿（Z=26)080滚齿滚齿（Z=22)090扩扩30的通孔至36100镗镗38H7孔，达到图纸尺寸110镗镗50孔120钳去毛刺130检验140入库工艺方案一与方案二的比较：方案二把滚齿加工放到钻中心孔的加工之前，这样就导致加工时夹具的定位和加紧不好确定，也不好保证一个对A基准线的圆跳动误差。最终确定的工艺方案：010锻造锻造020热处理正火，去应力退火030粗车三爪装夹左端毛坯,车右端面以及72外圆，留精加工余量040粗车掉头，三爪装夹右端外圆,车左端面以及84外圆，留精加工余量050精车车右端面以及72外圆及倒角，达到图纸尺寸060精车车车左端面以及84外圆及倒角，达到图纸尺寸070扩扩30的通孔至36080镗镗38H7孔，达到图纸尺寸090镗镗50孔100滚齿滚齿（Z=26)110滚齿滚齿（Z=22)120钳去毛刺130检验140入库3.4 选择加工设备和工艺装备3.4.1 机床选用.工序和工序是粗车、粗镗和半精车、半精镗。各工序的工步数不多，成批量生产，故选用卧式车床就能满足要求。本零件外轮廓尺寸不大，精度要求属于中等要求，选用最常用的CA6140卧式车床。参考根据机械制造设计工工艺简明手册表4.2-7。.工序是钻孔，选用Z525摇臂钻床。 工序都为CA6140卧式车床。由于加工的零件外廓尺寸不大，又是回转体，故宜在车床上镗孔。由于要求的精度较高，表面粗糙度较小，需选用较精密的机床才能满足要求，因此选用CA6140卧式车床（表5-134）。3.4.2 选择刀具.在车床上加工的工序,一般选用硬质合金车刀和镗刀。加工刀具选用YG6类硬质合金车刀，它的主要应用范围为普通铸铁、冷硬铸铁、高温合金的精加工和半精加工。为提高生产率及经济性,可选用可转位车刀(GB5343.1-134,GB5343.2-134)。.钻孔时选用高速钢麻花钻，参考机械加工工艺手册（主编 孟少农），第二卷表10.21-47及表10.2-53可得到所有参数。3.4.3 选择量具本零件属于成批量生产，一般均采用通常量具。选择量具的方法有两种：一是按计量器具的不确定度选择；二是按计量器的测量方法极限误差选择。采用其中的一种方法即可。3.5 机械加工余量、工序尺寸及毛坯尺寸的确定“双联齿轮” 零件材料为40Cr，查机械加工工艺手册（以后简称工艺手册），表2.2-17 各种合金钢的性能比较，硬度HB为1432611，表2.2-23的物理性能，密度=7.27.3（），计算零件毛坯的重量约为2。表3-1 机械加工车间的生产性质生产类别同类零件的年产量件重型（零件重2000kg）中型（零件重1002000kg）轻型（零件重100kg）单件生产5以下10以下100以下小批生产510010200100500中批生产1003002005005005000大批生产30010005005000500050000大量生产1000以上5000以上50000以上根据所发的任务书上的数据，该零件的月工序数不低于3050，毛坯重量21000MPs的合金钢，切削速度=117m/min。切削速度的修正系数查参考文献7表1.40得：，其余的修正系数均为1，故：V=1170.811.15=110.4m/min=178r/min查参考文献6表4.2-8选择C1100-1机床的转速为： n=1134r/min=3.08r/s则实际切削速度v=1.56m/s半精加工，机床功率也可不校验。最后确定的切削用量为：=0.75mm, f=0.3mm/r, n=1134r/min=3.08r/s, v=1.56m/s=113.6m/min。车左端面以及84外圆及倒角，达到图纸尺寸确定半精车主动端端面的切削用量。采用车外圆相同的刀具加工，切削用量为：,f=0.3mm/r,n=1134r/min=3.08r/s, v=1.56m/s=113.6m/min。4.3.2 切削用量确定精车基本时间： =52s4.4 工序切削用量及基本时间的确定镗38H7孔，达到图纸尺寸，镗50孔选刀具为YT30硬质合金、主偏角、直径为12mm的圆形镗刀。其耐用度T=110min。=0.25mmf=0.15mm/rv=1.4=230.77mm/min=1837.3r/min参考文献1表5-56，根据C6140车床的转速表，选择n=1400r/min=23.3r/s,则实际切削速度v=4.118m/s。=16s滚齿加工由文献2表10-174V=312/T0.33S0.5N=0.124s0.9m1.7/D又由文献2表10-175,10-177S=2.5，T=240min，m=4代入上式得V=32.4m/min，N=0.27kw（2）插齿加工21齿由文献2表10-174V=49/T0.2s0.5m0.3N=17910-4sm2/20.11又由文献2表10-189,10-192S=0.32，T=300min，代入上式得V=18.3m/min，N=0.062kw由（1）、（2）计算它们均小于机床所能提供的功率，故符合要求。总 结毕业设计即将结束了，时间虽然短暂但是它对我们来说受益菲浅的，通过这次的设计使我们不再是只知道书本上的空理论，不再是纸上谈兵，而是将理论和实践相结合进行实实在在的设计，使我们不但巩固了理论知识而且掌握了设计的步骤和要领，使我们更好的利用图书馆的资料，更好的更熟练的利用我们手中的各种设计手册和AUTOCAD等制图软件，为我们踏入社会打下了好的基础。毕业设计使我们认识到了只努力的学好书本上的知识是不够的，还应该更好的做到理论和实践的结合。因此我们非常感谢老师给我们的辛勤指导，使我们学到了很多，也非常珍惜大学给我们的这次设计的机会，它将是我们毕业设计完成的更出色的关键一步。致 谢这次毕业设计使我收益不小，为我今后的学习和工作打下了坚实和良好的基础。但是，查阅资料尤其是在查阅切削用量手册时，数据存在大量的重复和重叠，由于经验不足，在选取数据上存在一些问题，不过我的指导老师每次都很有耐心地帮我提出宝贵的意见，在我遇到难题时给我指明了方向，最终我很顺利的完成了毕业设计。这次毕业设计成绩的取得，与指导老师的细心指导是分不开的。在此，我衷心感谢我的指导老师，特别是每次都放下他的休息时间，耐心地帮助我解决技术上的一些难题，她严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从题目的选择到项目的最终完成，他都始终给予我细心的指导和不懈的支持。多少个日日夜夜，他不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，除了敬佩指导老师的专业水平外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。在此谨向指导老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。参 考 文 献1 东北重型机械学院，洛阳农业机械学院，长春汽车厂工人大学，机床夹具设计手册M，上海：上海科学技术出版社，111134。2 张进生。机械制造工艺与夹具设计指导。机械工业出版社，111115。3 李庆寿。机床夹具设计。机械工业出版社，111111。4 李洪。机械加工工艺手册。北京出版社，111134。5 上海市金属切削技术协会。金属切削手册。上海科学技术出版社，2544。6 黄如林，刘新佳，汪群。切削加工简明实用手册。化学工业出版社，2544。7 余光国，马俊，张兴发，机床夹具设计M，重庆：重庆大学出版社，111115。8 周永强，高等学校毕业设计指导M，北京：中国建材工业出版社，2540。11刘文剑，曹天河，赵维，夹具工程师手册M，哈尔滨：黑龙江科学技术出版社，111134。10 王光斗，王春福。机床夹具设计手册。上海科学技术出版社，2540。11 东北重型机械学院，洛阳农业机械学院，长春汽车厂工人大学。机床夹具设计手册.上海科学技术出版社，11184。 12 李庆寿，机械制造工艺装备设计适用手册M，银州：宁夏人民出版社，111111。11 廖念钊，莫雨松，李硕根，互换性与技术测量M，中国计量出版社，2540：11-111。14 王光斗，王春福，机床夹具设计手册M，上海科学技术出版社，2540。15 乐兑谦，金属切削刀具，机械工业出版社，25HT150：4-17 机械原理基于局部平均分解的阶次跟踪分析及其在齿轮故障诊断中的应用Junsheng Cheng, Kang Zhang, Yu Yang关键词： 阶次跟踪分析 局部平均分解 解调 齿轮 故障诊断摘要：局部平均分解(LMD)是一种新的自适应时频分析方法,这种方法特别适合处理多分量的调幅信号和调频(AM-FM)信号。通过使用LMD方法,可以将任何复杂的信号分解为一系列的产品功能PF分量(PFs),每个PF分量都是纯调频信号和包络信号的乘积，且通过纯调频信号可以获得具有物理意义的瞬时频率。从理论上讲,每个PF分量都是一个单分量的AM-FM信号。 因此,可以将LMD的过程看作是信号解调的过程。齿轮发生故障时,振动信号呈现明显的AM-FM特征。因此，针对齿轮升降速过程中故障振动信号为多分量的调制信号，以及故障特征频率随转速变化的特点，提出了一种基于LMD和阶次跟踪分析的齿轮故障诊断方法。齿轮箱的故障诊断实验表明本文提出的方法能有效地提出齿轮故障诊断特征。1 引言齿轮传动是机械设备中常见的传动方式, 故对齿轮进行故障诊断具有重要意义。齿轮故障诊断的关键一步是故障特征的提取。一方面，传统的齿轮故障诊断方法的重点在一个固定的旋转速度检测振动信号的频谱分析。 而齿轮作为一种旋转部件, 其升降速过程的振动信号往往包含了丰富的状态信息, 一些在平稳运行时不易反映的故障特征在升降速过程中可能会充分地表现出来1,此外，来自齿轮振动信号的暂态过程中，速度依赖性总是显示非平稳特征。如果频谱分析直接应用于非平稳振动信号，混频将不可避免的发生，这将对故障特征提取带来不良影响。在以往的研究中，为了跟踪技术，通常利用振动信号中添加旋转机械轴转速信息，已经成为一个在旋转机械故障诊断2,3的重要途径。从本质上讲，阶次跟踪分析技术可以在时域非平稳信号转换成角域静止，可以突出的旋转速度相关的振动信息和抑制无关的信息。因此，阶次跟踪分析是在助跑过程中齿轮的故障特征提取和运行了一个可取的方法 另一方面，当发生故障的齿轮振动信号，拿起在运行和运行过程中始终存在的振幅特性调制和频率调制（AMFM）。为了提取齿轮故障振动信号的调制特征，解调分析是最流行的方法之一 4,5 。然而，传统的解调方法，如希尔伯特变换解调和传统包络分析有其自身的局限性 6 。这些缺点包括两个方面：（1）在实践中大多数的齿轮故障振动信号都是多组分是调频信号。这些信号，在传统的解调方法，他们通常是通过带通滤波器分解成单组分是调频信号的解调，然后提取的频率和振幅信息。然而，这两个数载波频率的载波频率成分和幅值都难以在实践中被确定，所以带通滤波器的中心频率的选择具有主体性，将解调误差和使它提取机械故障振动信号的特征是无效的；（2）由于希尔伯特不可避免的窗口效应变换，当使用希尔伯特变换提取调制信息，目前的非瞬时响应特性，即，在调制信号被解调以及打破中间部分的两端会再次产生调制，使振幅指数衰减的方式得到的波动，然后解调误差将增加 7 。为了克服第一个缺点，一个合适的分解方法应寻找独立的多分量信号为多个单组分是调频信号的包络分析之前。由于EMD（经验模态分解）自适应复杂多分量信号分解为一系列固有模态函数（IMF）的瞬时频率的物理意义 8,9 ，基于EMD的阶比跟踪方法已广泛应用于齿轮故障诊断 13 。然而，仍然存在许多不足之处 14 ，如在EMD的端点效应和模态混 15 ，仍在进行。此外，对原信号通过EMD分解，产生了由希尔伯特变换（上面提到的）缺点是不可避免的在IMF进行希尔伯特变换的包络分析。此外，有时无法解释的负瞬态频率时会出现瞬时频率计算每个IMF进行希尔伯特变换 16 局部均值分解（LMD）是一种新型的解调分析方法，特别适合于处理多组分的幅度调制和频率调制（AM调频）信号 16 。用LMD，任何复杂的信号可以分解成许多产品功能（PFS），每一种产品的包络线信号（获得直接由分解）的PF瞬时振幅可以得到一个纯粹的频率调制信号从一个良好定义的瞬时频率可以计算。在本质上，每个PF正是一种单组分我调频信号。因此，LMD的程序可以，事实上，作为解调过程。调制信息可以通过频谱分析的瞬时振幅（包络信号，直接获得通过分解）每个PF分量进行希尔伯特变换，而不是由PF分量。因此，当LMD和EMD方法分别应用到解调分析，与EMD，LMD的突出优点是避免希尔伯特变换。此外，LMD迭代过程中所采用的手段和当地的幅度不平滑的地方用EMD的三次样条的方法，这可能带来的包络的误差和影响的精度瞬时频率和振幅。此外，与EMD端点效应相比并不明显，因为在LMD方法更快的速度和算法的迭代次数更少 17 。 基于以上分析，阶次跟踪和解调技术，LMD最近的发展，科学相结合，并应用于齿轮故障诊断过程中各轴速度。首先，订单跟踪技术被用于将从时间域的齿轮振动信号角域。其次，分解角域重采样信号的PF系列LMD，因此组件和相应的瞬时振幅和瞬时频率可以得到的。最后，进行频谱分析的故障信息含有显性PF分量的瞬时幅值。从实验的振动信号，表明该方法能有效地提取故障特征和分类准确齿轮工作状态的分析结果。 本文的组织如下。第2节是一个给定的LMD方法理论。在第3节中的齿轮故障诊断方法中，以技术和LMD跟踪相结合的提出和实践应用表明，提出的方法。此外，LMD和基于EMD的比较也在第3节提到了基础的方法。最后，我们得出了第4部分的结论。2 LMD 方法 LMD方法的本质是通过迭代从原始信号中分离出纯调频信号和包络信号,然后将纯调频信号和包络信号相乘便可以得到一个瞬时频率具有物理意义的PF分量,循环处理直至所有的PF分量分离出来对任意信号x(t),其分解过程如16: ( 1) 确定原始信号第i个局部极值及其对应的时刻,计算相邻两个局部极值和的平均值 (1) 将所有平均值点mi在其对应的时间段,内伸一线段,然后用滑动平均法进行0平滑处理,得到局均值m11(t) 。 ( 2) 采用局部极值点计算局部幅值 : =| -|/2 (2)将所有局部幅值点ai在其对应的时间段,内伸成一条线段,然后采用滑动平均法进行平滑处理,得到包估计函数a11(t) 。 ( 3) 将局部均值函数m11(t)从原始信号x(t)中分离来, 即去掉一个低频成分,得到 h11(t)=x(t)-m11(t) (3) ( 4)用h11(t)除以包络估计函数A11( t)以对h11(t)进行解调,得到 s11(t)=h11(t)/A11(t) (4) 对s11( t)重复上述步骤便能得到s11(t)的包络估计函数A12(t),若A12(t)不等于1,则s11( t)不是一个纯调频信号需要重复上述迭代过程n次,直至s1n(t)为一个纯调频信号,即 s1n(t)的包络估计函数 A1(n+1)(t)=1,所以,有 (5) (6)为理论上, 迭代终止的条件 (7) 在实践中,一种变体会提前确定。如果1a1(n + 1)(t)1 +and1s1n(t)1,然后迭代过程将停止( 5) 把迭代过程中产生的所有包络估计函数相乘便可以得到包络信号( 瞬时幅值函数) : （8）( 6) 将包络信号A1(t)和纯调频信号s1n(t)相乘便可以得到原始信号的第一个PF分量: PF1(t）=a1(t)s1n(t) ( 9)PF1(t)包含了原始信号中频率值最高的成分,是一个单分量的调幅-调频信号,PF1(t)的瞬时幅值就是包络信号A1(t),PF1(t)的瞬时频率f1(t)则可由纯调频信号s1n(t)求出,即: (10) ( 7)将第一个PF分量PF1(t)从原始信号x(t)中分离出来, 得到一个新的信号u1(t),将u1( t)作为原始数据重复以上步骤,循环k次,直到 uk为一个单调函数为止,即: (11) 原始信号x(t)能够被所有的PF分量和uk重构,即: (12) 产品功能p的数量在哪里.此外,相应的完整的时频分布可以通过组装瞬时幅度和瞬时频率的PF组件。3 基于阶次跟踪分析与 L M D 的齿轮故障诊断3.1 阶次跟踪分析 阶次跟踪分析首先根据参考轴的转速信息对时域信号进行等角度重采样, 将时域非平稳信号转换为角域平稳信号, 再对角域平稳信号进行谱分析得到阶次谱。阶次跟踪分析能够提取信号中与参考轴转速有关的信息, 同时抑制与转速无关的信号, 因此非常适合分析旋转机械在变转速过程下的振动信号。实现阶次跟踪分析技术的关键在于, 如何实现被分析信号相对于参考轴的等角度重采样, 即阶次重采样。常用的阶次重采样方法有硬件阶次跟踪法 6、计算阶次跟踪法 7和基于瞬时频率估计的阶次跟踪法 8等。硬件阶次跟踪法直接通过专用的模拟设备实现信号的等角度重采样,实时性好,但只适用于轴转速较稳定的情况,且成本很高;基于瞬时频率估计的阶次跟踪法不需要专门的硬件设备,无需考虑硬件安装问题,且成本较低, 但是不适用于分析多分量信号,而实际工程信号大多为多分量信号, 因此其实际应用意义不大;COT法通过软件的形式实现等角度重采样,分析精度高, 对被分析的信号没有特别的要求,并且无需特定的硬件, 因此是一种应用广泛的阶次跟踪分析方法。根据试验条件采用COT法实现信号的阶次重采样,其具体步骤如下:1. 对振动信号和转速信号分两路同时进行等时间间隔(间隔为$t)采样,得到异步采样信号;2. 通过转速信号计算等角度增量 $H 所对应的时间序列ti ;3. 根据时间序列ti的值,对振动信号进行插值,求出其对应的幅值,得到振动信号的同步采样信号,即角域平稳信号;4.使用LMD分解平衡角重采样信号,因此sPF系列组件和相应的瞬间振幅和瞬时频率可以获得5.光谱分析应用于每个PF的瞬时振幅组件,然后我们有订单谱3.2 齿轮故障诊断实例升降速过程中的齿轮故障振动信号通常是多分量的调幅-调频信号,并且故障特征频率会随着转速的变化而改变。针对升降速过程齿轮故障振动信号的这些特点, 提出了基于阶次跟踪分析和 LM D 的齿轮故障诊断方法。首先采用阶次跟踪分析将齿轮升降速过程的时域振动信号转换成角域平稳信号;然后对角域信号进行LMD分解,得到一系列PF分量,以及各个PF分量的瞬时幅值和瞬时频率; 最后对各个PF分量的瞬时幅值进行频谱分析,便可以有效地提取出齿轮故障特征。为了验证方法的正确性,在旋转机械试验台上进行了齿轮正常和齿根裂纹两种工况的试验。该系统中, 电机输入轴齿轮齿数z1=55, 输出轴齿轮齿数z2 = 75。在输入轴齿轮齿根上加工出小槽,以模拟齿根纹故 障, 因此齿轮啮合阶次xm=55,故障特征阶次xc=1。图1和图2所示分别为由转速传感器测得的输入轴瞬时转速n(t),以及由振动传感器测得的齿轮故障 振动加速度a(t),其中采样频率为8192H z,采样时间为20s从图1可以看出,输入轴转速首先从150r/min逐渐加速至1410r/min, 然后再减速到820r/min,而加速度信号的幅值也随着作出了相应的变化。不失一般性,截取图2中5 7s升速过程的信号 a1(t)进行分析。 图 1 输 入轴的瞬时转速 n ( t )图 2 齿轮故障振动加速度信号 a( t )值在秩序O=55和O=110相应的齿轮啮合秩序和双。因此这意味着频率混淆现象已经在很大程度上消除。然而,为j1()仍然是一个多个组件MA-MF信号。因此,一边频带反映故障特征频率模糊。有效地提取故障特征,应用LMD j - 1(),因此七PF组件和残渣可以得到图6所示,这意味着LMD解调的进展。因此,它是可以提取齿轮故障特性,利用频谱分析的瞬时振幅PF组件包含主要故障信息。通过分析,我们知道失败的主要信息包括在第一个PF组件。因此,无花果。7和8给瞬时振幅a1()的第一个PF组件PF 1()和相应的秩序光谱的a1(),很明显,有不同的光谱峰值在第一顺序(O = 1)对应齿轮阶次跟踪功能,符合齿轮的实际工况。图9和图10显示转速信号的n(t)和振动加速度信号的时域波形s(t)齿轮分别与破碎的牙齿,采样率为8192 Hz和总样品时间是20年代。断齿故障引入输入轴上的齿轮与激光切割槽的牙根。首先,一段信号s1(t)5 s-7年代为进一步分析的进步是拦截;其次,假设样本点每旋转400;第三,角域信号为j1()图11所示可以通过执行命令重采样s1(t);第四,LMD适用于j-1();最后,相应的秩序频谱图12所示的瞬时振幅首先PF组件PF 1()可以了,很明显,有不同的光谱峰值(比在图8)在第一顺序(O = 1)阶次跟踪分析对应于齿轮故障功能,符合齿轮的实际工况。同样的,我们同样可以做正常的齿轮。转速信号n(t)和振动的时域波形加速度信号s(t)的正常齿轮分别列在无花果。13和14,采样率为8192 Hz和总样品时间是20多岁。在上述相同的方法应用于原始信号图14所示,结果无花果所示。15和16。图15显示了角域j - 1()执行顺序重采样后的信号部分(5s-7年代在筹备进展)的原始信号。图16显示了相应的瞬时振幅谱第一个PF组件,很难找到齿轮故障特征,也符合实际的工作状态的装备。目前,多组分的另一个竞争解调方法AM-FM信号,即经验模式分解(EMD)存在,已经被广泛应用于信号解调分析(7、22)。为了比较两个EMD方法,取代LMD,我们能做的同样使用EMD进行重采样信号无花果所示。图4、11和15 图 3 齿轮故障振动加速度信号的频谱图 4 阶次重采样后的齿轮故障振动 加速度信号图5 j1()的阶次谱分别,因此可以获得一系列国际货币基金组织(IMF)组件。此外,相应的瞬时振幅和国际货币基金组织每个组件的瞬时频率可以通过希尔伯特变换计算。通过分析,我们知道,IMF主要特征信息包含在第一个组件。因此,只有应用于瞬时频谱分析第一个国际货币基金组织(IMF)组件的振幅。无花果。17日至19日给订单频谱对应三种振动信号的破解断层、断齿故障和正常的齿轮,分别,很明显,订单跟踪分析基于EMD也可以提取齿轮故障特性,确定齿轮的工作状态。尽管EMD和LMD都可以分解原始信号实际上,两种方法之间的差异仍然存在。EMD方法比较,如第一节中所述,LMD有更多迭代次数少等优点,不明显的效果和更少的瞬时频率的虚假成分,可以使用更多的应用在实践中。 图 6 角域信号j1( )的LMD分解结果图 7 PF1()的瞬时幅值A1()图 8 第1个PF分量的幅值谱图 9 输入轴的瞬时转速 n(t)图 1 0 正常齿轮的振动加速度信号 a(t)图11 阶次重采样后的正常齿轮振动加速度信号j1(）图 12 第一个PF分量的幅值谱图13 输入轴转速r(t)正常齿轮前和过程中图图14 齿轮的振动加速度信号(t)在正常状态图15 相应的振动加速度信号为j1()角域通过应用顺序重采样tos(t)图14所示。图17 第一个IMF分量的幅值谱 图 18 第一个IMF分量的幅值谱3 结论 在齿轮故障诊断技术、阶次跟踪是一个著名的技术,可用于故障检测的旋转机器采用振动信号。针对齿轮故障振动信号的调制特点在助跑和破败的和缺点在齿轮经常可以发相关轴转速在瞬态过程中,阶次跟踪和技术LMD相结合用于齿轮故障诊断。从理论分析和实验结果以下几点得出结论: ( 1) 在分析齿轮变转速状态下的振动信号时,转速波动会引起频谱图出现频率混叠, 而阶次跟踪分析通过对信号进行阶次重采样能够在很大程度上消除频率混叠, 使频谱图的谱线清晰可读。 ( 2) 齿轮故障时的振动信号为一多分量的调幅- 调频信号, 采用LMD方法能将其分解为若干个PF分量之和,同得到各个PF分量的瞬时幅值和瞬时频率, 实现了原信号的解调。对含有齿轮故障特征的PF分量的瞬时幅值进行频谱分析, 能够准确地提取出齿轮故障特征信息。 图19 阶次的第一个国际货币基金组织(IMF)组件的正常使用EMD齿轮 ( 3) 对齿轮正常和齿根裂纹两种工况的振动信号进行了分析,分析结果表明, 本文方法能够准确地反映出齿轮的实际工况。References1 S.K. 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