毕业论文-剃前齿轮滚刀的设计与加工工艺

绪论1.1刀具的引入与作用现代制造技术是20世纪提出来的，但是它的工作基础已经有半个多世纪了。从手工加工到机械加工，产品质量和生产率得到了很大提高，于是就逐渐形成了机械制造技术。机械制造技术中的机械加工技术对于机械工业而言是至关重要的。而作为机械加工中的核心——刀具，其在机械工业生产和加工中，占有重要的地位。任何一种使用复杂刀具的机床，其性能的提高和结构的改进，都是与复杂刀具构形理论的发展和结构的革新紧密联系的。刀具合理及正确的的设计制造和使用，能极大限度地提高机械加工的生产效率、产品质量，并且有效地降低生产成本。1.2刀具的国内外发展现状随着机械加工技术的不断发展，国内外的刀具，尤其是齿轮刀具的研究发也取得了长足的进步，其主要体现在以下几个方面：（1）环保干切化：环保干切在齿轮加工方面已得到应用，国内外主要的机械或工具厂，如国外的Gleason公司，三菱公司，国内的重庆机床厂等，均研发了专用干切滚齿机床。与传统切削加工方式相比，干切加工不需要冷却液，既经济又环保，干切加工方式还可以在允许的条件范围内，使用更高的切削速度，提高加工效率。按照干切机床的加工要求，各主要工具厂家均研发了环保干切滚刀，例如Gleason公司、NACHI公司、SU公司等。环保干切滚刀按材料分类，有整体硬质合金滚刀，硬质合金可转位滚刀，粉末冶金高速钢滚刀等。整体硬质合金滚刀一般用于模数小于2mm的齿轮，精度可达到AAA级，切削速度可达250m/min以上；硬质合金可转位滚刀一般用于模数为6～45mm的齿轮，主要用于磨前粗切，切削速度可达120～150m/min；粉末冶金高速钢滚刀一般模数范围更广泛，可覆盖所有模数段，该类刀具均采用高性能粉末冶金高速钢制造，刀具韧性好，加工难度小，其结构特点是半径小、长度长，减少进出刀的时间，并进行串刀，提高刀具的耐用度和加工效率，采用粉末冶金材料和高性能涂层，切削速度可达150～200m/min，精度可达到DINAA级或GBAA级。因此环保干切方式必将成为齿轮加工的主流方式。（2）齿轮滚刀刀具硬质合金化：一般而言，齿轮刀具材料大部分是高速钢（高性能粉末冶金高速钢也已普遍应用），但是随着硬质合金材料的发展和加工技术的快速进步，硬质合金刀具的使用越来越普遍，在欧洲等发达国家，比重已高达近70%。近年来国内外各刀具厂商如Gleason、kennametal、Fette、Ingersoll、Sandvikcoromant等，研发了各种硬质合金可转位齿轮刀具，大大提高了齿轮加工的生产效率，也极大的提高了刀具的使用寿命。可转位硬质合金齿轮滚刀，它的为头数1或2头，刀片可转位2次或4次使用，模数范围5.5～40mm。和高速钢齿轮滚刀相比，这类刀具切削速度较高，可达100～150m/min（同类高速钢镶片滚刀切削速度仅为30m/min），干切切削效率提高1～3倍。除大模数可转位合金滚刀外，Sandvik、coromant还研发了5～8mm范围的机夹式硬质合金滚刀。不同的是滚刀每个刀齿采用一个刀片，装配精度可达DINB级，结构更为新颖。在小模数（m＜2）齿轮加工方面，已开发了一系列整体硬质合金滚刀，精度可达到AAA-A级，切削速度可达250m/min以上；与此同时，以上公司还研发了硬质合金可转位齿轮铣刀，既可用于外齿轮加工，又可高效加工内齿轮，特别是风电行业大型内齿圈的高效加工，除用于粗切外，还可直接精切齿轮，加工精度可稳定达到GB8级，这也说明硬质合金刀片制造技术有了长足的进步，其模数范围6～40mm，切削速度也可达到100～150m/min，切削效率提高1～3倍。值得一提的是在国内外，CBN、PCD等超硬刀具也得到了越来越多的应用，相信超硬刀具会成为未来刀具发展的方向以及使用的趋势。（3）涂层技术的发展和刀具的紧密关系：在现代刀具发展中，涂层技术的使用至关重要，可以说先进的涂层技术成就了现代高效切削刀具。目前，无论是化学涂层（CVD）还是物理涂层（PVD）都在积极研发各种新的涂层材料，从单一涂层向多层涂层，梯度涂层，纳米涂层，纳米复合涂层等方向发展；同时涂层技术也更加注意与涂前处理工艺和涂后处理工艺的结合。先进的涂层技术具有更高的红硬性（显微硬度可达3300HV及以上），抗热性和抗氧化性优良（使用温度可达1100℃以上），具有更好的韧性，结合力以及更低的摩擦系数。涂层技术对刀具的功效在于：显着提高刀具的耐磨性和使用寿命，实现刀具的高速高效以及干化切削，实现高硬度材料及各种难加工材料的切削加工，大大促进机械制造业的生产与发展，这种促进和影响将会越来越明显。随着齿轮加工向数控化、高精高效、复合柔性化方向快速发展，刀具的发展也向环保干切化、高速高效化、超大超硬化等方向迅速的发展，这些发展与机床的发展保持同步，这些发展得益于刀具更先进的设计技术，性能更优越的各种先进材料，更先进的涂层技术。国内高档齿轮刀具的整体水平与国外相比，仍然存在很大的差距，我们要加快研发的进度，争取早日追赶上欧美的研发步伐。1.3剃前齿轮滚刀的介绍剃前齿轮滚刀是常用的齿轮加工刀具，其加工的齿轮模数范围为1～8mm，常用的刀具材料为W6Mo5Cr4V或者W18Cr4V等,处理之后切削部分的硬度一般为HRC63～66。剃前齿轮滚刀可分为两大类（按照轴向齿形分类），即Ⅰ型和Ⅱ型，如下图图1Ⅰ型剃前齿轮滚刀的轴向齿形图2Ⅱ型剃前齿轮滚刀的轴向齿形图3Ⅱ型剃前齿轮滚刀触角放大图2剃前滚刀的设计2.1刀具的引入与作用常用的剃前滚刀有4种类型，分别是带触角的剃前滚刀、带触角及倒缘的剃前滚刀、双齿形的剃前滚刀以及减少齿形的剃前滚刀。本设计选择的剃前滚刀的类型为“带触角及倒缘的剃前滚刀”。其图形如下图图4带触角及倒缘的剃前齿轮滚刀2.2剃前齿轮滚刀的已知条件用于加工模数m=5mm，压力角αfn=20°，齿数Z=30~80的不变位齿轮。齿高系数f=1,齿轮精度为7级。2.3剃前齿轮滚刀的齿形计算2.3.1滚刀的基本尺寸查阅《复杂刀具设计手册》P224表2.2­1有（1）滚刀的外径Deg=100mm（2）滚刀的长度L=100mm（3）滚刀的孔径d=32mm（4）轴台直径D1=50mm（5）轴台长度ι=5mm（6）容屑槽数zg=10（7）倒棱c=1mm（查总附录表Ⅴ）2.3.2法向齿形尺寸（1）齿顶高heg=1.35m=1.35×5=6.75（2）齿全高hg=2.6m=2.6×5=13.0（3）法向齿距tn=3.1416m=3.1416×5=15.708（4）齿厚留剃余量Δ参照表1表1齿轮分圆上的齿厚留剃余量(mm)模数1~1.752~2.753~55.5~66.5~8齿厚留剃余量Δ0.080.100.120.150.18选取留剃余量为Δ＝0.12（5）法向齿厚Sfng=πm/2-0.12=π×5/2-0.12=7.854-0.12=7.73（6）触角高度Δ1参照表2表2触角高度(mm)模数1~1.752~2.753~55.5~66.5~8触角高度0.0700.0850.0950.1150.130则选取触角高度为Δ1=0.095（7）触角长度c参照表3（注：表3是模数m=1，压力角αfn=20°的不变位齿轮）表3c值与相啮合齿轮齿数的关系(mm)齿数121417212635425580135c值0.6330.6120.5850.5580.5320.4990.4800.4560.4280.399则c=0.428m=0.428×5=2.140（8）触角凸出部分的长度c1=c/2=2.140/2=1.07取c1=1.1（取c1=1.1时，触角凸出部分的法向后角约为2°40′）（9）倒缘部分的角度αd=30°（注：对于afn=20°的剃前滚刀，一般取αd=30°）（10）倒缘开始点至吃定的距离hd=heg+hid=6.75+0.76×5=6.75+3.80=10.55（注：一般情况下，取hid≧0.6m，这里取0.76m，hid为倒缘开始点至滚刀节线间的距离，其选取参照《复杂刀具设计手册》P264图2·2­24和表2·2­27）（11）倒缘部分的尺寸△2=b（tanαd－tanαfn)=0.7(tan30－tan20°)=0.149h2=hd+b=10.55+0.7=11.25（注：b可根据模数的大小，取b=0.4~1mm，这里取b=0.7）（12）齿顶圆弧半径r1=0.2m=0.2×5=1.0齿根圆弧半径r2=0.3m=0.3×5=1.52.3.3切削部分（1）前角r1）前偏刃面偏位置e=Regsinre=50×sin7°=6.12）正前角滚刀re=7°~9°（2）第一铲背量Κ=πDegtanαe/zg=π×100×0.21/10=6.594=6.5（注：圆整到0.5，αe为顶刃后角，取αe=12°）（3）第二铲背量Κ1=0.8~0.9（4）容屑槽深度Η=hg+(K+K1)/2+(0.5~1)=13.0+（6.5+0.9）/2+1=13.0+3.7+1=17.7圆整到0.5，取Η=18（5）槽底半径R=π（Deg-2Η）/10zg=π(100-2×18)/100=2.01圆整到0.25，取R=2.25（6）槽形角θ=25°2.3.4分圆直径dfg=Deg-2heg-0.2(Κ+ΔDeg)=100-2×6.75-0.2(6.5+2.2)=100-13.50-1.74=84.762.3.5分圆螺纹升角λf因为sinλf=mn/dfg=0.05913则λf=arc(sin0.05913)=3°23′2.3.6容屑槽螺旋角 βfg=0（注：因为λf=3°23′≦5°，则取βfg=0，直槽）2.3.7容屑槽导程T＝∞，因为容屑槽为直槽2.3.8轴向齿形尺寸（1）轴向齿距tz=tn/(cosλf)=15.708/0.9984114=15.733（2）轴向齿厚Sfzg=Sfng/(cosλf)=7.73/0.9984114=7.742≈7.742.3.9轴向齿形角因为该滚刀为直槽滚刀，且为直槽正前角滚刀。查阅《复杂刀具设计手册》P235表2·2-8得αfz=20°2′（注：左右侧齿形角相等）γf=arc(sin(e/γfg))=arc(sin(6.1/43.5))=8°3′2.3.10倒缘部分的轴向角度αdzTanαdz=tanαd/cosλf=tan30°/cos3°23′=0.5782689则αdz=30°2′2.3.11滚刀螺纹方向βf﹤10°或加工直齿轮时，右旋螺纹2.3.12直角正前角滚刀前刃面齿形角αqyαqzTanαqy＝(tanαfncosγf－sinλfsinγf)/cosλf＝(tan20°cos8°3′－sin3°23′sin8°3′)/cos3°23′＝(0.3604－0.00829)/0.9984114＝0.35267则αqy＝19°26′Tanαqz＝(tanαfncosγf＋sinλfsinγf)/cosλf＝(tan20°cos8°3′＋sin3°23′sin8°3′)/cos3°23′＝(0.3604＋0.00829)/0.9984114＝0.36928则Tanαqz＝20°16′2.3.13前刃面齿高（1）齿顶高hegq＝(Reg²－e²)½－((Reg－heg)²－e²)½＝(50²－6.1²)½－((50－6.75)²－6.1²)½＝49.6265－42.81766575＝6.81齿全高hgq＝(Reg²－e²)½－((Reg－hg)²－e²)½＝(50²－6.1²)½－((50－13)²－6.1²)½＝49.6265－36.49369809＝13.132.3.14键槽尺寸查阅附录表Ⅲ（1）键宽b＝8.1＋0.20（2）键高t1′＝34.8＋0.62（3）圆弧r＝0.82.3.15内孔空刀尺寸查阅总附表Ⅴ（1）空刀直径d1＝32（2）磨光部分长度ι1＝222.4精度计算表4齿形参数的计算精度(mm)齿形参数符号计算精度滚刀的外径Deg滚刀的长度L滚刀的孔径d容屑槽数zg轴台直径D1轴台长度ι倒棱c法向齿顶高heg0.01法向全齿高hg0.01法向齿距tn0.001齿厚留剃余量Δ0.01法向齿厚Sfng0.01触角高度Δ10.005触角长度c0.01触角凸出部分长度c10.1倒缘部分的角度αd1°倒缘开始点至齿顶的距离hd0.01倒缘部分的尺寸h20.01齿顶圆弧半径r10.01齿根圆弧半径r20.1前角γ1′第一铲背量Κ圆整到0.5第二铲背量Κ1容屑槽深度Η圆整到0.5槽底半径R圆整到0.5槽形角θ分圆直径dfg0.01分圆螺纹升角λf1′容屑槽螺纹角βλf1′容屑槽导程T1轴向齿距tz0.001轴向齿厚Sfzg0.01轴向齿形角αz1′右侧面齿形αqy1′左侧面齿形αqz1′前刃面齿顶高hegq0.01前刃面齿全高hgq0.01键宽b键高t1′键槽圆弧r内孔空刀直径d1内孔空刀磨光部分长度ι12.5触角和倒缘部分的偏差表5剃前滚刀触角和倒缘部分的偏差(mm)项目符号模数为5触角长度c±0.025触角高度△1±0.02倒缘开始点至齿顶的距离hd±0.025倒缘部分的高度△2﹢0.02﹣0.082.6滚刀的其它要求滚刀的精度按照要求做成A级，触角和倒缘部分的偏差按照表5要求，其它的偏差查阅《复杂刀具设计手册》P237表2·2-10和表2·2-11。3剃前滚刀的图纸绘制3.1技术要求表6技术要求材料W18Cr4V或W6Mo5Cr4V2(高速钢)热处理硬度HRC63~HRC66滚刀为单头、右旋、直槽，螺纹升角为3°23′轴台的径向跳动0.010轴台的端面跳动0.008任意三个齿距长度内齿距的最大累积偏差±0.016在轴向截面的齿形误差0.012外径的径向跳动0.032刀齿前刃面的非径向性0.063刀齿前刃面的内孔轴线的不平行度0.080容屑槽周节的最大累积误差0.080其余按设计技术条件标志m5、α20°、λ3°23′、A、设计年份3.2图纸绘制（零件图）详细图纸参见剃前齿轮滚刀的的零件图（A3图纸）4剃前齿轮滚刀的加工工艺4.1机械加工工艺编制任务书表7剃前齿轮滚刀机械加工工艺编制任务书名称编制剃前齿轮滚刀的机械加工工艺编制依据相关技术文件和资料剃前齿轮滚刀零件图(零件图)产品的生产纲领产品的生产纲领为4000～5000件/年,大批生产剃前齿轮滚刀的备品百分率为5%,废品百分率0.5%生产条件和资料毛坯为外协件,生产条件可以根据需求确定由机械加工车间加工,两班制生产可供选用的加工设备有:C626、C616、C620、C3163，各型号普通车床多台L6110拉床1台XA2W、XA613、X63W，各型号铣床多台C8955铲床1台钳工台一个M612K工具磨床1台M3120内圆磨床1台MG1432外圆磨床1台C8955、CW8925铲磨床多台10）滚刀开刃磨床1台工作结果1.剃前齿轮滚刀毛坯简图2.剃前齿轮滚刀机械加工工艺卡片4.2计算剃前齿轮滚刀的生产纲领根据任务书知：产品的生产纲领Q=4000～5000件/台每台产品中剃前齿轮滚刀的数量n=1件/台剃前齿轮滚刀的备品百分率a=5%剃前齿轮滚刀的废品率b=0.5%则剃前齿轮滚刀的生产纲领为：N=Qn（1+a）（1+b）=4500×1×(1+5%)(1+0.5%)=4500×(1.05×1.005)=4748.625≈47504.3剃前齿轮滚刀生产类型及工艺特征剃前齿轮滚刀为中型机械零件。根据生产纲领（4750件/年）及零件类型，查《机械加工工艺编制》附表2，可查的，剃前齿轮滚刀的生产类型为搭配生产，其工艺特征如表8表8剃前齿轮滚刀的工艺特征生产纲领生产类型工艺特征4750件/年大批生产（1）毛坯采用模锻，精度高、余量小（2）采用自动或专用机床（3）高效的专用夹具（4）编制详细的工艺过程、工序卡片（5）生产效率高，对操作工作人员的技术要求低，但对调整工人的技术要求高4.4齿轮滚刀的毛坯类型及其制造方法4.4.1毛坯类型根据剃前齿轮滚刀的制造材料为高速钢，查《机械加工工艺编制》可知，毛坯采用锻件，用模锻来制造。4.4.2绘制剃前齿轮滚刀毛坯简图(1)根据《机械加工工艺编制》附表11《模锻件单面加工余量》中“模锻件最大边长”在80～120mm，钢的单面加工余量为2.0mm(2)绘制剃前齿轮滚刀的毛坯简图,如下图5毛坯简图4.5剃前齿轮滚刀的定位基准和加工装备4.5.1剃前齿轮滚刀的粗基准和夹紧方案选择Φ104的外圆作为粗基准,以便获得精基准,如下图6剃前齿轮滚刀的粗基准4.5.2精基准剃前齿轮滚刀的精基准，如下图图7剃前齿轮滚刀的精基准说明：后续加工有钻孔加工、磨削加工，则有精基准面A和B及C。先以C基准面为基准，进行钻孔加工、镗孔、磨孔，得到精基准面B（中心轴线只是基准线，不能作为加工的基准面）；然后以B基准面为基准，对外圆进行铲齿加工、磨削加工，并台阶轴进行磨削，对剃前齿轮滚刀的刀齿进行磨削；以基准面C为基准进行端面的加工，得到端面基准A，并以A为基准进行轴台的长度加工，另一端面的加工。基准C与B、C与A在加工过程中互为基准，进行定位。4.6剃前齿轮滚刀的加工装备根据剃前齿轮滚刀的工艺特性，加工设备采用专用机床。机床的类型有：车床、拉床、铣床、铲床、磨床、研磨机、铲磨床、钳工台。工艺装备采用专用夹具、专用刀具、量具。4.7拟定剃前齿轮滚刀的工艺路线4.7.1剃前齿轮滚刀的加工方法4.7.1.1车削加工粗车加工后，表面粗糙度Ra=12.5～25um，精度IT10～IT12半精车加工后，表面粗糙度Ra=6.3～12.5um，精度IT9～IT10精车加工后，表面粗糙度Ra=1.6～3.2um，精度IT7～IT84.7.1.2磨削加工粗磨加工后，表面粗糙度Ra=0.8～1.6um，精度IT8～IT9精磨加工后，表面粗糙度Ra=0.1～0.8um，精度IT6～IT8粗研磨加工后，表面粗糙度Ra=0.16～0.63um，精度IT5～IT64.7.1.3拉削加工粗拉削加工后，表面粗糙度Ra=1.25～5um，精度IT9～IT10精拉削加工后，表面粗糙度Ra=0.16～0.63um，精度IT5～IT64.7.1.4铣削加工粗铣加工后，表面的粗糙度Ra=10～80um，精度IT12～IT13半精铣加工后，表面粗糙度Ra=2.5～10um，精度IT11～IT14.7.1.5钻孔加工当孔的直径大于15mm时，钻孔加工后，表面粗糙度Ra=20～80um，精度IT10～IT124.1.7.6半精镗孔半精镗孔加工后，表面粗糙度Ra=2.5～10um，精度IT10～IT114.7.2剃前齿轮滚刀的加工工艺路线综合工工艺性和经济性，确定工艺路线方案，如下锯料→锻坯→退火→粗车端面、外圆及一端台阶→粗车另一端面、外圆、台阶→钻孔→半精镗孔→精车台阶、外圆及端面→倒角→镗内孔凹槽→拉键槽→修键槽毛刺及倒角→精车外圆及螺纹→铣直槽→调治、清理→铲外圆及齿形→剔余齿、修光→打标志→粗磨两端面→热处理、喷砂→磨内孔→研磨内孔→磨台阶外圆及端面→磨前刃面→铲磨外圆→铲磨齿形→修磨外圆及齿顶圆弧→包装4.8剃前齿轮滚刀的加工工序4.8.1时间定额及组成1）基本时间2）辅助时间3）布置工作地时间4）休息和生理需要的时间5）准备与终结时间因为剃前齿轮滚刀是大批生产，所以主要计算基本时间和辅助时间。4.8.2确定剃前齿轮滚刀各工序的尺寸、公差4.8.2.1孔的加工：查阅《互换性与测量技术》P42表3-3、《机械制造工艺学》P35表2-5、《机械加工工艺手册》P494表2•3-47《机械加工工艺编制》P226附表20，并计算可得：表9工序名称工序余量/mm工序工序基本尺寸标注工序尺寸公差经济精度/mm表面粗糙度Ra/um钻孔3H12(﹢0.21)8029Φ29(﹢0.21)半精镗孔1.5H9(﹢0.084)530.5Φ30.5(﹢0.084)镗内孔凹槽H9(﹢0.62)33434(﹢0.62)拉键槽H9(﹢0.62)334.834.8(﹢0.62)磨内孔0.1H9(﹢0.052)1.031.9Φ31.9(﹢0.052)研磨内孔H6(﹢0.015)0.6332Φ32(﹢0.015)4.8.2.2外圆、轴台阶、端面及齿形的加工：查阅《互换性与测量技术》P42表3-3、《机械制造工艺学》P35表2-6、《机械加工工艺手册》P492表2•3-39、P493表2•3-42、表2•4-43《机械加工工艺编制》P226附表11～19，并计算可得：表10工序名称工序余量/mm工序工序基本尺寸标注工序尺寸公差经济精度/mm表面粗糙度Ra/um粗车端面、外圆及一端台阶外圆2.5H12(-0.35)20102.5Φ102.5(-0.35)台阶2.5H12(-0.35)2052.5Φ52.5(-0.35)端面1.0H12(-0.35)20101101(-0.35)精车端面、外圆及一端台阶外圆2.0H8(-0.054)5102Φ102(-0.054)台阶2.0H8(-0.054)552Φ52(-0.054)端面0.8H8(-0.054)5100.8100.8(-0.054)精车外圆及螺纹外圆1.5H7(-0.035)1.25101.5Φ101.5(-0.035)铣直槽H8(﹢0.054)1.251818(﹢0.054)铲外圆及齿形一铲8.4mm粗磨两端面0.5H8(-0.054)1.25100.5100.5(-0.054)磨台阶、外圆、端面外圆0.4H6(-0.022)0.63100.4Φ100.4(-0.022)台阶H6(-0.022)0.6350Φ50(-0.022)端面H6(-1.9)0.63100100(-1.9)铲磨外圆、齿形单面余量0.20mm0.63修磨外圆、齿形及齿顶、齿底圆弧0.63100Φ100(﹣0.022)0.63R1R1.54.9各工序的参数查阅与齿形计算查阅《机械加工工艺手册》中车床、拉床、磨床等的参数，以及计算，可得各工序的背吃刀量ap、进给量f、切削速度u、主轴转速n、时间（基本和辅助），如下：表11工序名称背吃刀量ap/mm进给量f/(mm/)r切削速度u/(m/s)主轴转速v/(r/min)时间t/min基本t1辅助t2粗车外圆、端面、台阶外圆30.91.4779610.5台阶30.91.4779610.5端面30.91.4779610.5钻孔0.30.151.1765520.5半精镗孔2.50.20.37961.30.5镗内孔凹槽30.20.37960.80.5拉键槽齿升量af=0.15mm/z0.1169800.20.2精车外圆及螺纹1.50.21.814281.50.5铣直槽15齿升量af=0.02mm/z0.447501.10.5铲外圆及齿形一铲为8.4mm2.51粗磨两端面轴向f0=20mm0.1（工件）145020.5径向fr=0.055mm/行程磨内孔轴向fab=0.6B0.33560002.50.5径向fr=0.005mm/双行程研磨内孔轴向fab=0.5B0.630.5径向fr=0.00178mm/双行程磨台阶外圆及端面台阶轴向fab=0.6B