减速机齿轮轴的加工与工艺

2012届毕业项目PAGEPAGE26减速机齿轮轴的工艺与加工目录TOC\o"1-2"\h\z\u前言 0一减速机的基本知识 11.1减速机概述 11.2减速机的作用及工作原理 21.3减速机的分类和种类 2二减速机齿轮轴的材料与热处理 32.1轴类零件的材料 32.2轴类零件的热处理 8三齿轮轴的加工工艺分析 113.1数控车削加工 113.2轴类零件的加工内容 133.3齿轮轴的工艺分析与加工 14四总结 25参考文献 26致谢 27前言随着国家对机械制造业的重视，重大装备国产化进程的加快以及城市化进程的加快，减速机行业仍保持着快速发展的态势，减速机作为现代化建设中必不可少的传动设备，被应用于各个行业之中，减速机的发展极大的影响着机械行业的发展，而齿轮轴在整个减速机当中起着极其重要的作用，从减速机齿轮轴从无到有的整个过程的每一个细小的环节都对齿轮轴的寿命、作用等起着很大的作用。在这我做此毕业项目来介绍整个减速机齿轮轴的加工制造过程，通过查阅大量关于齿轮轴的材料、热处理、详细加工等资料，再经过我自己在神工集团实习期间，亲自对齿轮轴的实际加工的了解，做出的此毕业项目与往届学长做的关于轴的设计更具有特色。本毕业项目是我根据大学三年在学校学到的理论知识加上我在神工实习的实践经验的结果，其特点是更具有实用性。在我查阅资料的时候大多数都是介绍轴的机械加工，或者是数控加工，而我根据我自己实际操作程序步骤，采用了机械加工与数控加工相结合的方法加工此轴，详细的介绍了整个轴从无到有的过程，详细的介绍了这种齿轮轴的各种材料，以及各种材料制造出的轴对整个减速机的不同的影响，从而获得最佳材料。还有毛坯料的选择，为什么选择锻坯而不是铸造等其他的毛坯料。热处理的选择也是对轴的性能起重要作用的。整个齿轮轴的加工重要的就是车削加工与滚齿加工，在这我详细介绍了机械车削，数控车削，还有滚齿的加工等。希望通过此次项目对机械行业更深入了解，积累更多的经验。1减速机的基本知识1.1减速机概述减速机是一种动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将电机（马达）的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构。在目前用于传递动力与运动的机构中，其作为现代化建设中必不可少的传动设备，被应用于各个行业之中。几乎在各式机械的传动系统中都可以见到它的踪迹，从交通工具的船舶、汽车、机车，建筑用的重型机具，机械工业所用的加工机具及自动化生产设备，到日常生活中常见的家电，钟表等等.其应用从大动力的传输工作，到小负荷，精确的角度传输都可以见到减速机的应用，且在工业应用上，减速机具有减速及增加转矩功能。因此广泛应用在速度与扭矩的转换设备。随着国家对机械制造业的重视，重大装备国产化进程的加快以及城市化改造进程的加快，减速机行业仍将保持快速发展态势，尤其是齿轮减速机的增长将会大幅度提高，这与进口设备大多配套采用齿轮减速机有关。因此，业内专家希望企业抓紧开发制造齿轮减速机，尤其是大、中、小功率硬齿面减速机，以满足市场的需求。1.2减速机的作用及工作原理1.2.1作用=1\*GB3①降低速度，但是提高了输出扭矩，扭矩输出比例按电机输出乘减速比，但不能超过减速机的额定扭矩。=2\*GB3②减速同时降低了负载的惯量，惯量的减少为减速比的平方。一般电机都会有一个惯量数值。1.2.2工作原理减速机一般用于低转速大扭矩的传动设备，把电动机.内燃机或其它高速运转的动力通过减速机的输入轴上的齿数少的齿轮啮合输出轴上的大齿轮来达到减速的目的，普通的减速机也会有几对相同原理齿轮达到理想的减速效果，大小齿轮的齿数之比，就是传动比。1.3减速机的分类和种类减速机是一种相对精密的机械，使用它的目的是降低转速，增加转矩。它的种类繁多，型号各异，不同种类有不同的用途分类：1、按照传动类型可分为齿轮减速器、蜗杆减速器和行星齿轮减速器；2、按照传动级数不同可分为单级和多级减速器；3、按照齿轮形状可分为圆柱齿轮减速器、圆锥齿轮减速器和圆锥－圆柱齿轮减速器；4、按照传动的布置形式又可分为展开式、分流式和同轴式减速器。常用的减速机种类：1、摆线减速机、硬齿面圆柱齿轮减速机3、行星齿轮减速机4、软齿面减速机5、三环减速机6、起重机减速机7、蜗杆减速机8、轴装式硬齿面减速机9、无级变速机蜗轮蜗杆减速机的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高，精度不高。谐波减速机的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的，体积不大、精度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差。输入转速不能太高。行星减速机其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大。但价格略贵。2减速机齿轮轴的材料与热处理2.1轴类零件的材料2.1.1轴简述轴是穿在轴承中间或车轮中间或齿轮中间的圆柱形物件，但也有少部分是方型的。轴是支承转动零件并与之一起回转以传递运动、扭矩或弯矩的机械零件。一般为金属圆杆状，各段可以有不同的直径。机器中作回转运动的零件就装在轴上。齿轮轴是齿轮减速机最重要的部件，它在很大程度上影响着齿轮减速机的寿命，齿轮传动所传递的力或扭矩都附加在减速机的轴上。齿轮传动是靠主动轮轮齿廓依次推动从动轮轮齿齿廓实现的。因此，齿轮传动的基本要求之一是瞬时传动比保持不变；否则，当主动轮等角速度回转时，从动轮的角速度为变量.从而产生惯性力。这种恨性力不仅影响齿轮的寿命，而且还引起机器的振动和嗓声.影响传动精度。所以齿轮齿廓的形状应满足舜时传动比恒定不变的条件。常见齿轮减速的的轴的作用：轴是组成机械的重要零件之一其功用主要有:1．支承轴上的零件.以实现轴上零件的回转或往复运动;2．传递运动和扭矩(或力)3．承受弯矩。按承载类型分类：①转轴，工作时既承受弯矩又承受扭矩，是机械中最常见的轴，如各种减速器中的轴(图2.1)等。图2.1齿轮轴②心轴，用来支承转动零件只承受弯矩而不传递扭矩，有些心轴转动，如铁路车辆的轴等，有些心轴则不转动，如支承滑轮的轴等。用来支承转动零件只承受弯矩而不传递扭矩，有些心轴转动，如铁路车辆的轴等，有些心轴则不转动，如支承滑轮的轴（图2.2）等。图2.2心轴根据轴工作时是否转动，心轴又可分为转动心轴和固定心轴③传动轴，连接或装配各项配件而可移动或转动的圆形物体配件，一般均使用轻而抗扭性佳的合金钢管制成。对前置引擎后轮驱动的车来说是把变速器的转动传到主减速器的轴，它可以是好几节由万向节连接。主要用来传递扭矩而不承受弯矩，如起重机移动机构中的长光轴、汽车的驱动轴（图2.3）等。由轴管、伸缩套和万向节组成。伸缩套能自动调节变速器与驱动桥之间距离的变化。万向节是保证变速器输出轴与[2]驱动桥输入轴两轴线夹角的变化，并实现两轴的等角速传动。图2.3传动轴图2.4曲轴按抽线形状分类=1\*GB3①直轴=2\*GB3②曲轴（图2.4）=3\*GB3③挠性钢丝轴。由几层紧贴在一起的钢丝构成。可将运动和转矩传到所要求的位置。按抽的外形分类=1\*GB3①阶梯轴.各段直径不同.有利于轴上零件的定位和装拆。=2\*GB3②光轴，整根轴直径相同。2.1.2轴材料的选择金属材料概述金属材料属于工程材料，其因具有良好的力学性能、物理性能、化学性能能和工艺性能，所以成为机器零件最常用的材料，前三者为使用性能，工艺性能是指金属材料是机械加工过程中反映出来的各种特性，它决定材料是否易于加工或如何进行加工等重要因素。其分一下几类：黑色金属=1\*GB3①铸铁是含碳质量分数大于2.06%的铁碳合金。工业上常用铸铁的含碳质量分数一般为2.5%~4.05%.由于铸铁具有良好的铸造性、抗震性、切削加工性以及一定的力学性能，并且价格低廉、生产设备简单，所以在机器零件材料中占有很大的比重，广泛的用来制作各种机架、底座、箱体、缸套等形状复杂的零件。有白口铸铁、灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁，其中灰铸铁具有良好的锻造性、耐磨性、抗震性和切削加工性，因此它是目前生产中用的最多的一种铸铁，有HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350，我们神工机械制造有限公司的减速机的箱体、闷盖，透盖轴承压盖等都是用HT200的珠光体灰铸铁铸造而成的。=2\*GB3②碳素钢含碳质量分数在2.06%以下的铁谈合金称为钢，碳素钢可以轧制成板材和型材，也可以锻造成各种形状的锻件，常用的几种碳素钢有普通碳素结构钢、优质碳素结构钢，碳素工具钢、铸钢等，其中普通碳素结构钢通常为轧钢板、型钢、棒钢等，可以制作焊接、铆接、螺栓链接的一般工程构件，大多数不需要热处理，可以直接在供应状态下使用。碳素结构钢在我们神工机械制造有限公司用的也是很广泛的，像大型的五级油田减速器的箱体、箱盖都是碳素结构钢Q235-A焊接而成的，还有相关的轴承压盖、大闷盖、大透盖等等也是由Q235-A材料的板材加工而成的，还有放在轴承与齿轮之间有定距作用的定距环，放在轴承与压盖之间具有调整距离作用的调整换，键等等是由优质碳素结构钢45#钢加工而成的。=3\*GB3③合金钢为了提高钢的性能，有意识的在碳素钢里加入一定量的合金元素，如硅、锰、铬、镍、钼、钒、钛等，即构成合金钢。由于合金元素的加入，细化了钢的晶粒，提高了钢的综合力学性能和热硬性、渗透性。一般可分为合金结构钢、合金工具钢，特殊结构钢三类。其中合金工具钢常用来制造各种刃具、量具、和模具，因此对应的就有刃具钢、量具钢和模具钢。而特殊性能合金钢是指具有特殊的物理、化学性能的一种高合金钢，主要包括不锈钢、耐热钢和磁性钢。有色金属工业生产中通常称钢铁为黑色金属，而称铜、铝、镁、铅等及其合金为有色金属。由于有色金属具有某些特殊的性能，如良好的导热性、导电性以及耐腐蚀性，已经成为现代工业技术中不可缺少的重要材料，主要有铜及其合金，铝及其合金，轴承合金等。轴材料以上的金属材料中有很多都是可以作为轴的材料的，但选择时应主要考虑如下因素：轴的强度、刚度及耐磨性要求，轴的热处理方法及机加工工艺性的要求，轴的材料来源和经济性等。所以轴的材料是上面的其中的两种碳素钢和合金钢。碳钢比合金钢价格低廉，对应力集中的敏感性低，可通过热处理改善其综合性能，加工工艺性好，故应用最广，一般用途的轴，多用含碳量为0.25～0.5%的中碳钢。尤其是45号钢，对于不重要或受力较小的轴也可用Q235A等普通碳素钢。

合金钢具有比碳钢更好的机械性能和淬火性能，但对应力集中比较敏感，且价格较贵，多用于对强度和耐磨性有特殊要求的轴。如20Cr、20CrMnTi等低碳合金钢，经渗碳处理后可提高耐磨性；20CrMoV、38CrMoAl等合金钢，有良好的高温机械性能，常用于在高温、高速和重载条件下工作的轴。

值得注意的是：由于常温下合金钢与碳素钢的弹性模量相差不多，因此当其他条件相同时，如想通过选用合金钢来提高轴的刚度是难以实现的。

低碳钢和低碳合金钢经渗碳淬火，可提高其耐磨性，常用于韧性要求较高或转速较高的轴。

球墨铸铁和高强度铸铁因其具有良好的工艺性，不需要锻压设备，吸振性好，对应力集中的敏感性低，近年来被广泛应用于制造结构形状复杂的曲轴等。只是铸件质量难于控制。为了满足这些性能要求，材料要有很好的力学性能，在我实习的神工机械制造有限公司所造的五级油田减速器中的齿轮轴，齿轮都是用的合金结构钢20CrMnMo，20CrMnMo是中国国家标准规定的一种合金结构钢，是高强度的高级渗碳钢。强度高于15CrMnMo，塑性及韧性稍低，淬透性及力学性能比20CrMnTi高，淬火低温回火后具有良好的综合力学性能和低温冲击韧度。渗碳淬火后具有较高的抗弯强度和耐磨性能，但磨削时易产生裂纹。焊接性不好，适于电阻焊接，焊前需预热，焊后需回火处理。切削加工性和热加工性良好。先进行渗碳热处理，再淬火加热温度850℃、油冷；200℃回火、空冷。淬火低温回火后具有良好的综合力学性能和低温冲击韧度；渗碳淬火后具有较高的抗弯强度和耐磨性能。常用于制造高硬度、高强度、高韧性的较大重要渗碳件，如曲轴、凸轮轴、连杆、齿轮轴、齿轮、销轴等。轴的毛坯多用轧制的圆钢或锻钢。锻钢内部组织均匀，强度较好，因此，重要的大尺寸的轴，常用锻造毛坯2.2轴类零件的热处理2.2.1钢的热处理介绍钢的热处理是将固态钢，通过不同方式的加热、保温和冷却，来改变钢的内部组织结构，从而改善钢的性能的一种工艺方法。热处理是机器零件及工具制造过程中的一种重要程序，它是发挥材料潜力，提高使用性能，提高产品质量，延长使用寿命的有效措施。一般可分为整体热处理、表面热处理和化学热处理。常见的热处理的方法有：=1\*GB3①退火：指金属材料加热到适当的温度，保持一定的时间，然后缓慢冷却的热处理工艺。常见的退火工艺有：再结晶退火、去应力退火、球化退火、完全退火等。退火的目的：主要是降低金属材料的硬度，提高塑性，以利切削加工或压力加工，减少残余应力，提高组织和成分的均匀化，或为后道热处理作好组织准备等。=2\*GB3②正火：指将钢材或钢件加热到或（钢的上临界点温度）以上，30～50℃保持适当时间后，在静止的空气中冷却的热处理的工艺。正火的目的：主要是提高低碳钢的力学性能，改善切削加工性，细化晶粒，消除组织缺陷，为后道热处理作好组织准备等。=3\*GB3③淬火：指将钢件加热到Ac3或Ac1（钢的下临界点温度）以上某一温度，保持一定的时间，然后以适当的冷却速度，获得马氏体（或贝氏体）组织的热处理工艺。常见的淬火工艺有盐浴淬火，马氏体分级淬火，贝氏体等温淬火，表面淬火和局部淬火等。淬火的目的：使钢件获得所需的马氏体组织，提高工件的硬度，强度和耐磨性，为后道热处理作好组织准备等。=4\*GB3④回火：指钢件经淬硬后，再加热到Ac1以下的某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。常见的回火工艺有：低温回火，中温回火，高温回火和多次回火等。回火的目的：主要是消除钢件在淬火时所产生的应力，使钢件具有高的硬度和耐磨性外，并具有所需要的塑性和韧性等。=5\*GB3⑤表面淬火：是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部分仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。表面淬火时通过快速加热，使刚件表面很快到淬火的温度，在热量来不及穿到工件心部就立即冷却，实现局部淬火。表面淬火的目的在于获得高硬度，高耐磨性的表面，而心部仍然保持原有的良好韧性，常用于机床主轴，齿轮，发动机的曲轴等。=6\*GB3⑥调质：指将钢材或钢件进行淬火及高温回火的复合热处理工艺。使用于调质处理的钢称调质钢。它一般是指中碳结构钢和中碳合金结构钢。=7\*GB3⑦渗碳：渗碳是指使碳原子渗入到钢表面层的过程。也是使低碳钢的工件具有高碳钢的表面层，再经过淬火和低温回火，使工件的表面层具有高硬度和耐磨性，而工件的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。2.2.2轴的热处理图2.5齿轮轴图2.5是我在神工集团实习时候做的减速机上的一根中间齿轮轴，根据设计要求，两端颈部Φ90mm是放滚动轴承的，右端带键槽的Φ100mm是放齿轮的，中间Φ128.02mm圆是齿部，所以有精度要求，表面粗糙度要求，硬度要求等，具体的有正火处理，调质处理，齿部渗碳淬火处理，正火处理在锻坯后，将毛坯料加热至临界温度以上的某一个温度，30～50℃保持适当时间后，在静止的空气中冷却，提高低碳钢的力学性能，改善切削加工性，细化晶粒，消除组织缺陷，为后道热处理作好组织准备，之后在对毛坯料进行粗车加工，然后就进行调质，即淬火+500～650摄氏度的高温回火，达到HRC58-62，使其强度、塑性和韧性都改变，具有良好的综合机械性能。然后再半精车，滚齿，以后进行齿部的渗碳淬火处理，使碳原子渗入到钢表面层，再经过淬火和低温回火，使齿部的表面层具有高硬度和耐磨性，而轴的中心部分仍然保持着低碳钢的韧性和塑性。3齿轮轴的加工工艺分析3.1数控车削加工3.1.1数控车床介绍数控车床是一种高度自动化的机床，是用数字化的信息来实现自动化控制的，将与加工零件有关的信息——工件与刀具相对运动轨迹的尺寸参数（进给执行部件的进给尺寸）、切削加工的工艺参数（主运动和进给运动的速度、切削深度等），以及各种辅助操作（主运动变速、刀具更换、冷却润滑液关停、工件夹紧松开等）等加工信息——用规定的文字、数字和符号组成的代码，按一定的格式编写成加工程序单，将加工程序通过控制介质输入到数控装置中，由数控装置经过分析处理后，发出各种与加工程序相对应的信号和指令控制机床进行自动加工。数控车床是由数控程序及存储介质、输入/输出设备、计算机数控装置、伺服系统、机床本体组成。数控程序是数控车床自动加工零件的工作指令，程序必须存储在某种存储介质中，如纸带、磁带或磁盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。输入/输出装置：是机床与外部设备的接口，目前输入装置主要有纸带阅读机、软盘驱动器、RS232C串行通信口、MDI方式等，存储介质上记载的加工信息需要通过输入装置输送给机床数控系统，机床内存中的零件加工程序可以通过输出装置传送到存储介质上。CNC装置：是数控加工中的专用计算机，是数控机床的“大脑”，CNC装置由硬件和软件组成，软件在硬件的支持下运行。数控车床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作，数控车床伺服系统是以车床移动部件的位置和速度为控制量的自动控制系统，又称随动系统、拖动系统或伺服系统。车床本体是加工运动的实际机械部件，主要包括：主运动部件、进给运动部件（如工作台、刀架）和支承部件（如床身、立柱等），还有冷却、润滑、转位部件，如夹紧、换刀机械手等辅助装置。3.1.2数控车削的特点=1\*GB3①适应性强数控加工是根据零件要求编制的数控程序来控制设备执行机构的各种动作，当数控工作要求改变时，只要改变数控程序软件，而不需改变机械部分和控制部分的硬件，就能适应新的工作要求。因此，生产准备周期短，有利于机械产品的更新换代。=2\*GB3②精度高，质量稳定数控加工本身的加工精度较高，还可以利用软件进行精度校正和补偿；数控机床加工零件是按数控程序自动进行，可以避免人为的误差。因此，数控加工可以获得比常规加工更高的加工精度。尤其提高了同批零件生产的一致性，产品质量稳定。=3\*GB3③生产率高数控设备上可以采用较大的运动用量，有效地节省了运动工时。还有自动换速、自动换刀和其它辅助操作自动化等功能，而且无需工序间的检验与测量，故使辅助时间大为缩短。=4\*GB3④能完成复杂型面的加工许多复杂曲线和曲面的加工，普通机床无法实现，而数控加工完全可以完成。=5\*GB3⑤减轻劳动强度，改善劳动条件因数控加工是自动完成，许多动作不需操作者进行，故劳动条件和劳动强度大为改善。=6\*GB3⑥有利于生产管理采用数控加工，有利于向计算机控制和管理生产方向发展，为实现制造和生产管理自动化创造了条件。3.1.3数控车削的范围和对象数控车削加工主要用于轴类或盘类零件的内、外圆柱面、任意角度的内、外圆锥面、复杂回转内、外曲面和圆柱、圆锥螺纹等的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔及镗孔等切削加工。数控车削加工的主要对象有=1\*GB3①轮廓形状特别复杂活难于控制尺寸的回转体零件因为车床数控装置都具有直线和圆弧插补功能，还有部分车床数控装置具有某些非圆曲线插补功能，故能车削由任意平面曲线轮廓所组成的回转体零件，包括通过拟合计算机处理后、不能用方程描述的列表曲线类零件。=2\*GB3②精度要求高的零件零件的精度要求主要指尺寸、形状、位置和表面等精度要求，其中表面精度主要指的是表面粗糙度值。=3\*GB3③特殊的螺旋零件这些螺旋零件是指大螺距或导程、变螺距、等螺距与变螺距或圆锥螺旋面之间作平滑过渡的螺旋零件，以及高精度的模数螺旋零件和端面螺旋件等。=4\*GB3④淬硬工件的加工在大型模具加工中，有不少尺寸大而形状复杂的零件。这些零件热处理后的变形较大，磨削加工有困难，因此可以用陶瓷车刀在数控机床上对淬硬后的零件进行加工，以车代磨，提高加工效率。3.2轴类零件的加工内容数控车床与普通车床相比，具有加工精度高、加工零件的形状复杂、加工范围广等特点。但是数控车床价格较高，加工技术较复杂。球头轴零件可分为粗车、半精车和精车等阶段。一般分为：①车削外圆。车削外圆是最常见、最基本的车削方法使用各种不同的车刀车削中小型零件外圆(包括车外回转槽)的方法。其中，左偏刀主要用于需要从左向右进给，车削右边有直角轴肩的外圆以及右偏刀无法车削的外圆。②车削内圆。车削内圆(孔)是指用车削方法扩大工件的孔或加工空心工件的内表面。这也是常用的车削加工方法之一。常见的车孔方法在车削盲孔和台阶孔时，车刀要先纵向进给，当车到孔的根部时再横向进给，从外向中心进给车端面或台阶端面。③车削平面。车削平面主要指的是车端平面(包括台阶端面)，常见的方法是用左偏刀车削平面，可采用较大背吃刀量，切削顺利，表面光洁，大、小平面均可车削使用90·左偏刀从外向中心进给车削平面，适用于加工尺寸较小的平面或一般的台阶端面用90·左偏刀从中心向外进给车削平面，适用于加工中心带孔的端面或一般的台阶端面使用右偏刀车削平面，刀头强度较高，适宜车削较大平面，尤其是铸锻件的大平面。④车削锥面。锥面可分为内锥面和外锥面，可以分别视为内圆、外圆的一种特殊形式。内外锥面具有配合紧密、拆卸方便、多次拆卸后仍能保持准确对中的特点，广泛用于要求中准确和需要经常拆卸的配合件上。在普通车床上加工锥面的方法有小滑板转位法、尾座偏移法、靠模法和宽刀法等，小滑板转位法主要用于单件小批量生产，内外锥面的精度较低，长度较短(≤100mm)；尾座偏移法用于单件或成批生产轴类零件上较长的外锥面；靠模法用于成批和大量生产较长的内外锥面；宽刀法用于成批和大量生产较短(≤20mm)的内外锥面。⑤车削螺纹。在普通车床上一般使用成形车刀来加工螺纹，加工普通螺纹、方牙螺纹梯形螺纹和模数螺纹时使用的成形车刀。⑥车削台阶、槽。选择数控加工内容时，可按下列顺序考虑：①普通机床无法加工的内容应优先选择；②普通机床难加工，质量难保证的内容应重点选择③普通机床加工效率低，手工操作劳动强度大的内容。虽然数控车床加工范围广泛，但是因受其自身特点的制约，某些零件仍不适合在数控车床上加工。3.3齿轮轴的工艺分析与加工下面所介绍的是我在神工集团实习时候所做的一根齿轮轴的加工工艺与实际的加工，即附录图上的齿轮轴。整个轴的加工基本上分为一下几个阶段：下料→正火→镗一端中心孔→粗车→探伤→调质处理→半精车→钻起吊孔→粗磨→滚齿→渗碳淬火→精车→精磨→铣键槽→磨齿→成品最终检验。实际加工时基本上都是走的这个路线。3.3.1下料、镗一端中心孔和钻起吊孔下料锻坯锻造是在锻压设备及工(模)具的作用下，使坯料或铸锭产生塑性变形，以获得一定几何尺寸、形状和质量的锻件的加工方法。它是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，锻压(锻造与冲压)的两大组成部分之一。通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。相关机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。锻造用料主要是各种成分的碳素钢和合金钢，其次是铝、镁、铜、钛等及其合金。材料的原始状态有棒料、铸锭、金属粉末和液态金属。金属在变形前的横断面积与变形后的横断面积之比称为锻造比。正确地选择锻造比、合理的加热温度及保温时间、合理的始锻温度和终锻温度、合理的变形量及变形速度对提高产品质量、降低成本有很大关系。一般的中小型锻件都用圆形或方形棒料作为坯料。棒料的晶粒组织和机械性能均匀、良好，形状和尺寸准确，表面质量好，便于组织批量生产。只要合理控制加热温度和变形条件，不需要大的锻造变形就能锻出性能优良的锻件。铸锭仅用于大型锻件。铸锭是铸态组织，有较大的柱状晶和疏松的中心。因此必须通过大的塑性变形，将柱状晶破碎为细晶粒，将疏松压实，才能获得优良的金属组织和机械性能。经压制和烧结成的粉末冶金预制坯，在热态下经无飞边模锻可制成粉末锻件。锻件粉末接近于一般模锻件的密度，具有良好的机械性能，并且精度高，可减少后续的切削加工。粉末锻件内部组织均匀，没有偏析，可用于制造小型齿轮等工件。但粉末的价格远高于一般棒材的价格，在生产中的应用受到一定限制。不同的锻造方法有不同的流程，其中以热模锻的工艺流程最长，一般顺序为：锻坯下料；锻坯加热；辊锻备坯；模锻成形；切边；冲孔；矫正；中间检验，检验锻件的尺寸和表面缺陷；锻件热处理，用以消除锻造应力，改善金属切削性能；清理，主要是去除表面氧化皮；矫正；检查，一般锻件要经过外观和硬度检查，重要锻件还要经过化学成分分析、机械性能、残余应力等检验和无损探伤。锻造齿轮轴的圆钢毛坯经过锻造后获得基本的形状，锻造坯料成Φ140*530mm坯料，图纸上最大外圆是128.02mm，留12mm的加工余量，最大的长度是520mm，留10mm的加工余量，因为锻造工艺可以使轴内部组织更致密，取向性更好，所以毛坯使用的锻造工艺。当轴的较长较粗的时候，毛皮料两端没有中心孔，直接在车床上不好装夹，所以先在镗床上钻一端的中心孔，为后面车削加工做准备。在轴的两端钻M20或M16的起吊孔是为了在后面磨削、滚齿、磨齿工序中装夹工件使用，还有在装配时使用。3.3.2热处理热处理在机械加工中都是重要的工艺之一，在我做的这根齿轮轴也是一样，首先在锻坯后要进行正火处理，提高钢的力学性能，改善切削加工性，细化晶粒，消除组织缺陷，为后道热处理作好组织准备，也是后面的加工更方便。粗车检验后进行调质处理，即淬火+500～650摄氏度的高温回火，改变其的力学性能，是工件更硬且有韧性，更具有耐磨性，也为后面的热处理做好组织准备。下一步的热处理就是对齿轮面的渗碳淬火处理了，当然是在滚齿以后的，就是使碳原子渗入到钢表面层，然后再进行淬火和低温回火，使齿面的硬化层达到1.20-1.50mm，齿面硬度达到HRC58-62，使其具有高硬度和耐磨性。3.3.3车削加工车削分为粗车、半精车、精车三个阶段，因为考虑到锻造的毛坯料外圆不规则，而且加工量也较大，所以在普通车床上加工是最好的选择，而半精车、精车的加工量少，精度要求相对来说较高，所以在数控车床上加工。=1\*GB3①粗车因为工件较长，宜采用三爪卡盘的一夹一顶的方式装夹，用活顶尖放在尾架上，顶住刚才在镗床钻的有中心孔的一端，工件装夹完后进行车刀的选择和安装，在我们公司普车都是用的硬质合金刀，常用的有钨钴类硬质合金YG、钨钛钴类硬质合金YT、钨钽钴类硬质合金YA、钨钛钽钴类硬质合金YW，常用的型号有YG8，具有较高的抗弯强度的韧性，导热性好（耐烧），但耐热性和耐磨性较差，适合各类铸铁、有色金属和非金属的加工；YT5，其硬度、耐磨性、红硬性增大，粘结温度高，抗氧化能力强，但导热性能较差，抗弯强度低；YT15，与YT5相比没有YT5抗冲击，但比YT5更耐高温，所YT5适合粗加工，YT15适合半精加工和精加工；YW，在YT类硬质合金的基础上，提高了抗弯强度、冲击韧性、高温硬度、抗氧能力和耐磨性。既可以加工钢，又可加工铸铁及有色金属。因此常称为通用硬质合金（又称为万能硬质合金）。目前主要用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。在我加工的轴中适合渗碳淬火后精加工，因为渗碳淬火后硬度极高。所以我选择YT5的90度左偏外圆刀和90度右偏外圆刀进行粗车加工。分析零件图，轴是中间大两头小的，所以首先要保证中间大的外圆的位置尺寸，就是不能向一头偏了，因为毛坯料的长度比工件的长度长10mm，所以采用从两头向中间切的方法，先保证一端到最大外圆的尺寸，然后再掉头切，保证另一端到最大外圆的尺寸。毛坯料的外圆比工件的最大外圆大10mm，考虑到工件较长调质的过程中会是轴发生弯曲变形，所以粗加工后要留径向大约10mm的加工余量，所以最大外圆的外圆粗车时可以不加工，只保证最大外圆的长度尺寸和位置尺寸就行了。加工时先加工φ90、φ100的阶梯轴，分别车到φ100、φ110，长度分别车到107mm和78mm，然后在靠近卡盘的地方，车外圆到光滑即可，尽量靠近卡盘，大约车70mm长，这个是为了调头车的时候钻中心孔用的，因为卡盘那头的端面没有中心孔，车是为了架中心架用的。然后调头加工另一端，先架上中心架，装夹工件，用尾架安装中心钻钻中心孔，然后撤掉中心架从新装夹工件，还是采用一夹一顶的方式，先用左偏刀车φ90、φ100的外圆，也是车到φ100、φ110，长度分别是40mm、163mm，然后再用右偏刀修切φ110的外圆到φ120，这样调质前的粗车加工就完了。=2\*GB3②半精车半精车的加工在数控车床上加工，我操作的数控车床是江苏齐航数控生产的广州系统的数控车床。因为调质前轴的中心孔都钻完了，所以再装夹工件的时候就容易多了，在数控车床上亦是采用三爪卡盘尾架一夹一顶的方式装夹。半精车后要留余量磨削和渗碳淬火处理后的精加工，所以要在齿面外圆部分留0.8-1mm的磨削余量（φ128.02有公差的外圆），其他有要求尺寸部分外圆留渗碳淬火后3mm的精加工余量（φ90、φ100有公差的外圆），其他没有公差的外圆（φ100、φ110没有公差的外圆）加工至尺寸，长度尺寸全部加工至尺寸。半精加工也是先车左端，装夹完以后找试切点对刀，Z轴方向的试切点就选择在右端端面，先将刀架手动快速移到工件附近，然后手摇对刀，切平端面为止，沿着X方向退刀，在刀补一号刀位输入Z1,然后对X方向，也是要把外圆切圆为止，沿着Z方向退刀，停车，用游标卡尺量外圆值φ98.64，在刀补一号刀位输入φ98.64，然后将刀架退到换到点（注意Z方向不能撞到尾架），最后进行程序的编制，程序如表格O0001。然后再调头装夹，对刀方法跟上面一样，程序表格O0002。然后再工件装到普通车床上进行修车，将两端车平，重新钻中心孔。=3\*GB3③精车精车加工的内容主要就是两端φ90的外圆和左端φ100的外圆，工件的装夹跟半精加工的装夹方法一样，也是先加工左端再加工右端，三段轴的外圆都留0.4mm的精磨余量，其对刀的方法也是跟上面的一样。加工程序O0003、O00043.3.4滚齿磨齿加工磨削分粗磨还有精磨，粗磨在半精车之后，主要磨的齿面部分，为了后面的滚齿做准备，精磨是在精车以后，磨的是所有有尺寸公差的外圆，全部磨到公差值以内，并用外径千分尺量准。滚齿加工=1\*GB3①滚齿的原理及工艺特点滚齿加工是按照展成法的原理来加工齿轮的。用滚刀来加工齿轮相当于一对交错轴的螺旋齿轮啮合。在这对啮合的齿轮副中，一个齿数很少、只有一个或几个，螺旋角很大，就演变成了一个蜗杆状齿轮，为了形成切削刃，在该齿轮垂直于螺旋线的方向上开出容屑槽，磨前、后刀面，形成切削刃和前、后角，于是就变成了滚刀。滚刀与齿坯按啮合传动关系作相对运动，在齿坯上切出齿槽，形成了渐开线齿面，如图1a所示。在滚切过程中，分布在螺旋线上的滚刀各刀齿相继切出齿槽中一薄层金属，每个齿槽在滚刀旋转中由几个刀齿依次切出，渐开线齿廓则由切削刃一系列瞬时位置包络而成，如图1b所示。因此，滚齿加时齿面的成形方法是展成法，成形运动是由滚刀的旋转运动和工件的旋转运动组成的复合运动（B11+B12），这个复合运动称为展成运动。当滚刀与工件连续啮合转动时，便在工件整个圆周上依次切出所有齿槽。在这一过程中，齿面的形成与齿轮分度是同时进行的，因而展成运动也就是分度运动。图3.1滚齿加工原理综上所述，为了得到渐开线齿廓和齿轮齿数，滚齿时，滚刀和工件间必须保持严格的相对运动关系，即当滚刀转过1转时，工件相应地转过K/Z转（K为滚刀头数，Z为工件齿数）。工艺特点是加工精度高，属于展成法的滚齿加工，不存在成型法铣齿的那种齿形曲线理论误差，所以分齿精度高，一般可加工8-7级精度的齿轮。生产率高，滚齿加工属于连续切削，无辅助时间损失，生产率一般比铣齿插齿高。一把滚刀可以加工模数和压力角与滚刀相同的齿数不同的齿轮。=2\*GB3②滚齿机的传动原理切削运动（主运动）即滚刀的旋转运动，其切削速度由变速齿轮的传动比决定；分齿运动即工件的旋转运动，其运动速度必须和滚刀的旋转速度保持齿轮与齿轮条的啮合关系，其运动的关系由分齿挂轮的传动比来实现，即当滚刀转过1转时，工件相应地转过K/Z转（K为滚刀头数，Z为工件齿数）。垂直进给运动即滚刀沿着工件轴线自上而下的垂直运动，这是保证切出整个齿宽所必须的运动，由进给挂轮的传动比再通过与滚刀架相连接的丝杆螺母来实现。当不是加工直齿轮而是加工斜齿轮的时候除了以上的几种运动外，还要加个附加运动，以保证刀架沿工件轴线方向移动一个螺旋线导程L时，工件附加转1转，形成螺旋线齿线。=3\*GB3③机床的调整计算加工此轴用的是Y3150E滚齿机滚齿（如图3.2）。1、切削速度传动链（电机一滚刀）其调整公式：V—切削速度d—滚刀直径滚刀切削速度是根据刀具材料、工件材料及其粗、精加工的要求确定的，现将高速钢滚刀的切削范围列表如下，以供参考。工件材料切削速度粗切精切铸铁＜2020~25钢（极限强度600N/mm2以下）＜8030~35钢（极限强度600N/mm2以上）＜2525~35青铜25~50塑料25~40本机床备有三对变速齿轮、变换齿轮与主轴相内推变速组相配合可得9级转速，如下图所示。挂轮转速转/分手柄位置I4030160II63125250III50100200由公式计算得的结果，如与上图表中转速不符，可选择与结果相近的一级主轴转速。除上述计算法求A、B挂轮外，还可根据切削速度V，套切削速度计算图的方法求A、B挂轮。切削速度计算图在机床使用说明书内，挂轮配置方案参看机床铭牌。2、分齿（范成）运动传动链。根据加工过程中滚刀每旋转一周，工件转过转，推出其调整公式：K—滚刀头数。Z工—工件齿数。当5≤Zx/K≤20时，取e=48f=24当21≤Zx/K≤112时，取e=36f=36当143≤Zx/K时，取e=24f=48除上述计算求a、b、c、d外，还可查表求a、b、c、d挂轮，方法简单、准确。3、轴向进给传动链根据传动关系，工作台每转一周，滚刀刀架在垂直方向S毫米，推出调整公式：3、根据传动关系，工作台每转一周，滚刀刀架在垂直方向S毫米，推出调整公式：式中S由工作刀具材料及加工精度来决定。S=0.25~3mm/转挂轮配置看机床铭牌。4、差动传动链加工斜齿轮时要求滚刀在轴向进给的同时，齿坯要有相应的附加运动，也就是当滚刀在轴向进给一个导程时，要求齿坯附加旋转一转，推出公式为：Mn—工件的方向模数。K—滚刀头数。β—工作螺旋角。差动挂轮a2、b2、c2、d2的求解方法有两种。①对数查表法，此方法可查阅机床设计手册②微机计算法，使用BASIC语言进行差动挂轮选择程序设计5、滚齿如图3.3所示的齿轮轴中的齿轮，根据计算、查表等找出对应的a、b、c、d分齿挂轮，以及a2、b2、c2、d2差动挂轮，调整好机床。查阅《滚齿切削用量手册》，又根据滚刀参数可知，由于该齿轮的模数为6mm，故要分三次走刀，第一次走刀的背吃刀量取3mm，第二次走刀的背吃刀量取为1.5mm。第三次走刀的背吃刀量1mm，第三次走刀的背吃刀量0.5mm，滚刀粗加工进给量：1.5—2mm/r，滚刀精加工进给量：0.5—1mm/r，滚刀粗加工切削速度：35m/min。转速为：=70f=1.5mm/r工件安装时要将工件竖直安装于工作台中间，并用百分表校正，校正后的误差值在0.04mm以内。滚刀对中的调整，调整滚刀主轴前轴承的微调机构，轴向移动刀具主轴，使刀具中间的某一刀齿或刀槽的对称中心线通过齿坯的中心，从而保证加工出齿轮两侧齿形的对称性。滚刀以及工件安装完后就开始对刀，对刀的方法跟之前的车削的对刀的方法相似，以后便是滚齿的加工。图3.2滚齿机图3.3齿轮轴齿部零件图磨齿是最后一道加工工序，使用的机床是磨齿机，在精磨后面，用磨削方法对淬硬齿轮的齿面进行精加工，按齿廓的形成方法，磨齿有成形法和展成法两种。我们公司采用的是德国进口成形磨齿机磨齿，使得工件的尺寸达到要求，及表面粗糙度达到要求。O0001半精加工左侧G99每转进给M03S300主轴正转每分钟300转T0101一号刀G00X105Z3M08冷却液开G01X95F0.3Z-107X105Z-185X132Z-305G00Z-405G01X104Z-415F0.05Z-468F0.3X104W-12G00X200Z3退到换到点X87G01Z0F0.3X93Z-3Z-107X94X103Z-110Z-185X122X128.52W-3Z-305G00Z-405G01X100Z-415F0.05Z-466F0.3G02X104Z-468R2车圆弧G01X106X110W-2Z-480G00X200退刀Z3M05主轴停止M09冷却液关M30程序结束O0004精加工右侧G99每转进给M03S300主轴正转每分钟300转T0101一号刀G00X91Z2M08冷却液开X84G01Z0F0.3X90Z-3Z-40X104X110Z-43倒角G00X200Z2M05