螺旋伞齿轮加工工艺说明书

大学机械工程学院专业课课程

设计说明书

班 级：机电087班 * 名： * * 学 号：*********** 指 导 教 师：早 热 木 完 成 日 期： 2012年 4月 1日

机械自动化教研室

大学机械工程学院专业课程设计

新 疆 大 学

专业课课程设计任务书

机械自动化教研室

班级： 机电087班 专业： 机电一体化 姓名： 何 吉 学号：20082001004 课程设计题目：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

课程设计完成内容： 主动螺旋伞齿轮零件图

专用机床夹具装配图 机械加工工艺过程综合卡片一张 课程设计设计说明书一份

说 明 书 页 数： 13页 图 纸 数： 4 张

发题日期：2011 年 2月 20 日

完成日期：2011 年 4 月 1 日

指 导 老 师：早 热 木 教研室主任： 早 热 木

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目 录

序 言 ............................................................... 1 第1章 零件的分析 .................................................. 2

1.1 结构工艺性分析 .............................................. 2 1.2 技术要求分析 ................................................ 2 第2章 毛坯确定 ..................................................... 3

2.1毛坯类型确定 ................................................ 3 2.2毛坯结构、尺寸和精度确定 .................................... 3 第3章 工艺路线拟订 ................................................. 4

3.1 工艺分析 .................................................... 4 3.2制订机械加工工艺路线 ........................................ 4 3.3 确定各工序加工余量 .......................................... 6 第4章 设备、工艺装备确定 .......................................... 11

4.1 工序7：车轴颈及背锥 ....................................... 11 4.2 工序15：加工小孔 .......................................... 12 4.3 工序17：加工螺纹 .......................................... 13 第5章 第5工序夹具设计 ........................................... 14

5.1工序尺寸精度分析 ........................................... 14 5.2 定位方案确定 ............................................... 14

5.2.1 理论自由度分析 ................................... 14 5.2.2 定位基准选择 ......................................... 14 5.3 定位元件确定 ............................................... 14 5.4 定位误差分析计算 ........................................... 14 5.5夹具总装草图 ............................................... 15 心得体会 ........................................................... 16 参考文献 ........................................................... 17

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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=5.7，25/9*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。

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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 花键齿形 模数（mm） 齿数 原始齿形压力角 原始齿形移位距（mm） 分齿圆直径（mm） 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） 渐开线的转变直径（mm） 齿侧表面粗糙度（um） 渐开线 齿轮 3 14 20 +1.5 42 5.80 5.82 5.76 Ø41 o齿轮参数 13 9 20 10.26 16.992 35 左 Ø228.6（9\"） 16.652 0.20~0.35 Ra1.6 oo分齿圆上端面模数（mm） 法面计算啮合角 齿顶高（mm） 齿全高（mm） 轮齿中点螺旋角 旋转方向 刀盘直径（mm） 分齿圆上端面理论弧齿厚（mm） 配对齿轮研磨后在检验台上的齿隙（mm） 齿的工作表面粗糙度（um） Ra3.2 按需要量研磨牙齿，配对后在齿轮上打上标记 2

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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157~207HV。

表2 汽车驱动桥齿轮材料及热处理

零件名称 螺旋伞齿 螺旋圆柱齿轮 差速器齿轮 材料 20CrMnTi 20CrMnTi 20CrMnTi 渗碳深度（mm） 1.2~1.6 1.0~1.6 1.0~1.4 表面硬度HRC 心部硬度HRC 58~63 58~63 58~63 33~48 33~48 33~48 2.2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

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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。 ⑴ 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。 工序25 中间检查； 工序27 热处理校正； 工序29 磨轴颈及端面；

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工序31 最后检查； 工序33 入库 ⑵ 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。

⑶ 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，最后的加工路线确定如下： 工序1 铸造； 工序3 热处理；

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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

0.021工余量相同。现已轴颈650.002为例，说明所有轴颈的加工余量。（参考《机械

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：ø65.5mm；

0.021精车：650.002

具体工序尺寸见表3。

表3 工序尺寸表 工序 名称 精车 工序间 余量/mm 0.5 工序间 经济精度 表面粗糙度 /μm /μm H9 Ra6.3 工序间 尺寸/mm 66 工序间 尺寸公差 表面粗糙度 /mm /μm 660.05 Ra6.3

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粗车 1 H12 Ra12.5 68 680.1 Ra12.5 2. 加工Ø5mm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Φ5mm；

具体工序尺寸见表4。

表4 工序尺寸表

工序 名称 钻孔 工序间 余量/mm 5 工序间 经济精度 表面粗糙度 /μm /μm H12 Ra12.5 工序间 尺寸/mm 5 工序间 尺寸公差 表面粗糙度 /mm /μm 无 Ra12.5 3. 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 名称 精车 螺纹 粗车 螺纹

工序间 余量/mm 0.16 0.80 工序间 经济精度 表面粗糙度 /μm /μm 6h 8h Ra6.3 Ra12.5 工序间 尺寸/mm 26.68 25.08 工序间 尺寸公差 表面粗糙度 /mm /μm 26.6800.008Ra6.3 26.6800.08Ra12.5 7

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3.4 工艺流程图

序号 工序名称 1 3 5 锻造 热处理 铣两端面及钻中心孔 300使用机床 ZBT8216铣钻组合机床 正火 4712.5O-0.35-0.10O65.75-0.2044.5-0.31122219 32-0.5O1O49.5 车槽锥端面 O50.75-0.500O26.95-0.20O47.45-0.107 车轴颈及背锥 12.527° CA6140卧式车床 00 CA6140卧式车床 4112-0.08+0.10010.53-0.15011 铣渐开线花键及钻小孔 245 ZBT8216铣钻组合机床 60 8

O5

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13 磨轴颈及端面 ^0.03A-B^0.03A-B.4-0.03O650.4-0.05O500O47.25-0.0510.43-0.150^0.03A-B 3T16端面外圆磨床 15 2217 19 中间检查 粗铣齿轮 Ø65.4 Ø50.40 Ø47.25 M27*1.5-6h 加工螺纹 0 CA6140卧式车床 格里索铣齿机N016 21 精铣齿轮凸面 格里索铣齿机N016 9

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23 精铣齿轮凹面 格里索铣齿机N016 25 27 29 中间检查 接触区、齿侧间隙、齿面粗糙度 热处理校正 磨轴颈及端面 渗碳层深1.2~1.6淬火：表面硬度58~63HRC，心部硬度33~48HRC ^0.05A-BO50u0.006O65-0.002+0.021 M1420A外圆磨床 ^0.02-B^0.02A-BO47-0.034-0.009 31 检验 图3 主动螺旋伞齿轮工序简图

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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ø27mm、ø47.5mm、ø50.75mm、ømm、ø65.75mm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1.27

vcCwxTmapvfyvkv2421.440.80.810.97

600.21.50.150.50.35116(m/min)4）确定主轴转速 ns1000vc1000116568(r/min) dw65按机床选取n=600r/min。

所以实际切削速度

dn65600 v122(m/min)

100010005）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 FcCFCapxFcfFcvcFckpc

其中：CFc2795,xFc1.0,yFc0.75,nFc0.15, kMF(b650)nF(6000.75)0.94 650 kk0. 所以

Fc27951.50.50.751220.150.940.1012.5(N)

切削时消耗功率PC为

Fv1012.51222.06(KW) Pccc44610610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7.8KW，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。

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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。 FcCFCapxFcfFcvcFckpc

其中CFc1940,xFc0.9,yFc0.6,nFc0.3 kMF(b650)nF(6001.35)0.7 650 kk0.5 所以

Fc19401.50.90.50.61220.30.70.5195(N)

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

tll1l2 nf其中 l90,l14,l20 所以 t9040.31(min)

6000.54.2 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b800MPa,do25mm时，f=0.39~0.47mm/r。由于本零件在加工ø25mm孔时属于低刚度零件，故进给量应乘以系数0.75，则f=（0.39~0.47）x0.75=0.29~0.35（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 ns1000v100018229(r/min) dw25根据机床设计说明书，取nw=195r/min，故实际切削速度为 dn2519515.3(m/min) vww10001000切削工时

l27mm tm1lnwf270.55(min)

1950.25以上为钻一个孔时的基本时间。故本工序的基本时间为 tmtm120.5521.1(min)

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4.3 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。

voCvk(m/min) xvyvvmTapt1其中：Cv11.8,m0.11,xv0.70,yv0.3,螺距t11 km(0.6371.75)1.11,kk0.75 0.6所以粗车螺纹时：

11.8 vc0.111.110.7521.57(m/min)

600.170.710.3精车螺纹时

11.8 vc0.111.110.7536.8(m/min) 0.70.3600.0812） 确定主轴转速 粗车螺纹时

1000vc100021.57 n1114.4(r/min)

D60按机床说明书取

n96r/min 实际切削速度 vc18m/min 精车螺纹时

1000vc100036.8195(r/min) D60按机床说明书取

n184r/min n2实际切削速度 vc34m/min 3） 切削工时 取切入长度l13mm 粗车螺纹时

t1精车螺纹时

t1ll1223i20.24(min) nf1951ll1223i41.04(min) nf961所以车螺纹的总工时为tt1t21.040.241.28(min) 13

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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 理论自由度分析

分析加工要求必须的自由度，为保两端面的相对位置，该工件必须工件五个自由度，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ø65mm和轴颈ø50mm是配合表面，根据安装距（118mm）可知ø65mm的轴颈端面是装配基准；从产品设计方面分析，ø65mm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ø65mm和ø50mm两个轴颈和ø65mm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ø65mm和ø50mm两个轴颈和ø65mm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（Δdw）的计算：由于定位基准与工序基准重合 ∴Δjb =0.5 x0.33=0.165 Δdb=0

∵ Δjb和Δdb相关 ∴Δdw=Δjb+Δdb =0.165 =0.0

1/3 T=1/3x0.5=0.167

∵ Δdw≤1/3 T ∴ 满足要求。

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5.5夹具总装草图

夹具总装草图如图4所示：

图4 铣齿夹具总装草图

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心得体会

通过这次课程设计使我对这些年来在学校所学知识有了一个更深的了解。通过课程设计可以体现出我们在校期间的学习程度。从而对我们所学的知识的一个衡量。

从拿到设计图纸开始，指导老师就详细给我讲了设计的要求，使我对此次课程设计有了一个初步的认识，为我做此次设计有了一个很好的铺垫。通过此次设计使我对机械加工工艺有了更深的了解，加深了对机械设计的理解，增强了我的专业水平。

当自己刚刚开始设计并绘图时，感觉难度还是挺大的，不知道从何处下手，对一些设计的要求也不知道怎么去安排，怎么分析。但后来老师给我详细讲解了此次课程设计的步骤，接着我一步一步开始，按着老师的要求与建议慢慢的完成可说明书与设计图纸。

在设计期间，每当遇到不懂的问题时，指导老师们都能细心的帮助我。同学之间也互相帮助，虽然每个人的设计课题不一样，但我们之间还是会经常讨论，互相帮助，锻炼了我们的团队精神。

感谢老师在此次设计中给我的帮助您为我的解决了很多难题，使我的专业能力进一步的提高与巩固。通过这次课程设计，我一定能在以后的学习生活中有一个更好的表现。

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参考文献

〔1〕机床夹具设计手册： 主编：杨黎明

〔2〕公差配合与技术测量： 主编：徐茂功 桂定一 〔3〕机械加工工艺设计资料；主编：张征祥

〔4〕刀具设计手册： 主编：袁哲俊 刘华明 〔5〕机械制造工艺学： 主编： 郑修本 〔6〕机械加工工艺装备设计手册：编委会编制

〔7〕公制、美制和英制螺纹标准手册（第二版） 主编：李晓滨

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