南华大学齿轮滚刀专业课程设计教材.doc

1、课程设计设计任务书齿轮滚刀的设计设 计 者：指导老师：设计时间：2011年12月17日 至2011年12月22日目 录设计任务3设计原理4参数计算6结构设计9工艺设计 10设计总结 11参考文献 11设计任务齿轮滚刀是依照螺旋齿轮副啮合原理，用展成法切削齿轮的刀具，齿轮滚刀相当于小齿轮，被切齿轮相当于一个大齿轮，如图924所示。齿轮滚刀是一个螺旋角0很大而螺纹头数很少（13个齿），齿很长，并能绕滚刀分度圆柱很多圈的螺旋齿轮，这样就象螺旋升角z很小的蜗杆了。为了形成刀刃，在蜗杆端面沿着轴线铣出几条容屑槽，以形成前面及前角；经铲齿和铲磨，形成后刀面及后角在本设计中，我们将由老师给出的已知参数和设计

2、要求，对非标齿轮滚刀进行设计。设计主要分为三大部分，即参数计算、结构设计、工艺设计。如下表为已知齿轮滚刀的设计已知条件名称被切齿轮参数符号数值法向模数6.35分圆法向压力角20齿数25齿顶高系数1径向间隙系数0.25分圆法向弧齿厚9.97变位系数0分圆螺旋角161835螺旋方向右旋精度等级8FJ GB10095-88要求：（1）设计A级型单头右旋齿轮滚刀，=110，前角=0，顶刃后角=1012，侧刃后角不小于3，有第二铲背量K2，滚刀螺旋角5。（2）编制该刀具加工工艺。设计原理切割原理齿轮滚刀是依照螺旋齿轮副啮合原理，用展成法切削齿轮的刀具，齿轮滚刀相当于小齿轮，被切齿轮相当于一个大齿轮，如图

3、924所示。齿轮滚刀是一个螺旋角0很大而螺纹头数很少（13个齿），齿很长，并能绕滚刀分度圆柱很多圈的螺旋齿轮，这样就象螺旋升角z很小的蜗杆了。为了形成刀刃，在蜗杆端面沿着轴线铣出几条容屑槽，以形成前面及前角；经铲齿和铲磨，形成后刀面及后角 基本蜗杆齿轮滚刀的两侧刀刃是前面与侧铲表面的交线，它应当分布在蜗杆螺旋表面上，这个蜗杆称为滚刀的基本蜗杆。基本蜗杆有以下三种: 1渐开线蜗杆渐开线蜗杆的螺纹齿侧面是渐开螺旋面，在与基圆柱相切的任意平面和渐开螺旋面的交线是一条直线，其端剖面是渐开线。渐开线蜗杆轴向剖面与渐开螺旋面的交线是曲线。用这种基本螺杆制造的滚刀，没有齿形设计误差，切削的齿轮精度高。然而制

4、造滚刀困难。 2阿基米德蜗杆阿基米德蜗杆的螺旋齿侧面是阿基米德螺旋面。通过蜗杆轴线剖面与阿基米德蜗螺旋面的交线是直线，其它剖面都是曲线，其端剖面是阿基米德螺旋线。用这种基本蜗杆制成的滚刀，制造与检验滚刀齿形均比渐开线蜗杆简单和方便。但有微量的齿形误差。不过这种误差是在允许的范围之内，为此，生产中大多数精加工滚刀的基本蜗杆均用阿基米德蜗杆代替渐开线蜗杆。 3法向直廓蜗杆法向直廓蜗杆法剖面内的齿形是直线，端剖面为延长渐开线。用这种基本蜗杆代替渐开线基本蜗杆作滚刀，其齿形设计误差大，故一般作为大模数、多头和粗加工滚刀用。计算参数已知条件 被加工齿轮参数： 法向模数： =5.08 分圆法向压力角： =

5、 齿高系数： =1 径向间隙系数： 分圆法向弧齿厚：=7.98 分圆螺旋角： = 螺旋方向： 左旋 精度等级： 7FJ GB/0095-88 序号计算项目符号计算公式或选取方法计算精 度计算举例1滚刀精度等级按齿轮精度等级选定滚刀精度等级AA级2基本尺寸（1） 外径（2） 孔径（3） 全长（4） 容屑槽数根据滚刀精度等级为AA级，按表2.2-1选取I型基本尺寸。=100=40=100=143法向齿形尺寸：（1） 齿顶高（2） 齿根高（3） 齿全高（4） 法向齿距（5） 法向齿厚0.010.010.0010.014切削部分（1） 前角（2） 铲背量 第一铲背量 侧刃后角 第二铲背量（3） 容屑槽

6、深度（4） 槽底半径（5） 槽形角KHR0度前角 前刃面偏位置取应不小于3度采用型铲背形式可按表2.2-3选取第二铲背量；取0.70.8=（1.31.5）K+（0.51）0.1圆整到0.5圆整到0.5圆整到0.5圆整到0.25=5=7.5取R=1.50取5作图校验见注略6分圆直径滚刀外径偏差0.01=88.64 7分度圆螺旋升角精加工滚刀8容屑槽螺旋角 直槽9容屑槽导程直槽滚刀螺旋槽滚刀110轴向齿形尺寸（1） 轴向齿距（2） 轴向齿厚（3） 齿顶圆弧半径（4） 齿根圆弧半径0.0010.010.10.111轴向齿形角（1） 直槽滚刀直槽0前角滚刀12滚刀螺旋方向加工直齿轮与小于10的斜齿轮时

7、，一般制成右旋螺纹，加工大于10的斜齿齿轮时，滚刀螺纹方向与被切齿轮方向相同。左旋螺纹13轴台尺寸（1） 直径（2） 长度（3） 侧棱查表2.2-1查表2.2-1按总附录表V14键槽尺寸（1） 键宽（2） 键高（3） 圆弧按附录表按附录表按附录表15内孔空刀尺寸（1） 空刀直径（2） 磨光部分长度按附录表按附录表结构设计结构图如下：具体参数见图纸工艺设计 本设计非标齿轮滚刀采用高速钢，硬度为HRC6768，红硬比较好，韧性也不错。由于此材料含W、Mo故提高了回火稳定性，但是须经过一次淬火、三次回火才能达要求，所以在工艺设计热处理中要考虑这个问题。 原材料须经过锻造使晶粒细化，同时要愋慢冷却避免

8、形成马氏体。为了便于加工，还必须退火以降低硬度(一般采用等温退火)。退火之后会形成索氏体和细粒状碳化物。当车削加工完成之后，需淬火、回火以提高硬度，符合刀具的硬度要求。其中要注意加热时要在盐炉中，还须预热两至三次，采用油淬火。进行多次回火使其弥散硬化。南 华 大 学 机 械 工 程 学 院 零 件 加 工 工 艺 卡图 号零 件 名 称材 料非标齿轮滚齿刀高速钢工序号工 序 名 称 及 内 容设备型号工装夹具、刃具、量具工时定额备 注一锻造：锻造毛胚至105105二正火三车：初车外圆、清两端面（见光）一头打出中心孔C6140A1.00四钻：内孔至38Z35五车：车内孔至，Ra0.4两端面各留0

9、.15，外圆留1.0，内孔空刀槽至尺寸C6140A1.00六插：插键槽，注意内孔留磨量，去毛刺B5032七磨：内孔至M2120八车：车螺旋槽，螺旋槽深度至尺寸，分圆齿厚留0.5，=15.985/12选取挂轮abcd分别为30.37.50.54C6140A带键锥度芯轴、车铲成形刀2.30转工序1.00九铣：铣容屑槽X62W带键螺纹芯轴、25成形铣刀1.00十铲：铲齿、外圆留0.4齿厚留0.3=15.985/12.7选取挂轮abcd分别为33.36.52.60C8955带键螺纹芯轴、25成形铣刀2.00转工序2.00十一钳：去不全齿、去毛刺十二热处理：6366HRC十三磨：内孔留0.010.015

10、M2120十四研：内孔至尺寸内孔研磨机1.30十五磨：两凸台外圆、两端面至尺寸M131W锥度芯轴20十六磨：前刀刃M6420D40十七铲磨：齿形至尺寸C89554.00转工序2.00十八送检十九液体喷砂二十激光刻标记二十一浸蜡、真空包装工艺说明 工序八、九用带键锥度芯轴是因为车螺纹槽和铣容屑槽时切削力过大，用锥度芯轴容易打滑。 工序十车铲滚刀螺旋槽时车铲单边而不是双边同时进行是因为车铲螺纹槽时切削力太大，切削系统中刀具强度和机床刚度难以承受。 工序八和工序十在配挂轮时，值应取计算机默认值，而不是3.14，因为i值至少取到小数点后五位，3.14不一定达到精度 滚刀计算轴向齿距是为了便于检测设计总

11、结高速钢是一种含多量碳(C)、钨(W)、钼(Mo)、铬(Cr)、钒(V)等元素的高合金钢，热处理后具有高热硬性。当切削温度高达600以上时，硬度仍无明显下降，用其制造的刀具切削速度可达每分钟60米以上，而得其名。高速钢按化学成分可分为普通高速钢及高性能高速钢，按制造工艺可分为熔炼高速钢及粉末冶金高速钢。高性能高速钢具有更好的硬度和热硬性，这是通过改变高速钢的化学成分，提高性能而发展起来的新品种。它具有更高的硬度、热硬性，切削温度达摄氏650度时，硬度仍可保持在60HRC以上。耐用性为普通高速钢的1.5-3倍，适用于制造加工高温合金、不锈钢、钛合金、高强度钢等难加工材料的刀具。 主要品种有4种，

12、分别为高碳系高速钢、高钒系高速钢、含钴系高速钢和铝高速钢。国内在复合刀片生产方面主要采用热轧焊的方法。以生产工业机械刀片的重点企业柳州市机械刀片厂为例，该厂生产的“永丰利”牌工业刀片，在国内久负盛名，销量始终保持国内前三位，产品在国内具有典型性，目前使用的制造技术是：刀体材料为碳素结构钢Q235，刀刃材料为普通合金工具钢。制造过程是先将合金工具钢同刀体焊接定住，然后将已定位的刀片加热到高温，再进行热轧，将刀片压合在刀体内。从制造过程来说，刀体和刀刃部分在加热时发生氧化，这些氧化物在压合面上可能形成夹杂，降低产品的成品率；其次是复合后的加工余量很大，耗费大量工时。 从刀片的使用观点出发，刀片的连

13、续工作时间太短，一般在工作68小时后，必须下机磨刀口；对要求高的切削加工，其连续工作时间不得超过4小时。工作过程中，如遭遇硬度较高的材质，刀口的锋利性也比高速钢复合刀片差，对用户来说，生产效率显然偏低。 国内生产的普通工具钢复合刀片与国外的高速钢复合刀片相比，技术性能存在相当大的差距。为提高刀片的性能，国内刀片制造行业也进行大量研究，但只有少数厂家可以少量生产小尺寸的高速钢刀片。如上海 IKS公司和大连星海刀片厂，采用的方法是在可控气氛炉中加热的钎焊复合方式，生产效率低，而且目前只能少量生产1米以下刀片。1米以上刀片国内还没有突破钎焊技术，只能依靠进口复合好的半成品再加工。 柳州市机械刀片厂1

14、998年研制成功了高速钢圆刀产品的生产工艺。通过成功开发高速钢圆刀产品，对高速钢材的性能和特点有一定的了解；2001年，我厂对“高速钢镶钢焊接课题”立项，对高速钢复合刀片的连接研究有一定的进展，了解了制造工业的难点，制定了克服难点的技术措施，为攻克高速钢复合刀片的技术难关明确了方向。随后也曾经投入大量经费对高速钢复合刀片进行过初步的研制，以缩小与国外产品的差距，提高产品在国外市场上的竞争力，但由于高速钢复合刀片的制造工艺较复杂，刀片合格率不到10，无法投入批量生产。实际上高速钢大型刀片在我国刀片生产领域尚属空白，研究大型高速钢复合刀片制造技术对提高我国切纸和木材加工行业的技术发展具有重要意义。

15、 从刀片制造技术的初步探索结果看，制约刀片生产的主要技术是复合焊接技术，柳州市机械刀片厂将与北京航空航天大学合作研究大型复合刀片的全套制造工艺和设备。北京航空航天大学在焊接工艺设备方向有很深的造诣，具有扎实的理论基础，丰富的实际经验和良好的测试设备。我国的高速钢主要呈现以下几个特点：1.专业化、集约化。2.低合金高速钢比例较大，低档刀具出口。3.高性能钢/刀具稳定性差，导致高性能高速钢、高档刀具进口。4.粉末高速钢应用增多，亟待开发。5.黑皮材为主，已开发光亮材并出口。我国高速钢的研发和利用水平和世界发达国家之间还有一定的差距，主要表现在：1.首先是刀具材料，它是制约刀具切削性能稳定性的重要方

16、面，我国同国外差距不小。几何形状、材料牌号完全一样的国产刀具和国外刀具相比，国产刀具性能稳定性不够，在加工中刀具会莫名其妙损坏。经分析是材料组织不均匀，机械性能指标离散性太大。汽轮机行业大量使用的转子轮槽铣刀由于型线复杂，仍使用高速钢材料，引进的日本OSGSANYO刀具，材料已改成粉末冶金高速钢，而意大利CARBITAL公司推出的轮槽刀具则采用粉末冶金高速钢和粉末冶金硬质合金混合的材料。2.其次是涂层技术。3.最大的差距还是在于发展理念。高性能高速钢，是在通用型高速钢中增大含碳量，含钒量，还增加了钻，铝等合金元素，捉高了高速钢的耐磨性和耐热性。这些高性能高速钢，温度在650时，其硬度为HRC6

17、0，而普通高速钢W18Cr4V只有4949.2，高出了10HRC；耐用度为普通高速钢的13倍。用它制作各种切削刀具，切削加工难切削材料，如不锈钢，高温合金，钛合金，高强度钢等。高速钢按性能分为普通型和高性能高速钢；按化学成分分为钨系，钨钼系，钼系高速钢；按工艺分为熔炼和粉末冶金高速钢。1)高碳高速钢我国生产的高碳高速钢有9W8Cr4V(简称9W18)和9W6Mo5Cr4V2(简称CM2)，常温硬度可达6668HRC,600度时的硬度提高到5152HRC,适用于制作耐磨性要求高的铰刀、锪钻和丝攻等刀具，也可用于切削奥氏体不锈钢。但钢中含碳量的增加使淬火残余奥氏体增多，需要增加回火次数，同时韧性降

18、低，不能承受大的冲击。1)高碳高速钢我国生产的高碳高速钢有9W8Cr4V(简称9W18)和9W6Mo5Cr4V2(简称CM2)，常温硬度可达6668HRC,600度时的硬度提高到5152HRC,适用于制作耐磨性要求高的铰刀、锪钻和丝攻等刀具，也可用于切削奥氏体不锈钢。但钢中含碳量的增加使淬火残余奥氏体增多，需要增加回火次数，同时韧性降低，不能承受大的冲击。2)铝高速度含铝超硬高速钢W6Mo5Cr4V2AL(简称501)，和W10Mo4Cr4V3AL(简称5F-6)是我国独创的新钢钟。常温硬度达6769HRC,600度的硬度达到5455HRC，切削性能与钴高速钢M42相当，刀具寿命比W18提高1

19、2倍以上，而价格却相差不多，制作齿轮滚刀时允许的切削速度为1.67m/s。因含钒量多，其磨削加工性较差，且过热敏感性强，氧化脱碳倾向较大，使用时要严格掌握热处理工艺。3)钴高速钢高速钢中加入钴可提高钢的热稳定性、常温和高温硬度及抗氧化能力。改善高速钢的导热性，降低摩擦系数，从而提高切削速度。如美国M40系列中的M42(W2Mo9Cr4VCo8)，常温硬度达6769HRC,600度时的硬度达到5455HRC.适合于制造加工高温合金、钴合金及其他难加工材料的高速钢刀具。由于我国钴资源有限，目前生产和使用不多。4)高钒高速钢，由于形成大量高硬度、耐磨的碳化钒弥散在钢中，提高了高速钢的耐磨性，且能细化

20、晶粒和降低钢的过热敏感性。适合于加工硬橡胶、塑料等对刀具磨损严重的材料；对低速薄切屑精加工刀具，如拉刀、铰刀和丝攻等，高钒高速钢具有较长的寿命。其主要缺点是磨削加工性差，主要牌号有W6Mo5Cr4V3、W12Cr4V4Mo等。我国正努力提高高性能高速钢的应用水平，如发展低钴高速钢W12Mo3Cr4V3Co5Si,加工高强度钢时效果良好。此外，还有含硅铌铝高速钢W6Mo5Cr4V5SiNbAl(简称B2O1)、W18Cr4V4SiNbAL(简称B212)等，硅、铝提高钢的硬度和热稳定性，铌可提高耐磨性和韧性，主要用于切削难加工材料，但此类钢的磨削性能很差。 国外齿轮制造技术相对比较成熟，早期就有

21、学者对滚刀的设计进行研究，其发展水平相对较高。如磨前滚刀，其设计和使用已有百年的历史，意大利SU、西班牙FHUSA等公司的磨前滚刀都已得到广泛应用，代表着世界先进水平。Frandkin.E.i和Cherkashin.V.P对几种能在被加工齿轮根部产生根切的滚刀设计方案进行比较，并分析了各自的优缺点；H.H.Mabie等对用于加工非标准中心距啮合的直齿轮的滚刀设计进行了研究，其中利用了数值技术；D.H.Kim从参数化设计的角度对滚刀进行了研究，其在文中还分析了滚刀设计误差对齿轮加工的影响。此外，对于一些新型滚刀和特殊形状滚刀，国外学者也有所研究。我国的滚刀设计技术起步较晚发展也较缓慢，但由于滚刀

22、的重要性，很多学者及企业技术人员都不断地对其进行研究，目前，国内在滚刀设计方面也取得了很大的成就。刘海红、童荣辉对干式滚齿切削加工刀具的参数化设计及其优化设计进行了分析研究。其所实现的干式滚刀的参数化设计主要通过改变滚刀模数、压力角等基本参数来实现滚刀相应尺寸的变化，然后利用VB编程软件和CAD软件，开发了干式滚刀设计的应用软件系统，并实现了干式滚刀零件图的绘制，文中也对高速干式滚刀的优化理论进行了介绍。样选文、余功炎等从滚齿加工提高生产效率的角度出发，论述了当前滚刀的设计的两种发展趋势，一是采用新型的高硬度合金材料，以提高滚切线速度。进而缩短滚齿时间；另一种发展趋势是将滚刀外径向小直径方向设

23、计，并在文中给出了后一种发展趋势的理论依据。李威、刘延军等从齿轮啮合和滚刀设计的基本原理出发，提出了非对称渐开线圆柱齿轮滚刀的设计方法，实现了非对称齿轮滚刀的参数化实体模型，为进一步进行双压力角非对称齿廓齿轮的研究提供了有效的加工设计方法。唐超军应用空间啮合理论和数值计算方法，建立了从工件齿形到滚刀刃形，再到铲磨砂轮廓形的一系列计算公式。该算法以任意工件齿形为计算对象，能根据工件的齿形直接计算任意齿形的齿轮滚刀刃形。同时，结合CAD/CAM技术和专家系统技术，开发出了齿轮滚刀设计制造专家系统。张博林在其硕士论文基于齿轮仿真加工的齿轮刀具设计研究中，提出了系统的总体设计方案及功能模块的划分，并对

24、系统数据库的建立和齿轮齿轮刀具设计计算计算过程中得设计资料处理办法进行了论述，利用计算机仿真技术，对常用齿轮刀具进行参数设计计算并仿真加工。总之，国内外学者对于滚刀设计及其相应的参数化设计系统都做了较多的研究工作，但是总得看来，三维的滚刀设计，研究的相对较少，尤其在国内，且多数文献对三维设计的介绍很笼统，这使因为滚刀三维设计仍处于探索阶段，可借鉴的经验也较少；再就是由于有些文献的保密性，导致关于滚刀三维设计的知识共享不足，使得初学者对其研究的难度加大。目前我国大多数企业在实际应用时，二维设计已能满足其要求，尤其是再齿轮加工仿真时，二维仿真模型能够比较准确的反映仿真结果。虽然滚刀设计CAD系统的

25、发展也已比较成熟，但是比较完善的集设计、优化与验证于一体的滚刀设计系统仍旧比较少。目前，标准的插齿刀只能用于加工中硬度齿面的齿轮。硬齿面插齿刀的研制，国外起步较早，德、日、前苏联等国早在70年代就开始此项目的研究，先已进入应用阶段。国内开始于80年代中期，目前正处于研制阶段，并已取得显著成果。如内蒙古第一机械制造厂采用758刀片制造的压配式插齿刀（采用平前刀面）加工硬度HRC60的齿轮（18CrNi4A）达到8级精度；成都工具研究所用AA级硬质合金插齿刀加工HRC45-62的硬齿面齿轮，加工精度可达6-7级。近年来，由于机床设计的改进和技术的发展，在生产中采用新型的高速或者CNC高速插齿机床已成为一种趋势。为了充分发挥现代机床的效能，开发和制造与之适应的新型插齿刀具，已成为刀具研究和生产领域面临的重要课题之一。插齿刀的发展主要在以下三个方面进行：刀具材料、刀具结构和刀具几何参数改进。