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    傳動齒輪軸的加工工藝淺析

    無錫市聚英機械制造有限公司  2022-05-13 14:39:11 作者:青騰

    齒輪軸零件的主要作用是支撐回轉零件、實現回轉運動并傳遞轉矩和動力。齒輪軸具備傳動效率高、結構緊湊和使用壽命長等一系列優點,是通用機械特別是工程機械傳動中的重要零件之一。齒輪軸加工材料、熱處理方式、機械加工工藝過程的優化,將對提高齒輪軸的加工質量及壽命有著重要借鑒意義。首先分析了齒輪軸零件的作用和加工工藝性,然后進行工藝規程設計。齒輪軸零件的機械綜合性能要求較高,一般選擇鍛件作為毛坯。

        輪軸一般是小齒輪(齒數少的齒輪),運用在高速級(也就是底扭矩級)傳動中。聚英機械可以生產大模數的長軸齒輪,應用于大型煤礦及建筑機械類產品。齒輪軸一般很少作為變速的滑移齒輪,一般都是固定運行的齒輪,因為處在高速級,其高速度是不適進行滑移變速的。齒輪軸是軸和齒輪合成一個整體的,但是,在設計時,還是要盡量縮短軸的長度,太長了一是不利于上滾齒機加工,二是軸的支撐太長導致軸要加粗而增加機械強度(如剛性、撓度、抗彎等)。

    一般齒輪軸有兩個支撐軸徑,工作時通過軸徑支撐在軸承上,這兩個支撐軸徑便是其裝配基準,通常也是其他表面的設計基準,所以它的精度和表面質量要求較高。對于一些重要的軸,支撐軸除規定較高的尺寸精度外,通常還規定圓度、圓柱度以及兩軸徑之間的同軸度等形狀精度要求等。對于其他工作軸徑,如安裝齒輪、帶輪、螺母、軸套等零件的軸徑,除了有本身的尺寸精度和表面粗糙度外,通常還要求其軸線與兩支承軸徑的公共線同軸,以保證軸上各運動部件的運動精度。

    齒輪軸零件的主要作用是支撐回轉零件、實現回轉運動并傳遞轉矩和動力。齒輪軸零件是將齒輪部分和軸做成一體無需鍵配合的一種常見機械零件。齒輪軸具備傳動效率高、結構緊湊和使用壽命長等一系列優點,是通用機械特別是工程機械傳動中的重要零件之一。齒輪軸的工作能力一般取決于軸的強度和剛度,轉速高時還取決于軸的振動穩定性。軸的中間部位為斜齒輪部分,主要傳遞運動和動力。

    傳統齒輪軸加工利用普通車床、銑床等,依靠技師進行手工操作,生產率低,耗時長,精度低。而聚英機械是使用加工中心進行自動化打磨,從而大大提高了軸部的精度。

    齒輪軸加工工藝設計

     材料分析生產類型確定

    45鋼是中碳結構鋼,冷熱加工性能都不錯,機械性能較好,且價格低、來源廣,所以應用廣泛。它的最大弱點是淬透性低,截面尺寸大和要求比較高的工件不宜采用。45鋼淬火溫度在A3+(3050) ℃,在實際操作中,一般是取上限的。偏高的淬火溫度可以使工件加熱速度加快,表面氧化減少,且能提高工效。為使工件的奧氏體均勻化,就需要足夠的保溫時間。

    45鋼可制造強度要求較高的零件,如曲軸、軸、活塞銷、工夾具等零件。這些零件的制造要求大多是零件表面的高硬度性、高耐磨性,而心部具有高強度和高韌性,調質后進行高頻或火焰表面淬火等。45鋼經低溫球化退火后,它可冷擠壓為成形零件,如球頭銷、推力桿等。45鋼是軸類零件的常用材料,淬火后表面硬度可達4552HRC 它價格便宜,經過調質(或正火)后,可得到較好的切削性能,而且能獲得較高的強度和韌性等綜合機械性能。45鋼還廣泛用于機械制造等,這種鋼的機械性能很好。但是這是一種中碳鋼,淬火性能并不好,45鋼可以淬硬至HRC42~46。所以如果需要表面硬度,又希望發揮45鋼優越的機械性能,常將45鋼表面滲碳淬火,這樣就能得到需要的表面硬度。

    設計中齒輪軸范例采用45鋼。

     確定零件的生產類型

    已知:備品率a=3%     廢品率b=1%   年產量Q=1000/

    根據《機械設計手冊》查表可知45鋼密度ρ=cm???3

    根據圖紙體積V=V1+V2+V3+V4

    =82*10π+*π+82*46π+72*π= mm???3= cm???3

          齒輪軸質量m=ρV=

          計算N=Q*m(1+a%)(1+b%)=1000*(1+3%)(1+1%)=

    生產類型

    零件生產綱領(件/年)

    重型零件(30kg以上)

    中型零件(4~30kg)

    小型零件(4kg以下)

    單件生產

    <5

    <10

    <100

    批量生產

    5~300

    10~500

    100~5000

    大批量生產

    >300

    >500

    >5000

    根據表可知生產類型為批量生產

     選擇毛坯,繪制零件圖或根據已有詳圖進行加工

     選擇毛坯種類及制造形式

    毛坯的選用主要包括毛坯的材料、類型和生產方法的選用。選用正確與否直接關系到毛坯的制造質量、工藝和成本,并影響到機械加工質量、工藝和成本等。毛坯質量主要是指合格毛坯本身能滿足用戶要求的程度。它主要包括外觀質量、內在質量和使用質量。其中,外觀質量包括毛坯表面粗糙度、尺寸精度、質量偏差、形狀偏差和表面缺陷等;內在質量包括毛坯的物理性能、力學性能、金相組織、化學成分、偏析、內應力、致密度、內部缺陷等;使用質量包括毛坯的抗疲勞性能、高溫及低溫力學性能、耐磨性、耐蝕性和精度保持性等。毛坯材料的選用是保證產品內在質量的一個主要因素。 毛坯選用的原則有:①滿足材料的工藝性能要求。如碳鋼主要使用鍛造生產,但其中某些牌號也有較好的鑄造性能;②滿足零件的使用性能要求;③降低制造成本;④符合生產條件。

    尺寸大的齒輪軸通常選擇自由鍛造,中小型齒輪軸可選擇模鍛件,一些小齒輪軸也可制作成整體毛坯。若鍛件毛坯為錘上鋼質自由鍛件,其機械加工余量與公差應遵循GB/T15826系列標準;若毛坯為鋼質模鍛件,其機械加工余量與公差應遵循GB/T12362系列標準。

    本設計中,齒輪軸材料采用45鋼,制造形式采用鍛件。

     核算毛坯尺寸及機械加工余量

    國標中規定鋼質模鍛件的公差分為兩級,即普通級和精密級。精密級公差適用于有較高技術要求,但需要采取附加制造工藝才能達到的鍛件,一般不宜采用。精密級公差可用于某一鍛件的全部尺寸,也可用于局部尺寸。平鍛件只采用普通級。由齒輪軸零件的功用和技術要求,可確定該零件的公差等級為普通級。鍛件精度等級為F級。

    根據零件圖要求,采用粗車余量2mm。

    根據零件圖尺寸和加工余量可基本上確定毛坯的尺寸直徑φ40mm,長120mm。

     選擇加工方法,制定工藝路線

    預備熱處理的目的是改善加工性能、消除內應力和為最終熱處理準備良好的金相組織。本設計熱處理工藝有退火、正火、時效、調質。

    1)退火和正火:退火和正火用于經過熱加工的毛坯。含碳量大于% 的碳鋼和合金鋼,為降低其硬度易于切削,常采用退火處理;含碳量低于%的碳鋼和合金鋼,為避免其硬度過低切削時粘刀,而采用正火處理。退火和正火尚能細化晶粒、均勻組織,為以后的熱處理作準備。

    2)時效處理:時效處理主要用于消除毛坯制造和機械加工中產生的內應力。為避免過多運輸工作量,對于一般精度的零件,在精加工前安排一次時效處理即可。但精度要求較高的零件,應安排兩次或數次時效處理工序。簡單零件一般可不進行時效處理。除鑄件外,對于一些剛性較差的精密零件,為消除加工中產生的內應力,穩定零件加工精度,常在粗加工、半精加工之間安排多次時效處理。

    3)調質:調質即是在淬火后進行高溫回火處理,它能獲得均勻細致的回火索氏體組織,為以后的表面淬火和滲氮處理時減少變形作準備,因此調質也可作為預備熱處理。

    利用數控車床,編制數控程序,將毛坯加工成型材。

    1)調質熱處理

       45鋼是中碳結構鋼,冷熱加工性能都不錯,機械性能較好,且價格低,來源廣泛。它的最大弱點是淬透性低,截面尺寸和要求比較高的工件不宜采用。

       因為45鋼淬透性低,故應采用冷卻速度大的10%鹽水溶液。工件入水后,應當淬透,但不是冷透。如果工件在鹽水中冷透,就有可能使工件裂開,這是因為當工件冷卻到180°左右時,奧氏體迅速轉變為馬氏體造成過大的組織應力所致。因此,當淬火工件快冷到該溫度區域,就應采取緩冷的方式,由于出水溫度難以掌控,須憑經驗操作,當水中的工件抖動停止,即可出水空冷,油冷更好。另外,工件入水宜動不宜靜,應按照工件的幾何形狀,做規則運動。靜止的冷卻介質加上靜止的工件,導致硬度不均勻,應力不均勻而使工件變形大,甚至裂開。

    2)表面淬火,低溫回火

      表面淬火是僅對工件表層進行淬火以改變表層組織和性能的熱處理工藝,它是通過快速加熱與立即淬火冷卻相結合的方法來實現的,即利用快速加熱使工件表面快速的加熱到淬火溫度,在不等熱量充分傳到心部時,即迅速冷卻,使表層得到馬氏體而被淬硬,而心部仍保持為未淬火狀態的組織,即原來塑性、韌性較好的退火、正火或調質狀態的組織。

    3)低溫人工時效

    將零件加熱到120~150℃進行去應力退火,長時間保溫后(5-12小時)取出在空氣中冷卻。目的是為了減小淬火后軸零件內的微觀應力、機械加工殘余應力,防止變形及開裂。低溫人工時效操作簡單、成本低。相比自然時效節省時間,殘余應力去除較為徹底。

    將熱處理后的型材重新裝夾在數控車床上,利用數控編制程序,對型材進行精加工。精加工包括精車外圓、車螺紋、切槽、銑鍵槽、銑齒。


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