摆线齿轮泵外转子加工工艺及主要工装

摘要

本文就摆线的基本概念作了介绍，并阐述摆线齿轮泵中，外转子的加工工艺过程、工装设备以及成形拉刀的设计计算。摆线齿轮泵中以内转子为主动轮，外转子为从动轮，在设计中要求外转子精度高，同时考虑到经济成本，在设计加工工艺时，尽量采用既高精度又经济的方式。而且还介绍了在单件生产纲领下，进行摆线齿轮泵外转子曲面磨削的方法。确定了磨削参数及工艺装备。本加工方法具有传动链短，砂轮修磨简单，可稳定的保持加工精度。

关键词：摆线齿轮外转子；工艺；结构设计；工装设备；成形拉刀。

Abstract

This article introduced the basic concept of cycloid and cycloid gear pump described, the outer rotor of the machining process, tooling equipment and design calculation of forming broach. Within the rotor cycloidal gear pump for the driving wheel, outer rotor to the driven wheel, the rotor in the design requirements of high precision, taking into account economic costs, in the design process, try to use the high-precision and economical way. But also introduced the program in the single production under the cycloid gear pump outer rotor surface grinding method. Determine the parameters and processes of grinding equipment. This processing method has a short transmission chain, grinding wheel simple, steady and precision

Keywords: cycloidal gear outer rotor; process; structural design; tooling equipment; forming broach

摘要 ....................................................................

第1章绪论 0

1.1 齿轮泵概述 0

1.2 齿轮泵发展趋势 0

1.3 外转子设计的基本要求 (2)

第2章外转子的加工工艺设计 (2)

2.1 零件的分析 (3)

2.1.1 零件的作用 (3)

2.1.2 零件工艺分析 (3)

2.2 工艺规程设计 (3)

2.2.1 确定毛坯的制造形式 (3)

2.2.2 基面的选择 (3)

2.2.3 制定工艺路线 (4)

2.2.4 机械加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸确定 (6)

第3章夹具设计 (16)

3.1 拉胎 (16)

3.1.1 问题的提出 (16)

3.1.2 定位基准的选择 (16)

3.1.3 定位误差分析 (16)

3.1.4 夹紧力 (17)

3.1.5 胎具结构 (17)

3.2 磨胎 (17)

3.2.1 问题的提出 (17)

3.2.2 定位基准的选择 (17)

3.2.3 夹具结构 (17)

3.4 打磨砂轮工具 (20)

第4章内曲面成形拉刀设计 (21)

4.1 粗拉刀设计 (21)

4.1.1 切削部设计 (21)

4.1.2 校准部设计 (27)

4.1.3 其它部分及拉刀总长度 (28)

4.1.4 拉刀强度计算及拉削力的校验 (30)

4.2 精拉刀设计 (32)

4.2.1 参数选择 (32)

F (34)

4.2.2 校核最大拉削力

m ax

4.2.3 拉刀强度校验 (35)

4.2.4 拉刀总长度L (35)

结束语 (37)

致谢 (37)

参考文献 (38)

CONTENTS

Chapter One Introduction 0

1.1 Gear Pump Overview 0

1.2 Development Trend of gear pump 0

1.3 The basic requirements of external rotor design (2)

Chapter T wo External rotor design process (2)

2.1 Parts of the analysis (3)

2.1.1 Parts of the role (3)

2.1.2 Parts Process Analysis (3)

2.2 Process planning (3)

2.2.1 Determine the form of blank manufacturing (3)

2.2.2 The choice of the base surface (3)

2.2.3 Development of process routes (4)

2.2.4 Machining allowance, process to determine the size and rough size (6)

Chapter Three Fixture Design (16)

3.1 Pull tire (16)

3.1.1 Proposed of the problems (16)

3.1.2 The choice of locating datum (16)

3.1.3 Orientation error (16)

3.1.4 Clamping force (17)

3.1.5 Mold structure (17)

3.2 Tire wear (17)

3.2.1 Proposed of the problems (17)

3.2.2 The choice of locating datum (17)

3.2.3 Fixture Structure (17)

3.3 Grinding head (20)

3.4 T ool grinding wheel (20)

Chapter Four Broach the surface forming the design (21)

4.1.1 Department of Design Cutting (21)

4.1.2 Department of Design Calibration (27)

4.1.3 Other parts and the total length of broach (28)

4.1.4 Broach broaching force strength calculation and validation (30)

4.2 Essence broach design (32)

4.2.1 Parameter selection (32)

F (34)

4.2.2 Checking the maximum broaching force Fmax

m ax

4.2.3 Broach strength check (35)

4.2.4 The total length of broach L (35)

Conclusion (37)

Thanks for (37)

References (38)

第1章绪论

1.1 齿轮泵概述

随着现代科学技术和国民经济生产的发展对泵的条件越来越特殊，对特殊泵的需求越来越多，发展特殊泵是泵类产品发展的一个主要趋势。近年来，为了提高齿轮泵的性能，国内外正在进行一些特殊齿形齿轮泵的研究，并已取得了一定的进展。但目前我国石化行业使用的高粘度齿轮泵多属于国外进口产品，为了研究开发适合我国石化生产条件的高粘度齿轮泵，对此类泵的进一步研究成为当前齿轮泵技术发展的一个重要课题。

国外对特种齿轮泵及高参数聚合物输送用卤轮泵进行了大量的研究开发工作。美国、瑞士、德国、日本等国家先后开发出了各自的系列产品，特种齿轮泵以美国Viking内啮合齿轮泵和日本大晃株式会社的外啮合齿轮泵比较著名。高参数聚合物输送用齿轮泵以美国的聚合物设备公司(POL YMER EQUIPMENT CO．)和瑞士玛格公司(MAAG)的不带同步齿轮的产品居国际领先水平[1]。这些聚合物齿轮泵应用于高温、高压、高粘度的液体物料的输送[2][3]。目前国内生产的特殊齿轮泵主要有NCB-T型内啮合齿轮泵、TC七型特殊齿形高粘度齿轮泵以及CB-T型外啮合齿轮泵[4]。但国内产品性能与国外同类产品相比，还有不小的差距。

开发新的齿轮泵，以提高齿轮泵的性能，更好的满足啮合和输送介质的要求，也是促进齿轮泵的发展、满足现代工业的需要。而我国特殊齿形齿轮泵转子的型线设计原则、啮合特性的分析、制造加工技术等还没有建立较为完善的理论体系。所以这些方面的研究对提高我国齿轮泵设计制造水平具有重要意义。

1.2 齿轮泵发展趋势

齿轮技术的历史可追溯到3000～5000年前，而作为齿轮在工业中应用的一种重要装置——齿轮泵的雏形只能追溯到16世纪，但它是所有类型泵中最古老的一种[5][6]。通常将抽吸、输送液体和使液体压力增加的机器统称为泵[7]，齿轮泵是其中容积式回转泵的一种，它是一种使用非常广泛的流体机械。齿轮泵的主要特点是结构简单、体积小、重量轻、自吸性能好、转速范围大、不容易咬死、对污染不敏感、使用可靠、寿命较长、

液体[8]，因此它广泛应用于机床、轻工、农林、冶金、矿山、建筑、船舶、飞机、汽车、石化机械等行业，特别是输送粘度较大的液体，例高粘度聚合物、润滑油、燃烧油等。例如齿轮泵在液压泵中占78．2％[9]。而且齿轮泵的使用领域还在不断扩大，许多过去用轴向柱塞泵的液压设备也已改用齿轮泵(如工程起重机等)[10]。

齿轮泵借助于一对齿轮副轮齿脱开啮合侧和进入啮合侧在密封壳体内形成的工作容积的周期性变化来实现液体的输送。根据齿轮传动形式的不同，可以把齿轮泵分为外啮合齿轮泵和内啮合齿轮泵两大类；按齿轮泵的用途不同分为普通泵和特殊泵，普通泵大多用于输送油类液体或用于液压传动系统，常称为油泵或液压泵，特殊泵则多用于石油、化工等输送粘稠物料的行业；按齿轮泵转子型线不同可分为普通渐开线型线和特殊型线齿轮泵。

典型齿轮泵的结构如图1-1、1-2所示，主要由两转子，以及容纳它们的泵体和前后泵盖所组成。特殊结构的泵有非对称渐开线多齿泵[11][12]、三齿轮外啮合齿轮泵[13]、复合齿轮泵[14-25]等，这些泵克服了普通齿轮泵的流量和压力脉动大、噪声大、径向力不平衡、轴承磨损严重等缺点，使泵的流量成倍增加，寿命大幅度提高，具有设计先进、结构新颖、性能优越、效率高等优点，为变革传统的二齿轮式齿轮泵提供了一种创新思路。

近十几年来，齿轮泵行业取得了长足的发展。很多新型齿廓齿轮泵的相继出现使齿轮泵的性能得到了很大的改善，齿轮泵的工作压力有了很大提高，产品结构有了不少改进，变量泵的研究也在进行。齿轮泵技术正朝着设计多样化、进一步推广CAD／CAM

减少污染、减少能耗和降低成本为方向[26]。

目前各国一般用途泵的比重下降，而特殊用途的泵大量发展，比例逐年增加。据估计，目前国外特殊泵的比例已占80％左右[26]。而我国石化行业用来传输高粘度介质的大模数，大螺旋角，少齿数的特殊泵还处于研究开发阶段，国内使用的高粘度齿轮泵多属于国外进口产品[27]，这使企业投资成本大大增加，企业竞争力减弱。

与国外同类产品相比国产齿轮泵的效率、可靠性与使用寿命还相差甚远。主要存在以下问题：齿轮泵的流量和压力脉动大，排量小，出口压力小，噪声高，困油现象严重，强度低。

1.3 外转子设计的基本要求

摆线齿轮泵结构紧凑，自吸能力强，传动平稳。在采煤机液压回路中，主要应用在辅助供油系统回路中。内、外转子(摆线齿轮泵)工作时最高压力为25kg／cm，属低压工作。考虑瞬时启动及停车等情况产生的液压冲击，对内、外转子造成一定的短时高压力。所以摆线齿轮在工艺上应在提高齿形表面硬度的同时提高内、外转子的综合机械性能。

2.1 零件的分析

2.1.1 零件的作用

题目所给定的零件是（摆线齿轮泵）的外转子。在油泵中，内转子为主动轮，外转了为从动轮，内转子转速比=Z 1/Z 2=6/7，在油泵的工作过程中内转子的每一个齿每转过一周时，出现一个工作循环，即吸排油一次，对于六个齿的内转子将出现六个工作循环，即吸排油六次，外转子的作用主要是与内转子配合完成吸油、排油，其齿间粗糙度为

0.4a R ，外圆柱面与偏心套接触，其表面粗糙度也很高，外转子两端面与两侧泵的腔壁

之间保持很小的间隙，保证外转子旋转时不受阻碍，同时防止吸油腔与排油腔相通，达不到吸排油的作用，因此两侧的尺寸精度较高，表面粗糙度为0.4a R 。由此可见整个外转子的尺寸精度、位置精度（七圆弧面与两端面及外圆柱面的位置精度）、形状精度（七圆弧的一致性精度）及表面质量的要求都比较高。

2.1.2 零件工艺分析

摆线泵的外转子在进行齿形加工时要以外圆及端面定位，因为外转子的齿形与外圆及端面定位，有很高的位置要求，即：

1、曲面79.50.02R --母线的0.4a R 端面不垂直度允差0.005mm 。

2、曲面79.50.02R --对06

.073.057--φ的不平行度允差为0.01mm 。

因此在加工齿形时要先加工基准面，在精加工齿形时要借助于专用夹具来保证尺寸位置精度。

2.2 工艺规程设计

2.2.1 确定毛坯的制造形式

零件材料为20r o C M 低碳合金钢，考虑零件的作用及功能，毛料均选钆制棒料，对于提高生产率，保证加工精度来说也是应该的。

2.2.2 基面的选择

基面的选择是工艺规程设计中的一项重要工作，基面选择的正确与合理，可以使加工质量得到保证，提高劳动生产率，降低生产成本，否则会使加工工艺过程中问题百出，更有甚者还会造成零件大批量报废，使生产无法进行。

及端面，符合粗基准的选择原则；若零件上每个表面都要加工，则应该以加工余量最小的表面作为粗基面，使这个表面在以后的加工中不会留下毛坯表面而造成报废。

精基准的选择：选用外转子一端面及外圆为精基准，在加工齿形时可保证位置精度，而精加工外圆本身时，按外圆本身找正。

2.2.3 制定工艺路线

制定工艺路线的出发点，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，能得到合理的保证。在生产纲领已确定为成批生产时，可以考虑用通用机床配以专用夹具，并使工序尽量集中，从而提高劳动生产率，同时要考虑经济效果，使生产成本尽量降低。

1.工艺路线方案一

工序Ⅰ：切断。

工序Ⅱ：车外圆断面、内孔。

工序Ⅲ：磨削，做记号面，再磨另一面。

工序Ⅳ：拉齿形。

工序Ⅴ：精车外圆及一端面。

工序Ⅵ：磨两面。

工序Ⅶ：切单个车端面

工序Ⅷ：热处理，渗碳、淬火、清理。

工序Ⅸ：粗、精磨两端面

工序Ⅹ：按外圆找正磨外圆

工序Ⅺ：磨齿形

工序Ⅻ：表面处理钳工倒棱、去毛刺。

2.工艺路线方案二

工序Ⅰ：车外圆、内孔、一端面

工序Ⅱ：拉齿形

工序Ⅲ：切单个车端面

工序Ⅳ：热处理、渗碳、淬火、清理

工序Ⅵ：磨外圆

工序Ⅶ：粗、精磨两端面

工序Ⅷ：表面处理，去毛刺、倒棱。

3.工序、工艺路线分析

工艺按工序方案一，虽然简洁，但不一定达到精度要求。方案二，虽然相对复杂，可达到精度要求。

方案一，在拉齿之前先磨端面，提高定位精度，以保证位置精度，这样使两件被切单位之间的位置精度进一步提高，两件一起加工更容易保证位置精度。

在热处理之前，提高加工面的精度并进行去毛刺，使得渗碳深度均匀，使工件的切削质量更好，而且这两个方案均是在热处理之后去刺，因此渗碳深度不能完成，保证均匀。

方案一，最后工序，在磨端面和外外圆之后进行磨齿，使得齿形位置精度得以保证，所以综合以上两工艺方案，最后确定工艺路线如下：

工序Ⅰ：切断

工序Ⅱ：车外圆、内孔及端面（外圆、内孔及一端面一刀下，仅一个面做记号）

工序Ⅲ：先磨做记号面，再磨另一面。

工序Ⅳ：拉齿形

工序Ⅴ：车外圆、端面

工序Ⅵ：磨两端面

工序Ⅶ：切断，车端面

工序Ⅷ：磨平面

工序Ⅸ：钳工去毛刺

工序Ⅹ：热处理

工序Ⅺ：粗磨、精磨端面

工序Ⅻ：粗磨，精磨外圆

工序XIII：磨齿形

工序XIV ：倒棱

2.2.4 机械加工余量，工序尺寸及毛坯尺寸确定

φ）：

1. 外圆表面（57m m

考虑其长度为22mm，为便于加工，先两件一起加工，然后分别进行精加工，又要用外圆表面做基准且本身要加工达到5级精度，表面粗糙度为0.6

R=，参照机械加工工艺

a

手册[27]：“表1-27”及工艺手册表13-6制定工序尺寸及余量为：

φ

毛坯：60m m

φ

粗车到：58m m

φ

半精车到：57.52mm

φ

精车至：57.32m m

φ

粗磨至：57.07m m

φ

精磨至：57m m

2. 孔加工：

φ，留磨量0.125mm，最后确定各工序尺寸及余量分别为：孔加工最后尺寸为34.75mm

φ

一次钻孔至：20mm

φ

二次钻孔至：33mm

φ

用车刀镗孔至：34.7mm

φ

扩孔至：34.75m m

3. 齿形加工：

齿形加工用成形拉刀粗拉，精拉，最后留0.125mm的弧面磨量

4. 两端面：

参照机械加工工艺手册[27]表1-24，表1-39，表1-28，制订工序尺寸及余量为：

棒料长：65m m

切断：60m m

粗车至：57m m

磨：56.4m m

车：54.4m m

磨：54.2m m

车至：22.3m m

粗磨至：22m m

5. 确定切削用量：

工序Ⅰ：切断成66mm ，断口5mm

刀具：硬质合金车刀 YT5，刀头长度65mm ，刀宽5m m ，切削用量的计算查表： 1) 进给量： 查手册表3-16

0.10~0.13mm/r f =

取0.10mm/r f = 2) 切削速度

查机械加工工艺手册[27]表3-20,选 2.5m/s V = 3) 确定机床主轴转速

10001000 2.5

13.3r/s 79.6r/min 3.1460

s v n d πω?=

==?＝ (2-1) 按机床C620-1选取 800r/min n ω=

实际切削速度为

3.1460800

2.37m/s 1000

1000

dn v ω

π??=

=

= (2-2)

工序Ⅱ车削外圆、端面及内孔 1) 加工条件

工件材料：20r o C M 0.45b a Gp =δ 棒料直径60m m φ，长65 mm

加工要求：外圆57φmm ，达到00.0557.52φ-mm ， 3.2Ra =

端面达到00.257φ+-mm 3.2Ra =

内孔达到0.01

0.02

34.75φ+-mm 3.2Ra =

机床：6201C -

刀具：端面车刀

刀杆尺寸：21625mm ?

刀片参数：90r k =。 015γ=。 012d =。 0.05δγ= 2) 切削用量

a) 粗车外圆

切削深度： 1.0mm p a =一次车出 进给量：0.7m m /r f =

切削速度查表3-19， 1.1m/s(6.6m/min)v = 确定机床主轴转速：

10001000 1.1

5.8m/s 350r/min 3.1460

s n d ωγπ?=

===? (2-3) 按机床：375r/min(6.17r/s)n ω= （附表8-3-1）

实际切削速度为：

3.1460 6.17

1.16m/s 1000

1000

d n v ωω

π??=

=

= (2-4)

b) 半精车外圆

切削深度：0.24mm p a = 切除 进给量为：0.3mm/r f = 切削速度： 1.0m/s v = 确定机床主轴转速：

10001000 1.0

5.49r/s 329r/min 3.1458

s v n d ωπ?=

===? (2-5) 按机床选取： 5.08r/s 300r/min n ω== 实际切速：

3.1458 5.08

0.93m /s 10001000

d n v ωω

π??==

= (2-6)

切削深度：3mm p a = 进给量为：0.5mm/r f = 切削速度： 1.4m/s v = 确定主轴转速： 10001000 1.4

7.43r /s 446r /m i n 3.1460

s v n d ωπ?=

===? (2-7)

按机床选取：7.67r/s 400r/min n ω== 实际切速：

3.14607.67

1.45m /s 10001000

d n v ωω

π??==

= (2-8)

d) 一次钻孔20φ

进给量： 0.43m m /r f = 按表3-88 切削速度：根据197HB ＜ 查表3-42

0.3m/s v = 确定机床主轴转速：

100010000.3

4.18r /s 286r /m i n 3.1420

s v n d ωπ?=

===? (2-9)

按机床选： 5.08r/s 300r/min n ω== 所以实际切削速度为：

3.1420 5.08

0.32m /s 10001000

d n v ωω

π??==

= (2-10)

e) 二次钻孔33φ 查手册3-54

吃刀深度： 6.5mm p a =

进给量：

1.80.43 1.80.78mm/r f f =?=?=锻

切削速度：11

0.30.1m/s 33

v =?=

100010000.1

0.97r/s 58r/min 3.1453

s v n d ωπ?====? (2-11) 按机床选：

56r/min n ω=

实际切速：

0.1m/s v = f) 车刀镗孔34.7φ

选择刀杆尺寸为16φ ，伸出长度为80mm 切削深度：0.85mm p a = 进给量查表3-15：0.3mm/r f =

切削速度选择比加工外圆的切削用量略小，故选用机床主轴转为：

250r/min s n =

实际切削速度： 3.1434.7 4.17

0.45m/s 1000

1000

d n v ωω

π??=

=

= (2-12)

g) 扩孔钻34.75φ

由机械加工工艺手册[27]表8-54 根据钻孔取参孔值 进给量：

2.40.43 2.4 1.03mm/r f f =?=?=钻

切削速度为：

111

0.300.1m m

/s 333

v v =?=?=钻 (2-13) 主轴转速：

100010000.1

54.97r /m i n 3.1434.75

s v n d ωπ?=

==? (2-14)

按机床选：

实际切速：

3.143

4.750.96

0.105m /s

10001000

d n v ωω

π??=

=

= (2-15)

工序Ⅲ磨两端面 1) 选择砂轮

查机械加工工艺手册[27]表3-91、3-97及表4-15，选择砂轮为

164635040127GZ IR A P ??

2) 切削用量的选择 查表4-12要把机床130M ＞选

=1500/min n r 砂

27.5m/s v =砂

查表3-107，轴向进给量：0.5820mm n f == 工件速度：

0.166m/s(10m/min)n v =

查表3-106，径向进给量：0.015mm r f =双行程

工序IV 拉齿形

拉削进给量：0.06mm f =，表3-86 拉削速度：查表3-87及表3-88选0.04m/s v =

工序V 车外圆至57.32Φmm ，然后车另一个端面

刀具：端面车刀 1.0ξγ= 1) 车外圆

切削深度：0.1mm p a = 进给量：0.25mm r f = 切削速度： 1.6m/s v = 确定机床主轴转数：

10001000 1.6

8.89r/s 533r/min 3.1457.32

s v n d ωπ?=

===? (2-16) 按机床选： 8.3r/s 500r/min n ω==

实际切削速度为：

3.1457.328.3

1.5m/s 1000

1000

d n v ωω

π??=

=

= (2-17)

2) 车端面

切削深度： 1.0mm p a = 进给量：0.28mm r f = 切削速度： 1.6m/s v = 确定机床主轴转速：

10001000 1.6

8.89r/s 533r/min 3.1457.32

s v n d ωπ?=

===? (2-18) 按机床选： 8.3r/s 500r/min n ω==

实际切速：

3.1457.328.3

1.5m/s 1000

1000

d n v ωω

π??=

=

= (2-19)

工序Ⅵ磨两面至54.2mm 1) 选择砂轮

查机械加工工艺手册[27]表3-91、3-97及表4-13选砂轮型号为

164635040127GZ IR A P ??

2) 切削用量的选择 查表4-13根据机床选

查表3-107，轴向进给量 ：0.520mm/a f B ==双行程 工件速度：0.166m/s 10m/min v ω==

查表3-106，径向进给量：0.075mm/r f =双行程

工序Ⅶ切单个22mm 车成22.3mm （磨面、不车） 1) 切断切削用量 进给量：0.10mm r f = 切削速度： 2.5m/s v = 确定机床主轴转速：

10001000 2.5

13.3r/s 796r/min 3.1457.32

s v n d ωπ?=

===? (2-20) 按机床选： 12.6r/s 750r/min n ω==

实际切速：

v=2.37m/s

2) 车端面

由于54.2切断后断口为5，则长度平均为：54.25/224.6-=（）

则发削深度按3取：3mm p a =

选择切削用量切下，查表3-13、3-9，进给量：0.5mm r f = 切削速度： 1.4m/s v = 确定机床主轴转速：

10001000 1.4

7.43r/s 460r/min 3.1460s v n d ωπ?=

===? (2-21) 按机床取： 7.67r/s 450r/min n ω==

则实际切削速度：

1.45m/s v =