10-1 齿轮加工设备（教案）《机械制造工艺基础》上好课（劳动版·第八版）

《机械制造工艺基础》教案 详细教案 一、设计摘要 课程课题 10-1 齿轮加工设备 授课教师 1 学时数 1 授课班级 人数 授课时间 教学地点 二、设计意图 学情分析 学生已系统学习过《机械制图》、《机械基础》等专业基础课，对齿轮的零件图、主要参数（模数、压力角、齿数、螺旋角）有了基本认知。在之前章节中也掌握了车床、铣床等通用机床的运动分析方法和切削刀具的基本概念。他们思维活跃，对机械加工有好奇心，喜欢动手操作。然而，中职学生的空间想象能力和抽象逻辑思维能力相对薄弱。对于滚齿机和插齿机复杂的内部传动链，特别是“展成运动”的包络原理和加工斜齿轮时的“附加运动”，理解起来会感到困难。同时，他们对“为什么这样装刀”这类工艺问题缺乏深入思考的习惯。因此，教学过程中需要化抽象为具体，充分利用教材图示、模型和多媒体动画，并通过大量实例和反复练习来化解难点。 背景分析 本节内容选自中国劳动社会保障出版社《机械制造工艺基础》。本章是全书的重点章节之一，系统介绍了典型零件——齿轮的加工工艺。本节作为开篇，是理解和掌握后续齿形加工方法（滚、插、剃、珩、磨）的基石。教材内容编排逻辑清晰，从齿轮加工的宏观分类（成形法、展成法）入手，进而详细介绍了滚齿机、插齿机两种核心设备的应用、运动构成，并配以丰富的结构图（图10-2至图10-11），直观展示了机床部件与刀具形态。最后，重点阐述了滚刀安装角的调整方法，这是理论与实践结合的关键点。本节内容理论性强，概念多，但对建立齿轮加工的工艺体系至关重要。 学习目标 设定 情感目标 知识目标 能力（技能）目标 1.通过理解精密齿轮的加工过程，感悟精益求精、一丝不苟的工匠精神。 2.培养严谨细致的工程思维和规范操作的安全意识。 1.能说出齿轮加工的两种齿形加工原理（成形法、展成法），并区分其特点。 2.能列举滚齿机、插齿机的主要加工对象和所需的几种运动。 3.能描述齿轮滚刀、插齿刀的结构类型和基本选择方法。 4.能阐述滚齿机加工直齿和斜齿圆柱齿轮时，滚刀安装角的调整方法与计算公式。 1.能够根据齿轮的类型（直齿/斜齿、外齿/内齿、是否多联）正确选择滚齿机或插齿机。 2.能够根据给定条件（滚刀旋向、工件旋向、螺旋角、升角），正确计算滚刀的安装角并判断倾斜方向。 学习任务 描述 1. 识记成形法与展成法的核心区别。 2. 掌握滚齿机和插齿机各自“擅长”加工什么齿轮、工作时有哪些关键动作。 3. 掌握齿轮滚刀和插齿刀长什么样、怎么选。 4. 掌握滚齿机加工直齿、斜齿圆柱齿轮时安装角的计算方法与调整方向。 教学资源 准备 教师准备：讨论主题、学生任务书； 学生准备：在线讨论、完成任务书。 教学重点 1. 滚齿机、插齿机的应用范围及展成运动概念。 2. 齿轮滚刀的安装角调整（公式δ = β ± λ）。 教学难点 1. 理解展成法（范成法）加工渐开线齿形的包络原理。 2. 滚齿机加工斜齿圆柱齿轮时附加运动的产生原因。 教学难点突破方法 1. 图示分析法 2. 类比教学法 3. 分步引导法 4. 案例诊断法 三、教学策略 教法 讲授法、演示法、问答法； 学法 观察归纳法、练习巩固法、背诵记忆法。 四、教学资源 教材工具材料 《机械制造工艺基础》，人力资源社会保障部教材办公室组织编写。 教学情景 创设 五、教学过程 教学环节 教学内容 教师活动 学生活动 设计意图 新课导入（2分钟） [引入主题]（2分钟） 展示各种齿轮应用的图片（汽车变速箱、机床主轴箱、钟表等），提问： 1. 这些是什么零件？它们起什么作用？（引导学生回答：齿轮，传递运动和动力） 2. 这些形状复杂、精度要求高的齿轮，特别是齿形，是用什么设备、什么方法加工出来的？车床或铣床能直接加工吗？ 由此引出本章主题——齿轮加工，并明确本节课将学习齿轮加工的核心设备。 1. 播放PPT，展示不同应用场景下的齿轮图片，创设情境。 2. 抛出两个层层递进的问题，激发学生的好奇心和求知欲。 3. 板书课题：第十章 齿轮加工，10-1 齿轮加工设备。 4. 简要说明本节课的学习目标和任务。 1. 观察图片，联系已学知识和生活实际。 2. 思考并尝试回答教师提出的问题，产生认知冲突（感觉车、铣搞不定）。 3. 明确本节课的学习内容和目标，在教材相应位置做好标记。 通过直观的图片和贴近专业的提问，迅速将学生注意力从课外引向课内。从“齿轮的功能”自然过渡到“齿轮的制造”，使学生意识到学习本节的必要性和重要性，激发学习兴趣。 探索 新知（20分钟） 一、齿轮加工概述 1 常见齿轮类型（图10-1） （1）直齿圆柱齿轮 （2）斜齿圆柱齿轮 （3）直齿锥齿轮 （4）人字圆柱齿轮 2 齿轮加工两阶段 （1）齿坯加工：大多属于盘类工件，经车削完成（精度较高时须经磨削）。 （2）齿形加工：分为成形法和展成法两类。 3 齿形加工方法分类 （1）成形法： 齿轮铣刀铣齿、样板刨刀刨齿、成形砂轮磨齿、齿轮拉刀拉齿等。 （2）展成法： 滚齿、插齿、剃齿、珩齿、磨齿等。其中，剃齿、珩齿、磨齿是齿轮的精加工方法。 二、齿轮加工机床 1 齿轮加工机床分类 （1）圆柱齿轮加工机床：滚齿机、插齿机、剃齿机、珩齿机、磨齿机等。其中滚齿机和插齿机应用最广。 （2）锥齿轮加工机床：直齿锥齿轮铣齿机、直齿锥齿轮刨齿机、直齿锥齿轮磨齿机、直齿锥齿轮拉齿机、弧齿锥齿轮铣齿机、弧齿锥齿轮拉齿机等。 2 滚齿机 （1）滚齿机的应用： 主要用于加工直齿和斜齿圆柱齿轮，也可以滚切花键轴或用于动径向进给法滚切蜗轮。 （2）滚齿机的主要部件（图10-2）： 床身、立柱、刀架滑板、刀架体、支架、后立柱、心轴、工作台、床鞍。 （3）滚齿机的运动（图10-3）： （3.1）主运动： 滚刀的旋转运动n刀。 （3.2）展成运动： 滚刀和工件严格的啮合运动。传动比关系：（k为滚刀头数，z为工件齿数）。 （3.3）垂直进给运动： 滚刀沿工件轴线方向的进给量f1（mm/r）。 （3.4）附加运动： 加工斜齿圆柱齿轮时，为形成螺旋线齿槽，工件在垂直进给时做的附加回转运动。 3 插齿机 （1）插齿机的应用： 主要用于加工多联齿轮和内齿轮，加附件后可加工齿条。还能加工非圆齿轮、不完全齿轮和内外成形面（如方孔、六角孔、带键轴等）。 （2）插齿机的形式： 立式和卧式两种，立式最普遍。立式插齿机有刀具让刀和工件让刀两种形式。 （3）插齿机的主要部件（图10-4）： 刀具主轴、工作台等。 （4）插齿机的运动： （4.1）主运动： 插齿刀上下往复运动。切削速度单位m/min， n0=1000v/(2L)。 （4.2）展成运动： 插齿刀与工件保持一对齿轮的啮合关系（）。 （4.3）径向进给运动： 插齿刀每往复一次径向移动的距离。 （4.4）圆周进给运动： 插齿刀每往复一次回转一个角度。 （4.5）让刀运动： 为避免擦伤已加工表面，刀具在回程时与工件让开一段距离。新型插齿机通过刀具主轴座的摆动来实现。 1.结合教材图10-1逐一介绍四种常见齿轮类型，指出不同齿轮的应用特点。讲解齿轮加工的两个阶段，强调齿坯加工是基础、齿形加工是核心，板书两个阶段名称。板书“成形法”和“展成法”，用比喻解释（成形法=用饺子模具做饺子；展成法=用两个硬币滚动包络出新形状），列举两种方法的具体加工方法，强调滚齿、插齿是展成法的典型代表。 2.按教材内容讲解机床两大类，板书两种分类，强调滚齿机和插齿机是本节重点。讲解滚齿机应用，展示图10-2引导学生认识部件，结合图10-3用动画讲解四种运动，进行例题分析（单头滚刀加工40齿齿轮，滚刀每转1转工件转1/40转），讲解附加运动的必要性，板书四种运动名称。提问“内齿轮或双联齿轮能用滚齿机加工吗？”引出插齿机，展示图10-4讲解结构，重点说明让刀运动的必要性，讲解主运动速度计算公式，列表对比滚齿机和插齿机。 1.观察教材图10-1，在教材上标注四种齿轮的名称。在教材P198上标注两个阶段，记录笔记。在教材P198上标注两种加工原理及具体方法，理解本质区别，回答教师提问。 2.在教材P198上标注机床分类，记录笔记。标注滚齿机应用，对照图10-2指认部件，记录四种运动名称及定义，完成例题计算，思考为什么加工斜齿轮需要附加运动。积极思考回答问题，对照图10-4理解结构，记录让刀运动目的和主运动公式，在笔记本上绘制两种机床的对比表格。 1认识常见齿轮类型，为后续学习不同齿轮的加工方法做铺垫。建立齿轮加工的整体工艺流程概念。这是齿形加工的核心概念，通过比喻降低理解门槛，为后续学习滚齿、插齿机打下基础。 2.建立齿轮加工机床的整体框架，明确学习重点。将复杂机床分解为部件和运动，层层递进。例题分析将抽象传动比具体化，帮助学生理解与巩固。通过设问引出插齿机，强化“根据零件结构选择设备”的工艺思维。对比表格有助于系统化记忆两种机床。 学 习 新 知（20分钟） 一、齿轮加工刀具 1 齿轮加工刀具分类（图10-5） （1）按齿形加工原理分类： （1.1）成形齿轮刀具：切削刃廓形与被切齿轮齿槽形状完全相同，如盘形模数齿轮铣刀、指形模数齿轮铣刀。 （1.2）展成齿轮刀具：刀具齿形和工件齿形不同，如齿轮滚刀、花键滚刀、插齿刀、剃齿刀等。 （2）按被加工齿轮类型分类： （2.1）加工渐开线圆柱齿轮的刀具：齿轮滚刀、插齿刀、剃齿刀、齿轮拉刀、齿条刀等。 （2.2）加工锥齿轮的刀具：加工直齿锥齿轮的铣刀、刨刀、双锥刀盘，加工弧齿和摆线齿锥齿轮的铣刀盘等。 （2.3）加工蜗轮的刀具：蜗轮滚刀、飞刀和蜗轮剃齿刀等。 （2.4）加工非渐开线齿轮的刀具：花键滚刀、花键插齿刀、棘轮滚刀、圆弧齿轮滚刀、链轮滚刀和摆线齿轮滚刀等。 2 齿轮滚刀 （1）齿轮滚刀的本质（图10-6）： 相当于一个齿数很少（1~3个齿）、螺旋角很大（近似于90°）、螺旋升角很小的蜗杆。本质上是一个圆柱齿轮。 （2）滚刀的结构（图10-7）： 沿轴线开出容屑槽，形成前面和前角；经铲齿铲磨，形成后面和后角。分为整体式、镶片式和可转位式。常用材料为高速钢和硬质合金。 （3）滚刀的基本尺寸参数： 外圆直径d、内圆直径D、长度L、容屑槽数。 （4）滚刀的精度等级（教材表10-1）： 4A、3A、2A、A、B、C、D级。 （5）齿轮滚刀的选择： 法向模数和法向压力角必须与被加工齿轮相同。精加工用单头滚刀，粗加工用多头滚刀。加工精度较低时，滚刀头数应与被加工齿轮齿数互为质数，以免产生大小齿。 3 插齿刀（图10-8、10-9） （1）插齿刀的主要类型及应用（图10-8）： （1.1）盘形插齿刀（图10-8a）： 以内孔和支承端面定位，用螺母紧固在机床主轴上，用于加工直齿及大直径的内、外啮合齿轮。 （1.2）碗形插齿刀（图10-8b）： 以内孔定位，夹紧螺母容纳在刀体内，用于加工多联齿轮和带有凸齿的齿轮。 （1.3）锥柄插齿刀（图10-8c）： 带莫氏短锥柄的整体结构，用于有内锥孔的机床主轴连接，主要用于加工内齿轮。 （2）插齿刀的精度等级： AA、A、B级，分别用于加工6、7、8级精度的齿轮。 （3）插齿刀的结构（图10-9）： 每个刀齿上有圆弧形切削刃、两条渐开线切削刃、前面、两个渐开螺旋面的侧面。 （4）插齿刀的选择： （4.1）模数m、压力角α和齿高系数h应与被加工齿轮相同。 （4.2）测量前端面公法线长度，计算变位系数。 （4.3）进行插齿啮合检验。 二、滚刀的安装 1 滚刀安装角的定义 （1）滚刀的安装角δ：滚刀轴线与被加工工件端面的夹角。 （2）为了加工出正确的齿形，滚齿时滚刀的轴线必须相对于工件的端面倾斜一定的角度。 2 加工直齿圆柱齿轮时的安装角（图10-10） （1）加工直齿圆柱齿轮时，滚刀的安装角δ = λ（λ为滚刀的螺旋升角）。 （2）方向（图10-10）： （2.1）用右旋滚刀加工齿轮时：滚刀顺时针旋转到安装角δ = λ，工件逆时针旋转。 （2.2）用左旋滚刀加工齿轮时：滚刀逆时针旋转到安装角δ = λ，工件顺时针旋转。 3 加工斜齿圆柱齿轮时的安装角（图10-11） （1）加工斜齿圆柱齿轮时，滚刀的安装角δ = β ± λ（β为工件螺旋角，λ为滚刀螺旋升角）。 （2）规则（图10-11）： （2.1）刀具与工件旋向一致时：δ = β - λ（图10-11a、c）。 （2.2）刀具与工件旋向相反时：δ = β + λ（图10-11b、d）。 （3）选择原则： 尽量选用与工件同旋向的滚刀，这样安装角小，刀具磨损小，加工质量高。 （4）刀具安装方向与工件旋向的关系： （4.1）工件为右旋时，滚刀逆时针方向旋转。 （4.2）工件为左旋时，滚刀顺时针方向旋转。 （5）工件旋转方向与滚刀旋向的关系： （5.1）滚刀为右旋时，工件逆时针旋转。 （5.2）滚刀为左旋时，工件顺时针旋转。 1.展示图10-5介绍常见刀具，讲解两种分类方法，板书分类框架，提问“哪些刀具属于展成齿轮刀具？”展示滚刀实物或图片指出蜗杆状外形，结合图10-6、10-7讲解本质和结构，讲解基本尺寸参数，引导学生阅读表10-1理解精度对应关系，讲解选择方法并强调“模数、压力角相同”是首要条件，板书核心原则。结合图10-8采用“看图说话”方式让学生说出刀具名称和用途，讲解精度等级对应关系，结合图10-9介绍刀齿结构，讲解选择方法，板书“模数、压力角、齿高系数相同”，布置背诵内容（AA级=6级、A级=7级、B级=8级）。 2.板书安装角δ的定义，强调这是滚齿加工的关键参数。展示图10-10讲解直齿齿轮安装角调整，强调δ = λ，讲解滚刀和工件的旋转方向关系，板书“直齿 δ = λ”。利用动画演示滚刀轴线倾斜过程，在白板上推导公式δ = β ± λ，进行例题分析（右旋斜齿轮β=18°，右旋滚刀λ=2°30′，δ=15°30′，滚刀逆时针扳动），请学生上台计算（左旋滚刀λ=2°30′加工左旋斜齿轮β=12°20′，δ=9°50′），讲解刀具安装方向和工件旋转方向的关系，布置背诵内容（直齿：δ=λ；斜齿：δ=β±λ，同旋向“-”，异旋向“+”）。 3.知识背诵： （1） 滚齿机的四种运动：主运动、展成运动、垂直进给运动、附加运动 （2） 插齿机的五种运动：主运动、展成运动、径向进给运动、圆周进给运动、让刀运动 （3）插齿机的五种运动：主运动、展成运动、径向进给运动、圆周进给运动、让刀运动 （4） 滚刀安装角公式：直齿δ=λ，斜齿δ=β±λ（同向减，反向加） 4.师生互动： 出示题目：车间需要加工以下三种齿轮零件： （1）一个模数m=3mm的右旋斜齿圆柱齿轮，螺旋角β=22° （2）一个需要大批量生产的内齿轮 （3）一个双联齿轮（两个齿轮紧挨在一起，小齿轮无法用滚齿机加工） 现有右旋滚刀一把（螺旋升角λ=2°30′），左旋滚刀一把（螺旋升角λ=2°30′）。 请分组讨论并回答以下问题： ① 零件（1）应选用哪把滚刀？滚刀的安装角δ是多少？滚刀应向哪个方向倾斜？ ② 零件（2）和零件（3）应分别选用什么设备加工？为什么？ 教师总结： ① 应选用右旋滚刀（与工件旋向一致，安装角小，刀具磨损小）。安装角δ = β - λ = 22° - 2°30′ = 19°30′。滚刀逆时针方向倾斜。 ② 零件（2）内齿轮应选用插齿机加工，因为滚齿机无法加工内齿轮。零件（3）双联齿轮应选用插齿机加工，因为双联齿轮中靠得很近的小齿轮无法用滚齿机加工（滚齿机需要足够的退刀空间）。 1.观察图10-5认识刀具外形，在教材P201上标注分类，回答问题，记录笔记。观察滚刀模型或图片，查看表10-1理解对应关系，在教材上圈画选刀核心原则，记录笔记。根据图10-8抢答三种插齿刀名称及应用场合，记录精度等级，观察图10-9了解刀齿结构，记录选择要点，背诵精度等级对应关系。 2.在教材P203上标注安装角的定义，记录笔记。观察图10-10，在教材上标注公式δ = λ，理解滚刀与工件的旋转方向。观看动画建立空间想象，跟随教师进行安装角计算，学生代表上台板演，在教材图10-11上标注安装角δ，背诵安装角公式。 1.建立齿轮加工刀具的整体认知，为后续具体刀具学习做铺垫。通过实物观察加深对滚刀的直观认识，通过表10-1让学生理解“好马配好鞍”的道理。通过“看图说话”互动加深对三种插齿刀的区分和记忆，通过背诵指令强化精度等级对应关系。 2.明确安装角的基本概念。掌握直齿齿轮滚刀安装角的基本计算。这是本节最大的难点，通过动画、公式推导、例题分析、学生板演、背诵指令等多种方式，确保学生掌握安装角的计算与调整。 3.强化记忆。 4.帮助学生在课堂上掌握核心知识点。 课堂 总结（2分钟） （1） 齿轮加工概述：成形法（模具式）、展成法（包络式） （2） 齿轮加工机床：滚齿机（直齿、斜齿、花键、蜗轮）、插齿机（内齿、多联齿、齿条） （3） 齿轮加工刀具：滚刀（蜗杆状，模数压力角相同）、插齿刀（盘形、碗形、锥柄） （4） 滚刀安装角：直齿δ=λ，斜齿δ=β±λ（同向减，反向加） 布置下节课任务（1分钟） 布置下节课任务（1分钟） 预习下节课内容 布 置 作业（1分钟） 1：简述滚齿机和插齿机的主要应用场合。 2：简述成形法和展成法的区别。 3：（提升题）用一把左旋滚刀（λ=2°30′）加工一个左旋斜齿圆柱齿轮（β=12°20′），求滚刀的安装角δ，并说明滚刀倾斜方向。 板书 设计 10-1 齿轮加工设备 一、齿轮加工概述 成形法：模具式 展成法：包络式 二、齿轮加工机床 滚齿机：直齿、斜齿、花键、蜗轮 插齿机：内齿、多联齿、齿条 三、齿轮加工刀具 滚刀：蜗杆状，模数压力角相同 插齿刀：盘形、碗形、锥柄 四、滚刀安装角 直齿：δ = λ 斜齿：δ = β ± λ（同向减，反向加） 六、教学评价 教学评价 七、教学反思 教学反思 教师分配任务 学分组讨论 学生问题提问 学生分组回答 教师总结 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！ 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $