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0 數(shù)控滾齒機 刀架設(shè)計 摘要 滾齒機是齒輪滾刀加工齒輪的專用機床，在齒輪加工中應(yīng)用最廣泛。在滾齒 機上可切削直齒、斜齒圓柱齒輪。這種機床使用特制的滾刀時也能加工蝸輪、花 鍵和鏈輪等各種特殊齒形的工件。 本滾齒機由床身、立柱、刀架及滑板、工作臺組成。滾齒機工作時，滾刀裝 在滾刀主軸上，由伺服電機驅(qū)動作旋轉(zhuǎn)運動，刀架可沿立柱導(dǎo)軌垂直移動，還可 繞水平軸線調(diào)整一個角度。工件裝在工作臺上，由分度蝸輪副帶動旋轉(zhuǎn)，與滾刀 的運動一起構(gòu)成展成運動。立柱可沿床身導(dǎo)軌移動,以適應(yīng)不同工件直徑和作徑向 進(jìn)給。 刀架與滑板通過 T 型槽和螺栓聯(lián)接，滑板后聯(lián)接立柱，通過雙 V 軌道實現(xiàn)沿 立柱導(dǎo)軌的上下直線運動。刀架體裝有三根軸，動力從伺服電機傳出，經(jīng)過減速 器，通過斜齒輪軸傳遞到主軸，這兩根軸實現(xiàn)動力傳動；蝸桿蝸輪軸通過一對內(nèi) 嚙合的直齒輪實現(xiàn)分度功能，切削斜齒輪。其中在主軸上安裝滾刀，滾刀通過錐 度主軸孔和拉桿定位，通過輔助軸承的滑動實現(xiàn)對刀。 刀架滑板的設(shè)計：計算出主軸的轉(zhuǎn)矩，然后進(jìn)行主要零部件如軸、蝸輪蝸桿、 斜齒輪、直齒輪的設(shè)計計算及軸承、鍵選擇校核。 關(guān) 鍵 詞：滾齒機，刀架滑板，軸，齒輪 1 GEAR HOBBING MACHINE TOOL REST AND SLIDER DESIGNING ABSTRACT Gear hobbing machine is special purpose machine tools for cutting gear with gear hob and it is widely used. It can be used for machining spur cylindrical gears, helical cylindrical gears. With special hobbing cutter , it could machine worm gears multiple spline and sprocket wheels whose tooth profile are special. This gear hobbing machine is composed of bed, column, tool rest, slider, and machine table. When machining, the hobbing cutter is installed in the spindle and rotating with the drive of motor. The tool rest makes vertical motion along the column guide rail. What s more, it can form a angle between tool rest and horizontal axis. The ， workpiece is set up on the machine table and is moved by worm gear pair with which generate the motion of gear hobbing. For hobbing helical gears, the differential structure makes the workpiece to do an additional motion. Column can glide along the bed in order to make an radial movement or to adapt different shaft diameter. The tool rest is linked to the slider with T groove and bolts. It is column behind the slider. Along the double v guide rail, it can achieve up and down straight motion. There are three shafts in the body of tool rest. Two of them are used to transmit power and the others are to obtain the function index so as to cut helical gears. The gear hobbing cutter is mounted in the spindle and it is located with taper hole of the shaft and pull rod, while presenting with the auxiliary sliding bearing. Designing of tool rest and slider: figure out torque of the spindle, then design the main parts like shafts, worm gear, gears and check. KEY WORDS: gear hobbing machine, tool rest, slider, shaft, gear 河南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 目 錄 前言 ...........................................................................................................................................................1 第 1 章 滾齒機概述 ........................................................................................................................2 §1.1 滾齒機工作原理 ..............................................................................................................2 §1.2 國內(nèi)外同類滾齒機的發(fā)展概況綜述 ...................................................................4 §1.3 機床的使用范圍和主要規(guī)格 ...................................................................................5 第 2 章 刀架滑板結(jié)構(gòu)介紹 .......................................................................................................7 第 3 章 伺服電機與減速器的選擇 .....................................................................................9 §3.1 電機的選擇 .........................................................................................................................9 §3.2 減速器的選擇 ...................................................................................................................9 第 4 章 刀架滑板結(jié)構(gòu)設(shè)計 ....................................................................................................10 §4.1 各軸轉(zhuǎn)矩的計算 .............................................................................................................10 §4.2 傳動軸上斜齒輪的設(shè)計計算 ..................................................................................10 §4.2.1. 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則 ...........................................................10 §4.2.2. 齒輪的材料及其選擇原則 ............................................................................11 §4.2.3. 輪齒傳動的計算載荷 .......................................................................................12 §4.2.4. 標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪傳動的強度計算 ......................................................12 §4.2.5. 本機構(gòu)中齒輪傳動設(shè)計與校核 .................................................................13 §4.3 軸的設(shè)計計算 ...................................................................................................................17 §4.3.1 軸的設(shè)計概述 ..........................................................................................................17 §4.3.2 主軸的設(shè)計及校核 ..............................................................................................20 §4.4 第二根軸的強度校核 ..................................................................................................21 §4.5 鍵的校核 ..............................................................................................................................24 結(jié)論 ....................................................................................................................................................25 參考文獻(xiàn) .........................................................................................................................................26 致 謝 ..................................................................................................................................................28 0 前言 齒輪被廣泛地應(yīng)用于機械設(shè)備的傳動系統(tǒng)中，滾齒是應(yīng)用最廣的切齒方法[1]， 傳統(tǒng)的機械滾齒機床機械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，一臺主電機不僅要驅(qū)動展成分度傳動鏈， 還要驅(qū)動差動和進(jìn)給傳動鏈，各傳動鏈中的每一個傳動元件本身的加工誤差都會 影響被加工齒輪的加工精度，同時為加工不同齒輪，還需要更換各種掛輪調(diào)整起 來復(fù)雜費時[2] ，大大降低了勞動生產(chǎn)率。 以德國西門子、日本發(fā)那科公司數(shù)控系統(tǒng)為主流的數(shù)控滾齒機的出現(xiàn)，大大 提高了齒輪加工能力和加工效率。我國目前真正能夠生產(chǎn)數(shù)控滾齒機的只有 ２－３個廠家，且使用的多是德國西門子數(shù)控系統(tǒng)，加工中模數(shù)齒輪，沒有自主 產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，缺少國際競爭力。 隨著微處理機的發(fā)展，數(shù)控機床已向機電一體化方向發(fā)展。歷經(jīng)幾代進(jìn)化， 計算機數(shù)控系統(tǒng)不僅比原來的數(shù)控系統(tǒng)使用范圍廣，功能全、精度高，而且還有 相當(dāng)大的通用性，改善了對機床操作的控制，并開始向人工智能化發(fā)展 現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展新趨勢：(1) 采用交流數(shù)字伺服系統(tǒng)；（2）實現(xiàn)多軸控 制；（3）CNC 的智能化；（ 4）有很強的通訊功能；（5）可靠性大大提高?，F(xiàn) 代數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展為滾齒機的數(shù)控化提供了強有力的支持。 本文重點介紹數(shù)控滾齒機的刀架滑板設(shè)計。 1 第 1 章 滾齒機概述 §1.1 滾齒機工作原理 圖 1.1 滾齒機 立式滾齒機工作時，滾刀裝在滾刀主軸上，由主電動機驅(qū)動作旋轉(zhuǎn)運動，刀 架可沿立柱導(dǎo)軋垂直移動，還可繞水平軸線調(diào)整一個角度。工件裝在工作臺上， 由分度蝸輪副帶動旋轉(zhuǎn)，與滾刀的運動一起構(gòu)成展成運動。滾切斜齒時,差動機構(gòu) 使工件作相應(yīng)的附加轉(zhuǎn)動。工作臺(或立柱)可沿床身導(dǎo)軌移動,以適應(yīng)不同工件直 徑和作徑向進(jìn)給。 滾齒機的齒形加工原理為展成法。展成法是將齒輪嚙合副中的一個齒輪轉(zhuǎn)化 為刀具，另一個齒輪轉(zhuǎn)化為工件，齒輪刀具做切削主運動的同時，以內(nèi)聯(lián)系傳動 鏈強制刀具和工件做嚴(yán)格的嚙合運動，于是刀具切削刃就在工件上加工出所要求 的齒形表面來。這種方法的加工精度和生產(chǎn)效率都很高。 滾齒機的立柱固定在床身上，刀架滑板可沿立柱上的導(dǎo)軌做軸向進(jìn)給運動。 安裝滾刀的刀桿固定在刀架體的刀具主軸上，刀架體能繞自身軸線傾斜一個角度， 這個角度成為滾刀安裝角，其大小與滾刀螺旋升角大小及旋向有關(guān)。安裝工件用 的心軸固定在工作臺上，工作臺與后立柱裝在床鞍上，可沿床身導(dǎo)軌做徑向進(jìn)給 運動或調(diào)整徑向進(jìn)給位置支架用于支撐工件心軸上端，以提高心軸的剛度。 該機床的傳動鏈有四條：主運動傳動鏈、展成運動傳動鏈、軸向進(jìn)給傳動鏈、 2 差動運動傳動鏈。 1） 主運動傳動鏈：電動機（M）—1—2— —3—滾刀（ ） ，是一vu1B 條將運動源（電動機）與滾刀相聯(lián)系的外聯(lián)系傳動鏈。 2） 展成運動傳動鏈：滾刀（ ）—3—4—5-- —6—工作臺（ ） ，1Bx2 是一條內(nèi)聯(lián)系傳動鏈，實現(xiàn)漸開線齒廓的復(fù)合成形運動。 3） 軸向進(jìn)給運動傳動鏈：工作臺（ ）—6—12—u f—11—M1—10—2 8—7—刀架（ ） ，是一條外聯(lián)系傳動鏈，實現(xiàn)齒廓方向直線齒形2A 的運動。 4） 差動運動傳動鏈：刀架-8-9-10-11-12-uy-13-14- -5-ux-6-7-工作臺。合 加工斜齒輪時的進(jìn)給運動是一個螺旋運動，是一個復(fù)合運動。 圖 1-2 滾切直齒圓柱齒輪的傳動原理圖 3 圖 1-3 滾切斜齒圓柱齒輪的傳動原理圖 普 通 滾 齒 機 工 作 時 ， 滾 刀 裝 在 主 軸 上 ， 由 主 電 動 機 驅(qū) 動 做 旋 轉(zhuǎn) 運 動 ， 而 數(shù) 控 滾 齒 機 ， 對 于 刀 架 滑 板 結(jié) 構(gòu) 來 說 ， 主 要 是 動 力 源 變 了 ， 不 在 由 原 來 的 主 電 動 機 驅(qū) 動 ， 而 是 由 刀 架 內(nèi) 的 伺 服 電 機 經(jīng) 過 減 速 器 直 接 驅(qū) 動 。 §1.2 國內(nèi)外同類滾齒機的發(fā)展概況綜述 古 代 齒 輪 用 手 工 修 銼 成 形 。 1540 年 ， 意 大 利 托 里 亞 諾 制 造 鐘 表 時 ， 制 成 一 臺 使 用 旋 轉(zhuǎn) 銼 刀 切 齒 裝 置 ； 1783 年 ， 法 國 勒 內(nèi) 制 成 了 使 用 銑 刀 齒 輪 加 工 機 床 ， 并 有 切 削 齒 條 內(nèi) 齒 輪 附 件 ； 1820 年 前 后 ， 英 國 懷 特 制 造 出 第 一 臺 既 能 加 工 圓 柱 齒 輪 又 能 加 工 圓 錐 齒 輪 機 床 。 具 有 這 一 性 能 機 床 到 19 世 紀(jì) 后 半 葉 又 有 發(fā) 展 。 1835 年 ， 英 國 惠 特 沃 思 獲 得 蝸 輪 滾 齒 機 專 利 ； 1858 年 ， 席 勒 取 得 圓 柱 齒 輪 滾 齒 機 專 利 ； 以 后 經(jīng) 多 次 改 進(jìn) ， 至 1897 年 德 國 普 福 特 制 成 帶 差 動 機 構(gòu) 滾 齒 機 ， 才 圓 滿 解 決 了 加 工 斜 齒 輪 問 題 。 制 成 齒 輪 形 插 齒 刀 后 ， 美 國 費 洛 斯 于 1897 年 制 成 了 插 齒 機 。 4 20 世 紀(jì) 60 年 代 以 后 出 現(xiàn) 的 高 效 滾 齒 機 ， 主 要 采 用 硬 質(zhì) 合 金 滾 刀 作 高 速 和 大 進(jìn) 給 量 滾 齒 ， 滾 刀 主 軸 常 采 用 液 體 靜 壓 軸 承 ， 能 自 動 處 理 油 霧 和 排 屑 。 這 種 滾 齒 機 適 用 于 齒 輪 的 大 量 生 產(chǎn) 。 滾 齒 機 按 布 局 分 為 立 式 和 臥 式 兩 類 。 大 中 型 滾 齒 機 多 為 立 式 ， 小 型 滾 齒 機 和 專 用 于 加 工 長 的 軸 齒 輪 的 滾 齒 機 皆 為 臥 式 。 立 式 滾 齒 機 又 分 為 工 作 臺 移 動 和 立 柱 移 動 兩 種 。 立 式 滾 齒 機 工 作 時 ， 滾 刀 裝 在 滾 刀 主 軸 上 ， 由 主 電 動 機 驅(qū) 動 作 旋 轉(zhuǎn) 運 動 ， 刀 架 可 沿 立 柱 導(dǎo) 軋 垂 直 移 動 ， 還 可 繞 水 平 軸 線 調(diào) 整 一 個 角 度 。 工 件 裝 在 工 作 臺 上 ， 由 分 度 蝸 輪 副 帶 動 旋 轉(zhuǎn) ， 與 滾 刀 的 運 動 一 起 構(gòu) 成 展 成 運 動 。 滾 切 斜 齒 時 ,差 動 機 構(gòu) 使 工 件 作 相 應(yīng) 的 附 加 轉(zhuǎn) 動 。 工 作 臺 (或 立 柱 )可 沿 床 身 導(dǎo) 軋 移 動 ,以 適 應(yīng) 不 同 工 件 直 徑 和 作 徑 向 進(jìn) 給 。 有 的 滾 齒 機 的 刀 架 還 可 沿 滾 刀 軸 線 方 向 移 動 ， 以 便 用 切 向 進(jìn) 給 法 加 工 蝸 輪 。 大 型 滾 齒 機 還 設(shè) 有 單 齒 分 度 機 構(gòu) 、 指 形 銑 刀 刀 架 和 加 工 人 字 齒 輪 的 差 動 換 向 機 構(gòu) 等 。 小 型 滾 齒 機 用 于 加 工 儀 表 齒 輪 。 手 表 齒 輪 滾 齒 機 普 遍 使 用 硬 質(zhì) 合 金 滾 刀 加 工 鐘 表 擺 線 齒 輪 ， 循 環(huán) 節(jié) 拍 快 ， 對 機 床 可 靠 性 要 求 高 ， 每 臺 機 床 都 配 備 自 動 上 下 料 裝 置 進(jìn) 行 單 機 自 動 加 工 。 此 外 ， 尚 有 多 種 特 殊 用 途 的 滾 齒 機 ， 如 加 工 高 精 度 蝸 輪 的 分 度 蝸 輪 滾 齒 機 等 。 由于傳統(tǒng)的機械式滾齒機存在許多的不足，因此在現(xiàn)在許多的場合以不能適 應(yīng)生產(chǎn)的要求。而數(shù)控滾齒機具有傳統(tǒng)機械式機床不可比擬的優(yōu)點，它機械結(jié)構(gòu) 簡單，加工效率高，加工將度高，自動化程度高，能在加工過程中減少人為干預(yù)。 滾齒機采用數(shù)控后加工范圍擴大，生產(chǎn)和生產(chǎn)準(zhǔn)備周期縮短，并且能減輕工人勞 動強度，改善勞動條件。因此數(shù)控滾齒機的研究具有重大意義。隨著微處理機的 發(fā)展，數(shù)控機床已向機電一體化方向發(fā)展。歷經(jīng)幾代進(jìn)化，計算機數(shù)控系統(tǒng)不僅 比原來的數(shù)控系統(tǒng)使用范圍廣，功能全、精度高，而且還有相當(dāng)大的通用性，改 善了對機床操作的控制，并開始向人工智能化發(fā)展。 §1.3 機床的使用范圍和主要規(guī)格 滾齒機(gear hobbing machine)是齒輪加工機床中應(yīng)用最廣泛的一種機床，在 滾齒機上可切削直齒、斜齒圓柱齒輪，還可加工蝸輪、鏈輪等。 用滾刀按展成 法加工直齒、斜齒和人字齒圓柱齒輪以及蝸輪的齒輪加工機床。這種機床使用特 制的滾刀時也能加工花鍵和鏈輪等各種特殊齒形的工件。普通滾齒機的加工精度 5 為 7～6 級(JB179-83),高精度滾齒機為 4～3 級。最大加工直徑達(dá) 15 米。 一般滾齒機有以下特點： （1）適用于成批，小批及單件生產(chǎn)圓柱斜齒輪和蝸輪，尚可滾切一定參數(shù) 范圍的花健軸. （2）調(diào)整方便，具有自動停車機構(gòu) （3）具有可靠的安全裝置以及自動潤滑系統(tǒng) 該機床的主要規(guī)格 加工圓柱形直齒輪時最大直徑 有外支架 450 毫米 無外支架 800 毫米 加工圓柱形斜齒輪時最大直徑 螺旋角為 時 500 毫米 ?30 螺旋角為 時 190 毫米6 最大加工模數(shù) 鋼材 6 毫米，鑄鐵 8 毫米 最大加工長度 240 毫米 刀具最大垂直行程 270 毫米 由臺面到刀具主軸中心線最小距離 205 毫米 刀具的最大直徑 120 毫米 裝刀具的可換心軸直徑 22、27、32 毫米 工作臺孔的直徑 80 毫米 分度蝸輪的節(jié)徑 624 毫米 刀具轉(zhuǎn)速范圍 47.5-192 轉(zhuǎn)/ 分 工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)刀具的垂直進(jìn)給量 0.5-3 毫米/ 轉(zhuǎn) 工件每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)刀具的徑向進(jìn)給量 0.06-0.36 毫米/ 轉(zhuǎn) 主電動機功率 3.8 千瓦 主電動機轉(zhuǎn)速 4500 轉(zhuǎn)/分 6 第 2 章 刀架滑板結(jié)構(gòu)介紹 該機床的刀架體由三個框形結(jié)構(gòu)組成，見圖 2.1 刀架體其剛性好。滾刀主軸 由兩個推力球軸承和內(nèi)錐外圓滑動軸承，支撐在前軸承座內(nèi)。軸承磨損后可以修 磨墊片，經(jīng)調(diào)整后就可恢復(fù)主軸的回轉(zhuǎn)精度。滾刀主軸由大的斜齒輪帶動，而大 齒輪是支撐在刀架體上，這樣在主軸傳動過程中只受扭矩作用而不受彎矩作用。 主軸右端有一套筒和主軸外圓配合定心，支撐主軸在大齒輪上。另外轉(zhuǎn)動方頭手 柄，可通過螺紋傳動，使主軸帶動滾刀一起做軸向移動。 刀架與滑板通過 T 型槽和螺栓聯(lián)接，滑板后聯(lián)接立柱，通過雙 V 軌道實現(xiàn)沿 立柱導(dǎo)軌的上下直線運動。刀架體裝有三根軸，動力從伺服電機傳出，通過斜齒 輪軸傳遞到主軸，這兩根軸實現(xiàn)動力傳動；蝸桿蝸輪軸通過一對內(nèi)嚙合的直齒輪 實現(xiàn)分度功能，切削斜齒輪。其中在主軸上安裝滾刀，滾刀通過錐度主軸孔和拉 桿定位，通過輔助軸承的滑動實現(xiàn)對刀。 刀架主軸前軸承的調(diào)隙：為了消除軸承的間隙，必須取下端蓋，用開口螺帽 扳手使軸承轉(zhuǎn)動，使外錐的軸承套軸向移動來達(dá)到消除間隙，保證主軸精密的運 轉(zhuǎn)。 刀架部位利用主軸前支撐、末級齒輪等兩級油池進(jìn)行飛濺潤滑。這樣保證刀 架扳轉(zhuǎn)角后仍得到充分的潤滑。 7 圖 2.1 刀架體 圖 2.2 刀架滑板裝配圖 8 第 3 章 伺服電機與減速器的選擇 §3.1 電機的選擇 321 7.026.81.065.7.1max9kzvAfM?? (3-1) (3-2) (3-3) (3-4) 式中：m—被加工齒輪的法向模數(shù)； f—軸向進(jìn)給量 mm/min； A—切削深度，為切削深度 a 和齒高的比值，即 2.5 Am? V—切削速度 m/min； Z—被加工齒輪的齒數(shù)； —工件材料的修正系數(shù)；1k —齒輪螺旋角修正系數(shù)； —工件硬度修正系數(shù)；2k3 —最大切削力； —垂直切削力；maxFzF —滾刀軸的滾率； —斜齒輪軸的功率。1P2P 根據(jù)斜齒輪軸功率 ，滾刀轉(zhuǎn)速 ，可選擇電機型號kw95.2?min/1925.47rv?? 為 1FT6102-8ABT,其額定功率為 P=3.8kw,合適，輸出扭矩為 T=24.5N.m §3.2 減速器的選擇 由所選電機型號可知，電機額定功率 P =3.8kw,額定輸出扭矩為 T=24.5N.m ，而滾刀轉(zhuǎn)速 ，可選減速器型號為 PS115,減速比為 6:1，額定min/1925.47rv?? 輸出扭矩為 130N.m 0.8,95.28036.36/4714705.,. .4391.6.2. ,,,,0612 maxmax .06.081065.07.131 ???? ??????取kwPksvFNFNR mzVfkkz z 9 第 4 章 刀架滑板結(jié)構(gòu)設(shè)計 §4.1 各軸轉(zhuǎn)矩的計算 圖 4.1 刀架主軸箱簡圖 由刀具最小轉(zhuǎn)速為 47.5 轉(zhuǎn)/分，伺服電機的功率為 3.8KW，進(jìn)行以下計算 （忽略各級傳遞功率損耗） 1 軸： min5.471rn? (4-1) mNpT ?????551 1064.7.483909 2 軸： min/25.4712 rin?? (4-2)pT ?????55109.8310.90.9 §4.2 傳動軸上斜齒輪的設(shè)計計算 §4.2.1. 齒輪傳動的失效形式及設(shè)計準(zhǔn)則 (1).失效形式 齒輪傳動就裝置形式來說，有開式、半開式及閉式之分；就使用情況來說， 有低速、高速及輕載、重載之別；就齒輪材料性能及熱處理工藝的不同，齒輪有 較脆（如經(jīng)整體淬火、齒面硬度很高的鋼齒輪或鑄鐵齒輪）或較韌（如經(jīng)調(diào)質(zhì)、 ?；膬?yōu)質(zhì)碳鋼及合金鋼齒輪） ，齒面有較硬（輪齒工作面的硬度大于 350HBS 或 38HRC，并稱為硬齒面齒輪）或較軟（輪齒工作面的硬度小于或等于 350HBS 10 或 38HRC，并稱為軟齒面齒輪）的差別等。由于上述條件的不同，齒輪傳動也就 出現(xiàn)了不同的失效形式。一般來說，齒輪的失效主要是輪齒的失效，而輪齒的失 效形式有常見的以下幾種：輪齒折彎和工作面磨損、點蝕、膠合劑塑性變形等。 (2)設(shè)計準(zhǔn)則 由上述分析可知，所設(shè)計的齒輪傳動在具體的工作情況下，必須具有足夠的、 相應(yīng)的工作能力，以保證在整個工作壽命期間不致失效。因此，針對上述各種工 作情況及失效形式，都應(yīng)分別確立相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則。但是對于齒面磨損、塑性變 形等，通常只按保證齒根彎曲疲勞強度及保證齒面接觸疲勞強度兩準(zhǔn)則進(jìn)行計算。 對于高速大功率的齒輪傳動，還要按保證齒面抗膠合能力的準(zhǔn)則進(jìn)行計算。 §4.2.2. 齒輪的材料及其選擇原則 由齒輪的失效形式可知，設(shè)計齒輪傳動時，應(yīng)使齒面具有較高的抗磨損、抗 點蝕、抗膠合及抗塑性變形的能力，而齒根要有較高的抗折斷能力。因此，對齒 輪材料性能的基本要求為齒面要硬，齒心要韌。 (1).常用的齒輪材料 1)鋼 鋼材的韌性好，耐沖擊，還可通過熱處理或化學(xué)熱處理改善其力學(xué)性能及提 高齒面的硬度，故最適于用來制造齒輪。 2）鑄鐵 灰鑄鐵性能較脆，抗沖擊及耐磨性都較差，但抗膠合及抗點蝕的能力較好。 灰鑄鐵常用于工作平穩(wěn)，速度較低，功率不大的場合。 3）非金屬材料 對高速、輕載及精度要求不高的齒輪傳動，為了降低噪聲，常用非金屬材料 （如加布塑膠、尼龍等）做小齒輪，大齒輪仍用鋼或鑄鐵制造。為使大齒輪具有 足夠的抗磨損及抗點蝕的能力，齒面的硬度應(yīng)為 250~350HBS。 (2).齒輪材料的選用原則 齒輪材料的種類很多，但選擇時應(yīng)考慮以下幾點： 1）齒輪材料必須滿足工作條件的要求。 2）應(yīng)考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成形方法及熱處理和制造工藝。 3）金屬制的軟齒面齒輪，配對兩齒輪齒面的硬度差應(yīng)保持在 30~50HBS 或 更多。 11 §4.2.3. 輪齒傳動的計算載荷 為了便于分析計算，通常取沿齒面接觸線單位長度上所受的載荷進(jìn)行計算。 沿齒面接觸線單位長度上的平均載荷 p（單位為 N/m）為 (4-3)LFn? 式中： ——作用于齒面接觸線上的法向載荷，N；nF L——沿齒面的接觸線長，mm。 法向載荷 為公稱載荷，在實際傳動中，由于原動機及工作機性能的影響，n 以及齒輪的制造精度，特別是基節(jié)誤差和齒形誤差的影響，會使法向載荷增大。 因此，在同時嚙合的齒對間，載荷的 分布并不是均勻的，即使在一對齒上，載 荷也不可能沿接觸線均勻分布。因此在計算齒輪傳動的強度時，應(yīng)該按接觸線單 位長度上的最大載荷，即計算載荷 （單位為 N/mm）進(jìn)行計算。即cap (4-4)LKFn? 式中：K 為載荷系數(shù)； 、L 的意義和單位同前。n 計算齒輪強度用的載荷系數(shù) K，包括使用系數(shù) 、動載荷系數(shù) 、齒間載AVK 荷分配系數(shù) 及齒向載荷分布系數(shù) ，即?? (4-5)?VA? §4.2.4. 標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪傳動的強度計算 (1) 輪齒的受力分析 齒輪傳動一般均加以潤滑，嚙合齒輪間的摩擦力通常很小，計算輪齒受力時， 可不予考慮。沿嚙合線作用在齒面上的法向載荷 垂直于齒面，為了計算方便，nF 將法向載荷 （單位為 N）在節(jié)點 P 處分解為兩個相互垂直的分力，即圓周力nF 與徑向力 （單位均為 N） ，由此得1r (4-6)12dTt? (4-7) ?antrF (4-8) cosn 式中： ——小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩， ；1TmN? ——小齒輪的節(jié)圓直徑，對標(biāo)準(zhǔn)齒輪即為分度圓直徑，mm；d ——嚙合角，對標(biāo)準(zhǔn)齒輪， 。???20? 以上分析的是主動齒輪上的力，從動輪輪齒上的力分別與其大小相等、方向 相反。 12 (2) 齒根彎曲疲勞強度計算 輪齒在受載時，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強度最弱。當(dāng) 輪齒在齒頂處嚙合時，處于雙對嚙合區(qū)，此時彎矩的力臂最大，但力不是最大， 因此彎矩并不是最大。根據(jù)分析，齒根所受的最大彎矩發(fā)生在輪齒嚙合點位于單 對嚙合區(qū)最高點時。因此，齒根彎曲強度也應(yīng)按載荷作用于單對嚙合區(qū)最高點來 計算。由于此種算法比較復(fù)雜，通常只用于高精度齒輪傳動。 對于制造精度不高的齒輪傳動，由于制造誤差較大，實際上多由在齒頂處嚙 合的輪齒分擔(dān)較多的載荷。為便于計算，通常按全部載荷作用于齒頂來計算齒根 的彎曲強度。當(dāng)然，采用這樣的方法，輪齒的彎曲強度比較富裕。 §4.2.5. 本機構(gòu)中齒輪傳動設(shè)計與校核 1. 選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)。 1）選用斜齒圓柱齒輪傳動選用 7 級精度（GB10095-88 ） 2）選擇小齒輪材料為 45（調(diào)質(zhì)） ，硬度為 240HBS，大齒輪材料為 45（調(diào)質(zhì)） 硬度為 240HBS 3）選小齒輪齒數(shù) =18，大齒輪齒數(shù) =18×4=72。1Z2Z 4）初選螺旋角為 。?4 2. 按齒面接觸強度設(shè)計 由設(shè)計計算公式進(jìn)行試算，即 (4-9)2311 )][(2HEdtt uTK??????? 確定公式內(nèi)各計算數(shù)值 試選載荷系數(shù) 6.tK 由表 10—7 選齒寬系數(shù)1?d? 由圖 10-26 得 (4-10)6.804.021???? 查《機械設(shè)計》課本圖 10-30 ZH? 由表 10-6 查得材料的彈性影響系數(shù) 12Ea89.MP 由圖 10-21d 按齒面硬度查得大小齒輪的接觸疲勞強度極限 (4-11)Hlim1li2a50?? 計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 13 (4-12)811 1074.2)1038(19060N ?????hjLn (4-13) 7 82 5.47. 由圖 10-19 取接觸疲勞壽命系數(shù) 051HNK162HNK 計算接觸疲勞許用應(yīng)力。 取失效概率為 1%，安全系數(shù) S=1 (4-14) MPaSHNH 5.705.][1lim1 ???? (4-15)K63822 計算 試算小齒輪分度圓直徑 (4-16)m ZuTdHEdtt07.64)8.60743219(519.2)][3.3 211??????????? 計算圓周速度 (4-17)smndvt /4..41?? 計算齒寬 (4-18)btd07.6.1???? 計算齒寬與齒高之比 模數(shù) (4-19)mzmtt 45.31cos8.4cos1??? 齒高 (4-20)ht 76.5.325.?? 齒寬齒高比 (4-21)6.87.04b 計算縱向重合度 (4-22)427.1tan31??????zd 計算載荷系數(shù) 根據(jù) V=0.64m/s，7 級精度，由圖 10-8 查得動載系數(shù)02.vK 斜齒輪 (4-23)4.1??FH 由表 10-2 查得使用系數(shù)A 14 由表 10-4 用插值法查得 7 級精度，小齒輪相對支撐非對稱布置時，31.??HK 由 .,26.8?Hhb 查圖 10-13 得 .1??F 故載荷系數(shù) (4-24)87.134.021?????HVAK 6）按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，得 (4-25)mdtt .6.87.64331? 計算模數(shù) m (4-26) z4.1cos8.cos1???? 3. 按齒根彎曲強度設(shè)計 彎曲強度的設(shè)計公式為 (4-27)][cos221 33 FSdYzYKTm???????? 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 由圖 10-20c 查得齒輪的彎曲疲勞強度極限FE12a380MP?? 由圖 10-18 取彎曲疲勞壽命系數(shù) 95.NK 計算彎曲疲勞應(yīng)力。 取彎曲疲勞安全系數(shù) S1.4? (4-28)?? MPaSFENF 86.2574.130912 ???? 計算載荷系數(shù) (4-29)..2KβVA?? 計算重合度系數(shù) ，由圖 10-28 得 1.427εβ?0.8Yβ 計算當(dāng)量齒數(shù) (4-30) 19.74cos8Z331v?? (4-31).2β2?? 查取齒形系數(shù) 由表 10-5 查得 15 82.1??FY2.??FY 查取應(yīng)力校正系數(shù)。 由表 10-5 查得 54.1Sa 768.12?S 7）計算大小齒輪的 并加以比較??Fa? (4-32)09.86.257][1????FSY? (4-33)152..2 小齒輪的數(shù)值較大 設(shè)計計算 (4-34) m YZYKTFSd648.20169.6.14cos809.1][cos225213???????? ????? 對比計算結(jié)果，由齒面接觸疲勞計算的模數(shù) m 大于由齒根彎曲疲勞強度計算 的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 的大小主要取決于接觸強度所決定的承載能力，而齒面 彎曲疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可取由接觸強度算得的模 數(shù)，即取 m=4mm (4-35)36.14cos8.67cos1 ???? ?dz? 取 則112uz 幾何尺寸計算 計算中心距 mm (4-36)2.175cos2)(1???nmza 計算齒輪寬度 (4-37)db01???? 按圓整后中心距修正螺旋角 (4-38) ?13.752468)(17arcos2)z(arcosβn ????? 計算大小齒輪分度圓直徑 (4-39)mmzdn073.1cs41???? 16 (4-40) mmzdn28073.1cos462????? 計算齒輪寬度 取小齒輪齒寬為 140mm，大齒輪齒寬為 70mm §4.3 軸的設(shè)計計算 §4.3.1 軸的設(shè)計概述 軸的作用，做回轉(zhuǎn)運動的傳動零件，如減速器中的齒輪、聯(lián)軸器等，都是安 裝在軸上，并通過軸才能實現(xiàn)傳動。因此，軸的主要功能就是支承傳動零件并傳 遞運動和動力。 軸可以根據(jù)不同的條件加以分類。 按受載情況分 同時承受彎矩和轉(zhuǎn)矩作用的軸稱為轉(zhuǎn)軸；只承受轉(zhuǎn)矩作用的軸稱為傳動軸； 只承受彎矩作用的軸稱為心軸。 按結(jié)構(gòu)形狀分 有實心軸（一般齒輪軸） 、空心軸（車床的主軸） ；曲軸、撓性鋼絲軸和直軸。 而直軸又可分為截面相等的光軸和截面分段變化的階梯軸。 工程中最常見的是同時承受彎矩和轉(zhuǎn)矩作用的階梯軸。 軸的失效形式 軸的失效形式與軸的應(yīng)力性質(zhì)和大小，軸的材料的力學(xué)性能、 軸的結(jié)構(gòu)形狀，軸的加工方法及軸的工作環(huán)境等因素有關(guān)。 常見的失效形式有： 疲勞斷裂，椐統(tǒng)計資料表明，軸團疲勞斷裂失效約占軸的失效總數(shù)的 40%-50%。 塑性變形或脆性斷裂。 過大的彎曲變形或扭轉(zhuǎn)變形。 高速工作振幅過大。 其他失效形式，如軸頸或?qū)蚧ㄦI的磨損，高溫下工作時的蠕變，被腐蝕介 質(zhì)腐蝕等。 軸的設(shè)計準(zhǔn)則：為了保證軸在預(yù)工作壽命條件正常工作，要遵守以下準(zhǔn)則進(jìn) 行設(shè)計。 17 正確選擇軸的材料、毛坯種類和熱處理方法。 合理設(shè)計軸的結(jié)構(gòu)。 正確選擇設(shè)計計算方法，對多數(shù)轉(zhuǎn)軸要進(jìn)行疲勞強度設(shè)計計算或精確驗算； 對受力大的細(xì)長軸（如蝸桿軸）和剛度要求高的軸（如機床主軸）還應(yīng)剛度計算； 對高速軸（如汽輪機軸） ，因有共振危險，還應(yīng)進(jìn)行振動穩(wěn)定性計算。 按軸各段所起的作用不同，可將軸分為 5 部分： 軸頭：與聯(lián)軸器和齒輪等傳動零件配合的軸段 軸頸：與軸承配合的軸段 軸身：連接軸頭和軸頸的軸段 軸環(huán)：直徑最大用于定位的窄軸段 軸肩：截面尺寸變化處 此外，還有軸肩的過度圓角；軸端的倒角；與鍵連接處的鍵槽等結(jié)構(gòu)。 長期變應(yīng)力作用下的疲勞破壞是軸的主要失效形式。因此，軸的材料要求具 有較好的強度、韌性，與軸上零件有相對滑動的部位還應(yīng)具有較好的耐磨性。此 外，還必須考慮應(yīng)力集中的影響。 軸的常用材料有： 碳素鋼 工程中廣泛采用 35 45 50 等優(yōu)質(zhì)碳素鋼，價格低廉，對應(yīng)力集中敏 感性較小，可以通過調(diào)質(zhì)或正火處理以保證其力學(xué)性能，通過表面淬火或低溫回 火以保證其耐磨性。對于輕載和不重要的軸也可采用 Q235、Q275 等普通碳素鋼。 合金鋼 常用于高溫、高速、重載以及結(jié)構(gòu)要求緊湊的軸。合金鋼有較高的 力學(xué)性，但價格較貴，對應(yīng)力集中較敏感，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須盡量減少應(yīng)力 集中。 球墨鑄鐵 耐磨、價格低，但可靠性較差，一般用于形狀復(fù)雜的軸，如曲軸、 凸輪軸等。 鉆床的主軸承受中等扭轉(zhuǎn)-彎曲復(fù)合載荷，轉(zhuǎn)速略高，并承受一定沖擊載荷。 所以主軸毛坯可以選用 45 鋼，并進(jìn)行一系列熱處理一滿足各方面的性能要求。 軸上零件的軸向定位、固定和周向固定 軸上零件的軸向定位主要靠軸肩和軸環(huán)來完成。為了保證軸上零件靠緊定位 面，軸肩處的圓角半徑 R 必須小于零件內(nèi)孔的圓角半徑 R1 或倒角 C1；軸肩高度 18 一般取 h=（0.07~0.1）d，軸環(huán)寬度 b=1.4h，也可采用套筒定位，其尺寸可參照軸 肩尺寸。 軸上零件的軸向固定就是不許軸上零件沿軸向竄動，必須雙向固定。此外， 常用的軸向固定措施還有：軸的一端可采用軸端擋圈；套筒過長可采用圓螺母； 受載較小時可采用彈性擋圈、緊定螺釘和銷釘?shù)裙潭ā?軸上零件的周向固定就是保證軸上的傳動零件要與軸一起轉(zhuǎn)動。常用的固定 方式有鍵連接和過盈配合。轉(zhuǎn)矩較大時，可采用花鍵連接，也可同時采用平鍵連 接和過盈配合連接來實現(xiàn)周向固定。轉(zhuǎn)矩較小時，可采用緊定螺釘、銷釘?shù)却胧?制造工藝和裝配工藝要求 制造工藝要求是指軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能簡單加工、降低成本。為此，軸端倒角 的尺寸應(yīng)盡量一致；軸肩的圓角半徑也要盡可能相同。若軸上采用多個單鍵連接 時，鍵寬應(yīng)盡可能統(tǒng)一，并在同一條加工直線上。在有磨削工藝的軸段應(yīng)設(shè)有砂 輪越程槽，在車螺紋的軸段應(yīng)設(shè)有螺紋退刀槽。 裝配工藝要求是指軸上零件應(yīng)便于安裝和拆卸。為此，一般將軸制成中間粗 兩端細(xì)的階梯形；軸端應(yīng)倒角；軸端的鍵槽應(yīng)盡量靠近軸端；與滾動軸承配合的 軸肩高度和套筒高度應(yīng)小于軸承內(nèi)圈的厚度；與傳動零件過盈配合的軸段應(yīng)制有 10°左右的導(dǎo)向錐面；要盡量減少裝配長度。 標(biāo)準(zhǔn)尺寸要求 軸上的零件多數(shù)都是標(biāo)準(zhǔn)零件，如滾動軸承、聯(lián)軸器、圓螺母等，因此與標(biāo) 準(zhǔn)零件配合處的軸段尺寸必需符合標(biāo)準(zhǔn)零件的尺寸系列。 提高軸的疲勞強度 加大軸肩處的過度圓角半徑和減小軸肩高度，就可以減少應(yīng)力集中，從而提 高軸的疲勞強度。提高軸的表面質(zhì)量、合理分布載荷等也可以提高軸的疲勞強度。 安裝時，要嚴(yán)格按照軸上零件得先后順序進(jìn)行，注意保證安裝精度。對于過 盈配合得軸段要采用專門工具進(jìn)行裝配，例如大尺寸得軸承可用壓力機在內(nèi)圈上 加壓裝配，中小尺寸得軸承可借助手捶加力進(jìn)行裝配，軸承得拆卸應(yīng)使用專門工 具，應(yīng)盡量使軸避免承受過量得沖擊載荷，以免破壞其表面質(zhì)量。安裝結(jié)束后要 嚴(yán)格檢查軸在機器中得位置以及軸上零件得位置，并將其調(diào)整到最佳工作位置， 19 同時軸承得游隙也要按工作要求進(jìn)行調(diào)整。在工作中，必須嚴(yán)格按照規(guī)程進(jìn)行， 盡量使軸避免承受過量載荷和沖擊載荷，并保證軸得疲勞強度。 在工作過程中，對機械要定期檢查和維修，對于軸得維護(hù)重點注意三個方面。 認(rèn)真檢查軸和軸上零件得完好程度，若發(fā)現(xiàn)問題應(yīng)及時維修或更換。軸得維 修部位主要是軸頸和軸頭，對精度要求較高得軸，在磨損量較小時，可采用電鍍 法在其配合表面鍍上一層硬質(zhì)合金層，并磨削至規(guī)定尺寸精度。對尺寸較大得軸 頸和軸頭，還可采用熱噴涂（或噴焊）進(jìn)行修復(fù)。軸上花鍵、鍵槽得損傷，可以 用氣焊或堆焊修復(fù)，然后再銑出花鍵或鍵槽。也可以將原鍵槽焊補后再銑制新鍵 槽。 認(rèn)真檢查軸和軸上主要傳動零件工作位置得準(zhǔn)確性、軸承的游隙變化并及時 調(diào)整。軸上得傳動零件（如齒輪、鏈輪等）和軸承必須保證良好得潤滑。應(yīng)當(dāng)根 據(jù)季節(jié)和地點，按規(guī)定選用潤滑劑并定期加注。要對潤滑油得數(shù)量及時檢查、補 充和更換。 §4.3.2 主軸的設(shè)計及校核 1）初步確定軸的最小直徑 先按公式確定軸的最小直徑。選取軸材料為 40Cr,局部淬火處理。取 ,于是得：20?A (4-41) mnpAd 26.485.7312 30min ??? 軸上有三個鍵槽，最小軸徑增加 20%。由于主軸中要裝滾刀，所以選用空 心軸。計算公式為： (4-42) npd 68.4).01(5.478312)( 3430 ??????? 式子中， ，即空心軸的直徑 與外徑 d 之比，取 =0.41? ? 所以，選最小軸徑為 50mm。 2）軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計如下： 圖 4.2 主軸結(jié)構(gòu)圖 3）主軸的校核 由于主軸靠滑動軸承和套筒來支撐，可以認(rèn)為主軸只受扭矩作用，而不受彎 20 矩作用，按扭轉(zhuǎn)強度來校核軸的強度。只需校核齒輪所在剖面處的強度 mNT???5106. (4-43) MPadWt 8.21)4.0(52.6)1(2. 3543 ???????? TTMPa??~][ 故安全 §4.4 第二根軸的強度校核 2 軸上的功率 P ，轉(zhuǎn)速 n ，和轉(zhuǎn)矩 T 取軸承的效率為 0.98，齒輪的效率為22 0.98 P = =3.58 (4-44)3198.0??398.0KW n (4-45)min/125472ri? 初步確定軸的最小直徑 選材料為 45 鋼時，取 A =1100 d (4-46)nP27.9158.3132min ?? 取最小軸徑 30mm，其結(jié)構(gòu)詳見圖紙，下面僅對軸進(jìn)行強度校核 軸的材料的選擇 該軸無特殊要求，因而選用調(diào)質(zhì)處理的 45 鋼，查得MPaaMPaB 15,30,601??????? 軸上的載荷 軸上所受力為 NFNFart 7.6,2.589,7.43 轉(zhuǎn)速 n 功率 Ppm2?KW5832? 齒輪截面處的 M 如下所示caVH, 載荷 水平面 H 垂直面 V R RH9.40,8.1942?? R NVV760?? 彎矩 M M Mm.5mV.1 總彎矩 M M = = 269000 (4-47)????2204??N? 扭矩 T T = (4-48)179458.390??m? 21 計算彎矩 M ca M = =289000 1ca??2217945.069??mN? (4-49)ca.? 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度 只校核軸的齒輪所在截面處的強度即可： (4-50)MPaWcac 42.8701.293???? 對 的碳鋼，承受對稱循環(huán)變應(yīng)力時的PB60 許用應(yīng)力 故安全??ca??5 22 圖 4.3 力矩圖 23 §4.5 鍵的校核 校核刀架上的四個鍵 主軸 鍵 18?1408???hlb 斜齒輪軸 鍵 0626 電機 鍵 1 減速器 鍵 773l 1）主軸的鍵的強度校核 (4-51)Mpakld Tp 56045.21033????? ??mpa? 鍵的強度安全 2）斜齒輪軸鍵的強度校核 (4-52)??Mpapakld Tp p1207.63504193??????? ? 3）減速器上的鍵的校核 (4-53) ??p pakld??9.253.5 19.3 鍵的強度安全 4) 電機上鍵的校核 (4-54)??p Mpakld T?????9.4138604213 鍵的強度安全 24 結(jié)論 畢業(yè)設(shè)計是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，我們從上學(xué)開始到現(xiàn)在，一直接觸的是理論的 課本知識，對于實際的東西知之甚少。本次設(shè)計是我們由理論走向?qū)嵺`的開始， 用理論來指導(dǎo)實踐正是我們這次設(shè)計的目的。以后走向工作崗位，做的都是實際 的東西，因此，本次設(shè)計對于我們走向工作起到了鏈接作用，為我們在走上工作 崗位之后很快適應(yīng)自己的工作奠定了基礎(chǔ)。 這次滾齒機的設(shè)計是在自己充分調(diào)研的情況下，在老師的指導(dǎo)下，獨立查閱 資料，獨立思考，確定方案來設(shè)計的，可以說用到了我們大學(xué)四年所有理論和專 業(yè)課的知識，對以前學(xué)的知識進(jìn)行了鞏固，并且學(xué)到了許多設(shè)計方面的知識，和 查閱資料方面的知識，并且獨立思考，學(xué)會了分析問題和解決問題的能力，收獲 頗豐，更加有利于以后的工作學(xué)習(xí)。 本人設(shè)計的滾齒機刀架滑板涉及的東西很多，用到了許多以前沒接觸過的材 料和加工安裝方法，增長了見識，明白了理論和實踐的統(tǒng)一以及如何在設(shè)計合理 的基礎(chǔ)上盡量減少材料用量和節(jié)約資金，降低成本。 本次畢業(yè)設(shè)計所完成的內(nèi)容有： 1. 明確設(shè)計任務(wù)，查閱相關(guān)資料，翻譯相關(guān)外文資料，寫出開題報告。 2. 完成滾齒機滑板及刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計計算及總體結(jié)構(gòu)圖設(shè)計。 3. 完成滑板及刀架結(jié)構(gòu)裝配圖設(shè)計。 4. 整理圖紙，撰寫設(shè)計計算說明書。 25 參考文獻(xiàn) [1] 劉潤愛，張根保．滾齒機及滾齒加工技術(shù)的發(fā)展趨勢[J]．現(xiàn)代制造工程， 2003, (11):84－86． [2] 廖紹軍，李先廣．面向綠色制造