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高速數(shù)控齒輪磨床的一種無(wú)噪音磨削主軸
Takashi Emura ，LeiWang， Hisashi Nakamura ， Masashi Yamanaka 和 Yasushi Teshigawara
精密工程和機(jī)械部, Tohoku 大學(xué)
Aoba ， Aramaki ， Aobaks ，仙臺(tái),980-77 日本
摘要
本文作者為汽車(chē)工廠發(fā)明了一種高產(chǎn)的NC(數(shù)控型) 齒輪磨床。 這一數(shù)控機(jī)器需要在磨削主軸和運(yùn)轉(zhuǎn)主軸間保持高度同步性。我們必須使用高壓驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和驅(qū)動(dòng)變壓器來(lái)滿足高速磨床的規(guī)格。然而, 由于高壓驅(qū)動(dòng)變壓器在PWM(脈沖寬度調(diào)節(jié))頻率上會(huì)引起很大的電波，并產(chǎn)生強(qiáng)烈噪音，所以很難在主軸之間保持穩(wěn)定的同步云運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，作者試著使用二相型PLL制成無(wú)噪音高速同步主軸，并試著通過(guò)一種電流過(guò)濾器來(lái)減少電波引起的噪音。本文將描述減少噪音的方法及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1. 介紹
齒輪研磨需要花費(fèi)極多的磨削時(shí)間，而且在齒輪的大批量生產(chǎn)中會(huì)阻礙生產(chǎn)效率的提高。因此，作者為汽車(chē)工廠發(fā)明了一種高產(chǎn)的NC齒輪磨床，這正是效率最高的齒輪生產(chǎn)工廠。這種機(jī)器需要二大高壓伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)磨削主軸和運(yùn)轉(zhuǎn)主軸。這兩種驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)也必須有高度同步控制且能高速運(yùn)轉(zhuǎn)。作者使用高壓高速伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)主軸。舉例來(lái)說(shuō), 磨削主軸的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)有額定的功率22kw，額定的輸出量扭矩22N-m，及最大轉(zhuǎn)速10000r/min。運(yùn)轉(zhuǎn)主軸的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)有額定功率16kw，額定輸出量扭矩82N-m ,及最大轉(zhuǎn)速2000r/min。
這些驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)由PWM(脈沖寬度調(diào)節(jié))型變壓驅(qū)動(dòng)器帶動(dòng),而這種PWM型高壓變壓器會(huì)在PWM頻率的電流中引起很大的電波。由于這種強(qiáng)大電波引發(fā)了強(qiáng)烈噪音，將影響控制系統(tǒng)，難以實(shí)現(xiàn)高度同步控制。因此，作者試著使用二相型 PLL(分步鎖槽) 制成無(wú)噪音高速同步主軸，并試著通過(guò)一種電流過(guò)濾器來(lái)減少電波。目前已做了大量實(shí)驗(yàn)確認(rèn)無(wú)噪音系統(tǒng)的功效。本文將通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)描述減少噪音、制造高速、高度同步性主軸的方法。
2. PWM引起的噪音
磨削主軸的噪音問(wèn)題比運(yùn)轉(zhuǎn)主軸問(wèn)題嚴(yán)重，因?yàn)槟ハ髦鬏S的額定電壓比運(yùn)轉(zhuǎn)主軸大。因此下面我們主要來(lái)探討磨削主軸的情況。磨削主軸由無(wú)刷驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)。由于驅(qū)動(dòng)變壓器的最大輸出電壓最高限于200v，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的額定功率是22kw，所以磁場(chǎng)線圈的電流在波峰必須超過(guò)200A。由于這個(gè)強(qiáng)大電流, 磁場(chǎng)線圈的金屬線直徑變大，由于運(yùn)轉(zhuǎn)空間的限制，轉(zhuǎn)動(dòng)次變少。于是磁場(chǎng)線圈的電感僅限于一個(gè)非常小的數(shù)值。一個(gè)階段的電感測(cè)量值約為1kHz有30 pH，在PWM頻率中減少到一個(gè)非常小的數(shù)值，25kH中低于1.5pH。如上所述，因?yàn)榫€圈電感極其小，它的電力時(shí)間系數(shù)非常小。這就意味著我們能很好的控制它。然而，這個(gè)極其小的電力時(shí)間系數(shù)在PMW頻率中引起很大的電波，這個(gè)電波就造成了強(qiáng)烈的噪音。強(qiáng)烈噪音給控制系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)重的問(wèn)題。
為了分析電波，我們進(jìn)行電動(dòng)電流的數(shù)字摹擬。圖l(一)是用于模擬的簡(jiǎn)化同步電動(dòng)機(jī)模型,其中線圈電感L是1.44pH,線圈電阻R是0.15歐,直流線電壓E是200V。伺服放大器的PMW輸出電壓Eu，Ev，和Ew是由U，V，W三相電的終端來(lái)提供。圖1（b）展示了PWM的波形圖，它是通過(guò)用頻率為25KHz的三角形波eb來(lái)比較和的電壓而得到的。
圖2（a）是一個(gè)模擬結(jié)果的實(shí)例，伺服放大器的輸出頻率為300Hz。如圖2（a）所示，電機(jī)電流與大的噪音交迭。圖2（b）給出了通過(guò)比較線圈電流的模擬和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果的詳細(xì)情況。而模擬結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果完全吻合。因而模擬結(jié)果表明了電機(jī)電流在PMW頻率下有很大的電流波動(dòng)。
這個(gè)模擬非常清楚地表明伺服電機(jī)和電壓放大器對(duì)線圈感應(yīng)系數(shù)的減小產(chǎn)生了很強(qiáng)的噪音。由于鐵心的磁場(chǎng)特性，如此大功率的電機(jī)，線圈電感在高的轉(zhuǎn)換頻率下急劇減小。由轉(zhuǎn)換而產(chǎn)生的噪音是這種數(shù)控磨床的一格非常嚴(yán)重的問(wèn)題。為了達(dá)到高精度同步控制，這也是我們必須克服的問(wèn)題。
因此，接下來(lái)的部分將描述二種不同的方法來(lái)克服轉(zhuǎn)換噪音的問(wèn)題。第部分將介紹二相型PLL的同步控制方法。這種方法可以使系統(tǒng)在強(qiáng)的噪音環(huán)境下獲得高精度和高速同步控制。第部分將給出使用大功率濾波器來(lái)抑制轉(zhuǎn)換噪音的討論和試驗(yàn)結(jié)果。
3. 二相型PLL同步系統(tǒng)
這種齒輪磨床需要高度、高速同步控制。通常，我們都使用一種高辨識(shí)率、高速的入碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)其高度、高速同步控制，因?yàn)檫@種入碼器能輸出二相正弦電波。然而,由于這種二相正弦電波的電壓非常小，在上述強(qiáng)烈噪音環(huán)境中很難檢測(cè)出該電壓是否不存在噪音問(wèn)題。這就意味著我們不能夠使用傳統(tǒng)的高度同步系統(tǒng)。因此，作者在這里的同步系統(tǒng)中采用了二相型PLL。首次提出使用二相型PLL的是Emura[l]，它消除噪音的能力已經(jīng)得到了認(rèn)證[2]-[4]。
圖3是高速數(shù)控齒輪磨床中磨削主軸與運(yùn)轉(zhuǎn)主軸之間的高速同步系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。其中，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)主軸都是由二相型PLL控制的。指令脈沖發(fā)電機(jī)產(chǎn)生二個(gè)脈沖列，它們的頻率比是磨削主軸與運(yùn)轉(zhuǎn)主軸的速度比。二相型PLL的局部控制器就控制主軸精確執(zhí)行每個(gè)指令脈沖。通過(guò)使用二相型PLL,高速、高度同步控制得以真正實(shí)現(xiàn)。二相型PLL的二個(gè)內(nèi)插器導(dǎo)入高辨析率的入碼器信號(hào)，齒輪轉(zhuǎn)角內(nèi)導(dǎo)入的輸出脈沖被送到驅(qū)動(dòng)變壓器。
A. 應(yīng)用二相型PLL的內(nèi)插器的扶輪轉(zhuǎn)角高辨析度檢測(cè)
我們這次用的驅(qū)動(dòng)變壓器需要利用一個(gè)二相型矩形信號(hào)來(lái)產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)角同步的三相磁場(chǎng)。然而,由于電流感應(yīng)引起的噪音，我們不能使用傳統(tǒng)的比測(cè)儀型內(nèi)插器。于是,作者設(shè)計(jì)出特殊的內(nèi)插器，如圖4所示，使用二相型PLL來(lái)檢測(cè)主軸的扶輪轉(zhuǎn)角。這一內(nèi)插器的電路主要依照[3]所描述的樣子來(lái)設(shè)計(jì)的,因此一下只對(duì)他們進(jìn)行簡(jiǎn)短的描述。
輸入信號(hào)是從入碼器獲得的一個(gè)二相正弦波(sin Bi &,cos Bi)。擺動(dòng)器(VCO)控制的電壓則產(chǎn)生一個(gè)二相正弦波(sin B0 &,cos B0)的追蹤信號(hào)。這個(gè)VCO正是用來(lái)追蹤輸入信號(hào)的。輸入信號(hào)與追蹤信號(hào)的相差則由相位檢查器(PD)來(lái)計(jì)算?；芈窞V波器(LF)轉(zhuǎn)移相位檢查器的輸出結(jié)果，輸入到VCO。包含在VCO中的V/F轉(zhuǎn)爐產(chǎn)生頻率比例的脈沖列，并發(fā)送到輸入電壓。
脈沖序列是用一個(gè)二進(jìn)制的計(jì)數(shù)器來(lái)計(jì)數(shù)，這個(gè)計(jì)數(shù)器的輸出又儲(chǔ)存到一個(gè)ROM
里。這樣二相正弦曲線波以數(shù)字量的形式寫(xiě)入到ROM，當(dāng)其被訪問(wèn)時(shí)又從這里輸出。D/A轉(zhuǎn)換器把ROM的輸出轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電壓量。正弦曲線波是受約束的以至于通過(guò)控制相位部位0來(lái)追蹤輸入的二相位正弦曲線信號(hào)。這就意味著PLL處于鎖定狀態(tài)。在鎖定狀態(tài)下，從V/F來(lái)的脈沖變成以內(nèi)插值替換的脈沖輸入信號(hào)。這是譯碼器的旋轉(zhuǎn)角度。
二相型PLL和傳統(tǒng)意義的PLL的最大的不同點(diǎn)在于我們可以常常通過(guò)輸入信號(hào)來(lái)獲得真正的二相正弦曲線波。這就意味著它有卓越的噪音抑制特性和寬范圍的輸入頻率。這種電路也可以當(dāng)電機(jī)改變它的旋轉(zhuǎn)方向時(shí)鎖定。
高精度的光傳感器被用于探測(cè)軸的旋轉(zhuǎn)角度。磨削心軸的光學(xué)縫隙的數(shù)量為1800，工作軸的數(shù)量是9000。我們可以從傳感器那里獲得二相正弦曲線波。發(fā)展的內(nèi)插器把他們分成128份，并輸出二相矩形脈沖信號(hào)。因此分別分解成每份和最大頻率上升到38.4MHz。脈沖提供給功率放大器也用于監(jiān)控同步控制。在[3]里。一個(gè)磁性的具有感應(yīng)能力的探頭被用作旋轉(zhuǎn)傳感器。因?yàn)楦袘?yīng)類(lèi)型的探頭不能在低速的條件下工作，內(nèi)插器也不能在轉(zhuǎn)速低于300r/min的速度下工作。然而，這個(gè)新的組合起來(lái)的系統(tǒng)卻可以在任何低于10000r/m的磨削心軸速度，和低于2000r/min的工作主軸下工作。當(dāng)然，我們也可以使軸反轉(zhuǎn)。
一般說(shuō)來(lái)，以如此的高精度和高頻率來(lái)監(jiān)測(cè)不可避免的會(huì)受到噪音的影響，而且會(huì)很難達(dá)到穩(wěn)定的控制。然后新的內(nèi)插器可以在沒(méi)有任何誤動(dòng)作的情況下測(cè)出回轉(zhuǎn)體的角度。圖5圖解了一個(gè)實(shí)例的試驗(yàn)結(jié)果。在圖5里，輸入信號(hào)就是從傳感器得到的信號(hào)，追蹤信號(hào)就是VCO的正弦曲線波。就如圖5所示，從傳感器獲得的信號(hào)被強(qiáng)的噪音干擾，然而，正弦曲線波卻正好為輸入信號(hào)的軌跡沒(méi)有任何失真。因?yàn)樗怯蒝CO而產(chǎn)生的，VCO的輸出波形是無(wú)失真的正弦曲線波。我們可以從V/F轉(zhuǎn)換器的輸出脈沖來(lái)獲得以內(nèi)插值代換的脈沖。正弦曲線波形是由V/F轉(zhuǎn)換器構(gòu)造的。
B．二相型PLL伺服控制器
伺服控制器也是用二相型PLL方法。示意圖如圖6。
0 數(shù)控滾齒機(jī) 刀架設(shè)計(jì) 摘要 滾齒機(jī)是齒輪滾刀加工齒輪的專(zhuān)用機(jī)床，在齒輪加工中應(yīng)用最廣泛。在滾齒 機(jī)上可切削直齒、斜齒圓柱齒輪。這種機(jī)床使用特制的滾刀時(shí)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(jī)由床身、立柱、刀架及滑板、工作臺(tái)組成。滾齒機(jī)工作時(shí)，滾刀裝 在滾刀主軸上，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，刀架可沿立柱導(dǎo)軌垂直移動(dòng)，還可 繞水平軸線調(diào)整一個(gè)角度。工件裝在工作臺(tái)上，由分度蝸輪副帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，與滾刀 的運(yùn)動(dòng)一起構(gòu)成展成運(yùn)動(dòng)。立柱可沿床身導(dǎo)軌移動(dòng),以適應(yīng)不同工件直徑和作徑向 進(jìn)給。 刀架與滑板通過(guò) T 型槽和螺栓聯(lián)接，滑板后聯(lián)接立柱，通過(guò)雙 V 軌道實(shí)現(xiàn)沿 立柱導(dǎo)軌的上下直線運(yùn)動(dòng)。刀架體裝有三根軸，動(dòng)力從伺服電機(jī)傳出，經(jīng)過(guò)減速 器，通過(guò)斜齒輪軸傳遞到主軸，這兩根軸實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)；蝸桿蝸輪軸通過(guò)一對(duì)內(nèi) 嚙合的直齒輪實(shí)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(guò)錐 度主軸孔和拉桿定位，通過(guò)輔助軸承的滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)刀。 刀架滑板的設(shè)計(jì)：計(jì)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(jì)計(jì)算及軸承、鍵選擇校核。 關(guān) 鍵 詞：滾齒機(jī)，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(jì)（論文） 目 錄 前言 ...........................................................................................................................................................1 第 1 章 滾齒機(jī)概述 ........................................................................................................................2 1.1 滾齒機(jī)工作原理 ..............................................................................................................2 1.2 國(guó)內(nèi)外同類(lèi)滾齒機(jī)的發(fā)展概況綜述 ...................................................................4 1.3 機(jī)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(jī)與減速器的選擇 .....................................................................................9 3.1 電機(jī)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(jì) ....................................................................................................10 4.1 各軸轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 .............................................................................................................10 4.2 傳動(dòng)軸上斜齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 ..................................................................................10 4.2.1. 齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)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(dòng)的計(jì)算載荷 .......................................................................................12 4.2.4. 標(biāo)準(zhǔn)斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算 ......................................................12 4.2.5. 本機(jī)構(gòu)中齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)與校核 .................................................................13 4.3 軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 ...................................................................................................................17 4.3.1 軸的設(shè)計(jì)概述 ..........................................................................................................17 4.3.2 主軸的設(shè)計(jì)及校核 ..............................................................................................20 4.4 第二根軸的強(qiáng)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(jī)械設(shè)備的傳動(dòng)系統(tǒng)中，滾齒是應(yīng)用最廣的切齒方法1， 傳統(tǒng)的機(jī)械滾齒機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，一臺(tái)主電機(jī)不僅要驅(qū)動(dòng)展成分度傳動(dòng)鏈， 還要驅(qū)動(dòng)差動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)鏈，各傳動(dòng)鏈中的每一個(gè)傳動(dòng)元件本身的加工誤差都會(huì) 影響被加工齒輪的加工精度，同時(shí)為加工不同齒輪，還需要更換各種掛輪調(diào)整起 來(lái)復(fù)雜費(fèi)時(shí)2 ，大大降低了勞動(dòng)生產(chǎn)率。 以德國(guó)西門(mén)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(jī)的出現(xiàn)，大大 提高了齒輪加工能力和加工效率。我國(guó)目前真正能夠生產(chǎn)數(shù)控滾齒機(jī)的只有 個(gè)廠家，且使用的多是德國(guó)西門(mén)子數(shù)控系統(tǒng)，加工中模數(shù)齒輪，沒(méi)有自主 產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，缺少?lài)?guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。 隨著微處理機(jī)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已向機(jī)電一體化方向發(fā)展。歷經(jīng)幾代進(jìn)化， 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)不僅比原來(lái)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(duì)機(jī)床操作的控制，并開(kāi)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(shì)：(1) 采用交流數(shù)字伺服系統(tǒng)；（2）實(shí)現(xiàn)多軸控 制；（3）CNC 的智能化；（ 4）有很強(qiáng)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(jī)的數(shù)控化提供了強(qiáng)有力的支持。 本文重點(diǎn)介紹數(shù)控滾齒機(jī)的刀架滑板設(shè)計(jì)。 1 第 1 章 滾齒機(jī)概述 1.1 滾齒機(jī)工作原理 圖 1.1 滾齒機(jī) 立式滾齒機(jī)工作時(shí)，滾刀裝在滾刀主軸上，由主電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，刀 架可沿立柱導(dǎo)軋垂直移動(dòng)，還可繞水平軸線調(diào)整一個(gè)角度。工件裝在工作臺(tái)上， 由分度蝸輪副帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，與滾刀的運(yùn)動(dòng)一起構(gòu)成展成運(yùn)動(dòng)。滾切斜齒時(shí),差動(dòng)機(jī)構(gòu) 使工件作相應(yīng)的附加轉(zhuǎn)動(dòng)。工作臺(tái)(或立柱)可沿床身導(dǎo)軌移動(dòng),以適應(yīng)不同工件直 徑和作徑向進(jìn)給。 滾齒機(jī)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(gè)齒輪轉(zhuǎn)化 為刀具，另一個(gè)齒輪轉(zhuǎn)化為工件，齒輪刀具做切削主運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，以內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng) 鏈強(qiáng)制刀具和工件做嚴(yán)格的嚙合運(yùn)動(dòng)，于是刀具切削刃就在工件上加工出所要求 的齒形表面來(lái)。這種方法的加工精度和生產(chǎn)效率都很高。 滾齒機(jī)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(yùn)動(dòng)。 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(gè)角度， 這個(gè)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(tái)上，工作臺(tái)與后立柱裝在床鞍上，可沿床身導(dǎo)軌做徑向進(jìn)給 運(yùn)動(dòng)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(jī)床的傳動(dòng)鏈有四條：主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈、展成運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈、軸向進(jìn)給傳動(dòng)鏈、 2 差動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈。 1） 主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈：電動(dòng)機(jī)（M）12 3滾刀（ ） ，是一vu1B 條將運(yùn)動(dòng)源（電動(dòng)機(jī)）與滾刀相聯(lián)系的外聯(lián)系傳動(dòng)鏈。 2） 展成運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈：滾刀（ ）345-- 6工作臺(tái)（ ） ，1Bx2 是一條內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈，實(shí)現(xiàn)漸開(kāi)線齒廓的復(fù)合成形運(yùn)動(dòng)。 3） 軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈：工作臺(tái)（ ）612u f11M1102 87刀架（ ） ，是一條外聯(lián)系傳動(dòng)鏈，實(shí)現(xiàn)齒廓方向直線齒形2A 的運(yùn)動(dòng)。 4） 差動(dòng)運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈：刀架-8-9-10-11-12-uy-13-14- -5-ux-6-7-工作臺(tái)。合 加工斜齒輪時(shí)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是一個(gè)螺旋運(yùn)動(dòng)，是一個(gè)復(fù)合運(yùn)動(dòng)。 圖 1-2 滾切直齒圓柱齒輪的傳動(dòng)原理圖 3 圖 1-3 滾切斜齒圓柱齒輪的傳動(dòng)原理圖 普 通 滾 齒 機(jī) 工 作 時(shí) ， 滾 刀 裝 在 主 軸 上 ， 由 主 電 動(dòng) 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 做 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) ， 而 數(shù) 控 滾 齒 機(jī) ， 對(duì) 于 刀 架 滑 板 結(jié) 構(gòu) 來(lái) 說(shuō) ， 主 要 是 動(dòng) 力 源 變 了 ， 不 在 由 原 來(lái) 的 主 電 動(dòng) 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) ， 而 是 由 刀 架 內(nèi) 的 伺 服 電 機(jī) 經(jīng) 過(guò) 減 速 器 直 接 驅(qū) 動(dòng) 。 1.2 國(guó)內(nèi)外同類(lèi)滾齒機(jī)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(shí) ， 制 成 一 臺(tái) 使 用 旋 轉(zhuǎn) 銼 刀 切 齒 裝 置 ； 1783 年 ， 法 國(guó) 勒 內(nèi) 制 成 了 使 用 銑 刀 齒 輪 加 工 機(jī) 床 ， 并 有 切 削 齒 條 內(nèi) 齒 輪 附 件 ； 1820 年 前 后 ， 英 國(guó) 懷 特 制 造 出 第 一 臺(tái) 既 能 加 工 圓 柱 齒 輪 又 能 加 工 圓 錐 齒 輪 機(jī) 床 。 具 有 這 一 性 能 機(jī) 床 到 19 世 紀(jì) 后 半 葉 又 有 發(fā) 展 。 1835 年 ， 英 國(guó) 惠 特 沃 思 獲 得 蝸 輪 滾 齒 機(jī) 專(zhuān) 利 ； 1858 年 ， 席 勒 取 得 圓 柱 齒 輪 滾 齒 機(jī) 專(zhuān) 利 ； 以 后 經(jīng) 多 次 改 進(jìn) ， 至 1897 年 德 國(guó) 普 福 特 制 成 帶 差 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 滾 齒 機(jī) ， 才 圓 滿 解 決 了 加 工 斜 齒 輪 問(wèn) 題 。 制 成 齒 輪 形 插 齒 刀 后 ， 美 國(guó) 費(fèi) 洛 斯 于 1897 年 制 成 了 插 齒 機(jī) 。 4 20 世 紀(jì) 60 年 代 以 后 出 現(xiàn) 的 高 效 滾 齒 機(jī) ， 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(dòng) 處 理 油 霧 和 排 屑 。 這 種 滾 齒 機(jī) 適 用 于 齒 輪 的 大 量 生 產(chǎn) 。 滾 齒 機(jī) 按 布 局 分 為 立 式 和 臥 式 兩 類(lèi) 。 大 中 型 滾 齒 機(jī) 多 為 立 式 ， 小 型 滾 齒 機(jī) 和 專(zhuān) 用 于 加 工 長(zhǎng) 的 軸 齒 輪 的 滾 齒 機(jī) 皆 為 臥 式 。 立 式 滾 齒 機(jī) 又 分 為 工 作 臺(tái) 移 動(dòng) 和 立 柱 移 動(dòng) 兩 種 。 立 式 滾 齒 機(jī) 工 作 時(shí) ， 滾 刀 裝 在 滾 刀 主 軸 上 ， 由 主 電 動(dòng) 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 作 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) ， 刀 架 可 沿 立 柱 導(dǎo) 軋 垂 直 移 動(dòng) ， 還 可 繞 水 平 軸 線 調(diào) 整 一 個(gè) 角 度 。 工 件 裝 在 工 作 臺(tái) 上 ， 由 分 度 蝸 輪 副 帶 動(dòng) 旋 轉(zhuǎn) ， 與 滾 刀 的 運(yùn) 動(dòng) 一 起 構(gòu) 成 展 成 運(yùn) 動(dòng) 。 滾 切 斜 齒 時(shí) ,差 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 使 工 件 作 相 應(yīng) 的 附 加 轉(zhuǎn) 動(dòng) 。 工 作 臺(tái) (或 立 柱 )可 沿 床 身 導(dǎo) 軋 移 動(dòng) ,以 適 應(yīng) 不 同 工 件 直 徑 和 作 徑 向 進(jìn) 給 。 有 的 滾 齒 機(jī) 的 刀 架 還 可 沿 滾 刀 軸 線 方 向 移 動(dòng) ， 以 便 用 切 向 進(jìn) 給 法 加 工 蝸 輪 。 大 型 滾 齒 機(jī) 還 設(shè) 有 單 齒 分 度 機(jī) 構(gòu) 、 指 形 銑 刀 刀 架 和 加 工 人 字 齒 輪 的 差 動(dòng) 換 向 機(jī) 構(gòu) 等 。 小 型 滾 齒 機(jī) 用 于 加 工 儀 表 齒 輪 。 手 表 齒 輪 滾 齒 機(jī) 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(duì) 機(jī) 床 可 靠 性 要 求 高 ， 每 臺(tái) 機(jī) 床 都 配 備 自 動(dòng) 上 下 料 裝 置 進(jìn) 行 單 機(jī) 自 動(dòng) 加 工 。 此 外 ， 尚 有 多 種 特 殊 用 途 的 滾 齒 機(jī) ， 如 加 工 高 精 度 蝸 輪 的 分 度 蝸 輪 滾 齒 機(jī) 等 。 由于傳統(tǒng)的機(jī)械式滾齒機(jī)存在許多的不足，因此在現(xiàn)在許多的場(chǎng)合以不能適 應(yīng)生產(chǎn)的要求。而數(shù)控滾齒機(jī)具有傳統(tǒng)機(jī)械式機(jī)床不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，它機(jī)械結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)單，加工效率高，加工將度高，自動(dòng)化程度高，能在加工過(guò)程中減少人為干預(yù)。 滾齒機(jī)采用數(shù)控后加工范圍擴(kuò)大，生產(chǎn)和生產(chǎn)準(zhǔn)備周期縮短，并且能減輕工人勞 動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件。因此數(shù)控滾齒機(jī)的研究具有重大意義。隨著微處理機(jī)的 發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已向機(jī)電一體化方向發(fā)展。歷經(jīng)幾代進(jìn)化，計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)不僅 比原來(lái)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(duì)機(jī)床操作的控制，并開(kāi)始向人工智能化發(fā)展。 1.3 機(jī)床的使用范圍和主要規(guī)格 滾齒機(jī)(gear hobbing machine)是齒輪加工機(jī)床中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)床，在 滾齒機(jī)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(jī)床。這種機(jī)床使用特 制的滾刀時(shí)也能加工花鍵和鏈輪等各種特殊齒形的工件。普通滾齒機(jī)的加工精度 5 為 76 級(jí)(JB179-83),高精度滾齒機(jī)為 43 級(jí)。最大加工直徑達(dá) 15 米。 一般滾齒機(jī)有以下特點(diǎn)： （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(dòng)停車(chē)機(jī)構(gòu) （3）具有可靠的安全裝置以及自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng) 該機(jī)床的主要規(guī)格 加工圓柱形直齒輪時(shí)最大直徑 有外支架 450 毫米 無(wú)外支架 800 毫米 加工圓柱形斜齒輪時(shí)最大直徑 螺旋角為 時(shí) 500 毫米 30 螺旋角為 時(shí) 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(zhǎng)度 240 毫米 刀具最大垂直行程 270 毫米 由臺(tái)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(tái)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(dòng)機(jī)功率 3.8 千瓦 主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 4500 轉(zhuǎn)/分 6 第 2 章 刀架滑板結(jié)構(gòu)介紹 該機(jī)床的刀架體由三個(gè)框形結(jié)構(gòu)組成，見(jiàn)圖 2.1 刀架體其剛性好。滾刀主軸 由兩個(gè)推力球軸承和內(nèi)錐外圓滑動(dòng)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(dòng)，而大 齒輪是支撐在刀架體上，這樣在主軸傳動(dòng)過(guò)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(dòng)方頭手 柄，可通過(guò)螺紋傳動(dòng)，使主軸帶動(dòng)滾刀一起做軸向移動(dòng)。 刀架與滑板通過(guò) T 型槽和螺栓聯(lián)接，滑板后聯(lián)接立柱，通過(guò)雙 V 軌道實(shí)現(xiàn)沿 立柱導(dǎo)軌的上下直線運(yùn)動(dòng)。刀架體裝有三根軸，動(dòng)力從伺服電機(jī)傳出，通過(guò)斜齒 輪軸傳遞到主軸，這兩根軸實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳動(dòng)；蝸桿蝸輪軸通過(guò)一對(duì)內(nèi)嚙合的直齒輪 實(shí)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(guò)錐度主軸孔和拉 桿定位，通過(guò)輔助軸承的滑動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(kāi)口螺帽 扳手使軸承轉(zhuǎn)動(dòng)，使外錐的軸承套軸向移動(dòng)來(lái)達(dá)到消除間隙，保證主軸精密的運(yùn) 轉(zhuǎn)。 刀架部位利用主軸前支撐、末級(jí)齒輪等兩級(jí)油池進(jìn)行飛濺潤(rùn)滑。這樣保證刀 架扳轉(zhuǎn)角后仍得到充分的潤(rùn)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(jī)與減速器的選擇 3.1 電機(jī)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(jī)型號(hào)kw95.2min/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(jī)型號(hào)可知，電機(jī)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(hào)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(jì) 4.1 各軸轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 圖 4.1 刀架主軸箱簡(jiǎn)圖 由刀具最小轉(zhuǎn)速為 47.5 轉(zhuǎn)/分，伺服電機(jī)的功率為 3.8KW，進(jìn)行以下計(jì)算 （忽略各級(jí)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(dòng)軸上斜齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 4.2.1. 齒輪傳動(dòng)的失效形式及設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 (1).失效形式 齒輪傳動(dòng)就裝置形式來(lái)說(shuō)，有開(kāi)式、半開(kāi)式及閉式之分；就使用情況來(lái)說(shuō)， 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)、 常化的優(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(chēng)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(chēng)為軟齒面齒輪）的差別等。由于上述條件的不同，齒輪傳動(dòng)也就 出現(xiàn)了不同的失效形式。一般來(lái)說(shuō)，齒輪的失效主要是輪齒的失效，而輪齒的失 效形式有常見(jiàn)的以下幾種：輪齒折彎和工作面磨損、點(diǎn)蝕、膠合劑塑性變形等。 (2)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 由上述分析可知，所設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)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(gè)工作壽命期間不致失效。因此，針對(duì)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(jì)準(zhǔn)則。但是對(duì)于齒面磨損、塑性變 形等，通常只按保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度及保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。 對(duì)于高速大功率的齒輪傳動(dòng)，還要按保證齒面抗膠合能力的準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)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(jì)齒輪傳動(dòng)時(shí)，應(yīng)使齒面具有較高的抗磨損、抗 點(diǎn)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(duì)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(guò)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(lái)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(diǎn)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(chǎng)合。 3）非金屬材料 對(duì)高速、輕載及精度要求不高的齒輪傳動(dòng)，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(diǎn)蝕的能力，齒面的硬度應(yīng)為 250350HBS。 (2).齒輪材料的選用原則 齒輪材料的種類(lèi)很多，但選擇時(shí)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： 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(duì)兩齒輪齒面的硬度差應(yīng)保持在 3050HBS 或 更多。 11 4.2.3. 輪齒傳動(dòng)的計(jì)算載荷 為了便于分析計(jì)算，通常取沿齒面接觸線單位長(zhǎng)度上所受的載荷進(jìn)行計(jì)算。 沿齒面接觸線單位長(zhǎng)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(zhǎng)，mm。 法向載荷 為公稱(chēng)載荷，在實(shí)際傳動(dòng)中，由于原動(dòng)機(jī)及工作機(jī)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(huì)使法向載荷增大。 因此，在同時(shí)嚙合的齒對(duì)間，載荷的 分布并不是均勻的，即使在一對(duì)齒上，載 荷也不可能沿接觸線均勻分布。因此在計(jì)算齒輪傳動(dòng)的強(qiáng)度時(shí)，應(yīng)該按接觸線單 位長(zhǎng)度上的最大載荷，即計(jì)算載荷 （單位為 N/mm）進(jìn)行計(jì)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(jì)算齒輪強(qiáng)度用的載荷系數(shù) K，包括使用系數(shù) 、動(dòng)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(dòng)的強(qiáng)度計(jì)算 (1) 輪齒的受力分析 齒輪傳動(dòng)一般均加以潤(rùn)滑，嚙合齒輪間的摩擦力通常很小，計(jì)算輪齒受力時(shí)， 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(jì)算方便，nF 將法向載荷 （單位為 N）在節(jié)點(diǎn) P 處分解為兩個(gè)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(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪即為分度圓直徑，mm；d 嚙合角，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪， 。20 以上分析的是主動(dòng)齒輪上的力，從動(dòng)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(qiáng)度計(jì)算 輪齒在受載時(shí)，齒根所受的彎矩最大，因此齒根處的彎曲疲勞強(qiáng)度最弱。當(dāng) 輪齒在齒頂處嚙合時(shí)，處于雙對(duì)嚙合區(qū)，此時(shí)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(diǎn)位于單 對(duì)嚙合區(qū)最高點(diǎn)時(shí)。因此，齒根彎曲強(qiáng)度也應(yīng)按載荷作用于單對(duì)嚙合區(qū)最高點(diǎn)來(lái) 計(jì)算。由于此種算法比較復(fù)雜，通常只用于高精度齒輪傳動(dòng)。 對(duì)于制造精度不高的齒輪傳動(dòng)，由于制造誤差較大，實(shí)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(jì)算，通常按全部載荷作用于齒頂來(lái)計(jì)算齒根 的彎曲強(qiáng)度。當(dāng)然，采用這樣的方法，輪齒的彎曲強(qiáng)度比較富裕。 4.2.5. 本機(jī)構(gòu)中齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)與校核 1. 選定齒輪類(lèi)型，精度等級(jí)，材料及齒數(shù)。 1）選用斜齒圓柱齒輪傳動(dòng)選用 7 級(jí)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) =184=72。1Z2Z 4）初選螺旋角為 。4 2. 按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行試算，即 (4-9)2311 )(2HEdtt uTK 確定公式內(nèi)各計(jì)算數(shù)值 試選載荷系數(shù) 6.tK 由表 107 選齒寬系數(shù)1d 由圖 10-26 得 (4-10)6.804.021 查機(jī)械設(shè)計(jì)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(qiáng)度極限 (4-11)Hlim1li2a50 計(jì)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(jì)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(jì)算 試算小齒輪分度圓直徑 (4-16)m ZuTdHEdtt07.64)8.60743219(519.2)3.3 211 計(jì)算圓周速度 (4-17)smndvt /4..41 計(jì)算齒寬 (4-18)btd07.6.1 計(jì)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(jì)算縱向重合度 (4-22)427.1tan31zd 計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù) V=0.64m/s，7 級(jí)精度，由圖 10-8 查得動(dòng)載系數(shù)02.vK 斜齒輪 (4-23)4.1FH 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(jí)精度，小齒輪相對(duì)支撐非對(duì)稱(chēng)布置時(shí)，31.HK 由 .,26.8Hhb 查圖 10-13 得 .1F 故載荷系數(shù) (4-24)87.134.021HVAK 6）按實(shí)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(jì)算模數(shù) m (4-26) z4.1cos8.cos1 3. 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 彎曲強(qiáng)度的設(shè)計(jì)公式為 (4-27)cos221 33 FSdYzYKTm 確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值 由圖 10-20c 查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限FE12a380MP 由圖 10-18 取彎曲疲勞壽命系數(shù) 95.NK 計(jì)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(jì)算載荷系數(shù) (4-29)..2KVA 計(jì)算重合度系數(shù) ，由圖 10-28 得 1.4270.8Y 計(jì)算當(dāng)量齒數(shù) (4-30) 19.74cos8Z331v (4-31).22 查取齒形系數(shù) 由表 10-5 查得 15 82.1FY2.FY 查取應(yīng)力校正系數(shù)。 由表 10-5 查得 54.1Sa 768.12S 7）計(jì)算大小齒輪的 并加以比較Fa (4-32)09.86.2571FSY (4-33)152..2 小齒輪的數(shù)值較大 設(shè)計(jì)計(jì)算 (4-34) m YZYKTFSd648.20169.6.14cos809.1cos225213 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，由齒面接觸疲勞計(jì)算的模數(shù) m 大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算 的模數(shù)，由于齒輪模數(shù) m 的大小主要取決于接觸強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面 彎曲疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可取由接觸強(qiáng)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(jì)算 計(jì)算中心距 mm (4-36)2.175cos2)(1nmza 計(jì)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(arcosn 計(jì)算大小齒輪分度圓直徑 (4-39)mmzdn073.1cs41 16 (4-40) mmzdn28073.1cos462 計(jì)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(jì)計(jì)算 4.3.1 軸的設(shè)計(jì)概述 軸的作用，做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)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(guò)軸才能實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)。因此，軸的主要功能就是支承傳動(dòng)零件并傳 遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。 軸可以根據(jù)不同的條件加以分類(lèi)。 按受載情況分 同時(shí)承受彎矩和轉(zhuǎn)矩作用的軸稱(chēng)為轉(zhuǎn)軸；只承受轉(zhuǎn)矩作用的軸稱(chēng)為傳動(dòng)軸； 只承受彎矩作用的軸稱(chēng)為心軸。 按結(jié)構(gòu)形狀分 有實(shí)心軸（一般齒輪軸） 、空心軸（車(chē)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(jiàn)的是同時(shí)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(jiàn)的失效形式有： 疲勞斷裂，椐統(tǒng)計(jì)資料表明，軸團(tuán)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(guò)大的彎曲變形或扭轉(zhuǎn)變形。 高速工作振幅過(guò)大。 其他失效形式，如軸頸或?qū)蚧ㄦI的磨損，高溫下工作時(shí)的蠕變，被腐蝕介 質(zhì)腐蝕等。 軸的設(shè)計(jì)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(jì)。 17 正確選擇軸的材料、毛坯種類(lèi)和熱處理方法。 合理設(shè)計(jì)軸的結(jié)構(gòu)。 正確選擇設(shè)計(jì)計(jì)算方法，對(duì)多數(shù)轉(zhuǎn)軸要進(jìn)行疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算或精確驗(yàn)算； 對(duì)受力大的細(xì)長(zhǎng)軸（如蝸桿軸）和剛度要求高的軸（如機(jī)床主軸）還應(yīng)剛度計(jì)算； 對(duì)高速軸（如汽輪機(jī)軸） ，因有共振危險(xiǎn)，還應(yīng)進(jìn)行振動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)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(dòng)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(guò)度圓角；軸端的倒角；與鍵連接處的鍵槽等結(jié)構(gòu)。 長(zhǎng)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(qiáng)度、韌性，與軸上零件有相對(duì)滑動(dòng)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(jià)格低廉，對(duì)應(yīng)力集中敏 感性較小，可以通過(guò)調(diào)質(zhì)或正火處理以保證其力學(xué)性能，通過(guò)表面淬火或低溫回 火以保證其耐磨性。對(duì)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(jià)格較貴，對(duì)應(yīng)力集中較敏感，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須盡量減少應(yīng)力 集中。 球墨鑄鐵 耐磨、價(jià)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(lái)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=（0.070.1）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(dòng)，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(guò)長(zhǎng)可采用圓螺母； 受載較小時(shí)可采用彈性擋圈、緊定螺釘和銷(xiāo)釘?shù)裙潭ā?軸上零件的周向固定就是保證軸上的傳動(dòng)零件要與軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。常用的固定 方式有鍵連接和過(guò)盈配合。轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，可采用花鍵連接，也可同時(shí)采用平鍵連 接和過(guò)盈配合連接來(lái)實(shí)現(xiàn)周向固定。轉(zhuǎn)矩較小時(shí)，可采用緊定螺釘、銷(xiāo)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(jiǎn)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(gè)單鍵連接 時(shí)，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(chē)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(dòng)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(dòng)零件過(guò)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(zhǎng)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(dòng)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(qiáng)度 加大軸肩處的過(guò)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(qiáng)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(qiáng)度。 安裝時(shí)，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(duì)于過(guò) 盈配合得軸段要采用專(zhuān)門(mén)工具進(jìn)行裝配，例如大尺寸得軸承可用壓力機(jī)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(zhuān)門(mén)工 具，應(yīng)盡量使軸避免承受過(guò)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(jī)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(shí)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(guò)量載荷和沖擊載荷，并保證軸得疲勞強(qiáng)度。 在工作過(guò)程中，對(duì)機(jī)械要定期檢查和維修，對(duì)于軸得維護(hù)重點(diǎn)注意三個(gè)方面。 認(rèn)真檢查軸和軸上零件得完好程度，若發(fā)現(xiàn)問(wèn)題應(yīng)及時(shí)維修或更換。軸得維 修部位主要是軸頸和軸頭，對(duì)精度要求較高得軸，在磨損量較小時(shí)，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(duì)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(bǔ)后再銑制新鍵 槽。 認(rèn)真檢查軸和軸上主要傳動(dòng)零件工作位置得準(zhǔn)確性、軸承的游隙變化并及時(shí) 調(diào)整。軸上得傳動(dòng)零件（如齒輪、鏈輪等）和軸承必須保證良好得潤(rùn)滑。應(yīng)當(dāng)根 據(jù)季節(jié)和地點(diǎn)，按規(guī)定選用潤(rùn)滑劑并定期加注。要對(duì)潤(rùn)滑油得數(shù)量及時(shí)檢查、補(bǔ) 充和更換。 4.3.2 主軸的設(shè)計(jì)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：20A (4-41) mnpAd 26.485.7312 30min 軸上有三個(gè)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(jì)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(jì)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(dòng)軸承和套筒來(lái)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(qiáng)度來(lái)校核軸的強(qiáng)度。只需校核齒輪所在剖面處的強(qiáng)度 mNT5106. (4-43) MPadWt 8.21)4.0(52.6)1(2. 3543 TTMPa 故安全 4.4 第二根軸的強(qiáng)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)3198.0398.0KW n (4-45)min/125472ri 初步確定軸的最小直徑 選材料為 45 鋼時(shí)，取 A =1100 d (4-46)nP27.9158.3132min 取最小軸徑 30mm，其結(jié)構(gòu)詳見(jiàn)圖紙，下面僅對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度校核 軸的材料的選擇 該軸無(wú)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 Ppm2KW5832 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)2204N 扭矩 T T = (4-48)179458.390m 21 計(jì)算彎矩 M ca M = =289000 1ca2217945.069mN (4-49)ca. 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度 只校核軸的齒輪所在截面處的強(qiáng)度即可： (4-50)MPaWcac 42.8701.293 對(duì) 的碳鋼，承受對(duì)稱(chēng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)的PB60 許用應(yīng)力 故安全ca5 22 圖 4.3 力矩圖 23 4.5 鍵的校核 校核刀架上的四個(gè)鍵 主軸 鍵 181408hlb 斜齒輪軸 鍵 0626 電機(jī) 鍵 1 減速器 鍵 773l 1）主軸的鍵的強(qiáng)度校核 (4-51)Mpakld Tp 56045.21033 mpa 鍵的強(qiáng)度安全 2）斜齒輪軸鍵的強(qiáng)度校核 (4-52)Mpapakld Tp p1207.63504193 3）減速器上的鍵的校核 (4-53) p pakld9.253.5 19.3 鍵的強(qiáng)度安全 4) 電機(jī)上鍵的校核 (4-54)p Mpakld T9.4138604213 鍵的強(qiáng)度安全 24 結(jié)論 畢業(yè)設(shè)計(jì)是教學(xué)的重要環(huán)節(jié)，我們從上學(xué)開(kāi)始到現(xiàn)在，一直接觸的是理論的 課本知識(shí)，對(duì)于實(shí)際的東西知之甚少。本次設(shè)計(jì)是我們由理論走向?qū)嵺`的開(kāi)始， 用理論來(lái)指導(dǎo)實(shí)踐正是我們這次設(shè)計(jì)的目的。以后走向工作崗位，做的都是實(shí)際 的東西，因此，本次設(shè)計(jì)對(duì)于我們走向工作起到了鏈接作用，為我們?cè)谧呱瞎ぷ?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(jī)的設(shè)計(jì)是在自己充分調(diào)研的情況下，在老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立查閱 資料，獨(dú)立思考，確定方案來(lái)設(shè)計(jì)的，可以說(shuō)用到了我們大學(xué)四年所有理論和專(zhuān) 業(yè)課的知識(shí)，對(duì)以前學(xué)的知識(shí)進(jìn)行了鞏固，并且學(xué)到了許多設(shè)計(jì)方面的知識(shí)，和 查閱資料方面的知識(shí)，并且獨(dú)立思考，學(xué)會(huì)了分析問(wèn)題和解決問(wèn)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(jì)的滾齒機(jī)刀架滑板涉及的東西很多，用到了許多以前沒(méi)接觸過(guò)的材 料和加工安裝方法，增長(zhǎng)了見(jiàn)識(shí)，明白了理論和實(shí)踐的統(tǒng)一以及如何在設(shè)計(jì)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(jì)所完成的內(nèi)容有： 1. 明確設(shè)計(jì)任務(wù)，查閱相關(guān)資料，翻譯相關(guān)外文資料，寫(xiě)出開(kāi)題報(bào)告。 2. 完成滾齒機(jī)滑板及刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算及總體結(jié)構(gòu)圖設(shè)計(jì)。 3. 完成滑板及刀架結(jié)構(gòu)裝配圖設(shè)計(jì)。 4. 整理圖紙，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)計(jì)算說(shuō)明書(shū)。 25 參考文獻(xiàn) 1 劉潤(rùn)愛(ài)，張根保滾齒機(jī)及滾齒加工技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)J現(xiàn)代制造工程， 2003, (11):8486 2 廖紹軍，李先廣面向綠色制造的滾齒機(jī)研究現(xiàn)狀分析及發(fā)展趨勢(shì)J制造 技術(shù)與機(jī)床，2004，(11):4750 3 徐鴻根齒輪制造技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)J制造技術(shù)與機(jī)床，1994，(9):43 45 4 濮良貴,紀(jì)名剛機(jī)械設(shè)計(jì)M第八版北京：高等教育出版社，2006. 5 胡家秀.機(jī)械零件設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)M機(jī)械工業(yè)出版社, 199910 6 曾志新,呂明機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)北京：化學(xué)工業(yè)出版社,1999. 7 王昆,何小柏 ,汪信遠(yuǎn)機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)北京：高等教育出版,2005 8 陶曉杰，王治森滾齒機(jī)床熱變形對(duì)加工精度的影響J機(jī)械傳動(dòng)， 2005，(3):52 62 9 李洪實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)M北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1999 10 彭文生, 李志明,黃華梁 主編機(jī)械設(shè)計(jì)北京：高等教育出版社,1999. 11 鄧生明，羅魁元滾齒機(jī)的運(yùn)動(dòng)分析及滾刀安裝角調(diào)整方法口訣的應(yīng)用 J工具技術(shù)， 2004,(10):8081 12 王艷輝,伍建國(guó)精密機(jī)床床身結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)J機(jī)械設(shè)計(jì)與研究， 20