T6112臥式鏜床設(shè)計含11張CAD圖帶開題,t6112,臥式,鏜床,設(shè)計,11,十一,cad,開題 I T6112 臥式鏜床設(shè)計 Design of T6112 Horizontal Boring Machine 摘 要 在全面了解臥式鏜床的結(jié)構(gòu)、工作原理、控制方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計 T6112 臥式 鏜床傳動系統(tǒng)及其執(zhí)行機(jī)構(gòu)。根據(jù)臥式鏜床的工作原理，即電動機(jī)作為工作機(jī)構(gòu)的 動力源，結(jié)合機(jī)床的四個方向的運(yùn)動，即主軸的上移和下移，工作臺的橫向和縱向 移動，進(jìn)而完成對工件的全面加工。確定了臥式鏜床的結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)，給出了臥 式鏜床的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。 根據(jù)臥式鏜床的設(shè)計方案，文中詳細(xì)敘述了 T6112 鏜床執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計，傳動系 統(tǒng)的設(shè)計：電動機(jī)規(guī)格的選取、主軸設(shè)計、主軸變速機(jī)構(gòu)設(shè)計、床身與工作臺結(jié)構(gòu) 設(shè)計。 關(guān)鍵詞：臥式鏜床；主軸箱；主軸變速機(jī)構(gòu)；電機(jī)；工作臺 II ABSTRACT On the basis of the structure, principle, control method of the horizontal boring machine，the transmission system and implementing mechanism of T6112 horizontal boring machine are designed. According to the principle of the horizontal boring machine, in which the motor is the power source, combining with the four directional movements of the machine, that is the up and down movements of main shaft, the horizontal and vertical movement of work table, then complete the processing of the work piece. The structure and technical parameters of the horizontal boring machine are given and the overall structure is designed. According to the horizontal boring machine design, this paper describes the design of implementing mechanism and the transmission system, including the selection of motor specification, the design of spindle gearshift, bed and work table. Key words: Horizontal Machine; Spindle Box; Spindle gearshift; Motor; Worktable 目 錄 摘要 ...................................................................I Abstract ...............................................................II 第 1 章 緒論 ..........................................................1 1.1 選題的背景及意義 ..................................................1 1.2 國內(nèi)外發(fā)展和現(xiàn)狀 ..................................................1 1.3 研究設(shè)想 ..........................................................3 1.4 總體設(shè)計方案 ......................................................3 1.5 預(yù)期結(jié)果 ..........................................................3 第 2 章 臥式鏜床總體設(shè)計方案 ........................................4 2.1 臥式鏜床的工作原理 ................................................4 2.2 臥式鏜床的總體布局 ................................................4 2.3 主要技術(shù)參數(shù) ......................................................5 2.4 臥式鏜床 ..........................................................6 2.4.1 組成部件及運(yùn)動 .................................................6 2.4.2 主軸部件機(jī)構(gòu) ...................................................6 2.4.3 夾具 ...........................................................7 2.5 本章小結(jié) ..........................................................8 第 3 章 臥式鏜床傳動系統(tǒng)設(shè)計.......................................9 3.1 主傳動系統(tǒng)的運(yùn)動設(shè)計 ..............................................9 3.1.1 電機(jī)的選擇 .....................................................9 3.1.2 合理分配傳動比一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： ............................10 3.1.3 計算傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù) ..................................11 3.2 軸的設(shè)計及其校核 .................................................12 3.2.1 鏜軸的設(shè)計 ....................................................12 3.2.2 與主電機(jī)連接的軸的設(shè)計與校核 ..................................13 3.2.3 三聯(lián)齒輪（Ⅰ）上的軸的校核 ....................................16 3.2.4 蝸輪和蝸桿的計算與校核 ........................................19 3.3 齒輪的設(shè)計 .......................................................21 3.3.1 齒輪的設(shè)計計算方法與材料選擇原則 ..............................21 3.3.2 齒輪的失效形式 ................................................22 3.3.3 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計及參數(shù)的確定 ....................................23 3.4 主軸軸承的設(shè)計與校核 .............................................27 3.5 鍵的設(shè)計與校核 ...................................................29 3.7 本章小結(jié) .........................................................33 結(jié)論..................................................................34 參考文獻(xiàn) .............................................................35 致謝..................................................................36 1 第 1 章 緒 論 1.1 選題的背景及意義 根據(jù)所學(xué)專業(yè)的需要，為了使所學(xué)知識得以運(yùn)用，選擇臥式鏜床為我的畢業(yè) 設(shè)計題目。 鏜床類機(jī)床的主要工作是用鏜刀進(jìn)行鏜孔，所以叫鏜床。鏜床主要分為臥式 鏜床、坐標(biāo)鏜床、金剛鏜床等。 因?yàn)榕P式鏜床除鏜孔外，還可鉆孔，擴(kuò)孔，鉸孔。尤其適合大型，復(fù)雜的箱 體類零件的孔加工。一般情況下，零件可以在一次安裝中完成大部分甚至全部的 加工工序，所以臥式鏜床特別適合于加工形狀、位置要求嚴(yán)格的孔系和加工尺寸 較大、形狀復(fù)雜且具有孔系的箱體、機(jī)架床身等零件。因此，臥式鏜床也是我國 重點(diǎn)開發(fā)設(shè)計的主要機(jī)床產(chǎn)品之一。T6112 臥式鏜床就是在這種背景下應(yīng)運(yùn)而生 的。由于 T6112 臥式鏜床在性能與結(jié)構(gòu)上的諸多優(yōu)點(diǎn)，它的應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬廣， 已形成了比較成熟的設(shè)計制造技術(shù)。 臥式鏜床主要由工作臺，主軸箱，前立柱，后立柱，下滑座，上滑座和床身等 部件組成。主要可以完成下列工作運(yùn)動： 1、 鏜桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動； 2、 平旋盤的旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動； 3、 鏜桿的軸向進(jìn)給運(yùn)動 4、 主軸箱垂直進(jìn)給運(yùn)動 5、 工作臺縱向進(jìn)給運(yùn)動 6、 工作臺橫向進(jìn)給運(yùn)動 7、 平旋盤徑向刀架進(jìn)給運(yùn)動 8、 輔助運(yùn)動：主軸箱，工作臺，在進(jìn)給方向上的快速調(diào)位運(yùn)動；后 立柱縱向調(diào)位運(yùn)動，后支架垂直調(diào)位運(yùn)動。 通過運(yùn)用自己所學(xué)知識及大量的實(shí)際考察和查閱資料，對臥式鏜床的傳動系統(tǒng)、 主軸箱、平旋盤及主軸變速機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。最終實(shí)現(xiàn)臥式鏜床的各種加工。 1.2 國內(nèi)外發(fā)展和現(xiàn)狀 1、國外鏜床行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀 鏜削加工是一種比較傳統(tǒng)的加工方法。目前，在 21 世紀(jì)初期，美、德、日等 各國鏜床的發(fā)展歷史，大致可分為以下三個階段： 2 (1)二十世紀(jì)初期，即鏜床的誕生階段。 (2)到二次大戰(zhàn)前，這是鏜床行業(yè)從誕生到形成較完整體系的階段。 (3)從二次大戰(zhàn)到現(xiàn)在，是鏜床的質(zhì)量、性能、水平大發(fā)展的階段。 目前，隨著電子技術(shù)、計算機(jī)、自動化、控制測量技術(shù)和材料工業(yè)的發(fā)展，國 外鏜床的控制技術(shù)、鏜削工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計及外圍設(shè)備均有了新的發(fā)展，達(dá)到了與 70 年代明顯不同的新高度。其主要發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢歸納如下： (1)鏜床數(shù)控技術(shù)得到迅速發(fā)展。 (2)臥式鏜床設(shè)計結(jié)構(gòu)和工藝的發(fā)展。 (3)向柔性化、無人化、超精密化的開拓性研究。 國外數(shù)控鏜床及臥式加工中心產(chǎn)品大多以普通臥鏜為基型，發(fā)展成不同水平的 產(chǎn)品。如在普通臥鏜上配上不同水平的數(shù)控系統(tǒng)后成為不同的數(shù)控臥鏜。在數(shù)控臥 鏜的基礎(chǔ)上，再加上刀庫和機(jī)械手，成為自動換刀型的產(chǎn)品。最終都將會演變成不 同布局和不同精度水平的臥式加工中心產(chǎn)品。 在國外已普及用 CAD 對機(jī)床的基礎(chǔ)大件如床身、立柱、滑座等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。 這樣不僅可以大量節(jié)約原材料，同時還可縮短設(shè)計周期，提高機(jī)床的動態(tài)特性。更 為突出的是，在機(jī)床設(shè)計中普遍采用模塊化設(shè)計方法，可較快地開發(fā)新品種，滿足 不同用戶的需求。 當(dāng)新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料在機(jī)床上大量應(yīng)用時，使機(jī)床技術(shù)水平有明顯的提 高，促使加工零件高精度化，高效化和高速化。 2、我國鏜床行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)狀 經(jīng)過將近半個世紀(jì)的發(fā)展，我國鏜床行業(yè)已經(jīng)發(fā)展成一個具有相當(dāng)規(guī)模、門類 齊全、有一定技術(shù)水平以及生產(chǎn)能力的金屬切削機(jī)床行業(yè)。 目前，國內(nèi)最大的 TK6925 數(shù)控落地銑鏜床在齊齊哈爾第二機(jī)床公司設(shè)計制造 完成。這次最大的銑鏜床是為武漢船用機(jī)械廠生產(chǎn)的。是目前同類產(chǎn)品中規(guī)格最大， 技術(shù)含量最高，具有自主知識產(chǎn)權(quán)且結(jié)構(gòu)新穎的重型機(jī)床，具有十二軸控制，任意 四軸聯(lián)動功能。以落地銑鏜床為主體的高技術(shù)含量機(jī)電一體化重型金切機(jī)床裝備， 已成為齊二機(jī)床公司參與市場競爭，實(shí)現(xiàn)企業(yè)快速發(fā)展的支柱性主導(dǎo)優(yōu)勢產(chǎn)品，市 場占有率已達(dá) 85%以上，引領(lǐng)國內(nèi)數(shù)控落地銑鏜床快速發(fā)展。 由交大昆機(jī)科技股份有限公司開發(fā)出的 TK6111 數(shù)控銑鏜床，填補(bǔ)了我國在臺 式數(shù)控臥式銑鏜床上的空白，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)鏜軸直徑 110mm 規(guī)格的 臺式數(shù)控臥式銑鏜床的領(lǐng)先水平，進(jìn)一步縮短了與國外同類產(chǎn)品的差距。 我國機(jī)床工業(yè)已經(jīng)取得了巨大的成就，但與世界先進(jìn)水平相比，還有較大的差 3 距，因而我們必須奮發(fā)圖強(qiáng)、努力工作，學(xué)習(xí)和引進(jìn)國外的先進(jìn)科學(xué)技術(shù)，以便早 日趕上世界先進(jìn)水平。 1.3 研究設(shè)想 本文仔細(xì)分析了臥式鏜床的組成結(jié)構(gòu)及傳動系統(tǒng)圖，主要針對主軸箱進(jìn)行了 全面細(xì)致的研究設(shè)計，針對主軸，平旋盤進(jìn)行了改進(jìn)，使臥式鏜床的應(yīng)用更為廣泛， 功能更多，加工的零件精度更高。 1.4 總體設(shè)計方案 本機(jī)床主運(yùn)動采用二個三聯(lián)滑移齒輪和一個雙聯(lián)滑移齒輪實(shí)現(xiàn)變速，電機(jī)運(yùn)動 傳至空心主軸，由齒輪副傳動主軸得到 18 級低檔轉(zhuǎn)速，當(dāng)其中一個齒輪 Z23 左移 時，又由另一組齒輪副傳動主軸得到 6 級高檔轉(zhuǎn)速，因此共有 24 級轉(zhuǎn)速，若 Z23 處于空擋位置，將軸 XV 上的滑移齒輪 Z27 和平旋盤主軸上 Z26 齒輪嚙合，運(yùn)動 被傳到平旋盤上，使平旋盤獲得 18 級轉(zhuǎn)速。 1.5 預(yù)期設(shè)想 能夠順利完成設(shè)計，實(shí)現(xiàn)對臥式鏜床主軸和變速機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新與改進(jìn)。 4 第 2 章 臥式鏜床總體設(shè)計方案 2.1 臥式鏜床的工作原理 臥式鏜床主要由工作臺，主軸箱，前立柱，后立柱，下滑座，上滑座和床身 等部件組成。主軸箱可沿前立柱的導(dǎo)軌上下移動。在主軸箱中，裝有主軸部件、主 運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動變速機(jī)構(gòu)以及操縱機(jī)構(gòu)。根據(jù)加工情況不同，刀具可以裝在鏜桿上 或平旋盤上。加工時，鏜桿旋轉(zhuǎn)完成主運(yùn)動，并可沿軸向移動完成進(jìn)給運(yùn)動；平旋 盤只能做旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動。裝在后立柱上的后支架用于支撐懸伸長度較大的鏜桿的懸伸 端，以增加剛性。后支架可沿后立柱上的導(dǎo)軌與主軸箱同步升降，以保持鏜桿不同 長度的需要。工件安裝在工作臺上，可與工作臺一起隨下滑座或上滑座作縱向或橫 向移動。工作臺還可繞上滑座的圓導(dǎo)軌在水平平面內(nèi)轉(zhuǎn)位，以便加工互相成一定角 度的平面或孔。當(dāng)?shù)毒哐b在平旋盤的徑向刀架上時，徑向刀架可帶著刀具作徑向進(jìn) 給，以車削端面。綜上所述，臥鏜具有下列工作運(yùn)動： 1. 鏜桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。 2. 平旋盤的旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動 3. 鏜桿的軸向進(jìn)給運(yùn)動 4. 主軸箱垂直進(jìn)給運(yùn)動 5. 工作臺縱向進(jìn)給運(yùn)動 6. 工作臺橫向進(jìn)給運(yùn)動 7. 平旋盤徑向刀架進(jìn)給運(yùn)動 8. 輔助運(yùn)動：主軸箱，工作臺，在進(jìn)給方向上的快速調(diào)位運(yùn)動；后立柱 縱向調(diào)位運(yùn)動，后支架垂直調(diào)位運(yùn)動。 2.2 臥式鏜床的總體布局 1、本鏜床按照以下要求進(jìn)行總體布局: （1）保證工藝方法所要求的工件和刀具的相對位置和相對運(yùn)動； （2）保證機(jī)床具有與所要求的加工精度相適應(yīng)的剛度和抗震性； （3）便于觀察加工過程；便于操作、調(diào)整和修理機(jī)床；便于輸送、裝卸工件 和排除切削，并保證工件安全； （4）經(jīng)濟(jì)性好，如節(jié)省材料，減少占地面積。 2、 T6112 臥式鏜床的傳動形式 5 本鏜床采用機(jī)械傳動。機(jī)械傳動的優(yōu)點(diǎn)是：實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的結(jié)構(gòu)簡單；機(jī)械 故障一般容易發(fā)現(xiàn)。另外，機(jī)械傳動的傳動比較為準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)定比傳動較方便。 2.3 主要技術(shù)參數(shù) 機(jī)床的主要技術(shù)參數(shù)包括主參數(shù)和基本參數(shù)。基本參數(shù)包括尺寸參數(shù)、運(yùn)動 參數(shù)、動力參數(shù)。主參數(shù)，或稱主要規(guī)格，表示機(jī)床的加工范圍。機(jī)床的尺寸參數(shù) 是指機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)尺寸。 主要技術(shù)參數(shù)如下： 主軸直徑 125mm 主軸最大許用扭轉(zhuǎn)力矩 3432 N.m 主 軸 承 受 最 大 軸 向 進(jìn) 給 抗 力 29420 N 平旋盤最大許用扭轉(zhuǎn)力矩 4987 N. m 主軸內(nèi)錐孔 公制 80 主軸最大行程 1000 mm 平旋盤徑向刀架最大行程 300 mm 主軸中心線距工作臺距離 0~1400mm 主軸轉(zhuǎn)速范圍 （24 級） 4~800r/min 平旋盤轉(zhuǎn)速范圍（18 級） 2.5~125r/min 主軸每轉(zhuǎn)時進(jìn)給量范圍 4~200mm/min 平旋盤每轉(zhuǎn)時進(jìn)給量范圍 0.063~10mm/min 工作臺尺寸 1400× 1600mm 工作臺最大行程 縱向 1600mm 橫向 1400mm 工作臺機(jī)動回轉(zhuǎn)速度 1r/min 工作承受最大重量 5000kg 工作臺快速移動速度 2m/min 機(jī)床重量 約 23 噸 機(jī)床外形尺寸 7225×3350×3355mm 主電機(jī)： 功率 13 kW 轉(zhuǎn)速 970 r/min 快速移動電機(jī)： 6 功率 4kW 轉(zhuǎn)速 960r/min 后立柱快速電機(jī) 功率 1.1kW 轉(zhuǎn)速 960r/min 油泵電機(jī): 功率 0.8kW 轉(zhuǎn)速 1380r/min 光學(xué)測量讀數(shù)精度 0.01mm 機(jī)床總量 5000kg 機(jī)床外型尺寸（長 寬 高） 2225×2300×2580 2.4 臥式鏜床 2.4.1 組成部件及運(yùn)動 臥式鏜床的外形由下滑座、上滑座、和工作臺組成的工作臺部件裝在床身導(dǎo) 軌上。上滑座可沿下滑座的導(dǎo)軌作橫向移動，下滑座又可沿床身導(dǎo)軌作縱向移動， 從而組成水平面內(nèi) X,Y 兩個坐標(biāo)方向的進(jìn)給和定位移動系統(tǒng)。工作臺還可在上滑座 的環(huán)形導(dǎo)軌上繞垂直軸線轉(zhuǎn)位，使工件能在水平面內(nèi)調(diào)整至一定角度，以便在一次 安裝中對相互平行或成一定角度的孔或平面進(jìn)行加工。主軸軸線為水平方向布置， 主軸箱可沿前立柱上的導(dǎo)軌在垂直方向上下移動，以實(shí)現(xiàn)垂直進(jìn)給運(yùn)動或使主軸軸 線處在 Z 坐標(biāo)方向上的不同位置。為了保證孔與孔以及孔與基準(zhǔn)面的距離精度，機(jī) 床上具有坐標(biāo)測量裝置，以實(shí)現(xiàn)主軸箱和工作臺的準(zhǔn)確定位。 主軸箱內(nèi)裝有主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動的變速傳動機(jī)構(gòu)及操縱機(jī)構(gòu)等。根據(jù)加工情 況不同，刀具可以裝在鏜軸前端的錐孔中，或裝在平旋盤的徑向刀具溜板上。加工 時，鏜軸旋轉(zhuǎn)完成主運(yùn)動，并可沿其軸線移動作軸向進(jìn)給運(yùn)動；平旋盤只能作旋轉(zhuǎn) 主運(yùn)動，裝在平旋盤導(dǎo)軌上的徑向刀具溜板，除了隨平旋盤一起旋轉(zhuǎn)外，還可沿導(dǎo) 軌移動作徑向進(jìn)給運(yùn)動。裝在后立柱垂直導(dǎo)軌上可上下移動的后支架，用以支承長 刀桿（鏜桿）的懸伸端，以增加其剛性。后立柱可沿床身導(dǎo)軌調(diào)整縱向位置，以適 應(yīng)支承不同長度的刀桿。 2.4.2 主軸部件機(jī)構(gòu) 臥式鏜床主軸部件的結(jié)構(gòu)形式較多。本床為三層主軸帶固定式平旋盤的主軸部 件，它由層層套裝的鏜軸、空心主軸和平旋盤主軸組成。鏜軸和平旋盤主軸用來安 裝刀具并帶動其旋轉(zhuǎn)，兩者可單獨(dú)轉(zhuǎn)動?？招闹鬏S用作鏜軸的支撐和導(dǎo)向，并傳動 7 其旋轉(zhuǎn)。平旋盤主軸由裝在主軸箱體左壁和中間壁孔內(nèi)的兩個精密圓錐滾子軸承支 承，軸承間隙可用螺母調(diào)整。空心主軸同樣用兩個圓錐滾子軸承支承，其前軸承裝 在平旋盤主軸前端的孔中，后軸承裝在主軸箱體右壁的孔中，軸承間隙用螺母調(diào)整。 在空心主軸的內(nèi)孔中，裝有三個淬硬的精密襯套，用以支承鏜軸。鏜軸用 38crMoAlA 鋼經(jīng)氮化處理制成。具有很高的表面硬度（1000~1200HV） ，它和襯套 的配合間隙很小（約 0.01mm 左右） ，而前后襯套間的距離較大，因而可長期地保 持較高的導(dǎo)向精度，并使主軸部件有較高的剛度。 鏜軸的前端有精密的莫氏錐孔，供安裝刀具和刀桿用。它由齒輪經(jīng)空心主軸 和兩個導(dǎo)鍵傳動旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)鍵固定在空心主軸上，其突出部分嵌在鏜軸的兩條長鍵槽 內(nèi)，使鏜軸既能由空心主軸帶動旋轉(zhuǎn)，又可在襯套中沿軸向移動。鏜軸的后端通過 推力球軸承和圓錐滾子軸承與支承座連接。支承座裝在后尾筒的水平導(dǎo)軌上，可由 絲杠經(jīng)螺母傳動移動，帶動鏜軸作軸向進(jìn)給運(yùn)動。鏜軸不做進(jìn)給時，利用支承座中 的推力球軸承和圓錐滾子軸承使鏜軸實(shí)現(xiàn)軸向定位。其中圓錐滾子軸承還可以作為 鏜軸的附加徑向支承，以免鏜軸后部的懸伸端下垂。 平旋盤主軸的前端，用螺釘和定位銷固定地安裝著平旋盤，它由齒輪傳動旋轉(zhuǎn)。 平旋盤的端面上銑有四條徑向 T 型槽，供緊固刀架或刀盤之用；在它的燕尾導(dǎo)軌 上，裝有徑向刀具溜板。刀具溜板的左側(cè)面上銑有兩條供緊固刀架用 T 型槽，有 側(cè)面的矩形槽中固定著齒條，由與其嚙合的齒輪傳動，使刀具溜板作徑向進(jìn)給運(yùn)動。 燕尾導(dǎo)軌的間隙可用鑲條進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)加工過程中刀具溜板不需作徑向進(jìn)給時， 可擰緊螺塞，通過小丁將其鎖緊在平旋盤上。 平旋盤上裝有刀具溜板的進(jìn)給機(jī)構(gòu)。運(yùn)動由齒輪 2 傳入，然后經(jīng)齒輪 18、蝸 桿、蝸輪、齒輪 25、和齒條傳動刀具溜板移動。上述這些齒輪、蝸桿、蝸輪等， 在工作過程中一面隨平旋盤一起繞它的軸線旋轉(zhuǎn)---公轉(zhuǎn)運(yùn)動；一面繞其自身的軸線 旋轉(zhuǎn)--- 自傳運(yùn)動。齒輪 2 空套在平旋盤的輪轂上，由伸出在主軸箱體外面的齒輪 17 傳動旋轉(zhuǎn)。當(dāng)齒輪 2 的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向與平旋盤相同時，由于齒輪 18 與 2 之間無相 對運(yùn)動，齒輪 18、蝸桿 19 和蝸輪 26 等不能產(chǎn)生自傳運(yùn)動，因而刀具溜板不作進(jìn) 給運(yùn)動。當(dāng)齒輪 2 的轉(zhuǎn)速與平旋盤不相等時，則齒輪 18 將沿著齒輪 2 滾動，產(chǎn)生 自傳運(yùn)動。于是蝸桿 19、蝸輪 26、和齒輪 25 等也都被帶動作自傳運(yùn)動，從而傳動 刀具溜板進(jìn)給。 2.4.3 夾具 在機(jī)床上加工工件，要求將工件迅速準(zhǔn)確的安裝在機(jī)床上并保證工件與刀具之 8 間有一個準(zhǔn)確可靠的加工位置，這就需要用一種工藝裝置來實(shí)現(xiàn)，這種用來使工件 定位和夾緊的工藝裝備，簡稱夾具。 夾緊裝置是使工件在外力作用下仍能保持其正確位置的裝置。機(jī)床夾具采用機(jī) 械、液動、氣動夾緊裝置等。 為了使工件在加工過程中不產(chǎn)生位移和振動，必須將工件緊固的夾住，并具有 足夠的夾壓剛度。夾壓點(diǎn)的布置應(yīng)使夾壓合力落在定位平面之內(nèi)，接近定位平面的 中心。主切削力方向與夾緊方向一致，卡具的作用： （1） 保證加工精度。 （2） 擴(kuò)大機(jī)床使用范圍。 （3） 減少輔助時間，提高生產(chǎn)效率。 （4） 減輕操作者勞動強(qiáng)度，有利于安全生產(chǎn)。 2.5 本章小結(jié) 本章就臥式鏜床做了大致的概括性的介紹，并介紹了重要的機(jī)構(gòu)的傳動原理。 列出了本機(jī)床的各個主要部分的參數(shù)并說明了卡具的一些問題。 9 第 3 章 臥式鏜床傳動系統(tǒng)設(shè)計 臥式鏜床的主運(yùn)動有：鏜軸和平旋盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；進(jìn)給運(yùn)動有：鏜軸的軸向運(yùn) 動，平旋盤刀具溜板的徑向進(jìn)給運(yùn)動，主軸箱的垂直進(jìn)給運(yùn)動，工作臺的縱向和橫 向進(jìn)給運(yùn)動;輔助運(yùn)動有：工作臺的轉(zhuǎn)位，后立柱縱向調(diào)位，后支架的垂直方向調(diào) 位，以及主軸箱沿垂直方向和工作臺沿縱向、橫向的快速調(diào)位運(yùn)動。 3.1 主傳動系統(tǒng)的運(yùn)動設(shè)計 設(shè)計主傳動系統(tǒng)時，一般應(yīng)滿足下列要求： 1) 機(jī)床的主軸需有足夠的轉(zhuǎn)速范圍和轉(zhuǎn)速級數(shù)（對于主傳動系統(tǒng)為直線運(yùn)動 的機(jī)床，則為直線速度的變速范圍和變速級數(shù)） ，以便滿足實(shí)際使用的要 求。 2) 主電動機(jī)和全部機(jī)構(gòu)需能傳遞足夠的功率和扭矩，并具有較高的傳動功率。 3) 執(zhí)行件（如主軸組件）需有足夠的強(qiáng)度、剛度，具有較大的抗熱衰減性能 及較大的摩擦系數(shù)和耐磨壽命。 4) 操作要輕便靈活、迅速、安全可靠，并便于調(diào)整和維修。 5) 結(jié)構(gòu)簡單、潤滑與密封良好，便于加工和裝配，成本低。 3.1.1 電機(jī)的選擇 根據(jù)動力源的不同，常用原動機(jī)可以分為四大類，即電動機(jī)，工業(yè)發(fā)展各有 不同，工業(yè)發(fā)展各有區(qū)別，但共同的是，都在大力加強(qiáng)科研。目前世界鏜床的科研 針對三大方向、6 大課題。三大方向是：（1）發(fā)展高精度、高效率鏜床；（2）保 護(hù)環(huán)境，發(fā)展省能、綠色的環(huán)保鏜床；（3）為發(fā)展高精度機(jī)器、裝置，加速研究 超精密加工技術(shù)，發(fā)展納米鏜床。結(jié)合當(dāng)前現(xiàn)代化 NC 機(jī)床技術(shù)發(fā)展需求，其共同 的科研 6 大課題為：（1）先進(jìn)高速主軸；（2）直線電機(jī)驅(qū)動；（3）復(fù)合加工技 術(shù)、進(jìn)一步提高效率；（4）適應(yīng)各種環(huán)境的保護(hù)，發(fā)展綠色鏜床；（5）超精密加 工技術(shù)；（6）發(fā)展各種新型并聯(lián)機(jī)構(gòu)鏜床。 下一代新機(jī)床的發(fā)展動向?qū)⑹牵海?）在上述三個方向、六大課題完善的基礎(chǔ) 上，進(jìn)一步開發(fā)出各色新工藝、新結(jié)構(gòu)的機(jī)床；（2）今后 IT 與機(jī)床結(jié)合的智能化， 網(wǎng)絡(luò)化將成為主流；（3）不斷向納米技術(shù)進(jìn)軍；（4）在單機(jī)技術(shù)基礎(chǔ)上，進(jìn)而向 制造系統(tǒng)推進(jìn)。 10 內(nèi)燃機(jī)，液壓馬達(dá)和氣壓馬達(dá)等，在選擇原動機(jī)的類型時，主要應(yīng)該從以下 三個方面進(jìn)行考慮： （1）執(zhí)行構(gòu)件的載荷特性，運(yùn)動特性，機(jī)械的結(jié)構(gòu)布局，工作環(huán)境，環(huán)保要 求等； （2）原動機(jī)的機(jī)械特性，適應(yīng)的工作環(huán)境，輸出參數(shù)可控性，能源供應(yīng)情等； （3）機(jī)械的經(jīng)濟(jì)性，效率，重量，尺寸等。 由于電力供應(yīng)的普遍性，且電動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，效率高，控制使 用方便等優(yōu)點(diǎn)，目前，大部分固定機(jī)械均優(yōu)先選用電動機(jī)作為原動機(jī)。 電動機(jī)是一種標(biāo)準(zhǔn)系列產(chǎn)品，使用時只需合理選擇其類型和參數(shù)即可。電動機(jī) 的類型有交流電動機(jī)，直流電動機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)和伺服電動機(jī)等。直流電動機(jī)和伺 服電動機(jī)造價高，多用于一些有特殊需求的場合；步進(jìn)電動機(jī)常用于數(shù)控設(shè)備中。 由于交流異步電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，成本低，工作穩(wěn)定可靠，容易維護(hù)，且交流電源易 于獲得，故是機(jī)械設(shè)備最常用的 原動機(jī)。 電動機(jī)容量用額定功率表示，對于標(biāo)準(zhǔn)電動機(jī)，要求其額定功率等于或大于工 作機(jī)所需的電動機(jī)功率。根據(jù)此原則選擇電動機(jī)的容量。 同步轉(zhuǎn)速低的電動機(jī)，磁極數(shù)多，其外廓尺寸及重量大，價格高；而同步轉(zhuǎn)速 高的電動機(jī)，磁極數(shù)少，尺寸和重量小，價格低。因此，確定電動機(jī)轉(zhuǎn)速時，應(yīng)該 從電動機(jī)和傳動裝置的總費(fèi)用，機(jī)械傳動系統(tǒng)的復(fù)雜程度及其機(jī)械效率等綜合考慮。 當(dāng)執(zhí)行構(gòu)件的轉(zhuǎn)速較高時，選用高速電動機(jī)能縮短運(yùn)動鏈，簡化傳動環(huán)節(jié)，提高傳 動效率。但如果執(zhí)行構(gòu)件的速度低，則選用高速電動機(jī)時會使減速裝置增大，機(jī)械 傳動部分的成本會大幅度增加，且機(jī)器的機(jī)械效率也會降低很多。因此，電動機(jī)的 轉(zhuǎn)速的選擇，必須從整機(jī)的設(shè)計要求出發(fā)。 根據(jù)選定的電動機(jī)類型，結(jié)構(gòu)，功率和轉(zhuǎn)速，從標(biāo)準(zhǔn)中查出電動機(jī)型號后，應(yīng) 該將其型號，額定功率，滿載轉(zhuǎn)速，電動機(jī)中心高，軸身尺寸，鍵槽尺寸記錄下備 用。 根據(jù)以上敘述原則和條件，對整個設(shè)計的動力部件進(jìn)行設(shè)計。 該機(jī)床是一般的金屬切削機(jī)床，無特殊的性能要求，采用 Y 系列封閉自扇冷 式鼠籠型三相異步電機(jī)具有高效低能耗起動轉(zhuǎn)矩大、噪音低、振動小、運(yùn)行安全可 靠的特點(diǎn)。工作條件：環(huán)境溫度不超過+40C;相對濕度不超過 95%；海拔不超過 1000m；額定電壓 380V，頻率 50Hz。根據(jù)臥式鏜床加工的技術(shù)要求，選定 13kW 主電機(jī)：P =13kW ，轉(zhuǎn)速 n =970r/min。 00 11 3.1.2 合理分配傳動比 合理分配傳動比一般應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： （1）各級傳動機(jī)構(gòu)的傳動比應(yīng)盡量在推薦范圍內(nèi)選取。 （2）應(yīng)使傳動裝置結(jié)構(gòu)尺寸較小、重量較輕。 （3）應(yīng)使各傳動件尺寸協(xié)調(diào)，結(jié)構(gòu)勻稱合理，避免干涉碰撞。 （4）各傳動副的傳動比應(yīng)盡可能不超過極限傳動比 , 。maxiin （5）各中間傳動軸應(yīng)有適當(dāng)轉(zhuǎn)速。 （6）為了便于設(shè)計使用，傳動比最好取標(biāo)準(zhǔn)公比的整數(shù)次冪。 3.1.3 計算傳動裝置的運(yùn)動和動力參數(shù) 設(shè)計計算傳動件時，需要知道各軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩或功率，因此應(yīng)將工作 機(jī)上的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩或功率推算到各軸上。 傳動裝置從電動機(jī)到工作機(jī)有六軸，依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ軸， 已知：功率 P =13kW ，轉(zhuǎn)速 n =970r/min。 00 1.各軸轉(zhuǎn)速 = = =413.4r/min210i697 = = =129.2 r/min3n2i04. = = =50.7 r/min43i51.9 = = =92.3 r/min5n4i187.0 = = =27.9 r/min65i237.9 2.各軸功率 = =13×0.97=12.61 kW1p01??d = =12.61× =11.63KW224)98.( = =11.63× =10.51KW335 = =10.51× =9.50KW4p4?).0( 12 = =9.50× =8.94KW5p45??3)98.0( = =8.94×0.97× =7.68KW666 3.各軸轉(zhuǎn)矩 =9550× =9550× =128N.mdTmdnP97013 = =128×1×0.97=124.16101??i mN. .682)4(26.422 ??? iT .1579.08.533 mN29)(15744?? i .4..2955 ??? T 843560)(9703.66 3.2 軸的設(shè)計及其校核 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括定出軸的合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸。 擬定軸上零件的裝配方案。 擬定軸上零件的裝配方案是進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計的前提，它決定著軸的基本形式。 所謂裝配方案，就是預(yù)定出軸上各零件的裝配方向，順序和相互關(guān)系。 軸上零件的定位： 為了防止軸上零件受力時發(fā)生沿軸向或周向的相對運(yùn)動，軸上零件除了有游動 或空轉(zhuǎn)的要求者外，都必須進(jìn)行軸向和周向定位，以保證其準(zhǔn)確的工作位置。 零件的軸向定位： 軸上零件的軸向定位是以軸肩、套筒、軸端擋圈和圓螺母等來保證的。軸肩分 為定位軸肩和非定位軸肩兩類。利用軸肩定位是最方便可靠的方法，但采用軸肩就 必然會使軸的直徑加大，而且軸肩處將因截面突變而引起應(yīng)力集中。因此，軸肩位 多用于軸向力較大的場合。定位軸肩的高度 h 一般取為 h=（0.07～0.1）d, d 為與 零件相配處的軸的直徑，單位為 mm。流動軸承的定位軸肩高度必須低于軸承內(nèi)圈 端面的高度，以便拆卸軸承。非定位軸肩是為了加工和裝配方便而設(shè)置的，其高度 一般取為 1～2mm。 3.2.1 鏜軸的設(shè)計 1、 軸的計算準(zhǔn)則 軸的計算準(zhǔn)則是滿足軸的強(qiáng)度或剛度要求，必要時還應(yīng)校核軸的振動穩(wěn)定性。 13 軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： （3.1）][2.0 953?????dnPWT 式中： ——扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力單位為 MPa；r? T——軸所受的扭矩，單位為 N·mm； ——軸的抗扭截面系數(shù)，單位為 mm3； n——軸的轉(zhuǎn)速，單位為 r/min； P——軸傳遞的功率，單位為 kW； d——計算截面處軸的直徑，單位為 mm； ——許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，單位為 MPa。??T? 由上式可得軸的直徑 d≥ （3.2）???? 3 3950950.2.2TTPPAnn?????? 式中，A= , ， , 即空心軸的內(nèi)徑 d1 與外徑 d 之30.T 341A???????1d 比，通常取 =0.5～0.6。 ? （1） 選擇軸的材料，確定許用應(yīng)力 鏜軸用 38crMoAlA 鋼經(jīng)氮化處理制成。具有很高的表面硬度 （1000~1200HV） ，HBS=229，δb=1000MPa ，δs=850 MPa,δ-1=495 MPa,τ- 1=285 MPa. （2） 初步估算軸的最小直徑 由文獻(xiàn)[1]查得，取 A=98~106 由公式（3.2） 341Pdn??????? 代入數(shù)據(jù)：n=27.9r/min， P=7.68kw，得 d≥68.95mm 考慮軸上同一截面有兩個鍵槽需將軸頸加大 7%，d=d ＇ （1+7﹪ ）=73.8 mm， 因機(jī)床主軸部件由主軸和軸套等組成。軸套采用三支撐，前支承由軸承產(chǎn)品目錄中 初步選取雙列向心短圓柱滾子軸承，相應(yīng)的軸套直徑為 d =190，中間和后支承為 單列圓錐滾子軸承 32032，相應(yīng)的軸套直徑為 d =160，又考慮主軸上開有兩個長鍵 14 槽，用一對鍵將軸套和主軸相連接，故主軸軸頸 d =125mm。 3.2.2 與主電機(jī)連接的軸的設(shè)計與校核 1、與主電機(jī)連接的軸的設(shè)計 540ABC0.8.63C-D145??30.8? 145???3?520?50 圖 3.1 與主電機(jī)連接的軸 1）選擇軸的材料，確定許用應(yīng)力 因傳遞的功率屬中小功率，對材料無特殊要求，故選用 45 鋼并經(jīng)調(diào)質(zhì)處 理。由文獻(xiàn)查得強(qiáng)度極限 ，許用彎曲應(yīng)力 =60 。MPaB637????b1??MPa 2） 初步估算軸的最小直徑 由文獻(xiàn)[1]查得，取 A=107~118 由公式（3.2） 341dn??????? 代入數(shù)據(jù)：n=970r/min ，P =12.61kw，得 d≥27.8mm （1）初步選擇滾動軸承 因左端軸端的軸承受徑向力的作用，故選用深溝球軸承。由軸承產(chǎn)品 目錄中初步選?。?）0 尺寸系列，標(biāo)準(zhǔn)精度的深溝球軸承 6010。其尺寸 為 d× × =50×80×16.(mm)，故 =50mm；DB1d （2）根據(jù)已選定的齒輪內(nèi)花鍵 =62mm，d =56mm，可確定花鍵軸 =62mm D2D ， =55mm，精度等級為 h6。2d 所以與主電機(jī)連接的軸的直徑取為 d=55mm。 2、與主電機(jī)連接的軸的校核 軸的載荷分析見圖 3.1。 按彎扭合成強(qiáng)度條件計算 1）作軸的計算簡圖 15 通常將軸當(dāng)作置于鉸鏈上的雙支點(diǎn)梁，其支點(diǎn)位置可根據(jù)軸承類型及組合方 式，確定：由傳動件（如齒輪、聯(lián)軸器等）傳遞到軸上的載荷，通常簡化為作用 于零件輪緣寬度中央的集中力，軸上轉(zhuǎn)矩則假定從傳動件輪轂寬度的中點(diǎn)算起； 若各載荷構(gòu)成空間力系，則將其分解到兩個互相垂直的平面內(nèi)。 圖 3.2 軸的載荷分析 2）作軸的彎矩圖 根據(jù)軸的受力簡圖，分別計算軸上的水平面內(nèi)的彎矩 M 、豎直面內(nèi)的彎矩 MH 在按矢量法合成彎矩 M（N·mm）V 由齒輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩計算軸所受徑向力： F = （3.3）tdT2 16 F =F tan （3.4）rt? 推出軸向力 F = =4.5 Nt5 106.243?3 徑向力 F = tan = ×0.364=1638 NrdT2?5 106.243? 進(jìn)而求得 M =157.5N·mH M =48.3 N·mV M =164.7 N·m 3）作軸的扭矩圖 扭矩 T T=124.2 N·m 4）作軸的相當(dāng)彎矩圖 由已求得的合成彎矩和轉(zhuǎn)矩，根據(jù)第三強(qiáng)度理論計算相當(dāng)彎矩 M ，并作出eq 相當(dāng)彎矩圖。 M = N·m （3.5）eq22)(T?? 式中， ——考慮彎矩和轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的應(yīng)力的循環(huán)特性不同而引入的修正系數(shù)。? M = = =180.8 N·meq22)(??22.146.07.14?? 按強(qiáng)度條件校核 = （3.6）eq?W eq = =10.87MPa <[ ]=60MPa 351.08?? 結(jié)論：經(jīng)校核該軸滿足工作條件，合格。 3.2.3 三聯(lián)齒輪（Ⅰ）上的軸的校核 1350AB50C0.8145??31.845??14??14??3D50 ?45 ?50 ?45 17 圖 3.3 三聯(lián)滑移齒輪所在的軸 軸受力分析圖見圖 3.4。 18 圖 3.4 軸的載荷分析 按彎扭合成強(qiáng)度條件計算 1、作軸的計算簡圖 通常將軸當(dāng)作置于鉸鏈上的雙支點(diǎn)梁，其支點(diǎn)位置可根據(jù)軸承類型及組合方式， 確定；由傳動件（如齒輪、聯(lián)軸器等）傳遞到軸上的載荷，通常簡化為作用于零件 輪緣寬度中央的集中力，軸上轉(zhuǎn)矩則假定從傳動件輪轂寬度的中點(diǎn)算起；若各載荷 構(gòu)成空間力系，則將其分解到兩個互相垂直的平面內(nèi)。 2、作軸的彎矩圖 根據(jù)軸的受力簡圖，分別計算軸上的水平面內(nèi)的彎矩 M 、豎直面內(nèi)的彎矩 MH 在按矢量法合成彎矩 M（N·m）V M = （3.7） 2VH? 由齒輪所傳遞的轉(zhuǎn)矩計算軸所受徑向力： F =F tan （3.8） rt? F = （3.9）tdT2 推出軸向力 F = =3350N （3.10）t1608.2 5? 徑向力 F = tan = ×0.364=1219.4N （3.11）rdT2?1608.2 5? 進(jìn)而求得 M =318.25 N·mH M =115.84 N·mV M = =338.7 N·m （3.12）2V? 3、作軸的扭矩圖 扭矩 T T =2.67×10 N·m4 4、作軸的相當(dāng)彎矩圖 由已求得的合成彎矩和轉(zhuǎn)矩，根據(jù)第三強(qiáng)度理論計算相當(dāng)彎矩 M ，并作出eq 相當(dāng)彎矩圖。 19 M = N·m （3.13）eq22)(T?? 式中的 —是考慮彎矩和轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的應(yīng)力的循環(huán)特性不同而引入的修正系? 數(shù) M =eq22)( = =2.67×10 N·m （3.14）??5108.37854??4 按強(qiáng)度條件校核 = =2.14 <[ ]=60MPa （3.15）Weqe??3 4.062? 結(jié)論：經(jīng)校核該軸滿足工作條件，合格。 3.2.4 蝸輪和蝸桿的設(shè)計與校核 根據(jù)蝸桿傳動的失效形式可得出其設(shè)計計算準(zhǔn)則為： 對于閉式蝸桿傳動，一般按齒面接觸強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計，按齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行校 核。為保證蝸桿傳動散熱狀態(tài)良好，工作可靠，還應(yīng)進(jìn)行熱平衡計算。 對于開式蝸桿傳動，通常只需按齒根彎曲強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計。 對于跨度大，剛性差的蝸桿軸，過大的彎曲變形會造成齒向載荷分布不均，因 此，還需進(jìn)行蝸桿軸的剛度校核。 1、選擇材料并確定許用應(yīng)力 （1）查文獻(xiàn)[1]中表 12.5，蝸桿選用 40Cr，表面淬火 45~55HRC。 （2）查文獻(xiàn)[1]中表 12.6，蝸輪選用錫青銅 ZCuSn10P1,砂模鑄造，[ ]H? =180MPa，[ ]=51MPa。F? 2、按蝸輪齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計 （1）確定蝸桿頭數(shù) 蝸輪齒數(shù)1Z2 查文獻(xiàn)[1]中表 12.2 選 =2,則 = =18 2=36i1Z? （2）初估效率 ? 由文獻(xiàn)[1]中 12.3.3 推薦,初估效率 =0.8? （3）蝸輪轉(zhuǎn)矩 2T =4987N.m2T （4）確定載荷系數(shù) K 查文獻(xiàn)[1]表 12.8 取工作情況系數(shù) =1.0,由 12.5.2 推薦取載荷分布系數(shù)A =1.0,取動載荷系數(shù) =1.05(初估 3m/s)。則?Kv2v? 20 = = =1.05 （3.16）KvA??05.1.? （5）確定模數(shù) 和蝸桿分度圓直徑 ，蝸輪分度圓直徑md2d mm =27199.6 mm （3.17）?? 22212 18037449805.1480???????????????HzTdm?33 查表 12.1 得 =28672 mm ， =6.3mm， =10， =63mm12dq1d 則 = =6.3 37=233mm 2 （6）計算蝸桿導(dǎo)程角 ，滑動速度 ，蝸輪切向速度?sv2v = （3.182.01tan?qz?31.?68? ） m/s=3.3m/s ???31.cos10625cos061??ndvs （3.19） m/s=0.08m/s 823106222 ????indv （3.20） m/s<3m/s,初選 =1.05 合適8.2 vK （7）計算總效率 根據(jù) =1.3m/s，查表 12.4 得 = = （錫青銅蝸輪，蝸輪齒面硬度svv?031??5. <45HRC） =0.825 ??????????5.13.tan96.tan96.0.1v?? （3.21） 總效率 =0.825 與初估效率 =0.8 有一定偏差，需復(fù)核 ，? 12dm （8）復(fù)核 12dm mm ?? 222 180374.08549705.148 ??????????????????????HzKT? 3 （3.22） =26700mm 28672 mm3?3 原設(shè)計合用。 3、校核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 21 （1）確定蝸輪螺旋角系數(shù) SY 當(dāng)量齒數(shù) 39.3 ???31.cos5032?zv （3.23） 根據(jù) 39.3， ，按插值法，查表 12.9 得 2.25?vz?31.?FY （2）確定蝸輪螺旋角系數(shù) ?Y =1- =0.92 ??1403. （3.24） （3）復(fù)核蝸輪轉(zhuǎn)矩 2T N.mm=5142844 N.mm 8.025497???? （3.25） （4）校核蝸輪彎曲強(qiáng)度 MPa=21.5 MPa 92.053.62514.164.12 ??????YmdKTFF （3.26） MPa<[ ]=51 MPa （3.27）5.FF? 彎曲強(qiáng)度足夠。 3.3 齒輪的設(shè)計 3.3.1 齒輪的設(shè)計計算方法與材料選擇原則 齒輪傳動是應(yīng)用最為廣泛的一種機(jī)械傳動。它是依靠齒輪輪齒齒廓直接接觸 來傳遞運(yùn)動和動力的，具有傳動比恒定，傳動效率高，使用壽命長以及承載能力高 等優(yōu)點(diǎn)，但也存在對制造和安裝精度要求較高以及成本較高等缺點(diǎn)。 齒輪傳動在不同的工況條件下，有著不同的失效形式，故對應(yīng)有不同的設(shè)計準(zhǔn) 則。因此在設(shè)計齒輪傳動時，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，分析其主要的失效形式，確定相應(yīng) 的設(shè)計準(zhǔn)則。但是，目前對齒面磨損、塑性變形尚未建立起廣為工程實(shí)際使用而且 行之有效的計算方法及設(shè)計數(shù)據(jù)，所以目前設(shè)計一般實(shí)用的齒輪傳動時，通常只按 保證齒根抗彎強(qiáng)度和保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn)則進(jìn)行計算。對于高速大功率的齒 輪傳動（如航空發(fā)動機(jī)主傳動、汽輪發(fā)電機(jī)主傳動等） ，還要按保證齒面抗膠合能 力的準(zhǔn)則進(jìn)行計算。 由實(shí)踐得知，在閉式齒輪傳動中，主要失效形式是齒面點(diǎn)蝕和齒根彎曲疲勞折 22 斷，齒面硬度小于 350HBS 的軟齒面發(fā)生點(diǎn)蝕的可能性更大。設(shè)計時應(yīng)選擇外硬內(nèi) 韌的材料，并保證齒面的接觸強(qiáng)度和齒根的抗彎強(qiáng)度。開式齒輪的主要失效形式是 磨損和輪齒折斷，一般不會發(fā)生點(diǎn)蝕。設(shè)計時應(yīng)選擇耐磨材料，并進(jìn)行齒根彎曲疲 勞強(qiáng)度計算。 齒輪常用材料為優(yōu)質(zhì)碳素鋼、合金鋼、鑄鐵和非金屬材料等。一般多用鍛件， 較大直徑齒輪不宜鍛造，需采用鑄鋼或鑄鐵。 齒輪材料的選擇原則為： （1） 滿足工作條件的要求 不同的工作條件，對齒輪傳動有不同的要求，故對齒輪材料亦有不同的要求。 但對于一般動力傳輸齒輪，要求其材料具有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，而且齒面硬，齒 芯韌。 （2） 合理選擇材料配對 如對硬度小于 350HBS 的軟齒面齒輪，為使兩輪壽命接近，小齒輪應(yīng)略高于大 齒輪，而且是兩輪硬度差在 30-50HBS 左右。為提高抗膠合性能，大、小輪應(yīng)采用 不同鋼號的材料。 根據(jù)上述原理、原則我們進(jìn)行軸和齒輪的設(shè)計計算 齒輪傳動類型很多。根據(jù)一對齒輪在嚙合過程中，其傳動比是否恒定，將齒輪 傳動分為圓形（圓柱形或圓錐形）齒輪傳動和非圓（如橢圓）齒輪傳動。在各種機(jī) 械中應(yīng)用最廣泛的是圓形齒輪傳動，而非圓齒輪傳動則用于一些具有特殊要求的機(jī) 械中。 根據(jù)兩齒輪嚙合傳動時其相對運(yùn)動是平面運(yùn)動還是空間運(yùn)動，可將其分為平面 齒輪傳動和空間齒輪傳動兩類。平面齒輪傳動用于傳遞兩平行軸之間的轉(zhuǎn)動，其形 狀為圓柱。根據(jù)輪齒形狀的不同，又分為直齒圓柱齒輪、斜齒圓柱齒輪以及人字齒 圓柱齒輪傳動，其嚙合形式又有外嚙合、內(nèi)嚙合和齒輪齒條嚙合三種?？臻g齒輪傳 動用于傳遞兩相交或相錯之間的轉(zhuǎn)動，常見的形式有圓錐齒輪傳動，準(zhǔn)雙面齒輪傳 動，交錯軸斜齒輪傳動及渦輪蝸桿傳動等。這里我選用的是直齒圓柱齒輪。 在生產(chǎn)實(shí)踐中，對齒輪傳動的要求是多方面的，但歸納起來不外乎下列兩項(xiàng)基 本要求： （1）傳動要準(zhǔn)確平穩(wěn) 即要求齒輪傳動在工作過程中，瞬時傳動比要恒定， 且沖擊小，振動小。 （2）承載能力提高 即要求齒輪傳動能傳遞較大的動力，且體積小，重量輕， 壽命長。為了建立齒輪傳動工作能力設(shè)計準(zhǔn)則，就應(yīng)掌握齒輪傳動在工作中的失效 23 形式。一般地說，齒輪傳動的失效主要是齒輪的失效，而其它部分（如齒圈、輪輻、 輪轂等） ，通常只按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計。 3.3.2 齒輪的失效形式 1、輪齒折斷 輪齒折斷有多種形式，在正常工況下，主要是齒根彎曲疲勞折斷, 在輪齒受載 時，齒根處產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力最大，再加上齒根過渡部分的截面突變及加工刀痕等引 起的應(yīng)力集中作用，當(dāng)輪齒重復(fù)受載時，齒根處就會產(chǎn)生疲勞裂紋，并逐步擴(kuò)展， 導(dǎo)致輪齒疲勞折斷。此外，在輪齒受到突然過載時，也可能出現(xiàn)過載折斷或剪斷； 在輪齒經(jīng)過嚴(yán)重磨損后齒厚過分減薄時，也會在正常載荷作用下發(fā)生折斷。 避免輪齒折斷和提高輪齒抗折斷能力的措施有限制齒根彎曲應(yīng)力，增大齒根過 度圓角半徑或降低表面粗糙度以減少應(yīng)力集中，提高齒芯材料的韌性，在齒根處施 行噴丸、滾壓等強(qiáng)化處理。 2、齒面點(diǎn)蝕 點(diǎn)蝕就是齒面材料在交變接觸應(yīng)力作用下，由于疲勞而產(chǎn)生的麻點(diǎn)狀剝蝕損 傷現(xiàn)象。齒面上最初出現(xiàn)的點(diǎn)蝕僅為針尖大小的麻點(diǎn)，隨著應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的增加， 麻點(diǎn)逐漸擴(kuò)大，特別是潤滑油的滲入，受壓擠脹，加速麻點(diǎn)的擴(kuò)展，導(dǎo)致齒面材料 脫落而形成凹坑。齒面點(diǎn)蝕會嚴(yán)重影響齒輪傳動的平穩(wěn)性，產(chǎn)生振動和噪聲，以致 齒輪不能正常工作。 疲勞點(diǎn)蝕首先出現(xiàn)在節(jié)線附近的齒根面上。這是由于齒面節(jié)線附近相對滑動速 度較小，難于形成潤滑油膜，摩擦力較大；節(jié)線附近參于嚙合的輪齒對數(shù)少，故接 觸應(yīng)力較大。 點(diǎn)蝕為閉式齒輪傳動的常見齒面失效形式。在開式齒輪傳動中，由于齒面磨損 較快，一般不會出現(xiàn)點(diǎn)蝕。 避免或減緩點(diǎn)蝕產(chǎn)生的措施，是限制齒面接觸應(yīng)力，提高齒面硬度和增加潤滑 油粘度等。 3、齒面磨損 齒面磨損主要是磨粒磨損。當(dāng)輪齒工作面間落入外部硬質(zhì)顆粒（如沙粒、鐵屑 等）時，齒面即被逐漸磨損而致報廢。它是開式齒輪傳動的主要失效形式之一。改 用閉式齒輪傳動是避免齒面磨粒磨損最有效的辦法。 4、齒面膠合 膠合是接觸齒面在一定壓力作用下金屬發(fā)生粘著，同時隨吃面的相對滑動使金 屬從齒面撕劃出溝槽的現(xiàn)象。 24 高速重載齒輪傳動中，常因接觸區(qū)局部溫度升高而導(dǎo)致潤滑油膜破裂，使兩齒 面金屬直接接觸而粘著，稱為熱膠合。而低速重載時則因接觸點(diǎn)局部壓力很高，使 接觸表面油膜破壞而粘著，稱為冷膠合。 減輕或防止膠合的措施有：選擇合適的參數(shù)（如適當(dāng)減小模數(shù)） ，減少齒面相 對滑動速度，提高齒面硬度，降低表面粗糙度值，合理匹