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序號（學(xué)號）： 010640502 長 春 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）開題報告 電動扳手設(shè)計 姓 名 李楠 學(xué) 院 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 機械工程及自動化 班 級 0106405 指導(dǎo)教師 李占國 教授 20** 年 ** 月 ** 日 序號（學(xué)號）： 010640502 長 春 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）譯文 An Advanced Ultraprecision Face Grinding Machine 姓 名 李楠 學(xué) 院 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 機械工程及自動化 班 級 0106405 指導(dǎo)教師 李占國 教授 20** 年 ** 月 ** 日 序號（學(xué)號）： 010640502 長 春 大 學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計（論 文）說明書 電動扳手設(shè)計 姓 名 李楠 學(xué) 院 機械工程學(xué)院 專 業(yè) 機械工程及自動化 班 級 0106405 指導(dǎo)教師 李占國 教授 20** 年 ** 月 ** 日 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 長 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）譯文紙 一種先進(jìn)的超精密磨床 蘭迪斯.隆德公司的生產(chǎn)精密機械的克蘭菲爾德部門，最近生產(chǎn)了一種超精密的端面磨床，該機床擁有幾個自動監(jiān)控功能。該公司免費給克蘭菲爾德大學(xué)的精密工程小組提供機床，以便他們進(jìn)行研究，特別是里外都完整的無損害的端面區(qū)部分。 本文論述了機械的設(shè)計、初加工試驗以及可能的研究項目。這些項目將因為這種先進(jìn)的機械系統(tǒng)的應(yīng)用而受益，系統(tǒng)結(jié)合了最先進(jìn)的自動檢測功能與控制加工過程功能。 關(guān)鍵詞：自動檢測 磨削 機械設(shè)計 精密機器 1 緒論 生產(chǎn)精密機械的克蘭菲爾德是UNOVA的一個子公司，它的專長是用先進(jìn)的原料生產(chǎn)和制造出價格合理的機器元件，包括陶瓷、玻璃、金屬互化物及硬質(zhì)合金鋼。克蘭菲爾德大學(xué)是以工業(yè)和制造業(yè)著稱的大學(xué)，它重視與工業(yè)界的密切聯(lián)系，而且現(xiàn)在正在開展超精密的、超高速加工的機械研究項目，包括超硬材料加工、脆性材料的韌性加工以及汽車產(chǎn)業(yè)的精密加工。這兩個團(tuán)體互補的研究興趣導(dǎo)致了生產(chǎn)精密機械的克蘭菲爾德公司設(shè)計和生產(chǎn)了一種先進(jìn)的超精密端面磨床給屬于SIMS的精密工程研究小組。這使得該小組擁有一系列的研究項目，特別是對于里外都完整的無損害的端面區(qū)部分。 原料的納米分散加工及控制被看作是一種中期至長期解決成本和時間問題的方法，這兩個問題折磨著電光學(xué)與其它精密零件的制造。例如：易碎原料的延展拋光能夠提供光滑的表面，事實上，它比一般的材料擁有較高的平滑度和外形精確度[1]。更重要的是,一個球表面很少或沒有經(jīng)歷表面下的損傷,因此消除了聯(lián)合傳統(tǒng)拋光進(jìn)行后續(xù)拋光的步驟。許多的“微小精密”產(chǎn)品(如半導(dǎo)體、光纖通信系統(tǒng)、計算機輔助系統(tǒng)等),以及較大的被航空、汽車等應(yīng)用的元件的性能越來越依賴于更高的幾何精度和微-納米表面。最近,汽車工業(yè)已經(jīng)顯示了未來對元件表面的要求，它需要具有幾個關(guān)鍵的傳輸元件，這種傳輸性能屬于光學(xué)性質(zhì),它的目標(biāo)是用10納米的Ra表面經(jīng)濟(jì)地完成對硬鋼的直接機械加工，而且無需對硬鋼進(jìn)行拋光。玻璃和陶瓷有無損害的表面，硬鋼有光學(xué)性質(zhì)表面，這種條件是非常嚴(yán)格的，它需要(a)一系列的機械工具，它們不是一般的最好的生產(chǎn)工具，例如，精度高、運動順暢、環(huán)硬度高[2]；(b)輔助設(shè)備的加入，人、特別是為了適應(yīng)特殊的應(yīng)用，例如砂輪的打磨維修和調(diào)節(jié)；以及(c) 使用正確的磨削技術(shù)（許多的變量—車輪的型號；冷凍劑；速度；供給等）。所有的條件都必須被滿足，現(xiàn)在能夠滿足這些條件的晶圓磨機器已經(jīng)生產(chǎn)出來。 2 目標(biāo) 為了滿足上面所提及的表面完整性和生產(chǎn)率的要求,這些要求適用于一系列的元件,主要的發(fā)展目標(biāo)包括: 1）．一個有高標(biāo)準(zhǔn)（上表面和下表面）完整性的較大的元件產(chǎn)品的機械加工效率 2）對易碎材料(眼鏡、陶瓷)優(yōu)先選擇柔軟的方式進(jìn)行機械加工 3）一個只有一個設(shè)置的單一過程來取代典型的三級研磨、腐蝕和拋光過程，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的生產(chǎn)率。 3過程 這個過程的一個主要要求是它應(yīng)該能夠在350毫米直徑元件上進(jìn)行極度平滑表面加工的能力。而且,表面應(yīng)該是光滑的(小于50Ra)以及有最小的表面損傷。理論上，其表面的性質(zhì)應(yīng)接近于拋光表面的性質(zhì)。為了滿足這些嚴(yán)格的要求，旋轉(zhuǎn)磨削已被應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)磨削的特性是它不像傳統(tǒng)的表面拋光，它有一個恒接觸長度和恒切削力。如圖1所示的磨削原理。砂輪、工件的旋轉(zhuǎn)以及砂輪的軸供給去除工件的表面余量，直到達(dá)到它的最后幾何厚度。 4 本機 該進(jìn)程和組件的較高要求需要質(zhì)量非常高的環(huán)剛度機。 研磨機（圖2）面的設(shè)計目標(biāo)是： 圖1關(guān)于研磨作業(yè)問題 1. 要求為達(dá)到亞微米亞表面損傷，環(huán)剛度應(yīng)該優(yōu)于200 N /m_1具有良好的動態(tài)阻尼。 2. 要實現(xiàn)總厚度 變化（TTV）的0.5 m公差，控制間距（輪部件的表面）應(yīng)該大于0.333弧秒。 3. 要實現(xiàn)亞微米亞表面損傷，切深度控制應(yīng)該優(yōu)于0.1 m。 4. 需要軸向誤差議案實現(xiàn)亞微米亞表面損傷,錠數(shù)應(yīng)該優(yōu)于0.1 m。 5. 測量與反饋元件厚度為0.5 m，以達(dá)到微米的厚度公差。 在地面幾何平面取決于相對位置的砂輪和旋轉(zhuǎn)軸工件。圖3顯示的相對運動和機軸。共有11個軸，再加上三個數(shù)字遙控加載項（未顯示），隨動控制下的所有驅(qū)動。 它們是： S1磨削主軸 C Workhead主軸 Z進(jìn)料 X砂輪 S2修整主軸 W軸修整 A傾斜間距 B傾斜偏航 S3驅(qū)動洗刷 P探頭厚度 洗刷臂 如下所述，平面精確度可以由旋轉(zhuǎn)軸加上旋轉(zhuǎn)的疊加有適當(dāng)?shù)闹鬏S路線方法實現(xiàn)。此外，這原型研究納入機受益于以下國家的最先進(jìn)的自動功能 監(jiān)督和加工過程的控制。 4.1 調(diào)整工件和磨削 轉(zhuǎn)動平衡性 因為地面幾何表面可描述幾何方程，這兩個旋轉(zhuǎn)軸S1和C中一相對對齊（圖3）已進(jìn)行簡化。研磨進(jìn)程需要平面砂輪和工件的平面要保持作為Z軸進(jìn)給的應(yīng)用之間的特定角度。這是典型的多角度小于1度，使得工件和車輪接近于平行。這個角度是由三個測量LVDT的監(jiān)測傳感器，測量位移之間的磨主軸防護(hù)外罩，并就精密加工表面外罩。該測量傳感器放置在磨削主軸外罩周圍，大約從中心等距離輪子的主軸在車輪平面軸，處于已知的分離位置。從這些傳感器的信息是返回到控制系統(tǒng)修改控制的A - （節(jié)距），B組，（偏航）和Z -（料）軸。這是一個具有獨特的保持工件平整度功能的機器，它減少和亞表面損傷工件表面光潔度并且提高了磨削力。這扭曲影響磨削主軸workhead路線，而當(dāng)時生產(chǎn)非平坦表面。按照常規(guī)機械通過機械調(diào)整對齊和依靠力量和撓度一般可以均衡。然而，如果在這臺機器的工藝條件變化時，將會自動校準(zhǔn)補償。這可以通過優(yōu)化以適應(yīng)材料和車輪條件在控制系統(tǒng)軟件的變化。 如圖4..所示為Z軸伺服控制功能框圖 超精密磨床641工作面 圖2. 面對磨床 圖3. 軸的名稱 圖4 Z軸功能框圖 4.2 砂輪 粗加工和精加工的車輪是通過對一個軸的專利系統(tǒng)同心安裝,其中包括一前進(jìn)/收回機制的粗加工輪，如圖5.所示 。 為了最大限度地組成生產(chǎn)量， 將運用第一輪來獲得高的材料去除率。進(jìn)行細(xì)粒度砂輪整理，然后用獲得成品尺寸和表面完整性。 圖5單軸雙滾輪系統(tǒng) 4.3 檢測砂輪聯(lián)系 聲波放射（AE）傳感器用于建立初始 砂輪之間的接觸和組件。由于建立第一個接觸到非常精細(xì)的限制的重要性，當(dāng)完成磨削，環(huán)傳感器是用于workhead 和磨削主軸。這些都非常敏感，在主軸的正對面，靠近信號源。對機砂輪修整裝置主軸也是以使聲波放射傳感器“觸摸衣”磨輪。 4.4 磨削力自動測量 通過磨削力測量傳感器內(nèi)放置力循環(huán)以遠(yuǎn)離外部力量，例如絲杠螺母，及其相關(guān)的摩擦。測量研磨力度給出了砂輪磨損很好的體現(xiàn)。 4.5 測量砂輪磨損以及構(gòu)件厚度 砂輪磨損監(jiān)測組件一起的厚度。一個特別設(shè)計的鐵砧和LVDT探頭集會用來衡量組成部分的厚度。這是所做的最初基準(zhǔn)到鐵砧和探針的多孔陶瓷真空吸盤面臨哪些組件是固定的。 在測量元件厚度時，砧是在同一滑道為探針，接觸卡盤基準(zhǔn)與LVDT的探頭使得與面對面接觸組成部分，從而使一厚度測量。磨削車輪磨損，可讀出的位置 Z軸以及與這夾頭面對基準(zhǔn)的地位并且熱增長是衡量渦流探頭對安裝在工作砂輪和磨削主軸。任何增長都會由自動補償調(diào)整相對兩錠的位置。 4.6 輔助功能 本機還具有對機械零件和設(shè)施夾頭清洗也是從workhead主軸上自控裝卸能力來進(jìn)行自動加載和卸載部件。 5 機器調(diào)試 機器的服務(wù)包括空氣供給、研磨液供應(yīng)和電機冷卻供給以及三相電供給?？諝庥梢粋€高性能的供應(yīng)空調(diào)系統(tǒng),它提供清潔干燥的空氣在13條超過5000 l min-1。內(nèi)面磨床耗氣量約為二零零零升每分鐘，其余為各種空氣凈化和清洗系統(tǒng)。這個超精密空氣軸承運行所需要求空氣過濾和零下40攝氏度的溫度。循環(huán)冷卻水的供應(yīng)是由壓力泵提供的。 由循環(huán)水冷卻供應(yīng)。這是泵45條在流率達(dá)100磅min/1。冷卻劑是分配給各冷卻液噴嘴單個控制下,機械加工的要求。用于冷卻收集,然后送入主要冷卻水箱,通過一個未燃盡的泵。有些水性碎片(工件和砂輪的殘留)解決下,其余的是在這里拆卸過濾到不同的階段。 服務(wù)提供過程中需要一種控制流體分布,連同適當(dāng)?shù)陌踩?lián)鎖和監(jiān)控系統(tǒng)。 5.1 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)分兩部分,基于一個行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)可編程序控制器(PLC)和精密數(shù)控系統(tǒng)。機器的I / O在一個分布式系統(tǒng)伺服器里。雙絞信號電纜控制了一個光纖環(huán)。采用的PLC程序需要小修改調(diào)試,大部分調(diào)試集中在進(jìn)一步發(fā)展的數(shù)控程序中,特別是磨感應(yīng),打磨維修及研磨作業(yè)。 5.2 機器研磨前準(zhǔn)備 在研磨作業(yè)中評估系統(tǒng)能力的重要參數(shù)： 　　1.機器的系列 　　2.平衡的主軸 　　3.車輪的條件 　　4.冷卻劑的應(yīng)用 　　5.控制機器的運動 　這是解決對磨削表面粗糙度最主要的因素。 5.3 機器運行路線 在機床制造商已經(jīng)對大多數(shù)機器系列進(jìn)行了精確計量檢定，這些是已經(jīng)證實的。然而,臨界對齊數(shù)據(jù)(對齊軸和磨輪主軸軸心)已經(jīng)丟失,自從磨輪主軸被刪除后,這臺機器已經(jīng)被搬離精密工程實驗室。這個對齊數(shù)據(jù)必須重新利用微型車，用電渦流探測器(測量范圍廣大約6微米)安裝在磨輪主軸的面罩上。一個特殊目的是，把對齊的工作軸裝在跳面板上。測量距離變化的探針從功能上調(diào)整,這兩個軸連接的紡錘都獨立的旋轉(zhuǎn),允許角對齊的兩錠軸,采用最小二乘法利用多參數(shù)診斷法。 圖6 磨床主軸受橫向外力的時振幅 圖7磨床主軸受縱向外力時的振幅 5.4 車輪平衡 本機配置使這個磨輪主軸自動平衡。這包括使機器適應(yīng)自動選擇磨輪。對這個磨輪主軸進(jìn)行分割,包括兩個同心圓粗糙度和細(xì)粒度、讓粗糙的輪子有稍大點的直徑。粗輪子可以自動選擇平行滑動的主軸軸心,在空中由活塞控制,包括兩聯(lián)軸器。這兩種結(jié)構(gòu),用粗、細(xì)輪選中,在稍微不同的失衡的時刻,通過自動平衡來補償。 圖6和圖7數(shù)據(jù)顯示的是振幅和相位發(fā)生反應(yīng)平衡(位移）傳感器在水平方向,位于磨輪主軸的軸頸,沿X軸顯示,包括位移磨輪主軸轉(zhuǎn)動速率。在Y軸代表了當(dāng)時實際峰峰值位移和研磨主軸的轉(zhuǎn)速。獲得這些數(shù)據(jù)后，機床可以自動調(diào)整主軸平衡。在1200轉(zhuǎn)左右（或20赫茲）時可以看到機床有一個很強有力的共振響應(yīng)。圖8振幅的反應(yīng)平衡，在位移傳感器的垂直方向，完全沒有了共振峰。隨后的數(shù)據(jù)顯示，該共振源是在“B”傾斜砂輪軸上（垂直軸），如圖3所示，這只是一個水平方向的傳感器。這個圖說明車輪平衡也是至關(guān)重要的。 圖8 磨床主軸垂直方向的平衡力的振幅 圖9調(diào)整主軸受橫向平衡力的振幅 圖9所示的是水平的響應(yīng),主軸精細(xì)的平衡。在轉(zhuǎn)速達(dá)到4000轉(zhuǎn)（或者67赫茲）是，在水平方向同樣有一個明顯的振動。這個主軸安裝在X軸上，而振動也發(fā)生在X軸上。再一次說明這是源于運動系統(tǒng)驅(qū)動方向。雖然修正了主軸的外觀，但是對于磨削主軸平衡性能來說還是有一定得影響。平衡運動要將一個小規(guī)模的循環(huán)對應(yīng)砂輪,而這也就會反過來影響研磨質(zhì)量。 5.5 車輪條件 這臺機器上，輪子的形式是通過整形傳授操作的，條件是保持車輪的狀態(tài)，通過以后的敷料，在修整業(yè)務(wù)之間的操作相對較少。 5.6 冷卻劑的應(yīng)用 把相當(dāng)大的力集中對準(zhǔn)冷卻液噴嘴，是為了提供足夠的冷卻劑進(jìn)入磨削界面。在這里，磨削弧的接觸是那么長，大約在200毫米一個200毫米晶圓，這是個特別重要的地方。 5.7 運動控制 通過新磨例程和復(fù)雜的運動剖面，來制定磨削。一個完整的周期包括晶圓研磨粗略的初步研磨，由每個研磨階段研磨完成后，工作和磨削主軸被設(shè)置為旋轉(zhuǎn)，然后應(yīng)，冷卻液。磨削主軸在檢測工作結(jié)束后，迅速進(jìn)入到聲發(fā)射傳感器觸摸。然后迅速減速，此外主軸，在三個階段，保持較低的進(jìn)給速度。最后，經(jīng)過一?。ɑ鸹ǔ觯r，磨削主軸收回。 這種材料的加工序列很復(fù)雜，同時促使運動的A和B軸傾斜。完全平面磨削下，跌可能會導(dǎo)致的結(jié)果是非平面研磨。為了實現(xiàn)在完成平面的表面上看來，小角度之間必須是主軸的第一次接觸軸，而且這個角度在逐漸減少到零（名義上）。進(jìn)一步修改議案的進(jìn)料來實行這三個點測量結(jié)果，其中監(jiān)視器，在進(jìn)程中，高靜磨削力會撓度本機。該測量儀測量，要求整個研磨過程修改主軸之間的角度。 6 初步磨削試驗 初步磨削試驗是在單晶硅上進(jìn)行的，使用直徑為200毫米的圓片。初步磨削試驗中所用的參數(shù)是依據(jù)大范圍的硅磨削研究實驗而選定的。車輪速度是依據(jù)所產(chǎn)生的機械共振最小而選定的（如圖6和9所示），即砂輪轉(zhuǎn)速2000轉(zhuǎn)每分，修整輪轉(zhuǎn)速5100轉(zhuǎn)每分，同時仍保持足夠的磨削效率。對于粗磨而言，總磨削深度的要求是根據(jù)消除晶片上任何沖濺的需要而設(shè)定的，而對于修整而言，則是根據(jù)消除在粗磨過程中產(chǎn)生的亞表面損傷的需要而設(shè)定的。相對修整輪速也相應(yīng)設(shè)定，以便避免一個非整數(shù)比。修整，粗磨和精磨的參數(shù)如表1-3所示。 一個輪廓形式跟蹤表明，在粗磨操作中獲得的的表面粗糙度約200納米。其他測量表明亞表面損傷深度約5微米，正是這種亞表面損傷深度支配著精磨操作的加工磨削量的總額。 在這些初步加工試驗中，表面加工完成后晶片表面的外觀十分好（圖10）。非常微弱的“殘影”弧形線條是可辨別的，盡管它們在輪廓追蹤中不明顯，在照片中也不可見。 然而，他們所做的顯示了一種循環(huán)模式，這是砂輪旋轉(zhuǎn)速度和工件的旋轉(zhuǎn)率的一種結(jié)果，即它們的結(jié)果是任何一次失衡都會擴大磨輪主軸的影響。在磨削的過程中，外觀的保養(yǎng)是通過最大限度的增大晶圓旋轉(zhuǎn)速率來優(yōu)化的，即使這會稍微加重所測量的表面的粗糙度。以上所表了一種妥協(xié)；使用現(xiàn)在的配置和工具，最好的表面粗糙度大約是10納米Ra，它能夠在非常低的工件旋轉(zhuǎn)率( 1 rpm)條件下獲得，即使這樣做會使外觀的保養(yǎng)更糟糕，這都是因為要突出外觀的循環(huán)模式。 圖10 200毫米晶圓的表面 - 15納米RA。 超精密磨床645工作面 表1.修整參數(shù) 修整輪型鍍輪 ZD107N200g 修整輪直徑 180 mm 修整輪轉(zhuǎn)速 5100 RPM (48.05 m s_1) 供給速度為 40 微米每秒 首先磨削進(jìn)給速度 5 微米每秒 第二磨削進(jìn)給速度 0.3微米每秒 共有加工深度 20微米 砂輪轉(zhuǎn)速 2000 rpm 表2 粗磨參數(shù) 輪式46米樹脂 VD46-C75-B117 車輪直徑 370 mm 輪速 2000 rpm (38.75微米每秒) 進(jìn)給速度 150微米每秒 首先磨削進(jìn)給速度 2微米每秒 第二磨削進(jìn)給速度 1微米每秒 第三磨削進(jìn)給速度 0.5微米每秒 共有加工深度 15微米 工作速度 10 rpm 表3 精細(xì)研磨參數(shù) 輪式6 / 12，樹脂結(jié)合劑 AD6/12-C75-B118 車輪直徑 305 mm 輪速 1800 rpm (28.75微米每秒 進(jìn)給速度 80微米每秒 第一磨削進(jìn)給速度 1微米每秒_1 第二磨削進(jìn)給速度 0.2微米每秒_1 第三磨削進(jìn)給速度 0.05微米每秒1 共有加工深度 8微米每秒 工作速度 200 rpm 7 機器的評估 晶圓端面磨床產(chǎn)生了一些令人印象深刻的結(jié)果，由于該方案的時間短，進(jìn)程的發(fā)展很有限。 8 方案的研究 這臺機器目前正在克蘭菲爾德大學(xué)精密工程實驗室進(jìn)行最后的調(diào)試，包括下面列出的一些方案的研究，已確定這將有利于從研磨機直接加工的可行性。 8.1 微加工與壓電陶瓷 例如鉛壓電陶瓷的鋯基鈦酸系統(tǒng)提所供的能力，和高精度高剛度能力所產(chǎn)生的耦合運動高力。 8.2 監(jiān)測過程中磨削表面的完整性 這項計劃的目的是優(yōu)化磨削參數(shù)材料而使切除率最大化，同時為了確保韌性材料去除機制占主導(dǎo)地位。 8.3 高效精密磨削的硬質(zhì)合金 這些材料中加工最困難的是硬質(zhì)合金，它是需要一種特殊的耐磨性和韌性的結(jié)合工具來加工。 9 結(jié)論 先進(jìn)材料和元器件廣泛的應(yīng)用提高了一個先進(jìn)的機械工具的廣泛可用性，機器的過程監(jiān)控和自動監(jiān)控功能將優(yōu)化工藝開發(fā)模型。 參考資料 1. 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Impey, “Ductile mode machining of commercial PZT ceramics”, Annals of the CIRP 48 (1), pp. 43–440, 1998. 10. G. F. Archer and D. J. Stephenson, “Surfacing of twin-screw extruder barrels”, Surface Engineering, 10(4), p. 221, 1994. 11. Metals Handbook, Volume 16, Machining, ASM, 1989. 12. A. P. V. Baker, private communication. 13. M. C. Shaw, Principles of Abrasive Processing, Oxford University Press, New York. 1996. 共 14 頁 第 14 頁 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 長 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）紙 電動扳手設(shè)計 [摘要] 在大型鋼結(jié)構(gòu)建筑中，廣泛使用高強度螺栓鏈接。這種螺栓連接，在施工中要求用規(guī)定的擰緊力矩鎖緊螺母，以保證鏈接的可靠性。 由于高強度螺栓的材料和熱處理是嚴(yán)格控制和檢查的，因此螺栓定力矩切口處的扭剪斷裂力矩能夠控制在一個比較準(zhǔn)確的范圍，從而能保證螺栓連接的可靠性。當(dāng)擰緊力矩過大時，不能保證螺栓的強度；當(dāng)擰緊力矩過小時，又不能保證連接的可靠性。因此這種螺栓連接，在施工中要求用規(guī)定的擰緊力矩鎖緊螺母，以保證鏈接的可靠性。另外，高強度螺栓往往成批使用，并且工作的環(huán)境也比較堅苦，如果是用普通扳手進(jìn)行定力矩擰緊，工人擰緊螺母的過程中會有很多不便，工作效率也會很低。綜合以上三點原因，在擰緊高強度螺栓時，我們采用電動扳手代替手從扳手進(jìn)行擰緊。 電動扳手以220V交流電源為動力進(jìn)行工作，可以保證每個螺栓的擰緊力都在規(guī)定的范圍內(nèi)，同時，采用電動扳手代替手動扳手可以大大提高螺栓擰緊的速度，提高工人的工作效率，改善工人的勞動強度 [關(guān)鍵詞] 電動扳手 諧波傳動 柔輪 Electric Wrench Design [Abstract] In large steel structures, widely used in high strength bolts links. This bolt connection, in accordance with requirements of the construction of torque lock nut and to guarantee the reliability of the link. Due to the high strength bolts of material and heat treatment is strict inspection and control, thus shall the bolt torque incision torshear fracture in a moment can control the accuracy and can guarantee, the reliability of the bolt connection. When large torque, cannot guarantee the strength bolt, When the torque, and after hours cannot guarantee the reliability of the connection. Therefore the bolt connection, in accordance with requirements of the construction of torque lock nut and to guarantee the reliability of the link. Additionally, high strength bolts, and often used to working environment is hard, and if it's used for torque wrench on ordinary workers, tighten lock nut process will have a lot of inconvenience, the working efficiency is also very low. Three reasons, in comprehensive above tighten high strength bolts, we adopt electromotive spanner from wrench to replace hand tighten. Electromotive spanner to ac power for power on 220V work, can guarantee each bolt tightened force within a prescribed scope, at the same time, using electric wrench instead of manual wrench screw bolts can greatly improve the speed, improve work efficiency, improve the worker labor intensity [Key words] Electric wrench Harmonic Drive Flexspline ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 裝 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 訂 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 線 ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ ┊ 長 春 大 學(xué) 畢業(yè)設(shè)計（論文）紙 前 言 螺栓連接是一種普遍可靠的連接方式。其中高強度螺栓鏈接廣泛使用在大型鋼結(jié)構(gòu)建筑中。 由于高強度螺栓的材料和熱處理是嚴(yán)格控制和檢查的，因此螺栓定力矩切口處的扭剪斷裂力矩能夠控制在一個比較準(zhǔn)確的范圍，從而能保證螺栓連接的可靠性。當(dāng)擰緊力矩過大時，不能保證螺栓的強度；當(dāng)擰緊力矩過小時，又不能保證連接的可靠性。因此這種螺栓連接，在施工中要求用規(guī)定的擰緊力矩鎖緊螺母，以保證鏈接的可靠性。另外，高強度螺栓往往成批使用，并且工作的環(huán)境也比較堅苦，如果是用普通扳手進(jìn)行定力矩擰緊，工人擰緊螺母的過程中會有很多不便，工作效率也會很低。綜合以上三點原因，在擰緊高強度螺栓時，我們采用電動扳手代替手從扳手進(jìn)行擰緊。 電動扳手以220V交流電源為動力進(jìn)行工作，可以保證每個螺栓的擰緊力都在規(guī)定的范圍內(nèi)，同時，采用電動扳手代替手動扳手可以大大提高螺栓擰緊的速度，提高工人的工作效率，改善工人的勞動強度。 在長期的使用中，電動扳手充分發(fā)揮了它的設(shè)計有點——體積小、重量輕、操作方便快捷、安全可靠，從而使電動扳手成為施工現(xiàn)場不可缺少、不可替代的專用工具。從總體上看，電動扳手基本上可在設(shè)計壽命范圍正常工作，無需大修，施工現(xiàn)場也未發(fā)生任何由于漏電等原因引起的安全事故，從而得到使用單位的好評。 個別的電動扳手，在使用中曾發(fā)生柔輪筒體底部斷裂失效的現(xiàn)象，這一事實驗證了柔輪光彈性試驗得到的結(jié)論——柔輪工作時的切應(yīng)力及殼壁內(nèi)的正應(yīng)力的最大值均發(fā)生在柔輪的根部（并有應(yīng)力集中的影響），根部是最危險的截面。因此，改善柔輪根部的結(jié)構(gòu)和加工品質(zhì)是提高強度和使用壽命的關(guān)鍵措施。 多年的生產(chǎn)實踐表明，自行研制的電動扳手成功替代了進(jìn)口產(chǎn)品，為國家節(jié)省了大量外匯，也為生產(chǎn)研制單位帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。 由于時間倉促和作者的知識水平有限，論文中的錯誤和不足在所難免，請各位老師給予批評指正。 第1章 設(shè)計任務(wù)分析 1.1 設(shè)計任務(wù) 題目：電動扳手設(shè)計 參數(shù)：（1）電源電壓：220V； （2）輸出最大力矩：1010N.m； （3）一機多用：能適用于M16、M20、M22.和M24四種螺栓； （4）每一工作循環(huán)時間：3~5s； （5）電動扳手體積小，重量輕，操作簡便，工作可靠。 具體要求：（1）通過閱讀參考資料，現(xiàn)場調(diào)研，了解現(xiàn)有電動扳手的機構(gòu)、組成及工作情況；了解電動扳手的工作原理并撰寫開題報告； （2）方案設(shè)計，根據(jù)查閱的資料提出若干解決問題的方案并加以討論； （3）進(jìn)行電動扳手的總體設(shè)計，根據(jù)指導(dǎo)老師的要求做必要的計算； （4）完成電動扳手的總裝配圖及典型零件圖（共四張零號圖紙）； （5）完成文獻(xiàn)資料分析報告（含1——2篇外文翻譯）； （6）撰寫設(shè)計說明書一份。 1.2 設(shè)計意義 在大型鋼結(jié)構(gòu)建筑中，廣泛使用高強度螺栓鏈接。這種螺栓連接，在施工中要求用規(guī)定的擰緊力矩鎖緊螺母，以保證鏈接的可靠性。 由于高強度螺栓的材料和熱處理是嚴(yán)格控制和檢查的，因此螺栓定力矩切口處的扭剪斷裂力矩能夠控制在一個比較準(zhǔn)確的范圍，從而能保證螺栓連接的可靠性。當(dāng)擰緊力矩過大時，不能保證螺栓的強度；當(dāng)擰緊力矩過小時，又不能保證連接的可靠性。因此這種螺栓連接，在施工中要求用規(guī)定的擰緊力矩鎖緊螺母，以保證鏈接的可靠性。另外，高強度螺栓往往成批使用，并且工作的環(huán)境也比較堅苦，如果是用普通扳手進(jìn)行定力矩擰緊，工人擰緊螺母的過程中會有很多不便，工作效率也會很低。綜合以上三點原因，在擰緊高強度螺栓時，我們采用電動扳手代替手從扳手進(jìn)行擰緊。 電動扳手以220V交流電源為動力進(jìn)行工作，可以保證每個螺栓的擰緊力都在規(guī)定的范圍內(nèi)，同時，采用電動扳手代替手動扳手可以大大提高螺栓擰緊的速度，提高工人的工作效率，改善工人的勞動強度。 第2章 方案設(shè)計 2.1 基本結(jié)構(gòu)的分析與選擇 電動扳手與機床、汽車等大型機器比較起來雖然比較小巧簡單，但也是一種完整的機器，它應(yīng)該由動力機、傳動機構(gòu)和工作機構(gòu)組成。 根據(jù)前述設(shè)計任務(wù)要求，動力機應(yīng)選用電源為220V的交流電機。 由于電動扳手為人工操作，因此電動機應(yīng)該體積小、重量輕、絕緣好，以便于操作，并保證人身安全。大功率高轉(zhuǎn)速防護(hù)式串激電機能基本滿足這個要求。這種電機在制造中采用滴浸泡轉(zhuǎn)子，電焊整流子等新工藝，外殼采用熱固性工程塑料，電樞為接軸，從而形成雙重絕緣結(jié)構(gòu)，使用電安全有保證。 由于電動扳手工作時，需要內(nèi)外套筒反轉(zhuǎn)，因此要選擇一組行星輪系。 漸開線行星齒輪傳動按齒輪嚙合方式可分為NGW、NW、ZUWGW、NN、WW、NGWN和N等類型。其中WW、NN、NGWN這三種類型的傳動比可達(dá)到很大，但是傳動效率也會隨著傳動比的增加而下降，而ZUWGW型行星齒輪傳動主要用于差動裝置，因此在電動扳手的設(shè)計中除去這四種類型而對其他三種類型進(jìn)行比較。 動軸輪系的運動簡圖如下： 1) NGW 2) NW 3) N 圖1 NGW、NW和N型行星輪系簡圖 其中NGW型行星齒輪傳動的傳動比范圍在1.13~13.7之間，效率可以達(dá)到0.97~0.99，它的特點是效率高，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，傳動功率范圍大，軸向尺寸小，可用于各種工作條件，但單級傳動比范圍較小。 NW型行星齒輪傳動的傳動比范圍可達(dá)到1~50，效率也可以達(dá)到0.97~0.99，特點是效率高徑向尺寸比NGW型小，傳動比范圍比NGW型大，可用于各種工作條件。但雙聯(lián)行星齒輪制造、安裝都很復(fù)雜，故時不宜采用。 N型行星齒輪傳動的傳動比范圍可達(dá)到7~100，效率可達(dá)到0.8~0.94，特點是傳動比范圍較大，結(jié)構(gòu)緊湊，體積及重量小，但效率比NGW型低，且內(nèi)嚙合變位后徑向力較大，使軸承徑向載荷加大，適用于小功率或短期工作的情況。 綜合上述分析，在電動扳手的設(shè)計中選擇了NGW型行星齒輪傳動。 由于所選電機轉(zhuǎn)速特別高，而輸出轉(zhuǎn)速還很小，傳動比很大，而NGW型行星齒輪傳動的傳動比不會超過10，因此要選擇一種大降速比的傳動方式。 經(jīng)調(diào)查，可以實現(xiàn)大傳動比的傳動方式有蝸輪蝸桿傳動和諧波齒輪。 蝸輪蝸桿傳動是由蝸桿和蝸輪組成的傳動副。傳動比大，結(jié)構(gòu)緊湊；傳動平穩(wěn)，振動和噪聲??；傳動效率低，引起發(fā)熱和溫升較高。蝸桿傳動用于動力傳動時，降速比i可達(dá)到5~80，傳力很小，主要用于傳遞運動時，i可取到500或更大。并且它用于傳遞量空間交錯軸之間的運動和動力。所以在電動扳手設(shè)計中不考慮這種傳動方式。 諧波齒輪傳動傳動比大而且范圍寬；同時參與嚙合的齒數(shù)多，承載能力大，體積小，重量輕；傳動效率較高，單級效率為65%~90%；傳動精度高；回差小，易于實現(xiàn)零回差傳動；傳動平穩(wěn)，噪音低。諧波齒輪傳動符合電動扳手的設(shè)計要求，因此在電動扳手設(shè)計中選用諧波齒輪傳動。 綜合上述分析，本設(shè)計選用諧波齒輪配合NGW型行星輪系傳動系統(tǒng)，又由于電機軸不能直接聯(lián)接諧波齒輪，所以在諧波齒輪傳動之前，使用一組定軸輪系。 a) b) c) 圖2 扳手工作原理示意圖 1-夾緊頭 2-定力矩切口 3-螺栓部分 4-螺母 5-墊片 6-被緊固體 7-內(nèi)套筒 8-外套筒 9-頂桿 電動扳手的工作機構(gòu)為擰緊螺母的外套筒8和擰斷螺栓（在定力矩切口處）的內(nèi)套筒7，如圖2所示。工作時這兩個套筒的力矩相等，方向相反。如果利用這個特點，將傳動機構(gòu)設(shè)計成封閉系統(tǒng)，兩個相反的力矩就可以在電動扳手內(nèi)部平衡，操作者不受外力的作用，從而使操作變得輕便、簡單。 由于動力機采用了高轉(zhuǎn)速、小轉(zhuǎn)矩的電動機，因此動力機與工作機構(gòu)（套筒）之間就需要采用大傳動比傳動機構(gòu)。行星齒輪傳動（NGW型單機傳動比i=3~12）、漸開線少齒差齒輪傳動（單機傳動比i=10~100）、擺線少齒差齒輪傳動（單級傳動比i=11~87）和活齒少齒差齒輪傳動（單級傳動比i=20~80）等如果用電動扳手，均需多級串聯(lián)使用，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，力線較長，會引起系統(tǒng)剛度下降、運動鏈累計誤差較大，這是不利的。因此，少齒差齒輪傳動，其行星輪的軸線做圓周運動，他們都需要一個運動輸出機構(gòu)，因此結(jié)構(gòu)復(fù)雜，這也是不足之處。 諧波齒輪傳動通過柔輪的彈性變形，利用了內(nèi)嚙合少齒差傳動可獲得大速比的原理，將行星輪系的運動輸出機構(gòu)簡化為低速構(gòu)件具有固定的轉(zhuǎn)動軸線，不需要等角速比機構(gòu)，運動直接輸出。因此諧波傳動具有速比大，機構(gòu)件數(shù)量少，體積小重量輕，運轉(zhuǎn)平衡，效率高，無沖擊等優(yōu)點。電動扳手?jǐn)嗬m(xù)、短時的工作特點恰好克服了柔輪由于變形而易產(chǎn)生疲勞斷裂的不足。諧波齒輪傳動機構(gòu)作為動力傳遞時其輸出轉(zhuǎn)矩的大小受柔輪尺寸的限制，故不宜將其設(shè)計為電動扳手的最終輸出。 綜合上述的分析，采用諧波齒輪傳動與行星輪系傳動串聯(lián)的設(shè)計是一種比較全面地、最大限度地滿足電動扳手工藝要求的最佳選擇。 2.2 總體方案的擬定 從上述分析來看，電動扳手的設(shè)計要點集中在電動機的選擇和傳動形式的確定。在滿足輸出力矩（1010N.m）要求的前提下，盡量使整機體積小，重量輕，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，安全可靠。據(jù)此，初步確定電動扳手機構(gòu)方案簡圖如圖3所示。電動扳手整機由電動機1、定軸齒輪傳動2、諧波齒輪傳動3、NGW行星齒輪傳動4、外套筒5和內(nèi)套筒6組成。外套筒5用來把住螺母4，內(nèi)套筒用來把住高強度螺栓尾部的梅花頭，如圖2所示。圖1中的、、是定軸齒輪傳動的齒數(shù)；和是諧波傳動剛輪和柔輪的齒數(shù)；是諧波發(fā)生器；a、g、b和H是NGW行星齒輪傳動的太陽輪、行星輪、內(nèi)齒輪和轉(zhuǎn)臂。這是一種行星輪系與諧波輪系雙差動串聯(lián)機構(gòu)方案，其原理可作如下分析： 諧波齒輪傳動輪系的自由度F可用下式計算： 圖3 電動扳手機構(gòu)方案簡圖 1-電動機 2-定軸齒輪傳動 3-諧波齒輪傳動 4-NGW行星齒輪傳動 5-外套筒6-內(nèi)套筒 式中 ——平面機構(gòu)的構(gòu)件數(shù)： ——機構(gòu)中的低副數(shù)； ——機構(gòu)中的高副數(shù)。 鑒于圖3電動扳手機構(gòu)中各構(gòu)件的回轉(zhuǎn)軸均互相平行，因此該機構(gòu)可視為平面機構(gòu)。 對于諧波齒輪傳動：=4，=3，=1，其自由度為 對于行星輪系，其自由度也為2。因此在無任何約束條件下，兩機構(gòu)均為自由度等于2的差動機構(gòu)。由此機構(gòu)組成的電動扳手?jǐn)Q緊螺栓的過程分兩階段： 階段1：在螺栓、螺母與扳手處于松動狀態(tài)時，系統(tǒng)實現(xiàn)自由度為2的差動運動，即內(nèi)外套筒同時反向旋轉(zhuǎn)。 階段2：當(dāng)夾緊力增大到一定值后，系統(tǒng)實現(xiàn)自由度為1的NGW型行星傳動，即外套筒固定，內(nèi)套筒繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，直到擰斷螺栓的梅花頭。 采用差動機構(gòu)的目的： （1）、為消除內(nèi)套筒與螺栓梅花頭、外套筒與螺母之間的安裝角度誤差，電動扳手必須具備可手動調(diào)節(jié)內(nèi)、外套筒產(chǎn)生相對角位移，確保內(nèi)、外套筒順利地進(jìn)入工作的準(zhǔn)備位置。 （2）設(shè)計時，為讓出中心頂桿的位置，電機與傳動系統(tǒng)不可“一”字布置。實際中采用的并列布置造成機殼形狀復(fù)雜。因此設(shè)計中將剛輪與內(nèi)齒輪聯(lián)接成整體，構(gòu)成差動機構(gòu)，可使內(nèi)、外套筒及相關(guān)輪系結(jié)構(gòu)之間形成封閉力線，從而機殼不承受外力矩，則機殼的加工性能大大改善。 按上述機構(gòu)方案設(shè)計的電動扳手，其操作步驟（圖2）如下： 1） 高強度螺栓預(yù)緊在被緊固件上，如圖2a所示； 2） 將內(nèi)套筒插人螺栓尾部的梅花頭，然后微轉(zhuǎn)外套筒，使其與螺母套正，并推到螺母根部，如圖2b所示； 3） 接通電源開關(guān)，內(nèi)外套筒背向旋轉(zhuǎn)將螺栓緊固，待緊固到螺栓達(dá)到設(shè)計力矩時，將梅花頭切口扭斷； 4） 關(guān)閉電源，將外套筒脫離螺母，用手推動開關(guān)上前方的彈射頂桿觸頭9，將梅花頭從內(nèi)套筒彈出，緊固完畢，如圖2c所示。 第3章 電動扳手的動力與運動分析計算 3.1 整機傳動比的確定 根據(jù)調(diào)查和類比、決定選用功率P=1.35kW，轉(zhuǎn)速n=20000r/min的220v交直流兩用串激電動機。此電動機的輸出轉(zhuǎn)矩 取定軸齒輪的傳動效率，諧波齒輪傳動的傳動效率，行星齒輪傳動的傳動效率，則整機的傳動效率 已知扭斷螺栓切口處的定力矩。據(jù)此可決定整機的總傳動比 3.2 各傳動比的確定 取定個輪系的齒數(shù)： 定軸輪系 諧波齒輪傳動 行星齒輪傳動 整機的傳動路線為：定軸輪系（z1、z2、z3）→諧波傳動（f、zR、zG）→行星輪系（a、g、b、H） 定軸輪系傳動比 齒輪z3帶動諧波發(fā)生器f，使柔剛輪產(chǎn)生相當(dāng)運動，由于剛輪G和內(nèi)齒輪b與外套輪連為一體（圖52.3-2），所以在擰斷螺栓梅花頭時，剛輪是固定的，柔輪輸出，如圖（52.3-3）所示。 此時諧波齒輪傳動的傳動比 傳動比帶符號，說明波發(fā)生器1的轉(zhuǎn)向于柔輪2的轉(zhuǎn)向相反，如圖4所示： 圖4 諧波傳動簡圖 1 - 波發(fā)生器 2 - 柔輪 3 – 剛輪 柔輪輸出帶動行星傳動的太陽輪a，此時因內(nèi)齒輪b固定，轉(zhuǎn)臂H輸出（圖4），行星輪系的傳動比 整機的傳動比 完全符合由轉(zhuǎn)矩確定的傳動比要求。 3.3 諧波齒輪傳動和行星輪系運動分析 諧波齒輪傳動轉(zhuǎn)化機構(gòu)運動關(guān)系式（轉(zhuǎn)化機構(gòu)傳動比）為 （3-1） 式中、、──分別為柔輪、剛輪和波發(fā)生器的角速度。 ──柔輪和剛輪的齒數(shù)。 行星輪系轉(zhuǎn)化機構(gòu)運動關(guān)系式（轉(zhuǎn)化機構(gòu)傳動比）為 （3-2） 式中、、──分別為太陽輪a、內(nèi)齒輪b和轉(zhuǎn)臂H的角速度。 ────b輪和a的齒數(shù)。 此外，根據(jù)結(jié)構(gòu)條件（圖4）可得 = （3-3） = （3-4） 由式（3-1）~（3-4），經(jīng)整理后可得 （3-5） 具體將數(shù)據(jù)帶入有關(guān)公式： 將上述數(shù)據(jù)代人式（3-5），得 （3-6） 推到出的式（3-6）為電動扳手諧波齒輪傳動與行星輪系傳動的串聯(lián)差動機構(gòu)的運動方程式，表達(dá)出輸入與雙輸出之間的運動關(guān)系。 由式（3-6）可見，當(dāng)外套筒固定時，與旋向相反；當(dāng)內(nèi)套固定時，與旋向相同，因此當(dāng)整機無任何外約束時，與呈旋向相反的雙輸出運動。 第4章 傳動部件的設(shè)計與校核 4.1 定軸輪系的設(shè)計 根據(jù)傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動；精度等級選8級精度；為了增加傳動件的壽命小齒輪、大齒輪均采用GCr15。 初選小齒輪齒數(shù)Z1=17，大齒輪齒數(shù)Z2=58，介輪齒數(shù)Z3=48。 4.1.1 .按齒面接觸疲勞強度設(shè)計 (1) 按齒面接觸疲勞強度設(shè)計公式計算 （4-1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 1) 試選載荷系數(shù)Kt=1.3 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 2) 由《機械設(shè)計》表10-7選得齒寬系數(shù) φd=0.6 3) 由《機械設(shè)計》表10-6查表得材料GCr15的彈性影響系數(shù) 4) 由《機械設(shè)計》圖10-21d按齒面硬度查表得齒輪得接觸疲勞強度極限為σHLim=534MPa 5) 由《機械設(shè)計》圖10-19取接觸疲勞壽命系數(shù) KHN=0.9 6) 計算接觸疲勞應(yīng)力 失效概率取1%安全系數(shù)S=1由式 （4-2） 得 （σH1）=KHN1σlim/S=408MPa (2) 計算 1) 計算小齒輪分度圓直徑帶入中較小得值 ==19.2 2) 計算圓周速度 3) 計算齒寬及模數(shù) 4) 計算載荷系數(shù)K 已知使用系數(shù)=1 根據(jù)V=19.84m/s 8級精度 由《機械設(shè)計》圖10-8查得動載荷系數(shù)=1.35 直齒輪 由《機械設(shè)計》表10-4用插值法查得8級精度，小齒輪相對支承非對稱布置時， =1.241 由 =1.241得=1.26 故動載荷系數(shù) 5) 按實際得動載荷系數(shù)校正所算得分度圓直徑。 6)計算模數(shù) 4.1.2 按齒根彎曲疲勞強度設(shè)計 齒根彎曲疲勞強度設(shè)計計算公式為： （4-3） 確定計算參數(shù) 1) 由《機械設(shè)計》圖10-20c查得大、小齒輪的彎曲疲勞強度 2) 由《機械設(shè)計》圖10-18查取彎曲疲勞壽命系數(shù) 3) 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)得 4) 計算動載荷系數(shù) 5) 由《機械設(shè)計》表10-5查取齒形系數(shù) 6) 由《機械設(shè)計》表10-5查取應(yīng)力校正系數(shù)： 由表10-5查得 7) 計算大小齒輪得并加以比較： 小齒輪較大 4.1.3 設(shè)計計算 對此結(jié)果，由齒根彎曲疲勞強度計算的模數(shù)最大，因此可取大于此模數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)取1.25 則計算小齒輪取最小齒數(shù)Z1=17 則 Z2=58 Z3=48 計算校核后的齒數(shù)： 計算中心距: 計算大小齒輪的分度圓直徑： 齒寬修正后?。築1=10 ，B2=10 ，B3=14 4.2 諧波齒輪傳動的設(shè)計 4.2.1 諧波齒輪傳動參數(shù)的確定 根據(jù)上述的分析設(shè)計，確定了諧波齒輪傳動的基本參數(shù)如下： 傳動比 柔輪變形波數(shù)U=2 柔輪齒數(shù) 剛輪齒數(shù) 模數(shù)m=0.4mm 柔輪壁厚H=0.5mm 齒寬b=20mm 柔輪的嚙合參數(shù)經(jīng)計算確定如下： 全齒高 分度圓直徑 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒形角 變位系數(shù) 剛輪的嚙合參數(shù)經(jīng)計算確定如下： 全齒高 分度圓直徑 齒頂圓直徑 齒根圓直徑 齒形角 變位系數(shù) 柔輪和剛輪均采用漸開線齒形。 波發(fā)生器采用控制式發(fā)生器： 長軸 短軸 采用23個直徑為7.14mm滾珠的薄壁軸承。 4.2.2 柔輪結(jié)構(gòu)形式的選擇 柔輪分杯形柔輪、整體式柔輪、具有雙排齒圈的環(huán)形柔輪、齒嚙式聯(lián)接的環(huán)形柔輪、鐘形柔輪、密封柔輪。其中密封柔輪用于密封式諧波齒輪減速裝置；鐘形柔輪的結(jié)構(gòu)形狀保證齒圈變形時輪齒與柔輪軸線平行，軸向尺寸較小，強度高，壽命長，但加工復(fù)雜；整體式柔輪結(jié)構(gòu)簡單，扭轉(zhuǎn)剛性好，傳動精度和效率較高，但工藝性差，材料利用率低；而具有雙排齒圈的環(huán)形柔輪結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，軸向尺寸較小，但與杯形柔輪相比，其傳動效率、傳動精度有所降低，并且這種柔輪主要用于復(fù)式傳動；相比之下杯形柔輪更適合使用在電動扳手中，它扭轉(zhuǎn)剛性好，傳動精度高，承載能力大，效率高。 圖5 杯形柔輪的尺寸圖 4.2.3 諧波齒輪輪齒的耐磨計算 由于諧波齒輪的柔輪好剛輪的齒數(shù)均很多，兩齒形曲率半徑之差很小，所以齒輪工作時很接近于面接觸。因此，齒輪工作表面的磨損可由齒面的比壓p來控制。齒輪工作表面的耐磨損能力可用下式計算 （4-4） 式中 T——作用在柔輪的上的轉(zhuǎn)矩（Nm）,本設(shè)計T=10Nm； dR——柔輪分度圓直徑（mm），本設(shè)計dR=80mm； hn——最大嚙合深度（mm），如不考慮嚙合的空間特性，可近似的 hn=（1.4~1.6）m，本設(shè)計hn=1.4x0.4=0.56mm； b——齒寬（mm），b=20mm zv——當(dāng)量于沿齒廓工作段全嚙合的工作齒數(shù)，一般可取zv=（0.075~0.125）zR，本設(shè)計取zv=0.075x200=15; K——載荷系數(shù)，取K=1.3~1.75，本設(shè)計取K=1.5； pp——齒面許用比壓，對于無潤滑條件下工作的調(diào)質(zhì)柔輪，可取pp=8MPa。 可見，符合耐磨性要求。 4.3 柔輪強度計算 諧波齒輪傳動工作時，柔輪筒體處于應(yīng)力狀態(tài)，其正應(yīng)力基本上是對稱變化的，而切應(yīng)力則呈脈動變化。若分別表示正應(yīng)力和切應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力，則正應(yīng)力的應(yīng)力幅和平均應(yīng)力分別為： （4-5） 由變形和外載荷引起的切應(yīng)力分別為： （4-6） 應(yīng)力幅和平均應(yīng)力為： （4-7） 式中 T——柔輪工作轉(zhuǎn)矩（）本設(shè)計T=10; ——頭論齒根處的壁厚（mm），本設(shè)計=0.6mm; Dp——計算平均直徑（mm），Dp=dfR-h1，本設(shè)計 Dp=（82.88-0.6）mm=81.28mm； E——彈性模量（MPa），本設(shè)計E=206x103MPa； ——變形系數(shù)（mm），=dG-dR，本設(shè)計=（80.8-80）mm=0.8mm 將具體數(shù)據(jù)代人式（4-5）~式（4-7），得 柔輪的工作條件惡劣，為了使柔輪在額定載下不產(chǎn)生塑性變形和疲勞損壞，并考慮加工工藝較高的要求，決定選用30CrMnSiA作為柔輪的材料。30CrMnSiA的力學(xué)性能如下： 球化處理后硬度為24~26HRC. 取 取 柔輪正應(yīng)力安全系數(shù)和切應(yīng)力安全系數(shù)分別為： （4-8） （4-9） 式中 ——正應(yīng)力有效應(yīng)力集中系數(shù)，=1.7~2.5，本設(shè)計取=2.5； ——切應(yīng)力有效應(yīng)力集中系數(shù)，=（0.8~0.9），本設(shè)計取=0.9=0.92.5=2.25。 將具體數(shù)據(jù)代人式（4-8）和式（4-9）中，得 柔輪的安全系數(shù) （4-10） 將以上具體數(shù)據(jù)代人上式得 此值大于許用安全系數(shù)1.5，故柔輪強度滿足要求。 4.4 行星齒輪傳動的設(shè)計 4.4.1齒輪嚙合參數(shù)的確定 根據(jù)草圖設(shè)計和類比，行星齒輪傳動的嚙合參數(shù)取定如表1所示。 4.4.2 齒輪強度計算特點 根據(jù)電動扳手的工作方式和載荷特點，可以認(rèn)為其齒輪傳動的強度和承載能力受齒輪彎曲強度的限制，而齒輪的接觸強度是次要的，因此僅需進(jìn)行輪齒彎曲強度的計算。 表 1 行星齒輪傳動嚙合參數(shù) 參數(shù)名稱 代號 太陽輪 行星輪 內(nèi)齒輪 齒數(shù) 模數(shù) 分度圓壓力角 行星輪數(shù) 變位系數(shù) 齒頂高降低系數(shù) 實際中心距離/mm 分度圓直徑/mm 齒頂圓直徑/mm 全齒高/mm 嚙合角 齒根圓直徑/mm 理論中心距/mm m 2 2 2 z 11 17 46 1 1 X 0.47 0.434 0.713 0.136 0.011 29.536 29.536 d 22 34 92 27.336 39.192 90.808 h 4.228 4.228 4.522 18.88 30.736 99.85 a 28 19 (1) 齒輪強度計算的受力分析 電動扳手中的這種NGW行星機構(gòu)，因齒傾斜角為，并且行星齒數(shù)大于2（=3），基本構(gòu)件為三個，即太陽輪a、轉(zhuǎn)臂H和內(nèi)齒輪b。在輪距作用下，當(dāng)構(gòu)件中各行星齒輪均勻受力時，各構(gòu)件必然處于平衡狀態(tài)，因此三個基本構(gòu)件對于軸承作用的點徑向力。電動扳手的行星減速機構(gòu)正是利用這一點，采用了將太陽輪、轉(zhuǎn)臂作為浮動式的結(jié)構(gòu)，以達(dá)到在工作狀態(tài)中，各構(gòu)件可以自動調(diào)整、載荷均勻，從而提高了使用壽命，并且可以降低制造精度。在本機構(gòu)中，齒輪加工采用的精度為8級（GB/T 10095—1988）。 (2) 強度驗算的兩個初始條件 1) 當(dāng)系統(tǒng)輸出到最大轉(zhuǎn)矩是，測得轉(zhuǎn)臂H的轉(zhuǎn)速為8r/min，此時太陽輪的轉(zhuǎn)速 2) 考慮到超載的因素，取驗算的最大轉(zhuǎn)矩為（N.m），載荷特點為永久單向，太陽輪a為主動輪。 (3) 確定中心齒輪的轉(zhuǎn)矩 基本運算公式為： （4-11） 式中 ——a輪和b輪的轉(zhuǎn)矩； ——行星輪系轉(zhuǎn)化機構(gòu)的傳動比。 由式（4-11）可見，作用在基本構(gòu)件上的力矩的帶有反號的比值，等于這些構(gòu)件相對于第三個基本構(gòu)件的角速比的倒數(shù)。由式（4-11）可計算a輪的轉(zhuǎn)矩Ta。 (4) 確定系數(shù) 為載荷在行星輪之間分配不均的系數(shù)。當(dāng)基本構(gòu)件H游動，且np=3時，對于計算彎曲應(yīng)力，取=1.15。 確定載荷系數(shù)K： K=KjKd （4-12） 式中 Kj——齒面載荷分布不均勻系數(shù)， Kj=1+（Q-1）μ 式中Q是齒輪的幾何尺寸有關(guān)的系數(shù)，μ是系數(shù)，一般取μ=0.3,μ值與載荷變化有關(guān)。 ——動載系數(shù)，=1+2N，N是與結(jié)構(gòu)尺寸及圓周速度有關(guān)的系數(shù)。(5) 確定太陽輪a和行星輪g的齒形系數(shù) 因行星嚙合為角變位，所以齒形系數(shù)為 （4-13） 式中 ——標(biāo)準(zhǔn)齒形系數(shù)，一般選取=0.29，=0.30。 H——全齒高，。 所以分別按下式計算： (6) 太陽輪a和行星輪g的輪齒彎曲強度計算式 太陽輪a的輪齒彎曲強度驗 （4-14） 式中 ——齒根彎曲應(yīng)力（MPa）； ——太陽輪a轉(zhuǎn)矩，由式（4-11）計算而得； ——載荷系數(shù)，由式（4-12）計算而得； b——齒寬（mm）； d——太陽輪a的分度圓直徑（mm）； m——齒輪模數(shù)（mm）； ——太陽輪a的齒形系數(shù)； ——輪齒許用齒根彎曲應(yīng)力（MPa）。 行星輪g的輪齒彎曲強度驗算式為 （4-15） 式中 ——行星輪g的齒根彎曲應(yīng)力（MPa）。 (7) 確定齒輪的許用彎曲應(yīng)力 取太陽輪a的材料40Cr，整體淬火，硬度49~51HRC；作用在輪齒上的載荷的方向不變，輪齒受單向彎曲應(yīng)力。 取行星輪g的材料為GCr15，高頻表面淬火，齒面硬度為51~54HRC；作用在輪齒上的載荷的方向為變向?qū)ΨQ，輪齒雙向彎曲應(yīng)力。 如果齒根圓角出的表面粗糙度時，則輪齒根部的許用彎曲應(yīng)力可用下式計算 對太陽輪a （4-16） 對行星輪g （4-17） 式中 ——與齒輪的材料、加工精度及熱處理工藝有關(guān)的基本應(yīng)力值（MPa）； ——鋼質(zhì)齒輪齒根彎曲強度許用安全系數(shù)，可取=1.5~2.0 (8) 行星輪g與內(nèi)齒輪b的齒輪強度 由于內(nèi)齒輪b采用了經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的38CrMnAl材料，又經(jīng)表面滲碳處理，并且g、b齒輪室內(nèi)嚙合，所以齒輪的承載能力要比a、g齒輪大得多，其輪齒彎曲強度計算可以從略。 第5章 標(biāo)準(zhǔn)件的選擇與校核 5.1 軸承的選擇與校核 5.1.1 軸承的選擇 由于行星輪既自轉(zhuǎn)又公轉(zhuǎn)，也不會產(chǎn)生軸向載荷，并且極限轉(zhuǎn)速較低，徑向尺寸小，因此行星輪與行星輪軸之間選用不能承受軸向載荷，不能限制軸向位移，極限轉(zhuǎn)速低的滾針軸承。盡管滾針軸承具有較小的截面軸承仍具有較高的負(fù)載承受能力，可以承受較大的徑向力，特別適用于這種徑向空間受限制的場合。 表2 所選用滾針軸承（GB/T5801）的參數(shù) 代號 基本尺寸 （mm） 基本額定載荷（kN） 極限轉(zhuǎn)速 （r/min） d D B Cr Cor 脂潤滑 油潤滑 NA6901 12 24 22 16.2 21.5 13000 19000 由于電動扳手中定軸輪系均采用直齒圓柱齒輪傳動，因此對于扳手中的其它軸承選用能承受一定的雙向軸向載荷，軸向位移限制在軸向游隙范圍內(nèi)，極限轉(zhuǎn)速較高的深溝球軸承。 表3 所選深溝球軸承（GB/T276）的參數(shù) 代號 基本尺寸 （mm） 基本額定載荷 （kN） 極限轉(zhuǎn)速 （r/min） d D B Cr Cor 脂潤滑 油潤滑 61903 17 30 7 4.60 2.6 19000 24000 6201 12 32 10 6.82 3.05 19000 24000 6200 10 30 9 5.10 2.38 20000 26000 6004 20 42 12 9.38 5.02 16000 19000 5.1.2 軸承的校核 以代號為6201的深溝球軸承為例，對軸承進(jìn)行校核。由于軸承受載荷非常小，因此對軸承的校核只針對軸承的壽命進(jìn)行校核即可，軸承壽命的校核公式為： （5-1） 實際計算時，用小時數(shù)表示壽命比較方便。這時可將式（5-1）改寫為： （5-2） 式中 C——軸承的基本額定動載荷； P——軸承所受的載荷； n——軸承轉(zhuǎn)速，在本設(shè)計中n=20000r/min； ——指數(shù)，對于球軸承=3； 將數(shù)據(jù)帶入式（5-2）得： 由此數(shù)據(jù)可以看出結(jié)果遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于10年，對于其它軸承也是如此，在這里就不一一校核。 5.1.3 軸承的潤滑方式 由于脂潤滑可以起到密封作用，且維護(hù)費用低、使用壽命長，設(shè)計簡單，因此在電動扳手的設(shè)計中軸承都采用二硫化鉬脂潤滑。 5.2鍵的選擇與校核 5.2.1鍵的選擇 由于直齒輪傳動不會產(chǎn)生軸向力，因此可以選擇普通平鍵來傳動轉(zhuǎn)矩。并且普通平鍵對軸上的零件不會起到軸向固定作用，因此也可以做導(dǎo)向鍵。普通平鍵的工作面是兩側(cè)面，工作時，靠鍵同鍵槽側(cè)面的擠壓來傳遞轉(zhuǎn)矩，并且平鍵聯(lián)接具有結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便、對中性好等優(yōu)點。 在電動扳手中所選用的平鍵的尺寸如下： 聯(lián)接鍵 軸與小齒輪聯(lián)接處： b×h×L=4×4×8 套筒與大齒輪大齒輪 19 34 92 1