目錄摘 要 ---------------------------------------------------------------1第一章 緒論 -------------------------------------------------------31.1 選題的依據(jù)及課題意義 -----------------------------------------31.2 國內(nèi)外滾齒機(jī)的研究發(fā)展?fàn)顩r -----------------------------------3第二章 滾齒機(jī)總體設(shè)計(jì) -------------------------------------------62.1 滾齒機(jī)的工作原理 ---------------------------------------------62.2 滾齒機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) --------------------------------------------62.3 滾齒機(jī)的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) ----------------------------------------72.4 主傳動(dòng)方案的評定與選擇 --------------------------------------102.5 電動(dòng)機(jī)的選擇 ------------------------------------------------122.6 滾齒機(jī)的技術(shù)規(guī)格 --------------------------------------------13第三章 刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ---------------------------------------------143.1 滾刀刀架的結(jié)構(gòu)介紹 ------------------------------------------143.2 刀架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 -----------------------------------------153.2.1 直齒輪的設(shè)計(jì) ------------------------------------------153.2.2 滾刀心軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ------------------------------------18第四章 滾刀箱及其余部件設(shè)計(jì) -----------------------------------214.1 滾刀箱的設(shè)計(jì) ------------------------------------------------214.2 滾刀牙箱設(shè)計(jì) -----------------------------------------------234.3 刀架立柱設(shè)計(jì) -----------------------------------------------23總 結(jié) -----------------------------------------------------------24參考文獻(xiàn) -----------------------------------------------------------25致 謝 -----------------------------------------------------------26附錄一 -------------------------------------------------------------27附錄二 -------------------------------------------------------------331Y3150E 型滾齒機(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)也能加工渦輪、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、工作臺組成。滾刀箱固定在刀架滑板上，滾刀心軸插入滾刀主軸并用拉緊螺栓固定在主軸上。為了保證主軸與前軸承的適當(dāng)間隙，前軸承是做成外錐并開口。調(diào)整軸承上的兩個(gè)螺母，可以使前軸承做軸向移動(dòng)，使前軸承孔收縮便可消除主軸和軸承間過大的間隙。我的課題主要內(nèi)容是滾齒機(jī)刀架系統(tǒng)設(shè)計(jì)：以 8mm 最大加工模數(shù)為基本參數(shù)，對滾齒機(jī)刀架進(jìn)行設(shè)計(jì)，擬定總體方案，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對主要的零件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算和強(qiáng)度校核。使設(shè)計(jì)的刀架可用于齒輪加工，最后用 CAD 軟件生成圖紙。關(guān)鍵詞：滾齒機(jī)、刀架、齒輪2Y3150E Gear Hobbing Machine Cutter Frame DesignAbstractThe gear hobbing machine is special purpose machine tools 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,cutter frame,slider,and machine table.Rob cutter frame is fixed on the slide of cutter rack, the hob shaft is inserted into hob spindle and fixed with the draw-in bolt on the main axle. In order to guarantee the spindle and the suitable front bearing gap, the front bearing has the outer cone and the aperture. Adjusting on the bearing two nuts, it causes bearing movement along the front axle when motion and causes contraction of the front bearing hole then to be possible to eliminate the gap between the main axle and the bearing. The topic main content of topic is hob-cutter frame design as well as the spindle assembly design:8mm maximum machining modulus of the basic parameters,hobbing tool holder to design,develop the overall program,structural design,the main parts of the design calculation and strength check.Make the design of the turret and the table can be used for gear cutting,finally with CAD software to generate drawings.Key words :gear hobbing machine,cutter frame, gear3第一章 緒論1.1 選題的依據(jù)及課題意義機(jī)械制造業(yè)為整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)提供技術(shù)裝備，其發(fā)展水平是國家工業(yè)化程度的主要標(biāo)志之一，是國家重要的支柱產(chǎn)業(yè)。滾齒機(jī)基于齒輪廣泛應(yīng)用于汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床、工程機(jī)械、礦山機(jī)械、冶金機(jī)械、石油、儀表、飛機(jī)航天器等各種機(jī)械制造業(yè)。它的發(fā)展不僅影響整個(gè)機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，而且對國民經(jīng)濟(jì)各部門的技術(shù)進(jìn)步有很大的直接影響。17 世紀(jì)末，出現(xiàn)能正確傳動(dòng)的輪齒。18 世紀(jì)，歐洲的工業(yè)革命進(jìn)一步推廣了齒輪傳動(dòng)的應(yīng)用。20 世紀(jì)隨著汽車和航空工業(yè)的發(fā)展，漸開線齒輪已在應(yīng)用中占于優(yōu)勢。齒輪在機(jī)械制造中的作用尤為重要，它是傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的重要零件，齒輪的質(zhì)量直接影響到機(jī)電產(chǎn)品的工作性能、承載能力、使用壽命和工作精度等。齒輪的加工技術(shù)和加工能力反映一個(gè)國家的工業(yè)水平。而滾齒是應(yīng)用最廣的切齒方法，滾齒加工大多都是在滾齒機(jī)上進(jìn)行的，因此滾齒機(jī)在機(jī)械加工中占有舉足輕重的作用。隨著機(jī)械制造業(yè)的的飛速發(fā)展，機(jī)械自動(dòng)化的技術(shù)改造和技術(shù)進(jìn)步步伐的加快，機(jī)械加工水平直接影響著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，從而齒輪加工的要求更加嚴(yán)密精確。對產(chǎn)品的要求更加苛刻。為了最大化的提高產(chǎn)品質(zhì)量和利益獲得，要求齒輪加工機(jī)床具有高速、精確、自動(dòng)化等特點(diǎn)。在現(xiàn)代機(jī)電產(chǎn)品中，雖然數(shù)控技術(shù)和液壓電氣傳動(dòng)技術(shù)占有主導(dǎo)的發(fā)展地位。但是由于齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)比準(zhǔn)確，在高速重載條件下工作，齒輪傳動(dòng)體積小，所以應(yīng)用仍然很廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和機(jī)電產(chǎn)品精度的不斷提高，相應(yīng)要求滾齒機(jī)的設(shè)計(jì)也應(yīng)符合高效率、高精度、低能耗，適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展道路，充分解放勞動(dòng)力的要求。1.2 國內(nèi)外滾齒機(jī)的研究發(fā)展?fàn)顩r早在公元前 400 年，中國古代齒輪用手工修銼已成型。1540 年，意大利的 J.托里亞諾在制造鐘表時(shí)制成一臺使用旋轉(zhuǎn)銼刀的切齒裝置。1835 年，英國的 J.B.惠特沃思獲得蝸輪滾齒機(jī)的專利。1858 年，C.席勒取得圓柱齒輪滾齒機(jī)的專利。以后幾經(jīng)改進(jìn)，直至 1897 年德國人 H.普福特制成帶差動(dòng)機(jī)構(gòu)的滾齒機(jī)，才圓滿解決了加工斜齒輪的問題。制成齒輪形插齒刀后，美國費(fèi)洛斯于 1858 年制成了插齒機(jī)。20 世紀(jì)初，由于齒輪需求量迅速發(fā)展，特別是為了滿足汽車工業(yè)的生產(chǎn)4需要，又先后出現(xiàn)了插齒機(jī)、刨齒機(jī)、銑齒機(jī)、磨齒機(jī)、剃齒機(jī)和珩齒機(jī)。經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，形成了滾、插、剃、珩、磨的齒輪加工基礎(chǔ)。在當(dāng)前的齒輪制造業(yè)中，各家公司的齒輪加工工藝大致相同。汽車齒輪大多數(shù)采用滾齒－剃齒－熱處理－珩齒工藝，少數(shù)企業(yè)和部分轎車企業(yè)采用滾齒－熱處理－磨齒工藝，而重載齒輪傳動(dòng)業(yè)則普遍采用滾齒－熱處理－磨齒工藝。滾齒在汽車齒輪加工方面占據(jù)了 70%以上的份額，可見滾齒在齒輪加工領(lǐng)域的作用不可替代。 滾齒機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展可劃分為機(jī)械式滾齒機(jī)和數(shù)控滾齒機(jī)兩個(gè)階段。傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)式滾齒機(jī)，其特征為各主軸采用機(jī)械式的傳動(dòng)形式，包括差動(dòng)、分齒、工件軸、滾刀軸和進(jìn)給等。由于傳動(dòng)鏈固有的理論誤差和安裝間隙，造成速度很慢，精度很低。工作時(shí)，滾刀裝在滾刀主軸上，由主電動(dòng)機(jī)通過齒輪副和蝸輪副驅(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。工件裝在工件軸上，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(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。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了 1～3 個(gè)軸數(shù)控化的滾齒機(jī)，其中的一部分軸采用伺服電機(jī)數(shù)字化控制。直到 20 世紀(jì) 80 年代，世界上才出現(xiàn)真正意義上的六軸數(shù)控滾齒機(jī)。在過去的 20 年中，數(shù)控滾齒機(jī)的發(fā)展可以劃分為 4 代。第一代數(shù)控滾齒機(jī)的工件軸和滾刀軸等采用傳統(tǒng)的蝸桿蝸輪副傳動(dòng)，速度依然較低，但精度有所提高。隨著刀具技術(shù)的發(fā)展，切削線速度有了很大的提高，原來的滾齒機(jī)已不能滿足刀具的高速切削要求，于是更快的第二代數(shù)控滾齒機(jī)誕生。其工件軸和滾刀軸采用齒輪副傳動(dòng)，速度有很大的提高。格里森鳳凰牌125GH 是第二代數(shù)控滾齒機(jī)的代表。第三代數(shù)控滾齒機(jī)于 90 年代末期出現(xiàn)，它與世界上兩大齒輪裝備巨頭的合并不無干系。差動(dòng)機(jī)構(gòu)滾齒機(jī)發(fā)明人 H.普福特創(chuàng)辦了 PFAUTER 公司，100 多年來，PFAUTER 公司不斷探索，使?jié)L齒機(jī)制造技術(shù)始終處于世界領(lǐng)先地位。1997 年，世界著名錐齒輪制造商——美國格里森公司成功收購德國 PFAUTER 公司。通過技術(shù)的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手，第三代數(shù)控滾齒機(jī) GP 系列誕生。其以全直驅(qū)技術(shù)的利用為特征，工件軸和滾刀軸的直接驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了真正意義的全閉環(huán)控制。直驅(qū)技術(shù)的使用，保證了高速度；電子齒輪箱和機(jī)械間隙的數(shù)控補(bǔ)償，保證了高精度。作為齒輪技術(shù)和裝備的領(lǐng)導(dǎo)者，近 10 年間，基于多年的齒輪機(jī)床制造經(jīng)驗(yàn)以及不斷的創(chuàng)新意識，格里森公司又開發(fā)出第四代滾齒機(jī) GENESIStm 130H，這也是當(dāng)今世界上唯一的第四代數(shù)控滾齒機(jī)。GENESIStm 130H 采用“三合一”的人造大理石床身，只有在高精度磨床上才使用的床身被應(yīng)用于粗加工機(jī)床，可見粗加工對于后續(xù)工序的進(jìn)行影響很大。同時(shí)，GENESIStm 130H 還應(yīng)用了快速上下料機(jī)5構(gòu)、干切技術(shù)、快換夾具、人性化的人機(jī)界面、安全集成模塊等最新技術(shù)。數(shù)控滾齒機(jī)朝著超高速、超精度、超可靠性、超數(shù)字化方向發(fā)展。我國滾齒機(jī)及其自動(dòng)線總體技術(shù)水平比發(fā)達(dá)國家要相對落后,國內(nèi)所需的一些高水平組合機(jī)床及自動(dòng)線幾乎都從國外進(jìn)口。工藝裝備的大量進(jìn)口勢必導(dǎo)致投資規(guī)模的擴(kuò)大,并使產(chǎn)品生產(chǎn)成本提高。因此,市場要求我們不斷開發(fā)新技術(shù)、新工藝,研制新產(chǎn)品,由過去的“剛性”機(jī)床結(jié)構(gòu),向“柔性”化方向發(fā)展,滿足用戶需求,真正成為剛?cè)峒鎮(zhèn)涞淖詣?dòng)化裝備。2007 年 4 月，中國本土生產(chǎn)的第一臺帶有人造大理石床身、高速主軸直驅(qū)的滾齒機(jī)正式問世。這臺滾齒機(jī)經(jīng)過嚴(yán)格測試，各項(xiàng)精度指標(biāo)和性能完全滿足格里森美國和德國標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)志著中國齒輪機(jī)床的制造技術(shù)從此跨入了一個(gè)嶄新的高度。6第二章 滾齒機(jī)總體設(shè)計(jì)2.1 滾齒機(jī)的工作原理滾齒加工是依照交錯(cuò)軸螺旋齒輪嚙合原理進(jìn)行的。用齒輪滾刀加工的過程，就相當(dāng)于一對螺旋齒輪嚙合的過程。如圖 2.1(a)所示。將其中的一個(gè)齒輪的齒數(shù)減少到一個(gè)或幾個(gè)，螺旋角增大到很大，呈螺桿狀，就成了蝸桿傳動(dòng)。如圖2.1(b)所示。再將蝸桿開槽并鏟背，使其具有切削性能，就成了齒輪滾刀。如圖2.1(c)所示。滾齒加工是根據(jù)展成法原理來加工齒輪輪齒的，成形滾刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)就是展成運(yùn)動(dòng)，再加上滾刀沿工件軸線垂直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，就可切出整個(gè)齒長。圖 2.1 滾齒原理圖2.2 滾齒機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本次所設(shè)計(jì)的 Y3150E 型滾齒機(jī)，它主要用于加工直齒和斜齒圓柱齒輪，也可用于手動(dòng)徑向進(jìn)給加工蝸輪。圖 2.2 所示是 Y3150E 型滾齒機(jī)床的外形圖。機(jī)床由床身、立柱、刀架溜板、刀架、后立柱和工作臺等組成。刀架溜板帶動(dòng)滾刀刀架可沿立柱導(dǎo)軌作垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和快速移動(dòng)；安裝滾刀的滾刀桿裝在刀架的主軸上；刀架連同滾刀一起可沿刀具溜板的圓形導(dǎo)軌在 240°范圍內(nèi)調(diào)整安裝角度。工件安裝在工作臺的工件心軸上或直接安裝在工作臺上，隨同工作臺一起作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。工作臺安和后立柱裝在同一溜板上，并沿床身的水平導(dǎo)軌作水平調(diào)整移動(dòng)，以調(diào)整工件的徑向位置或作手動(dòng)徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。后立柱上的支架可通過軸套或頂尖工件心軸的上端，以提高工件心軸的剛度，使?jié)L切工作平穩(wěn)。7圖 2.2 滾齒機(jī)床外形圖2.3 滾齒機(jī)的傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)Y3150E 型滾齒機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)中共有 6 條傳動(dòng)鏈，它們分別是主運(yùn)動(dòng)鏈、展成運(yùn)動(dòng)鏈、軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)鏈、附加運(yùn)動(dòng)鏈、工作臺的水平送進(jìn)運(yùn)動(dòng)鏈和快速移動(dòng)刀架的運(yùn)動(dòng)鏈。其主要四條傳動(dòng)鏈的表達(dá)式如下：1) 主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈：電動(dòng)機(jī)(M)—1—2—置換結(jié)構(gòu)(I v)—3—4—滾刀，是一條將電動(dòng)機(jī)與滾刀相聯(lián)系的外聯(lián)系傳動(dòng)鏈。其中置換機(jī)構(gòu)用以變換滾刀的轉(zhuǎn)速。2) 展成運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈：滾刀—4—5—置換結(jié)構(gòu)(I x)—6—7—工作臺，是內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈，實(shí)現(xiàn)漸開線齒廓的復(fù)合成形運(yùn)動(dòng)。其中置換機(jī)構(gòu)用于適應(yīng)工件齒數(shù)和滾刀頭數(shù)的變化，其傳動(dòng)比的要求很精確。3) 軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈：工件—7—8—置換結(jié)構(gòu)(I f)—9—10—刀架升降絲杠，是一條外聯(lián)系傳動(dòng)鏈，實(shí)現(xiàn)齒寬方向直線形齒形的運(yùn)動(dòng)。其中，置換機(jī)構(gòu)用于調(diào)整軸向進(jìn)給量的大小和方向，以適應(yīng)不同加工表面粗糙度的要求。加工直齒圓柱齒輪時(shí)，它需具有以上三條傳動(dòng)鏈。圖 2.3 所示為滾切直齒圓柱齒輪的傳動(dòng)原理圖。8圖 2.3 滾切直齒圓柱齒輪的傳動(dòng)原理圖4)附加運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈：刀架升降絲杠—12—13—置換結(jié)構(gòu)(I y)—14—15—I 合成—6—7—置換結(jié)構(gòu)（I x）—8—9—工件，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)。實(shí)現(xiàn)滾切斜齒輪所需成形運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)原理圖如圖 2.4 所示。其中，主運(yùn)動(dòng)、展成運(yùn)動(dòng)以及軸向運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈與加工直齒輪時(shí)相同，只是在刀架與工作臺之間增加了此附加運(yùn)動(dòng)鏈。圖 2.4 滾切斜齒圓柱齒輪的傳動(dòng)原理圖92.4 主傳動(dòng)方案的評定與選擇對于同一個(gè)系統(tǒng)，可以有不一樣的傳動(dòng)方案.也可以利用不一樣的傳動(dòng)部件，選擇傳動(dòng)系統(tǒng)，不僅要考慮方案的可行性，還要考慮加工工件的經(jīng)濟(jì)性等等。所以就下面關(guān)于各部分系統(tǒng)的傳動(dòng)選擇與評定，并且列出最優(yōu)方案。表 2.1 主傳動(dòng)傳動(dòng)方案表方案簡圖 方案說明方 案 一 定 軸 輪 系 定軸輪系方案：由設(shè)計(jì)題目的主要技術(shù)參數(shù)知，滾刀主軸的變速級為6 級，又依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該傳動(dòng)為降速傳動(dòng)。越接近電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)件轉(zhuǎn)速越高，在電動(dòng)機(jī)功率一定的情況下，傳動(dòng)件和傳動(dòng)軸的幾何尺寸就越小。定軸輪系結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)效率較高，制造和操作都比較方便，價(jià)格低廉。在此處若用定軸輪系，會是進(jìn)給系統(tǒng)的變數(shù)技術(shù)較小。本系統(tǒng)只 適用于變速級數(shù)較小的場合，當(dāng)變速級數(shù)較大時(shí)，會使其結(jié)構(gòu)龐大。方 案 二 周 轉(zhuǎn) 輪 系周轉(zhuǎn)輪系有多種類型，類型選擇主要依據(jù)不同類型輪系適用的傳動(dòng)比范圍以及對該輪系效率的估算傳動(dòng)比較大，在以傳遞運(yùn)動(dòng)為主時(shí)，可選擇轉(zhuǎn)化輪系為正號機(jī)構(gòu)的行星輪系。傳動(dòng)比較大，且以傳遞動(dòng)力為主時(shí)，應(yīng)該選用轉(zhuǎn)化輪系為負(fù)號機(jī)構(gòu)的行星輪系。但因?yàn)樨?fù)號機(jī)構(gòu)傳動(dòng)比不能很大，可以將多個(gè)基本型行星輪系串聯(lián)起來，或與定軸輪系組成混合輪系，以獲得較大的傳動(dòng)比和較高的效率。10方 案 三 掛 輪由設(shè)計(jì)題目的主要技術(shù)參數(shù)知，滾刀主軸的變速級為 6 級，又依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，該傳動(dòng)為降速傳動(dòng)，需要六組不同傳動(dòng)比的掛輪。該變速系統(tǒng)原理簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，制造和維護(hù)比較方便，但操作比較復(fù)雜。用于不同轉(zhuǎn)速時(shí)需要不同的掛輪。在變速級數(shù)較多，變化頻率較高時(shí)，所需掛輪數(shù)目就較多，一臺機(jī)床就得配帶同樣數(shù)目的掛輪，很麻煩。但可給據(jù)不同的傳動(dòng)比要求更換不同的齒輪。方案四帶傳動(dòng)塔輪變速該變速機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，可用于兩軸間距較大的場合，如機(jī)床。主軸 I上的塔輪與從動(dòng)軸 II 上的塔輪其裝置方向恰相反，各級帶輪直徑之選取，都以同一帶長為基準(zhǔn)。通過改變帶與不同直徑帶輪接觸，即可使從動(dòng)軸獲得不同轉(zhuǎn)速。依據(jù)表 2.1 所示，最佳傳動(dòng)方案為方案三，置換結(jié)構(gòu)為掛輪時(shí)，變速系統(tǒng)原理簡單，制造和維護(hù)比較方便?？山o據(jù)不同的傳動(dòng)比要求更換不同的齒輪。112.5 電動(dòng)機(jī)的選擇滾齒切削的最大扭矩（2-1.750.6.810.26.7max 1239(kgfm)MfAVZ???1）（2-??1.750.6.810.26.71234f ?平 均2）式中： ——切削深度系數(shù)是切削深度 a 和齒高的比值， ；A a2.5mA?——所要加工齒輪的齒數(shù)；Z——工件材料修正系數(shù)；1k——齒輪螺距角修正系數(shù)；2——為硬度修正系數(shù)。3k當(dāng)切削鑄鐵時(shí)，模數(shù) m=8mm，進(jìn)給量取 f=3，A=0.5，切削速度 ，60m/inV?Z=100，查得 ， ， ，代入式(2-1)可得：48.01?k1.2k23.?k ??75065.806.27max9 481.23kgfM????????.3gf?根據(jù)滾刀直徑 d=160mm，有KNF17.2/d?WVP40.6?機(jī)床電動(dòng)機(jī)的功率 ，主軸箱工作臺等傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率為 0.72，則取E效率 ， ，選電動(dòng)機(jī)功率72.0?總?K95.27./1.2/?總? 3kWEP?為滿足轉(zhuǎn)速和滾齒機(jī)結(jié)構(gòu)的要求選擇電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為 ，查機(jī)械140r/minn設(shè)計(jì)手冊，選擇的電動(dòng)機(jī)的型號為：Y100L2-4。122.6 滾齒機(jī)的技術(shù)規(guī)格其設(shè)計(jì)依據(jù)如下：加工圓柱形直齒輪最大直徑 有外支架 450mm 無外支架 800mm加工圓柱形斜齒輪最大直徑 螺旋角為 30°時(shí) 500mm螺旋角為 60°時(shí) 190mm最大加工模數(shù) 鋼材 6mm，鑄鐵 8mm；最大工件直徑 500mm；最大安裝刀具直徑×長度 160×160mm；滾刀的最大垂直行程長度 300mm；滾刀轉(zhuǎn)數(shù)范圍 40~250r/min；軸向進(jìn)給量范圍 0.4~4mm/r主電動(dòng)機(jī)功率 3kW主電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 1430r/min13第 3 章 刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 滾刀刀架的結(jié)構(gòu)介紹圖 3.1 Y3150E 滾齒機(jī)滾刀刀架Y3150E 型滾齒機(jī)刀架結(jié)構(gòu)如圖 3.1 所示。滾刀刀架由刀架體和刀具溜板兩部分組成。滾刀刀架用于支承滾刀主軸，并帶動(dòng)安裝在主軸上的滾刀作垂直運(yùn)動(dòng)。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。刀架體 1 通過六個(gè)螺栓 4 固定在刀架溜板的環(huán)形 T 形槽上(圖中未示出)。刀架體可相對刀架溜板搬動(dòng)一定的角度，以調(diào)整滾刀安裝角。安裝滾刀的刀桿 18(見圖 3.1b)右端用莫氏錐體與主軸 14 的莫氏錐孔相配合，并用方頭螺桿 7 經(jīng)主軸通孔從后端拉緊，刀桿的左端支承在后支架 16 的滑動(dòng)軸承 17 內(nèi)。主軸與刀桿的徑向圓跳動(dòng)允差為 0.005mm；圓度允差為 0.005mm；其配合部位的接14觸面積應(yīng)大于 85%。后支架 16 可在刀架體上沿主軸軸線方向調(diào)整，并用壓板將其固定在所需的位置上。主軸 14 的前端(左端)用內(nèi)錐外圓的前滑動(dòng)軸承 13 支承，以承受徑向力。該軸承為雙層金屬結(jié)構(gòu)，采用鋼料為底層，面襯青銅。其中 1：20 的錐孔用作滾刀主軸的軸線定位基準(zhǔn)。由于對主軸部件的回轉(zhuǎn)精度要求很高，除要求前滑動(dòng)軸承內(nèi)孔與外圓柱面有較高的同軸度外，還必須保證主軸與前滑動(dòng)軸承的配合間隙保持在 0.004～0.01mm 內(nèi)。該軸承在結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)有油孔和油槽，通過潤滑系統(tǒng)供給清潔、充足的潤滑油。前軸承 13、推力球軸承 11 安裝在軸承座 15 內(nèi)，經(jīng)螺栓 2通過兩塊壓板將軸承座 15 緊固在刀架體上。主軸的軸向力由兩個(gè)推力球軸承11 來承受。主軸由后(右)端的花鍵軸通過銅套 8、花鍵套筒 9 支承在兩個(gè)圓錐滾子軸承 6 上，由齒輪 5 帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，為卸荷式主軸結(jié)構(gòu)。 為調(diào)整滾刀的軸向位置(常稱為串刀)，可通過串刀機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整時(shí)，應(yīng)先松開壓板螺栓 2，用手柄轉(zhuǎn)動(dòng)方頭軸 3，經(jīng)小齒輪及軸承座 15 上的齒條，帶動(dòng)軸承座 15、滾刀主軸一起軸向移動(dòng)。調(diào)整合適后，應(yīng)將壓板螺栓擰緊。3.2 刀架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算3.2.1 直齒輪的設(shè)計(jì)已知滾刀的最低轉(zhuǎn)數(shù)為 47.5r/min，傳動(dòng)效率為 ，選用直齒圓柱齒72.0＝總?輪傳動(dòng)選大齒輪齒數(shù) =80，傳動(dòng)比為 。1Z41802??1.根據(jù)齒根彎曲疲勞疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)： ??321FSadnt YKTm???? ??13?(1)確定公式中的各計(jì)算數(shù)值1）試取載荷系數(shù) 56.?t2）計(jì)算大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩總???npT610.9 ??23?mN47203.6551??＝小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 .452?＝T3）由表 10-7 選取齒寬系數(shù) 。1＝d?154）由表 10-21d 按齒面硬度查得大小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 MPa502lim1li?H?5）由圖 10-20c 查得大小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 3821FE6）由式 計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)??3?考慮到工作條件工作環(huán)境以及總體設(shè)計(jì)取齒輪壽命為十年，每年 300 個(gè)工作日，每個(gè)工作日安 8 個(gè)小時(shí)計(jì)算得njLN160? ??3?式中 ：齒輪的轉(zhuǎn)速，單位為 ；nmir：齒輪每轉(zhuǎn)一圈時(shí)同一齒面的嚙合的次數(shù)；j：齒輪的工作壽命，單位為 。hLh71 1084.63015.4760????N再由傳動(dòng)比 得：?812074.?N7）由圖 10-18 取彎曲疲勞壽命系數(shù)： 9.21?FNk8）計(jì)算彎曲疲勞許用彎曲應(yīng)力。取彎曲疲勞安全系數(shù) ，由式 得4.?S??43???SkFENF11???43?MPa3.24.380921 ???a?9）查取齒形系數(shù)由表 10-5 查得 2.1?FaY80.Fa10）查取應(yīng)力校正系數(shù)由表 10-5 查得 7.1Sa5.12Sa1611）計(jì)算大小齒輪的 并加以比較??FSaY?0168.3.2471??FSa??582FSaY?因?yàn)? ，故取 進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算。??2FSaY??1FSa2Z（2）設(shè)計(jì)計(jì)算1) 試計(jì)算齒輪模數(shù) ntm325017.1.6???ntt48.2) 設(shè)計(jì)圓周速度 vs/m51.097.106248.cos1062 ?????????nzmt ??53?3) 計(jì)算載荷系數(shù)由表 10-2 查得使用系數(shù) =1.0。AK根據(jù) ，7 級精度，由圖 10-8 查得動(dòng)載系數(shù) 。smv/81.0? 3.1?VK直齒輪取 ;?由得 。則載荷系數(shù)3.?K71.38.21.0??????KVA ??63?式中： 為使用系數(shù)； 為動(dòng)載系數(shù)； 為齒間載荷分配系數(shù)； 為齒aK?K向載荷分布系數(shù)。mm 56.248.5617.33 ????ttnkm ??73?則取 ?n172.幾何尺寸計(jì)算計(jì)算分度圓直徑m240831???Zdn ??83?622m9計(jì)算齒輪寬度 0612??b3.校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度。??HEHubdKTZ?????12 ??103?查圖 10-19，得接觸疲勞壽命系數(shù) ＝1.15 ， ＝0.95。1N2N計(jì)算許用接觸應(yīng)力取安全系數(shù) 則1?HS?? a5.6431705./1limMPSKHN??? ??13?292li2H 2??????a8/1??節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) 5.HZ材料系數(shù) MPa89E校核計(jì)算得接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求。3.2.2 滾刀心軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖 3.2 滾刀心軸裝配圖181.分度軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則軸的結(jié)構(gòu)主要取決于軸在機(jī)器中的安裝位置及形式；軸的毛坯種類；軸上作用力的大小和分布情況；軸上零件的布置及固定方式；軸承類型及位置；軸的加工工藝及其它要求。不論具體情況如何，軸的結(jié)構(gòu)一般滿足以下幾個(gè)方面的要求：a.軸和軸上的零件要有準(zhǔn)確的工作位置；b.軸上零件應(yīng)便于裝拆和調(diào)整；c.軸應(yīng)具有良好的制造工藝性；d.軸的受力合理，有利于提高強(qiáng)度和剛度；e.節(jié)省材料，減輕重量；f.形狀及尺寸有利于減小應(yīng)力集中。2.軸上零件的布置和裝配軸上零件布置得是否合理，直接關(guān)系到軸的外形、結(jié)構(gòu)、尺寸及受力狀況以及材料的選擇。擬定軸上零件的裝配方案是進(jìn)行軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提。裝配方案是指軸上零件的裝配方向、順序和相互關(guān)系。軸上零件可以從軸的左端、右端或從軸的兩端依次裝配。在此選擇從左端開始裝配。軸的左端固定是通過鎖緊螺帽和圓螺母固定的。然后套在工件心軸底座上，工件心軸底座通過六角螺釘和內(nèi)螺紋孔錐銷與工作臺圓盤固定在一起，蝸桿和蝸輪的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)了工作臺圓盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣工件心軸底座和心軸一起旋轉(zhuǎn)。工件套在工件心軸上，通過六角螺帽和兩個(gè)墊圈進(jìn)行固定。具體結(jié)構(gòu)如上圖所示。工件的安裝和固定有一定的要求。工件本身的準(zhǔn)確性及安裝的正確性直接影響著銑出的齒輪的好壞，因此，要提高工件的固定精度。此外，應(yīng)當(dāng)使工件與工作臺中心同心，在夾緊力的作用下不會產(chǎn)生變形，可用千分表緊固在刀架上來檢查工件安裝的情況。3.心軸是只承受彎矩而不受扭矩，其失效形式主要有：a．因疲勞強(qiáng)度不足而產(chǎn)生疲勞斷裂；b．因靜強(qiáng)度不足而產(chǎn)生塑性變形或脆性斷裂 ；c．因剛度不足而產(chǎn)生過大彎曲及扭轉(zhuǎn)變形；d．高速時(shí)發(fā)生共振破壞等。擬定軸上零件的裝配方案如圖 3-2 滾刀心軸裝配圖所示：如圖所示滾刀心軸上所需要定位的只有滾刀和心軸。所以對于滾刀的徑向定位采用平鍵定位即可。對于滾刀的軸向定位，左側(cè)采用采用軸肩或套筒，右端采用用軸套或軸肩即可。將滾刀安裝在心軸上后，心軸的左端插入的滾刀主軸的空心軸中，右端則采用安裝軸套后在安裝在滾刀架上，使心軸與主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。心軸尺寸參數(shù)的擬定：19如下如圖 3.2 所示，可用的滾刀及心軸直徑有 22、27、32，其長度為40~105mm，所以初步擬定從心軸左端到右端的長度和直徑如圖 3-4 所示選擇軸的材料為 45 號調(diào)質(zhì)鋼。 材料的安全彎曲應(yīng)力為 ??MPa301???彎曲應(yīng)力 Wb???13?式中， 為彎矩， 為抗彎截面系數(shù)。MW其中， 。31.0d?圖 3.3 心軸受彎曲應(yīng)力作用時(shí)簡圖圖 3.4 心軸結(jié)構(gòu)示意圖由于在工作中心軸外面裝有齒輪滾刀，齒輪滾刀是加工直齒和斜齒的最常用的展成法刀具，利用螺旋齒輪嚙合原理來加工齒輪。它加工范圍廣，模數(shù)從到 的齒輪均可使用滾齒加工。m1.04滾刀一般常用的是齒輪滾刀，其外形相當(dāng)與一個(gè)蝸桿。為了能使這個(gè)蝸桿能起到切削作用，需要在其圓周上開出幾個(gè)容屑槽，形成很短的刀齒。在工作過程中滾刀受到切削力的作用。根據(jù)總體設(shè)計(jì)中求出的切削力和所取的最小直徑 ，再由下列近似關(guān)系：kNFc17.2?m27??cf F5.04～? ??143?p~3 5查[10]，取 ， cfF42.0?c6.得出 ， kN91.fFk78p20根據(jù)公式 22fpcFF?? ??163?其中： 為切削力； 為背向力； 為進(jìn)給力。CFpf求出合力 。kN5.2?根據(jù)心軸的固定位置，取心軸的中點(diǎn)作為受力點(diǎn)，則由公式 ， 得lFM?。mN491250.6250?????l。MPa71.3acaW?則 ??1??ca強(qiáng)度足夠。.39L21第四章 滾刀箱及其余部件設(shè)計(jì)4.1 滾刀箱的設(shè)計(jì)滾刀箱的結(jié)構(gòu)形狀主要取決于其功能要求，以及箱體在床身上的安裝連接要求。滾刀箱首先應(yīng)該滿足運(yùn)動(dòng)方面的要求，如滾刀箱的旋轉(zhuǎn)、步進(jìn)等。此外，還要求具有較高的傳動(dòng)效率，保證傳動(dòng)件具有足夠的強(qiáng)度或剛度，降低噪音，提高抗振性和耐磨性，操作方便，并有良好的工藝性，便于檢修，成本較低，防塵、防漏，外形美觀等。圖 4.1 滾刀箱圖 4.1 所示為滾刀箱的結(jié)構(gòu)示意圖。滾刀箱內(nèi)裝有傳動(dòng)軸和齒輪，滾刀箱的絕大多數(shù)傳動(dòng)軸上都裝有滾動(dòng)軸承。傳動(dòng)軸的軸承以圓錐滾子軸承為主。因?yàn)閳A錐滾子軸承價(jià)格較低，噪音和發(fā)熱量較小，且裝配方便，承載能力較大，還可以承載部分軸向力。滾刀箱作為滾齒機(jī)的重要組成部分，要求傳動(dòng)精確，并且工作穩(wěn)定。滾刀箱為箱形，裝在刀架立柱上的滾刀滑板上，由刀架立柱的絲杠來調(diào)節(jié)滾刀箱的運(yùn)動(dòng)。滾刀心軸上裝有齒輪滾刀，由滾刀的旋轉(zhuǎn)與垂直運(yùn)動(dòng)來切削工件。而滾刀箱通過螺栓固定在刀架立柱上，并由刀架立柱的錐齒輪通過主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈傳遞過來的力來驅(qū)動(dòng)滾刀心軸的運(yùn)動(dòng)。22壁厚的大小取決于產(chǎn)品需要承受的外力、是否作為其他零件的支撐、承接數(shù)量、伸出部分的多少以及選用的材料而定。一般的鑄鐵材料以 10 到 15 毫米為準(zhǔn)。滾刀箱的箱體主要是定位軸以及固定零件之用。從經(jīng)濟(jì)角度來看，過厚的產(chǎn)品不但增加物料成本，延長生產(chǎn)過程的冷卻時(shí)間，增加生產(chǎn)成本；從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度來看，過大的壁厚將增加產(chǎn)生空穴和氣孔的可能性，大大削弱產(chǎn)品的剛性及強(qiáng)度。最理想的壁厚分布是在任何一個(gè)地方都是均勻一致的，但為了滿足功能上的需求以致壁厚有所改變總是無可避免的。在此情形，有大的轉(zhuǎn)角的地方應(yīng)盡可能平滑。因?yàn)樘蝗坏谋诤褶D(zhuǎn)變會導(dǎo)致應(yīng)力集中和產(chǎn)生不穩(wěn)定問題。壁厚均一的原則在轉(zhuǎn)角的地方也同樣需要，在有大的轉(zhuǎn)角的地方應(yīng)盡量運(yùn)用倒角和圓角。因?yàn)樵诖筠D(zhuǎn)角處通常會導(dǎo)致部件有缺陷及應(yīng)力集中，應(yīng)力集中的地方會在受負(fù)載或撞擊的時(shí)候破裂。較大的圓角提供了這種缺點(diǎn)的解決方法，減低了應(yīng)力集中的程度。建議的最小圓角半徑是壁厚的 25%，適當(dāng)?shù)卦龃髨A角半徑 能明顯地減少應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。4.2 滾刀牙箱設(shè)計(jì)滾刀牙箱固定在刀架滑板上，滾刀主軸孔為莫氏 5 號錐度，滾刀心軸插入此孔，用拉緊螺栓將心軸固牢拉緊在主軸上。為了保證主軸與前軸承的適當(dāng)間隙，將前軸承做成外錐并開口。調(diào)整軸承上的兩個(gè)螺母，可以使前軸承座軸向移動(dòng)，使前軸承孔收縮便可消除主軸與軸承間過大的間隙。后軸承可與主軸一起沿著軸線移動(dòng) 40 毫米，以便在滾刀工作部分磨鈍時(shí)，把鋒利的部分移到切削部分來工作。移動(dòng)后軸承是利用與后軸承相連的鉗在滾刀牙箱殼體上的調(diào)整緊鎖螺栓進(jìn)行的，因?yàn)檠老渖咸籽b后軸承的孔是開口的。調(diào)整時(shí)應(yīng)首先將拉緊開口的鎖緊螺栓松開，調(diào)整好后并把它擰緊。松開壓緊螺釘，搖動(dòng)手柄，可以使?jié)L刀牙箱轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。4.3 刀架立柱設(shè)計(jì)刀架立柱緊固在床身上方，其中有主傳動(dòng)的花鍵軸、傘齒輪和垂直進(jìn)給絲桿，另外還有平衡刀架滑板的液壓油缸。刀架滑板置于 V 型導(dǎo)軌上，前面是操縱板（電氣按鈕） 。另裝有手柄供手動(dòng)升降刀架滑板之用。手搖升降刀架時(shí)，先將手柄搬至“開”位置將給合子脫開，使搖動(dòng)輕便。23總 結(jié)畢業(yè)設(shè)計(jì)是檢查學(xué)生綜合設(shè)計(jì)能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是對學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)能力的一次考驗(yàn)。通過理論與實(shí)踐相結(jié)合，找出了我在設(shè)計(jì)中的不足之處和能力欠缺之處，加深了我對所學(xué)理論知識的理解和掌握，強(qiáng)化了畢業(yè)設(shè)計(jì)中的感性認(rèn)識，提高了獨(dú)立創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。通過深入實(shí)踐，我體會到理論聯(lián)系實(shí)際的必要性，認(rèn)識到在學(xué)校學(xué)過的許多知識與解決實(shí)際生產(chǎn)問題還有很大的差距，而縮短差距的方法只有到實(shí)踐中去。只有到實(shí)踐中去才能真正的鍛煉自己。向生產(chǎn)實(shí)踐學(xué)習(xí)，了解與課題有關(guān)的生產(chǎn)線、設(shè)備、工藝等實(shí)際知識，使我對機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識有了更深一層的了解，奠定了自己走上工作崗位的基礎(chǔ)。我所設(shè)計(jì)的 Y3150E 型滾齒機(jī)刀架系統(tǒng)，該滾齒機(jī)主要用于單件、小批和成批圓柱齒輪的加工，設(shè)計(jì)出的刀架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，主傳動(dòng)箱中的零件絕大多數(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)件，使制造成本大大降低。能夠滿足強(qiáng)度、剛度、壽命、工藝性與經(jīng)濟(jì)性等方面的要求，滿足加工要求，保證加工精度，并使機(jī)床運(yùn)行平穩(wěn)，工作可靠，結(jié)構(gòu)合理，裝卸方便，便于維修與調(diào)整。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，寫出開題報(bào)告。2.完成滾齒機(jī)刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算3.完成刀架結(jié)構(gòu)裝配圖設(shè)計(jì)4.整理圖紙，撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。24參考文獻(xiàn)[1] 吳宗澤. 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊.北京：高等教育出版社，2006.[2] 晏初宏. 金屬切削機(jī)床.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.[3] 李洪. 實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999.[4] 濮良貴. 機(jī)械設(shè)計(jì).西安：高等教育出版社，2005.[5] 吳良. 機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊.上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1979.[6] 張德全.機(jī)械制造裝備及其設(shè)計(jì).天津：天津大學(xué)出版社，2003.[7] 趙汝嘉. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(軟件版). 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社. 2003.[8] 成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2004.[9] 王健石. 機(jī)械加工常用刀具數(shù)據(jù)速查手冊[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2005.[10] 蔡學(xué)熙. 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Mohsen Safavi & S. Saeed Mirian & Reza Abedinzadeh & Mehdi KarimianReceived: 25 November 2008 / Accepted: 23 November 2009 # Springer-Verlag London Limited 2009摘要當(dāng)今，數(shù)控機(jī)床在機(jī)電一體化領(lǐng)域中得到了日益廣泛的應(yīng)用。機(jī)械、電氣和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，引領(lǐng)了新的生產(chǎn)加工理念。近年來，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展已將非線性校正技術(shù)在切削弧齒錐齒輪中的應(yīng)用變?yōu)榭赡?。在本文中，我們將嘗試采用帶有外加 PLC 模塊分度臺的三軸數(shù)控銑床，運(yùn)用帶有索引工作界面的通用銑床的傳統(tǒng)連續(xù)多重切削方法來加工制造出這個(gè)螺旋傘齒輪。該研究包括(a)弧齒錐齒輪的幾何建模，(b)運(yùn)用 CAD/CAE 系統(tǒng)進(jìn)行傳統(tǒng)或新型非傳統(tǒng)方案的模擬仿真，(c)數(shù)控加工工藝的設(shè)計(jì)與 PLC 編程，(d)通過三軸數(shù)控銑床的實(shí)驗(yàn)切削來探索新方案的正確性。結(jié)果表明，開發(fā)的螺旋傘齒輪實(shí)驗(yàn)切削方案不僅與先進(jìn)數(shù)控加工相比成本更低，而且相比傳統(tǒng)切削，加工齒輪的時(shí)間也較短。因此，在螺旋傘齒輪加工領(lǐng)域，這是一個(gè)很經(jīng)濟(jì)的方案。關(guān)鍵詞：齒輪加工，螺旋傘齒輪，CAD/CAM/CAE，數(shù)控技術(shù)，PLC，交流電動(dòng)機(jī)，逆變，接近傳感器，光電傳感器，旋轉(zhuǎn)編碼器1 引言齒輪是工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中重要的精密機(jī)構(gòu)，在平行軸、橫向交叉或非交叉軸之間用于傳遞機(jī)械功率和機(jī)械運(yùn)動(dòng)。雖然有時(shí)會看不見，但齒輪仍是我們工業(yè)文明中最重要的機(jī)械元件之一。在各式各樣的條件下，齒輪會以幾乎達(dá)到無限的速率運(yùn)轉(zhuǎn)。得到發(fā)展的齒輪加工設(shè)備與工藝流程已經(jīng)非常先進(jìn)與成熟。無論大批量生產(chǎn)還是小批量生產(chǎn)，無論在小型車間還是分批處理的加工車間，加工齒輪的流程按順序都需要以下四步操作1.下料2.切齒3.熱處理4.研磨根據(jù)它們的類型、應(yīng)用范圍及強(qiáng)度和剛度要求，通常經(jīng)過鑄造、擠壓、鍛造、粉末冶金、注塑加工和滾齒加工來完成齒輪的加工制造。在這一系列加工流程中，螺旋傘齒輪是最復(fù)雜的一種齒輪，在成角度的橫軸之間，它用來傳遞回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。沿齒長方向，螺旋傘齒輪有徑向彎曲的齒廓曲線。這類齒輪之所以能夠保證與配合齒輪有光滑的嚙合，主要是因?yàn)樗鼈冇袆龠^直齒輪的曲型齒廓，這樣它們同一時(shí)間接觸并嚙合的齒數(shù)會更多。螺旋傘齒輪的設(shè)計(jì)與制造仍然是一個(gè)熱門的研究課題，在直升機(jī)運(yùn)輸齒輪系、27摩托車齒輪減速器及其他工業(yè)分支中都得到十分重要的應(yīng)用。對于制造而言，這種齒輪通常由一種特殊機(jī)床加工而成，如滾齒機(jī)、成型機(jī)。目前，基于輪齒加工的特種數(shù)控加工機(jī)床已運(yùn)用于工業(yè)實(shí)踐中。這也許就是輪齒加工的相關(guān)文獻(xiàn)在公開的研究領(lǐng)域稀少的原因所在。最近，基于齒輪加工的數(shù)控加工機(jī)床已得到長足發(fā)展并逐漸運(yùn)用于工業(yè)實(shí)踐。然而，它們的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)與工業(yè)數(shù)控銑床還是有著內(nèi)在的差異，前者是為一種特種刀具而設(shè)計(jì)的。先前對齒輪的研究主要涉及齒輪的設(shè)計(jì)和分析。在對其幾何特征與設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行研究的同時(shí)，Tsai 和 Chin 基于切面方向上的齒輪傳動(dòng)和漸開線齒輪幾何學(xué)，提供了一個(gè)關(guān)于錐齒（直齒輪、螺旋傘齒輪）的數(shù)學(xué)曲面模型。后來，這個(gè)方案與 A-daccak 等人和 Shunmugan等人基于精密球面漸開線的齒輪曲面模型進(jìn)行了比較，從而得出了一個(gè)截然不同的模型。依據(jù)標(biāo)稱偏差，其精確度（相比運(yùn)用特種機(jī)床加工的螺旋傘齒輪）得到了驗(yàn)證。對于冠齒輪，一些結(jié)論是可行的。Litvin 和 Kim 通過改良直齒輪的基圓提出了運(yùn)用范成法獲得漸開曲線。運(yùn)用斜齒輪傳動(dòng)誤差的修正測定值，Umeyama 在節(jié)圓上設(shè)計(jì)了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)剖面，在面齒輪的上下表面設(shè)計(jì)了一個(gè)改良剖面。Tamura 等人對采用平面齒形的錐齒輪研究得出了一個(gè)點(diǎn)接觸模型。這些研究都與專為加工齒輪而特殊設(shè)計(jì)的那些特種齒輪加工機(jī)床（如滾齒機(jī)、成型機(jī)）返程齒剖面有關(guān)。Suh 等人對螺旋傘齒輪加工的雕刻面加工方法的可行性做了研究，并驗(yàn)證了運(yùn)用帶有回轉(zhuǎn)擺動(dòng)升降臺的四軸數(shù)控銑床生成加工軌跡的可能性。同時(shí)，一種螺旋傘齒輪基于模型的驗(yàn)證法也得以提出。在本文中，對于螺旋傘齒輪我們將嘗試采用一種新的加工流程，加工時(shí)運(yùn)用帶有可用于控制分度臺的 PLC 模塊的三軸銑床。很明顯，這種加工方法的生產(chǎn)率不及特種加工機(jī)床?？沙松a(chǎn)率，這種加工方法的優(yōu)點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：(1)傳統(tǒng)加工方法需要消耗大量投資成本來獲得各種特種機(jī)床，所選用刀具加工的齒輪種類、尺寸和幾何形狀也非常有限；(2)運(yùn)用這種新的加工方法，各種類型的齒輪都可通過工業(yè)三軸數(shù)控銑床加工而成；(3)相比運(yùn)用特種加工機(jī)床，采用該方法加工更為經(jīng)濟(jì)。一個(gè)不同于先前的工作重點(diǎn)是，為了模擬全部加工過程并獲得加工參數(shù)，需要開發(fā)自動(dòng)計(jì)算機(jī)模型。所有先前的研究都在計(jì)算復(fù)雜的數(shù)學(xué)方程組和設(shè)計(jì)幾何模型。鑒于上述情況，我們的重點(diǎn)在于螺旋傘齒輪的加工實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，而不在于提供螺旋傘齒輪的幾何或數(shù)學(xué)模型。這是第一次同時(shí)運(yùn)用機(jī)電一體化機(jī)床和數(shù)控銑床來加工特殊齒輪，甚至一個(gè)機(jī)械元件。2 螺旋傘齒輪的幾何規(guī)格通常，一個(gè)齒輪的幾何參數(shù)都由工程圖給出。對于定義其幾何形狀而言，有些參數(shù)（主要參數(shù)）是必須有的。為此，我們采用名為“GearTrax”的驅(qū)動(dòng)元件開發(fā)軟件來算得這些主要參數(shù)。螺旋傘齒輪的設(shè)計(jì)要求高精度的數(shù)學(xué)計(jì)算，并且生產(chǎn)這種齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不僅需要高質(zhì)量的設(shè)備和加工此類齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)床，而且還需要拓展適當(dāng)?shù)臋C(jī)床參數(shù)設(shè)置。這樣的設(shè)置雖然不合乎標(biāo)準(zhǔn)，但也需要由能夠保證符合高質(zhì)量齒輪傳動(dòng)要求的每種情況的設(shè)計(jì)（根據(jù)齒28輪傳動(dòng)的幾何參數(shù)和展成工具）來確定。3 加工螺旋傘齒輪由引言中的討論，我們知道所有類型的齒輪都能通過加工手法來獲得所需要的所有規(guī)格，其中高精度齒輪的加工手法仍然非常卓越的。成型銑削是加工任意類型齒輪的最常見的加工工序。所使用的道具都具有類似相鄰輪齒間隙的相同形狀。標(biāo)準(zhǔn)刀具通常用于齒輪的成型切削。在美國，這些刀具的每個(gè)徑節(jié)都是原來的 8 倍，用于加工標(biāo)準(zhǔn)表上指示的多齒齒輪。格利森公司基于為補(bǔ)充冠齒輪范成原理而產(chǎn)生的錐齒輪范成的普遍概念：相互嚙合的大小齒輪可分別考慮，運(yùn)用了表面滾齒的加工手法。由公式(1)可知，表面滾齒加工的速率比應(yīng)取決于工具齒輪與展成齒輪的齒數(shù)比：（1 ）tctNw?其中，和分別為工具齒輪與展成齒輪的扭轉(zhuǎn)角速度；和分別為工具齒輪和展成齒輪的齒數(shù)。展成齒輪與工具齒輪的基圓半徑由公式(2)、(3) 確定：（2）sNRctc???（3）ctt其中，s 為機(jī)床徑向設(shè)定值。范成的冠齒輪可考慮為螺旋角為 90 度的特殊斜齒輪。因此，出現(xiàn)了 “形齒輪”這個(gè)通用術(shù)語。當(dāng)已生成的大小齒輪的配合吃面共軛時(shí)，可以考慮對范成冠齒輪的概念進(jìn)行補(bǔ)充。在實(shí)踐中，為了使失配的輪齒表面得以匹配，形齒輪的大小齒可能互不相同。形齒輪的旋轉(zhuǎn)由戟齒輪上的搖架旋轉(zhuǎn)體現(xiàn)。用三軸數(shù)控銑床加工螺旋傘齒輪，我們首先應(yīng)該對開發(fā)的 CAD/CAM 系統(tǒng)的幾何建模和仿真模塊盡享程序測試。運(yùn)用商業(yè)軟件 Solidworks 創(chuàng)建 CAD 模型和 MSC。運(yùn)用 Visual NASTRAN 4D 軟件（運(yùn)用 3D 模型的 CAE 機(jī)械運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)）模擬齒輪加工并得到分析結(jié)果。對于機(jī)床的結(jié)構(gòu)而言，很明顯，螺旋傘齒輪的數(shù)控機(jī)床上，工件的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)史必要的。基于其切削的性能分析，通過一步安裝，螺旋傘齒輪的數(shù)控加工至少也可達(dá)到四軸控制的要求。因此，對于三軸銑床具備回轉(zhuǎn)工作臺是必要的。成型切削或成型銑削都會在測試中用到。刀具從齒輪毛坯中心想要得到的齒高徑向進(jìn)給，然后穿過齒面，而回轉(zhuǎn)工作臺繞其中心旋轉(zhuǎn)工件來獲得所需的齒寬。當(dāng)加工完成一個(gè)齒間時(shí)，刀具后退，分度頭指示齒輪毛坯，繼續(xù)切削下一個(gè)齒間。從根本上說，這種方法是一種簡易而靈活的螺旋傘齒輪加工方法。所需的設(shè)備和刀具都相對簡單，并且只運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)三軸數(shù)控銑床。然而，防止出現(xiàn)任何的工件損壞，就每一工步為短程的刀具進(jìn)給而言，我們有必要做到謹(jǐn)慎考慮。29我們在 GearTrax 環(huán)境下創(chuàng)建螺旋傘齒輪用以模擬操作工序并估算一些加工參數(shù)，如端銑刀的原始高度、接近傳感器的位置、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。例如，在Solidworks 環(huán)境下，端銑刀與螺旋傘齒輪的齒頂間距為 14.7mm，這是我們沿 Z 軸用來垂直定位主軸的。同時(shí)，根據(jù)我們使用的 CAE 系統(tǒng)所提供的圖形報(bào)告，電動(dòng)機(jī)的角速度和轉(zhuǎn)矩分別為1rpm 和 48Nm。Mastercam 是一種可以生成刀具加工軌跡的機(jī)械專業(yè)軟件。根據(jù)齒輪的總深度和表面寬度，在我們的切削程序中可設(shè)計(jì)出加工輪廓線為矩形的刀具軌跡。其它加工參數(shù)和刀具的規(guī)格也應(yīng)錄入軟件的刀具軌跡菜單。在加工輪廓線窗口，我們要用到以下兩個(gè)選項(xiàng)：考慮到對切削量的較大控制，在多通道口允許刀具多工步進(jìn)給。2、在沒有額外的幾何尺寸條件下，在入口/出口位置變動(dòng)之前，導(dǎo)入/導(dǎo)出拉長的或縮短的刀具軌跡，這樣有助于我們控制加工補(bǔ)償，并能使短時(shí)間編制固定加工輪廓線變?yōu)榭赡?。雖然這種齒輪的成型切削一般運(yùn)用萬能銑床上的分度頭來完成，但其加工過程緩慢并需要技術(shù)熟練的工人師傅和操作者。刀具安裝在刀柄軸上，運(yùn)用分度頭來旋轉(zhuǎn)（切削輪齒）并指示齒輪毛坯。工作臺設(shè)置在螺旋角為 35 度的角度上，并且分度頭也應(yīng)與工作臺的縱向絲杠相適應(yīng)，以便使齒輪毛坯得以縱向回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。針對上述提供的方法，我們采用了連接了蝸輪蝸桿變速箱的交流電動(dòng)機(jī)。蝸輪蝸桿變速箱用來減小交流電動(dòng)機(jī)的輸出速度，并將齒線也節(jié)圓錐面間的角度設(shè)置為螺旋角大小。只要刀具軌跡編制與蝸輪蝸桿變速箱輸出軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)間的同步性達(dá)到要求，機(jī)電一體化系統(tǒng)便可同時(shí)控制四根軸（一軸用于工作臺的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，三軸用于刀具的切削運(yùn)動(dòng)） 。同時(shí)，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中我們運(yùn)用梯形圖和通用編程語言來操作 PLC?；谔菪螆D，PLC 的操作步驟如下：第一步 讀取外部輸入信號，例如傳感器與旋轉(zhuǎn)編碼器的地址。第二步 根據(jù)第一步中的輸入信號值，計(jì)算輸出信號并將其傳送給變頻器（反相器） ，從而驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)或通過旋轉(zhuǎn)編碼器使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)一定的角度（齒距） 。配置數(shù)控銑床的同時(shí)，所有系統(tǒng)的程序按以下五個(gè)階段完成：第一階段 成型刀抵達(dá)第一個(gè)接近傳感器，傳感器一旦檢測到成型刀，就向 PLC 發(fā)送一個(gè)+5V 的信號，正如前面提到的，PLC 接收信號并向變頻器發(fā)送一個(gè)輸出信號來驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。第二階段 以 Mastercam 中生成的刀具加工軌跡用成型刀加工旋轉(zhuǎn)的工件。第三階段 刀具抵達(dá)第二個(gè)接近傳感器，傳感器通過檢測刀具來向 PLC 傳送第二個(gè)信號，同時(shí) PLC 接收并向變頻器發(fā)送一個(gè)停止指令。第四階段 銑刀從停止的工件退刀并回到起始位置。同時(shí)，變頻器驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)直到