齿轮磨棱机结构设计

摘 要 齿轮作为机械领域重要的机械零件，其加工制造一直受到人们的重视 。随着科学技术的发展，齿轮的加工要求越来越高，齿轮加工后的去翻边 毛刺已成为齿轮加工的必要工序。 齿轮 翻边毛刺的去除对其外观、传动精度、再加工和装配等都有很大的提高。并且能够降低机械传动产生的 噪音， 从而提高 齿轮的可靠性、寿命和润滑效果 。 本文对齿轮磨棱技术进行了分析，并提出了 齿轮磨棱机的 可行性方案。对机床进行了 整体工作原理的设计和分析。对机床 在 工作情况下进行受力分析，设计出传动方案，并对其传动件进行设计、计算。得出了较合理的设计方案，解决了 大型齿轮磨棱效率低、工时长的问题， 设计的磨棱机 有较为广阔的使用前景 。 关键词 ：齿轮加工 ； 机床设计 ； 传动系统 ； 磨削 as of of of to a in on of of in of of of a 录 摘 要 . 1 . 2 第 1 章 绪论 . 7 课题背景 . 7 轮磨棱机研究目的和意义 . 7 轮磨棱机国内外发展状况 . 8 题概述 . 9 齿轮磨棱的实质和种类 . 9 磨棱的作用 . 10 齿轮磨棱机的分类及工作 . 10 本课题主要研究内容 . 10 拟解决的问题 . 11 第 2 章 随动系统与齿轮磨棱分析 . 12 随动系统 . 12 磨头的选择 . 12 磨头的磨削力分析 . 15 磨头位置及角度分析 . 16 磨头位置 . 16 磨棱角度分析 . 17 磨削过程中力平衡分析及调节 . 17 章小结 . 18 第 3 章 机床设计 . 19 机床总体结构分析及设计思路 . 19 待磨削齿轮的规格 . 19 预确定齿轮磨棱机床的技术参数 . 19 机床总体机构分析及设计思路 . 19 回转工作台的设计 . 21 传动系统的设计 . 22 检测台的设计及其它部件的介绍 . 37 本章小结 . 39 结 论 . 40 致 谢 . 41 参考文献 . 42 . 1 . 7 . 7 . 7 . 8 . 9 . 9 . 10 . 10 . 10 to be . 11 . 12 . 12 . 12 of . 15 . 16 . 16 . 17 In of . 17 . 18 . 19 . 19 . 19 . 19 . 19 of . 21 . 22 . 37 . 39 . 40 . 41 . 42 第 1 章 绪论 课题背景 在大型设备中的齿轮其模数和齿数往往都很大，其质量也自然很大，对这样的齿轮其装夹和加工通常都很困难，特别是像齿端磨棱这样的特殊工艺将更为困难。因此目前对于大型齿轮的齿端磨棱国内外还没有专门的设备进行，因此有必要针对大型齿轮的齿端磨棱的相关原理进行分析并对机床 进行设计。 目前由于没有专用的设备，该工艺都是通过工人的手工进行的。先用磨头手工粗倒棱，然后用油石抛光，这种做法工人的劳动强度大，工作环境恶劣 ，劳动效率低下，对工人的操作要求高，而且加工质量不高。过去， 用户对倒棱的质量要求不高，齿轮倒棱不 作为 很重要的工艺，并且生产任务量少，手工倒棱可以满足质量和效率的要求，但是随着科学技术的发展和市场的不断扩大，用户对产品的质量要求越来越高，齿轮倒棱不再是可粗可精可有可无的工艺，已经成为很重要的生产工艺，甚至因为倒棱质 量达不到要求导致产品不合格，并且生产任务量也越来越大，手 工生产 已 满足不了生产 的 需要 。 因此有必要对齿端倒棱工艺的原理进行分析并设计出相应的机床。 以适应现代对齿轮倒棱加工的生产需要。 轮磨棱机 研究目的和意义 齿轮作为重要的传动零件，由于毛刺的存在，影响其外观、传动精度、再加工和装配，并产生传动噪音，以至使齿轮的性能可靠性、寿命和润滑效果下降，更主要的是降低了齿轮的质量 1。 由于毛刺的存在会导致整个机械系统不能正常工作 , 使可靠性、稳定性降低 。 当存在毛刺的机器作机械运动或振动时 , 脱落的毛刺会造成机器滑动表面过早磨损、噪音增大 。 因此我们必须考虑去除齿轮的毛 刺。而齿轮磨棱机恰是一种很好的用于给齿轮去除毛刺的设备，他在齿轮生产中是极为重要的 3。齿轮磨棱机是一种用于给齿轮去翻边毛刺的自动化机械设备，它采用气动或电动的高速转动，带动砂轮片进行磨削工作，该机床为汽车、摩托车、工程机械、减速器、机器制造等行业提供了可靠的装备，极大的提高传动零件的啮合精度，有效地降低了传动噪音。 轮磨棱机国内外发展状况 随着生产几十点发展和使用要求的提高，齿轮正朝着高精度、高强度、高承载、低噪声、轻量化及长寿命方向发展。对齿轮轮齿进行倒棱是控制齿轮噪声等的一个十分重要的工艺措 施，已引起国内外齿轮加工制造杭寅普遍的关注和重视 4。 19 世纪末，为了磨削 插齿刀 ，在美国创制了大平面砂轮磨齿机。 20世纪初，随着汽车工业的发展，德国研制出锥面砂轮磨齿机，美国采用成形砂轮磨削汽车齿轮。 1914 年，为了提高齿轮精度，瑞士制造出碟形砂轮磨齿机，采取了补偿砂轮磨损等措施。 30 年代后期，瑞士又研制出蜗杆砂轮磨齿机，提高了效率。 对美国产齿轮的研究发现，美国无论是同应公司，还是博格华纳、 公司，生产地无论是闭塞式与或是开放式的齿轮，均对其进行倒棱。虽然美国商务通移动齿轮倒棱国家标准，但个公司对齿轮倒棱有着相同的共识 必修倒棱，并且按各公司的有关标准进行实施。国外对这一技术的应用十分重视，足以表明齿轮倒棱的重要性和必要性 6。 中国的齿轮磨床研究制造已有四十余年历史，从八十年代初至今近二十多年间发展较快，制造出七个系列 60 余种规格的齿轮磨床。其中 1997 年由秦川机床集团有限公司研制成功 的 杆砂轮磨齿机（数控八轴五联动）在国际机床博览会上被有关专家誉为 具国际水平的机床 ，标志着中国齿轮磨床制造技术水平跨入世界先进行列。 随着科学技术和经济的发展，齿轮加工业对于齿轮加工机床的性能要求不断提高，反之，齿轮加工机床制造业对于齿轮加工又具有导向作用，形成有机的联动发展。为此，一批能适应社会科技和经济发展节拍的新产品应运而生 6。温岭市美日机床有限公司、重庆机床有限公司、 宝鸡虢西磨棱机厂 、 陕西秦川机床有限公司、天津第一机床总厂等众多厂家都对齿轮磨棱机研发和生产。其中 宝鸡虢西磨棱机厂生产的 列齿轮磨棱倒角机 是由科技人员经多年研发、精心设计而成，主要应用于各种齿形零件的磨棱倒角加工。该系列机床已有三项技术取得了国家专利，并获得陕西省优秀专利二等奖。 图 1重庆识金实验检测设备有限公司生产的 机 题概述 齿轮磨棱的实质和种类 倒棱实质上是小倒角，也就是在齿轮的齿形加工后对所有裸露的尖角再倒一个小倒角为了与齿轮两端的大倒角相区别，故称为倒棱。倒棱是沿轮齿断面的倒角，是防止由于小的磕碰造成齿面突起而产生噪声和损伤啮合齿面的一 项重要措施。倒棱又分为齿顶倒棱和齿廓倒棱 8。 磨棱的作用 少啮合冲击 ； 长齿轮使用寿命 ； 、磨以及滚、刮工艺中有利于刮刀切入，有效地避免打刀和刀刃崩缺 ； 且比较安全，在齿轮的装配与调试中，手不易被划伤 7。 齿轮磨棱机的分类及工作 磨齿机的工作原理分成形法和展成法 (见齿轮加工 )两类。按展成法加工的磨齿机 根据砂轮形状可分为 4 种 ： 碟形砂轮磨齿机 锥面砂轮磨齿机 蜗杆砂轮磨齿机 大平面砂轮磨齿 机 4。 齿轮磨棱机采用锥形砂轮磨齿 , 该磨齿是按齿轮齿条啮合原理进行加工的 。 砂轮相当于假想齿条上的一个齿 , 工件节圆沿假想齿条节线作纯滚动 。 工件通过展成运动链 , 作展成运动 ( 往复移动和绕自身轴线的反复转动 )。 移动和转动必须保持一定的相对关系 , 即工件转 1 转 , 其移动长度应等于磨削节圆圆周的展开长度 。 这样就可磨出所需的渐开线齿形 。 砂轮倒角是将工件 ( 齿轮 )固定于旋转轴并与旋转轴一起旋转 ( 如图 1) , 砂轮片由电动机带动旋转 , 砂轮片由于重力的原因作用于齿轮 , 齿轮匀速旋转 , 砂轮片沿着齿轮的边缘进行切削运动 , 将齿轮边缘的棱边磨成斜角 。 由于工件在电机带动下旋转 , 当磨完一个齿后 , 将自动磨下一个齿 。 这样只需工件转一转 , 即可完成加工 10。 本课题主要研究内容 1. 根据基本技术参数，给出齿轮磨棱机总体结构初步设计方案。 率，运动行程等方面的计算，确定各个零部件的具体外形尺寸并进行强度校核。完成总装图及部分零件图。 行总体设计 。 轴、轴承的设计及校核。 削力、传送功率的计算。 拟解决的问题 第 2 章 随动系统与齿轮磨棱分析 随动系统 随动系统是一种反馈控制系统。在这种系统中，输出量是机械位移、速度或者加速度。因此随动系统这一术语，与位置或速度，或加速度控制系统是同义语。在随动系统中，有一类，它的参考输入不是时间的解析函数，如何变化事先并不知道 (随着时间任意变化 )。控制系统的任务是在各种情况下保证输出以一定精度跟随着参考 输入的变化而变化。 微机位 置伺服系统概述在自动控制系统中，把输出量能够以一定准确度跟随输 入 量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。 在控制系统中若给定的输入信号是预先未知且随时间变化的并且系统的输出量随输入量的变化而变化这种系统就称为随动系统。快速跟踪和准确定位是随动系统的两个重要技术指标。 磨头的选择 磨具的选择一般可按被加工工件的材料和所规定的加工粗糙度和磨削率来选择砂轮。砂轮的选择分为：磨料的选择，粒度的选择 ， 硬度的选择，结合剂的选择，组织的选择，形状的选择， 外径、厚度、内径的选择 。 磨具是有许多细小的磨粒用结合剂骨节成一定尺寸形状的磨削工具，磨料的种类可分为以下几种： 刚玉类，主要成分是氧化铝（ 硬度较碳化硅类低，但韧性好，主要用以磨削抗拉强度较大的材料（如钢料）。又分可分为棕刚玉（代号 白玉刚（代号 棕刚玉呈棕褐色，韧性好而硬度比白刚玉低，适用于磨削碳钢、合金钢等材料；白刚玉硬度比棕刚玉稍高，但韧性低，适用于精磨淬火钢、高速钢等零件。此外还有单晶刚玉（代号 每个颗粒基本上都是单晶体，呈球状多面体，这种单晶体是在生产过程中生成的，故没有一般刚玉因将粗大 多晶体机械破碎而在砂粒内形成的伤痕与残留应力，所以硬度与任性比白刚玉与棕刚玉高，磨削性能较好。适用于磨削不锈钢，成型磨削与精密磨削。微晶刚玉（代号 在制造时由于迅速冷却而形成很微细的结晶构造，每个砂粒都有很多微小的切削刃，同时这些微晶又牢固地连接在一起因而这种磨料的韧性高，强度大，又有良好的自锐性，当磨削力较大时，只掉下极小的碎块而形成刃口，因此砂轮的磨削能力高而砂轮的消耗小，适用于磨削深度大的成型磨削、不锈钢等特殊钢材的磨削以及光洁度的磨削。还有一种叫铬钢玉，是在冶炼白刚玉时添加 13%的氧化铬（ 提高其磨削性能。铬钢玉（代号 玫瑰红或紫红色，硬度与白刚玉近似，韧性比白刚玉高，磨削时不易烧伤工件与产生裂纹，砂轮形状保持好，适用于成型磨，仪表零件精密零件的光洁度磨削。此外还有烧结刚玉、钛钢玉及锆刚玉等。 碳化硅（ ，比刚玉硬度高但脆性也大，崩碎后，晶面上会分裂出新的尖锐刃口，适用于磨硬而脆的材料，如铸铁。碳化硅又分为黑碳化硅（代号为 绿碳化硅（代号为 碳化硅杂质较多，不如绿碳化硅纯，价格也比较便宜，适用于磨削铸铁等材料，绿色碳化硅杂质少，硬度比黑色碳化硅稍高，适用于 磨削硬质合金等硬度更高比较难磨的脆性材料。 金刚石类，硬度较高，但价格也最贵，分为天然金刚石（代号为 人造金刚石（代号为 由于人口尖锐，硬度非常高，不易磨损，磨削时发热少，精度与表面光洁度较高，砂轮寿命非常长。用绿色碳化硅磨硬质合金常易在表面出现裂纹，而用金刚石磨料的砂轮就不会发生，故特别适合于磨削硬质合金等硬度很高的材料，用来磨钢铁时由于金刚石和钢铁之间的化学亲和力强，磨损较快。 总的来说，磨料的选择主要是根据工件材料。 根据设计要求，由于 该 齿轮磨棱机是对刚刚加工好的齿轮进行再加工 ，即未淬火的合 金钢，所以选用刚玉类材料，又结合设计要求和经济性 选用棕刚玉，代号： A。 磨料的粒度表示磨料颗粒的尺寸大小 ，适宜的磨粒形状和尺寸，能够保证磨粒具有足够的切削刃数和适度的切削刃参数，以保证足够相应的切削性能 。 磨料粒度的选择，主要与加工表面粗糙度和生产率有关。 一般来说，中等粒度的磨具应用最为普遍 。细粒度磨具通常指在精磨、研磨和抛光时使用。成批生产时，在满足工件粗糙度要求的前提下，应尽量选用粒度粗一些的磨具，以提高生产率。而小批量货单件生产时，一般着重考虑工件的加工质量，所以选用细一些粒度的磨具比较有利。 该齿轮磨棱 机虽然是对齿轮进行去翻边、毛刺，但因为齿轮属于较精密的重要工件，所以磨具粒度应选择 46之间的粒度号，根据 查表 24842006 选择粒度号： 磨具 的硬度是指 结合剂 粘结磨粒的牢固程度， 磨具表面上的磨粒在外力作用下从结合剂中脱落的难易程度，磨粒容易 脱落的磨具，硬度就低，反之，磨具的硬度就高。磨具硬度与磨料自身的硬度是不同的概念。影响磨具硬度的重要因素是结合剂。磨具硬度对其使用性能又很大的影响。为了适应不同工件材料和磨削加工条件的要求，需要有不同硬度等级的迷局供选择使用。磨具硬度代号有软至 硬的顺序为： A， B， C， D， E， F， G， H， J， K， L， M， N， P， Q， R， S， T， Y 结合设计要求查表 24841994 选用中硬度代号： M。 磨具结合剂是主要作用是叫许多细小的磨 力黏在一起组成密集，使其具有一定形状和必要的强度。 磨削时，磨粒在结合剂的支持下，可以对工件进行切削。的那个磨力磨钝时，又能使磨粒及时碎裂或脱落，是磨具保持良好的，磨削性能。磨具结合剂的选择主要与，磨削方法、磨削速度以及工件表面建工要求等有关。 目前磨齿机上用的磨具的结合剂，基本上都是陶瓷结合剂。 根据查表 24841994 陶瓷结合剂 的 代号为： V。 磨具的组织是指磨具中磨料、结合剂和气孔三者之间的体积关系。一般通过配方来控制。 磨具组织的表示方法有两种：一种是用磨具体积中磨粒所占的百分比，也就是通常所说的磨粒率表示：一种是用磨具中气孔的数量和大小，也就是用气孔率表示。按，磨粒率表示的磨具组织共分 15 个组织号，器划分的远着是以 62%的磨粒率为 0 号组织，以后磨粒率每减少 2%，组织号增加 1 好，以此类推。磨具组织号按磨粒率从大到小的顺序为： 0， 1， 2， 3， 4， 5， 6， 7， 8， 9， 10， 11， 12， 13， 14 组织号小表示磨粒战友 体积百分比数大，组织紧密，故磨具易被切削堵塞，磨削效率低，但可承受极大的磨削压力，磨具廓形易于保持不变 ，磨削表面的粗糙度较小。一般来说，紧密组织的磨具适用于磨削精度较高和磨具对工件压力大的，中等组织的磨具进行一般的磨削，松组织的磨具的砂轮则适用于接触面积较大及材料较软的工件，以及磨具对工件压力较小的情况。根据设计要求和 查表 24841994 选用组织号为 6 的组织。 磨具的正确几何形状和尺寸，是满足各种 磨削加工 形式和保证磨削加工正常进行的主要条件 。根据齿轮磨棱机的工作要求并查表 24842006选用圆头锥磨头代号为： 17b。 外径 D=10，厚度 T=32，孔径 H=6。 磨头尺寸视图 磨头的磨削力分析 磨削力是的磨粒切削工件时，作用在磨粒上的力，可以分析成两个分力即法向力 切向力 为结合剂桥上的结合力所平衡。 在磨削某一材料齿轮，磨棱角度满足要求的前提下切削力的主要影响因素是磨头的线速度，其他的属于次要因素。通过图 析可得，在磨削是磨棱角度满足要求的前提下，通过调节磨头的线速度和磨头的受力即可改变磨棱宽度 从而达到要求加工的尺寸。 图 磨头磨削力分析 磨头位置及角度分析 磨头位置 磨头的空间布置以满足齿根和齿顶的磨棱的角度与标准的 45 角的正负差值大致相等为目标。 加工齿根时坐标示意图如图 2 图 2加工齿根时磨头切削点的位置 磨头在磨削齿根时磨头切削点坐标 (足下式 : 2 （ 2 加工渐开线时的坐标示意图如图 2 图 2加工齿渐开线时磨头切削点的位置 磨头磨削渐开线部分时切削点的作标（ 满足下式 : xj= 2 2 磨棱角度分析 磨削角度满足下式： 290 1 x （ 2 式中 磨削角度 1 磨头轴线与齿轮端面的初始角度 x磨头轴线与齿轮端面的变化角度 磨头的锥角 通过上式我们可以看出：磨头轴线与齿轮端面的角度影响磨棱角度。 磨头轴线与齿轮端面的角度满足下式： 2t a nt a （ 2 推得： 12t a na r c t a （ 2 由上式可以看出：磨头到摆动点的的长度与磨头位置的比值决定磨头轴线与齿轮端面的角度，进而影响磨削的角度。 磨削过程中力平衡分析及调节 磨头在进行磨削时磨头对其固定点主要受工件对磨头的切向力 磨头固定点的转矩，相应的调节力 其主轴的重力对其固定点的转矩两个转矩的作用。在这两个转矩的作用下磨头在 面内可以适当的转过一定角度而达到力矩平衡，从而实现随动式的加工。受力分析图如图 2 图 2磨头力平衡分析 由上图受力分析可知， （ 2 （ 2 对于设计好的磨头来说 是定值， 只有 可调的，通过调节以调节 F 从而达到调节磨削宽度的目的。 本章小结 通过理论分析我们可以看出通过合理设计机械的相关尺寸和角度，可以通过磨头随动加工出符合角度要求的棱角。通过合理调整 切向 力 调节磨头的受力，从而达到调节磨棱宽度的目的。 当然， 这只是理论 分析 ，在实际 中也存在许多问题值得生产实 践过程中去重视并改进 的问题 。例如，实际生产中磨头的受力是受齿轮自转的影响的，但可以预见在磨头转速很高时影响是不大的。但是若齿轮转速太低 对磨头受力 影响还是较大的。 第 3 章 机床设计 机床总体结构分析及设计思路 待磨削齿轮的规格 加工齿轮直径（ 200 800工模数（ 2 16 预确定齿轮磨棱机床的技术参数 见表 3 机床总体机构分析及设计思路 由第 2 章的原理分析可知在用这种原理进行加工时，磨头主轴和齿轮中心孔轴心是接 近垂直的。 在机床加工过程中齿轮的宽度是可变的，因此磨头主轴离齿轮端面的距离必须要求可调，因此机床必须设计成磨头主轴距离相对与齿轮工作台面距离可通过人工调节的形式。 该机床要求加工不同齿数和模数的齿轮，这就要求磨头主轴在机床 Y 方向具有可调功能，而对于具体的一次加工来说只需调节一次，因此可用手动调节。 同时装齿轮的工作台要求低速旋转，而且是在加工过程中持续转动并且要求转速可调，因此选用电动机，为了节省空间，采用带轮传动。 磨头由于转速较高功率小，且由于结构和质量限制不能采用调速机构或者变速箱进行调速，因此选用 转速易调的马达。 综上分析该机器共需要实现 4 个运动，其中 2 个用手轮调节、 1 个用电动机、 1 个用马达来实现。 2 手轮均调节磨头主轴的空间位置，这样可以将机床的设计分为两部分：安装齿轮的回转工作台和安装磨头主轴的检测架两部分。先分别对这两部分的结构按预定要求设计出来。这样可初步确定出机床的大体结构示意图如图 3示： 表 3技术参数 技术参数 单位 参数指标 工件模数范围 16 工件直径范围 00 800 磨头 主轴 转速 0工效率 秒 /件 300 磨头 电机 功率 头主轴的前端面至工件主轴端面的机动距离 于 100 磨头主轴回转角度 度 10 工作台主轴安装孔径 00 回转工作台转速 r/件主轴电动机功率 动机 转速 r/20 机床外型尺寸 200图 3机床示意图 回转工作台的设计 回转工作台采用电机驱动，电机通过带轮传动直接带动回转工作台转动。其传动系统图如图 3 图 3回转工作台传动示意图 其设计包括传动系统的设计、工作台及其它部件的设计。 传动系统的设计 传动系统设计主要包括电动机的选定、各级传动比的确定、 齿轮设计计算、 带轮设计计算和蜗轮蜗杆设计计算等。 传动系统如图 3示： 电机大齿轮蜗杆小齿轮(a) 蜗杆离合器蜗轮小带轮 大带轮主轴(b) 传动系统示意图 3. 电动机的选定 工作机要求的电动机输出功率为： 其 中， 0004321 (1) 确定公式中的参数 磨削过程中磨削力的大小可由经验公式计算出： F=15 磨头直径按最大直径 10算，则主轴最高线速度为： V=170m/s 1 ：齿轮传动效率， 1 = ：蜗杆传动效率， 2 =：离合器传动效率，3= ：带传动效率， 4 =2) 数据代入公式得： 0 0170151 0 0 0 (3) 选择电动机 由表得，选择电动机额定功率为 4载转速为 720 型号为 8 笼型三相异步电动机 2. 传动比的分配 转动工作台的转速范围为 4r/0r/定的电动机转速为 720 r/传动比为 150104 720 i。 因为圆柱齿轮传动比小于 10， 蜗轮蜗杆的传动比 小于 80，带轮的传动比小于 4， 所以初步选定，齿轮传动比 1i =2，蜗杆蜗轮传动比 2i =25 ，带轮传动比3i=3, 。 可 算 得 总 传 动 比1503252321 合理。 3. 齿轮的设计 (1) 选择齿轮的材料、热处理、精度及齿数 该齿轮磨棱机速度不高，故选用 8 级精度（ 10095 2000）。 材料选择。由白哦 7小齿轮材料为 45 钢，