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毕业设计(论文)开题报告 学生姓名： 学 号： 学院： 专 业： 设计(论文)题目： 指导教师： 年 月 日开题报告填写要求1开题报告（含“文献综述”）作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师签署意见及所在专业审查后生效；2开题报告内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3“文献综述”应按论文的格式成文，并直接书写（或打印）在本开题报告第一栏目内，学生写文献综述的参考文献应不少于15篇；4有关年月日等日期，按照如“2002年4月26日”方式填写。1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写1500字左右的文献综述（包括研究进展，选题依据、目的、意义）文 献 综 述 锥齿轮是机械上的关键零件，因其重合度高、传动平稳、噪声低广泛应用于汽车、拖拉机、工程机械、工业缝纫机、电动工具、机床等机械设备中。因此提高锥齿轮的制造技术有利于提高我国机械装备技术水平，其发展好坏密切关系着我国机械工业的发展。如果能有先进的锥齿轮制造技术，我国的机械工业将快速发展。长期以来，国际上首先研发出来的美国格里森公司在技术上对我国封锁，而且严禁向我国出口此类机床，进入九十年代国内市场又被美国、瑞士、德国垄断。因此，我国把锥齿轮数控铣齿机科研开发做为重要的项目实施科研开发。数控锥齿轮铣齿机是一种涉及多学科（自动控制、计算机技术、数学、齿轮啮合原理、机械设计与制造技术等）的高科技产品。不管是“格里森”齿制还是“奥利康”齿制锥齿轮，其齿面轮廓都是复杂的空间曲面，要通过刀具于工件的相对运动加工出复杂的曲面是相当困难的。机械型弧齿锥齿轮铣齿机是通过复杂的传动系统来实现刀具于工件的空间运动关系，由于传动链太长，增加了系统的不稳定性，齿轮的精度也就不容易保证。而数控型是依赖计算机技术能使软硬件相结合来实现刀具与工件的空间运动关系，可以减少传动系统复杂带来的误差，再加上现代计算机技术的高度发展可以实现很精确的空间运动。另外，市场对齿轮规格的多样化需求越来越大，而数控铣齿机的柔性更好。所以，数控锥齿轮铣齿机的研究是有利于我国机械工业的发展，也是机械精密加工的代表。作为即将毕业的一名大学生，应该以提高我们对该行业的认识，增加我们在这方面的知识，从而更好的为社会服务，更好地提高我们在这一领域的竞争力。本文通过对弧齿锥齿轮的齿面特征的研究，结合国内外可以了解的铣齿机的机构特征，通过对现有机床的钻研和齿面加工方法的探究，按照齿轮啮合的原理，完成了弧齿锥齿轮铣齿机刀轴箱部分的运动简化设计，以及对传统的数控弧齿锥齿轮铣齿机机构作出了一些改进。1) 国内数控锥齿轮铣齿机发展现状加工能力最大直径为1250mm、最大加工模数为20mm的数控锥齿轮铣齿机 由天津精诚机床制造有限公司研制成功。它是为了满足国内重型机械装备制造的需求并根据弧齿锥齿轮啮合理论和加工原理而研制开发的全新型坐标式数控弧齿锥齿轮铣齿机，取代了传统铣齿机复杂的摇台偏心鼓轮结构。通过数控系统直接控制并驱动的四个坐标轴取代了传统铣齿机的多个手动调整轴，使机床的结构得到极大的简化。且机床具有精度高、钢性好、可靠、易维护等优点，它是未来柔性化、全数字化控制及智能化铣齿机的一个雏形。其既可满足多品种小批量产品的试制生产又可以适应成批大规模生产需求。该机床运用的数控技术使机床的调整操作简单方便，生产效率比机械式机床提高了2-3倍。该产品填补了国内空白，达到了国际先进水平。另外小模数、小直径的弧齿锥齿轮数控铣齿机基本上实现了与国际水平相当。长沙铁道学院研制成功的YK2212数控螺旋锥齿轮铣齿机，适合于加工小规格（最大模数3mm，最大工件直径125mm，最大齿面宽15mm）螺旋锥齿轮，最大铣刀盘直径3.5英寸（89mm）。秦川机床集团公司与西安交通大学联合研制的YH2240数控螺旋锥齿轮铣齿机，通过6轴联动数字控制器实现自由成形加工，能加工出各种齿制的空间任意齿面，取代了传统机械型螺旋锥齿轮铣齿机复杂的传动链和繁琐费时的调整试切。该机床的特点是引入了加工中心概念，3个铣刀盘安装在一个旋转刀库上，工件在一次装夹中就可以完成粗精加工。因此这种铣齿机也可称之为锥齿轮加工中心。湖南中大创远数控装备有限公司是2004年4月成立的高新技术企业，公司主要从事数控齿轮加工机床的研发、制造和销售，产品包括数控螺旋锥齿轮机床类、数控圆柱齿轮机床类、数控复杂曲面加工机床类，机床附件，并提供齿轮数字化精密加工成套技术服务。公司是全球三家掌握高档数控螺旋锥齿轮加工机床核心技术的企业之一，并且是至今为止我国唯一的一家能够生产八轴五联动联动（全数控）螺旋锥齿轮磨齿机、国内首家采用FACE HOBBING切削等高齿的企业。 长沙哈量凯帅精密机械有限公司是哈尔滨量具刃具集团的控股子公司，由哈量集团和中南大学曾韬技术团队合资于2009年3月成立，其目标是建设国内一流高档数控齿轮装备的研发和制造基地。哈量集团创立于1952年，是我国机床工具行业的排头兵，在精密制造、企业管理、市场营销、海外并购等方面都有很成熟的经验。中南大学曾韬技术团队从19982008年研发了我国第一代数控铣齿机和数控磨齿机并实现了产业化，其中500型数控磨齿机销售了14台，1000型数控磨齿机销售了6台。它们对填补我国螺旋锥齿轮数控机床空白、替代进口起了一定的作用，但是与进口机床相比，无论技术还是性能都还存在着很大的差距。第一代数控铣齿机和磨齿机都是仿照Gleason 1989年推出的凤凰一代数控铣齿机设计的B轴采用摩擦轮传动，容易打滑和坐标原点漂移，影响了加工速度和产品质量。此外，第一代数控铣齿机不能干切，也不能加工摆线等高齿齿轮。最近十年，Gleason和Oerlikon的数控铣齿机和磨齿机都提升到了第二代，加工效率和产品质量有了很大提高。哈量凯帅成立后，决定开发我国第二代数控铣齿机和磨齿机。数控铣齿机和磨齿机的六个数控轴中，最难最关键的是B轴。我们认真研究了各种进口铣齿机磨齿机的B轴后发明了用连杆推动的数控转台并成功地应用到350型和2000型的数控铣齿机和磨齿机上，结束了我国一直仿制国外螺旋锥齿轮数控机床结构的历史。第二代数控铣齿机和磨齿机还安装了在线测量系统，可以自动对刀和对齿轮进行在线测量。350型机床的A轴还采用了大力矩电机直接驱动。实践证明，第二代数控铣齿机和磨齿机克服了用摩擦轮传动时容易打滑和坐标原点漂移的问题，使加工效率和产品质量得到很大提升，用户使用后十分满意。第二代数控铣齿机既可以干切又可以湿切，既能加工圆弧收缩齿齿轮又能加工摆线等高齿齿轮，为我国汽车齿轮的技术进步提供了新的选择。哈量集团与曾韬技术团队的合作是一种强强联合，哈量集团不仅为铣齿机、磨齿机的研发和生产提供了管理、资金、精密加工、采购、销售等方面的坚强后盾，也使哈量集团的产品得到了延伸。现在，哈量集团的齿轮测量中心、新结构刀盘和刀条、精密轴盘、精密夹具和哈量凯帅的铣齿机、磨齿机、研齿机、检验机等一道构成了螺旋锥齿轮装备的系列产品，将为我国由齿轮大国向齿轮强国的转变贡献一定的力量。2) 国外数控弧齿锥齿轮铣齿机发展现状美国GLEASON公司率先推出凤凰系列数控螺旋锥齿轮铣齿机，开始了螺旋锥齿轮加工机床的重大革新。GLEASON公司的这类数控铣齿机取消了传统机床所有的机械传动链和调整环节，大大简化了机床结构，而机床刚性却显著提高。这类全数控螺旋锥齿轮加工机床实际上是一种5轴联动的万能机床，可加工各种齿制的螺旋锥齿轮齿面，除了更换刀盘和夹具、工件外，整个加工过程都是自动的，加工精度比传统机床可提高12级，而且重复精度好。瑞士OERLIKON（奥立康）新开发出来一台数控螺旋锥齿轮铣齿机C28，6轴5联动。这种铣齿机的最大特点是可实现干切削。刀盘主轴箱滑鞍安装在倾斜床身导轨上，切屑可自由落入其下方的排屑槽由排屑器及时排除. C28的加工精度相当高，达56级（DIN标准）。 2本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：1.本课题需要坚决的问题1.刀具箱传动系统的工作原理和设计方案2. 电动机类型的选择3. 各零部件的设计及轴和轴上零件的校核4.主轴的设计2.本课题拟采用的研究手段 1） 了解机床的整体结构和工作原理，对刀具箱传动系统进行方案设计和比较；2） 通过设计计算，选择合适的伺服电机、轴承等；3） 对关键零件进行校核；4） 完成总装图、部件图和部分零件图；5） 完成设计说明书。 方案一如下方案二如下经过对比,方案一结构简单紧凑,传递效率高,方案二优点是可以变速,但结构过于复杂,制造成本高.经过综合考虑本设计选择方案一作为本设计方案参考文献1 樊宁数控简易铣齿装置上加工螺旋锥齿轮的变性半展成法J新技术新工艺 机械加工与自动化2004，(8)：25262 陈兴强,何华在弧齿锥齿轮铣齿机中的应用J机电一体 化2001， (10)：38393 吴宗泽主编. 机械设计实用手册M. 化学工业出版社，1998.4 齿轮手册编委会编. 齿轮手册（上，下册）M.第2版. 机械工业出版社，2001.5 机床设计手册.第1、2、3册.北京 ：机械工业出版社, 19866 南京工艺装备厂滚珠丝杠样本7 邓力凡，陈光辉直线运动导轨的一种新的设计方法J机械工程师1998， (8)：788 林述温主编. 机电装备设计M. 机械工业出版社，2002.9 吴宗泽主编. 机械结构设计准则与实例. 机械工业出版2006. 10 万文经济型数控车床中伺服电机的选择J南昌航空工业学院学报2003，17(4)： 818511 王昆，何小柏，汪信远主编. 机械设计/机械设计基础课程设计. 高等教育出版社，2005.12 孙玉芹，孟兆新主编. 机械精度设计基础M. 科学出版社，2004.13 袁中凡主编. 机电一体化技术M. 电子工业出版社，2006. 14 Neelesh K. Jain, Vijay K. Jain, Modeling of material removal in mechanical type advanced machining processes: a state-of-artreviewJ, International Journal of Machine Tools & Manufacture 41 (2001) 1573-1635.15 K.Y Chang, Y.H.Song, T.R.Lin, Analysis of lapping and polishing of a gauge blockJ, Int. J. Adv. Manuf. Technol. (2002) 42:7-13.16 孙恒,陈作模主编. 机械原理(第六版) M. 高等教育出版社，2000.17 吕宝占,浮红霞,武良臣数控机床加工弧齿锥齿轮的研究 J煤矿机电2000， (6)： 91018 濮良贵，纪名刚主编. 机械设计（第七版）M.西北工业大学机械原理及机械零件教研室 编著. 高等教育出版社，2005.19 吴祖育，秦鹏飞主编. 数控机床 . 上海科学出版社,1990.20 Suh, S.H., Lee, E.S., Kim, H.C. and Cho, J.H. Geometric error measurement of spiral bevel gears using a virtual gear model for STEP-NC. International Journal of Machine Tools and Manufacture, Volume 42, Issue 3, February, 2002. 21 Litvin FL, Kuan C, Wang JC, etal. Minimization of deviation of gear real tooth surface determined by coordinate measurements. Journal of Mechanical Design, ASME, 1993,115(4), 995-100122 Lin, Chung-Yunn, Tsay, Chung-Biau and Fong, Zhang-Hua. Computer-aided manufacturing of spiral bevel and hypoid gears by applying optimization techniques. Journal of Materials Processing Technology, Volume 114, Issue 1, July 4, 2001.指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日摘要 弧齿锥齿轮以其良好的动态性能，在机械行业中占有相当重要的地位，在航空、航海、汽车和各种精密机床等行业应用广泛。弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮具有重迭系数大，承载能力高，传动平稳，噪音低，对安装误差敏感性低等优点，被广泛应用于飞机、车辆、机床和各种机械产品中。而准双曲面齿轮普遍应用于汽车的驱动桥主减速传动。因而弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的设计与制造在机械行业中占有相当重要的地位。但是弧齿锥齿轮的设计加工相当复杂，而且当前拥有该技术的Gleason 公司等搞技术垄断，促使许多国家对该项技术进行研究和探讨，因而对弧齿锥齿轮传动的设计、制造和检测技术的研究一直是齿轮制造中非常活跃的领域。尽管国内有多家企业研制开发了不同系列的弧齿锥齿轮数控加工机床，但是其控制系统都是采用SIEMENS、FANUC 等国外高档数控系统，使得国内在弧齿锥齿轮设计、加工等方面仍然受制于国外少数垄断企业，严重制约着我国制造业水平的提高。本文通过对弧齿锥齿轮的齿面特征的研究，结合国内外可以了解的铣齿机的机构特征，通过对现有机床的钻研和齿面加工方法的探究，按照齿轮啮合的原理，完成了弧齿锥齿轮铣齿机刀轴箱部分的运动简化设计，以及对传统的数控弧齿锥齿轮铣齿机机构作出了一些改进。关键词 弧齿锥齿轮,铣齿机,滚珠丝杠,刀轴箱THE DESIGN OF CUTTER SPINDLE CASE OF SPIRAL BEVEL GEAR CNC MILLING MACHINE-TOOL Abstract:Because of the excellent dynamic performances, spiral bevel gears play a very important role in machinery industry, and are primarily applied to aviation, marine,automobile, precision machine tools and other projects. Spiral bevel and hypoid gears have many advantages in transmission as high contact ration and load capacity, smooth transmitting, lower sensitivity to errors of installation, low-noisy and so on; they are widely used in airplanes, automotive vehicles,machine tools and a lot of kinds of machines. Also hypoid gears are used in the trunk transmission of automobiles. As a result, the design and manufacturing of spiral bevel and hypoid gears occupy an important position in the machinery manufacturing area.The processing design of spiral bevel gears is comparatively complicated, and meanwhile, the owners of the technology, such as Gleason corporation, are engaged in a technological monopolization Therefore, many countries are prompted to the technology research and exploration, and the spiral bevel gear drive in the design, manufacture and testing technology has been very active inthe field of gear manufacturing. While domestic enterprises have developed several different series of spiral bevel gear NC Machines, the control kernel is the foreign NC systems, such as SIEMENS, FANUC and so on. It makes that the domestic spiral bevel gear design, manufacturing and other areas is still subject to few number of foreign monopolies, seriously hindering our manufacturing development.Combined with the home and abroad study of the spiral bevel gear tooth surface characteristics to milling machine can understand the mechanism characteristics. through the study of existing machine tools and the tooth surface processing methods to explore, in accordance with the principle of meshing gears, I completed to simplify the design part of the movemen of spiral bevel gear milling machine cutter axlet, as well as make some improvements of the traditional CNC spiral bevel gear milling machine body.Keywords: spiral bevel gear，milling machine，ballscrew，cutter spindle case目录1 绪论12 刀具箱传动系统的工作原理和设计方案52.1 数控锥齿轮铣齿机的总体设计要求52.2 刀具箱传动系统的具体设计要求52.3 工作原理62.4 设计方案原理图63 传动装置的总体设计.63.1 电动机类型的选择63.2 选择电动机的容量73.3 确定电动机的转速73.4 传动装置总传动比和分配各级传动比83.5 传动装置的运动和动力参数计算83.6 高速级齿轮设计93.7 低速级齿轮设计及校核133.8 高速轴的设计及轴和轴上零件的校核183.9 中间轴设计233.10 主轴的设计28结论.33致谢.34参考文献.35中南林业科技大学本科毕业设计 锥齿轮铣齿机刀具箱传动系统设计1 绪论弧齿锥齿轮以其良好的动态性能，在机械行业中占有相当重要的地位，在航空、航海、汽车和各种精密机床等行业应用广泛。弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮具有重迭系数大，承载能力高，传动平稳，噪音低，对安装误差敏感性低等优点，被广泛应用于飞机、车辆、机床和各种机械产品中。而准双曲面齿轮普遍应用于汽车的驱动桥主减速传动。因而弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的设计与制造在机械行业中占有相当重要的地位。但是弧齿锥齿轮的设计加工相当复杂，而且当前拥有该技术的Gleason 公司等搞技术垄断，促使许多国家对该项技术进行研究和探讨，因而对弧齿锥齿轮传动的设计、制造和检测技术的研究一直是齿轮制造中非常活跃的领域。尽管国内有多家企业研制开发了不同系列的弧齿锥齿轮数控加工机床，但是其控制系统都是采用SIEMENS、FANUC 等国外高档数控系统，使得国内在弧齿锥齿轮设计、加工等方面仍然受制于国外少数垄断企业，严重制约着我国制造业水平的提高。1) 国内数控锥齿轮铣齿机发展现状加工能力最大直径为1250mm、最大加工模数为20mm的数控锥齿轮铣齿机 由天津精诚机床制造有限公司研制成功。它是为了满足国内重型机械装备制造的需求并根据弧齿锥齿轮啮合理论和加工原理而研制开发的全新型坐标式数控弧齿锥齿轮铣齿机，取代了传统铣齿机复杂的摇台偏心鼓轮结构。通过数控系统直接控制并驱动的四个坐标轴取代了传统铣齿机的多个手动调整轴，使机床的结构得到极大的简化。且机床具有精度高、钢性好、可靠、易维护等优点，它是未来柔性化、全数字化控制及智能化铣齿机的一个雏形。其既可满足多品种小批量产品的试制生产又可以适应成批大规模生产需求。该机床运用的数控技术使机床的调整操作简单方便，生产效率比机械式机床提高了2-3倍。该产品填补了国内空白，达到了国际先进水平。另外小模数、小直径的弧齿锥齿轮数控铣齿机基本上实现了与国际水平相当。长沙铁道学院研制成功的YK2212数控螺旋锥齿轮铣齿机，适合于加工小规格（最大模数3mm，最大工件直径125mm，最大齿面宽15mm）螺旋锥齿轮，最大铣刀盘直径3.5英寸（89mm）。秦川机床集团公司与西安交通大学联合研制的YH2240数控螺旋锥齿轮铣齿机，通过6轴联动数字控制器实现自由成形加工，能加工出各种齿制的空间任意齿面，取代了传统机械型螺旋锥齿轮铣齿机复杂的传动链和繁琐费时的调整试切。该机床的特点是引入了加工中心概念，3个铣刀盘安装在一个旋转刀库上，工件在一次装夹中就可以完成粗精加工。因此这种铣齿机也可称之为锥齿轮加工中心。湖南中大创远数控装备有限公司是2004年4月成立的高新技术企业，公司主要从事数控齿轮加工机床的研发、制造和销售，产品包括数控螺旋锥齿轮机床类、数控圆柱齿轮机床类、数控复杂曲面加工机床类，机床附件，并提供齿轮数字化精密加工成套技术服务。公司是全球三家掌握高档数控螺旋锥齿轮加工机床核心技术的企业之一，并且是至今为止我国唯一的一家能够生产八轴五联动联动（全数控）螺旋锥齿轮磨齿机、国内首家采用FACE HOBBING切削等高齿的企业。 长沙哈量凯帅精密机械有限公司是哈尔滨量具刃具集团的控股子公司，由哈量集团和中南大学曾韬技术团队合资于2009年3月成立，其目标是建设国内一流高档数控齿轮装备的研发和制造基地。哈量集团创立于1952年，是我国机床工具行业的排头兵，在精密制造、企业管理、市场营销、海外并购等方面都有很成熟的经验。中南大学曾韬技术团队从19982008年研发了我国第一代数控铣齿机和数控磨齿机并实现了产业化，其中500型数控磨齿机销售了14台，1000型数控磨齿机销售了6台。它们对填补我国螺旋锥齿轮数控机床空白、替代进口起了一定的作用，但是与进口机床相比，无论技术还是性能都还存在着很大的差距。第一代数控铣齿机和磨齿机都是仿照Gleason 1989年推出的凤凰一代数控铣齿机设计的B轴采用摩擦轮传动，容易打滑和坐标原点漂移，影响了加工速度和产品质量。此外，第一代数控铣齿机不能干切，也不能加工摆线等高齿齿轮。最近十年，Gleason和Oerlikon的数控铣齿机和磨齿机都提升到了第二代，加工效率和产品质量有了很大提高。哈量凯帅成立后，决定开发我国第二代数控铣齿机和磨齿机。数控铣齿机和磨齿机的六个数控轴中，最难最关键的是B轴。我们认真研究了各种进口铣齿机磨齿机的B轴后发明了用连杆推动的数控转台并成功地应用到350型和2000型的数控铣齿机和磨齿机上，结束了我国一直仿制国外螺旋锥齿轮数控机床结构的历史。第二代数控铣齿机和磨齿机还安装了在线测量系统，可以自动对刀和对齿轮进行在线测量。350型机床的A轴还采用了大力矩电机直接驱动。实践证明，第二代数控铣齿机和磨齿机克服了用摩擦轮传动时容易打滑和坐标原点漂移的问题，使加工效率和产品质量得到很大提升，用户使用后十分满意。第二代数控铣齿机既可以干切又可以湿切，既能加工圆弧收缩齿齿轮又能加工摆线等高齿齿轮，为我国汽车齿轮的技术进步提供了新的选择。哈量集团与曾韬技术团队的合作是一种强强联合，哈量集团不仅为铣齿机、磨齿机的研发和生产提供了管理、资金、精密加工、采购、销售等方面的坚强后盾，也使哈量集团的产品得到了延伸。现在，哈量集团的齿轮测量中心、新结构刀盘和刀条、精密轴盘、精密夹具和哈量凯帅的铣齿机、磨齿机、研齿机、检验机等一道构成了螺旋锥齿轮装备的系列产品，将为我国由齿轮大国向齿轮强国的转变贡献一定的力量。2) 国外数控弧齿锥齿轮铣齿机发展现状美国GLEASON公司率先推出凤凰系列数控螺旋锥齿轮铣齿机，开始了螺旋锥齿轮加工机床的重大革新。GLEASON公司的这类数控铣齿机取消了传统机床所有的机械传动链和调整环节，大大简化了机床结构，而机床刚性却显著提高。这类全数控螺旋锥齿轮加工机床实际上是一种5轴联动的万能机床，可加工各种齿制的螺旋锥齿轮齿面，除了更换刀盘和夹具、工件外，整个加工过程都是自动的，加工精度比传统机床可提高12级，而且重复精度好。瑞士OERLIKON（奥立康）新开发出来一台数控螺旋锥齿轮铣齿机C28，6轴5联动。这种铣齿机的最大特点是可实现干切削。刀盘主轴箱滑鞍安装在倾斜床身导轨上，切屑可自由落入其下方的排屑槽由排屑器及时排除. C28的加工精度相当高，达56级（DIN标准）。3) 研究的目的与意义 锥齿轮是机械上的关键零件，因其重合度高、传动平稳、噪声低广泛应用于汽车、拖拉机、工程机械、工业缝纫机、电动工具、机床等机械设备中。因此提高锥齿轮的制造技术有利于提高我国机械装备技术水平，其发展好坏密切关系着我国机械工业的发展。如果能有先进的锥齿轮制造技术，我国的机械工业将快速发展。长期以来，国际上首先研发出来的美国格里森公司在技术上对我国封锁，而且严禁向我国出口此类机床，进入九十年代国内市场又被美国、瑞士、德国垄断。因此，我国把锥齿轮数控铣齿机科研开发做为重要的项目实施科研开发。数控锥齿轮铣齿机是一种涉及多学科（自动控制、计算机技术、数学、齿轮啮合原理、机械设计与制造技术等）的高科技产品。不管是“格里森”齿制还是“奥利康”齿制锥齿轮，其齿面轮廓都是复杂的空间曲面，要通过刀具于工件的相对运动加工出复杂的曲面是相当困难的。机械型弧齿锥齿轮铣齿机是通过复杂的传动系统来实现刀具于工件的空间运动关系，由于传动链太长，增加了系统的不稳定性，齿轮的精度也就不容易保证。而数控型是依赖计算机技术能使软硬件相结合来实现刀具与工件的空间运动关系，可以减少传动系统复杂带来的误差，再加上现代计算机技术的高度发展可以实现很精确的空间运动。另外，市场对齿轮规格的多样化需求越来越大，而数控铣齿机的柔性更好。所以，数控锥齿轮铣齿机的研究是有利于我国机械工业的发展，也是机械精密加工的代表。作为即将毕业的一名大学生，应该以提高我们对该行业的认识，增加我们在这方面的知识，从而更好的为社会服务，更好地提高我们在这一领域的竞争力。本文通过对弧齿锥齿轮的齿面特征的研究，结合国内外可以了解的铣齿机的机构特征，通过对现有机床的钻研和齿面加工方法的探究，按照齿轮啮合的原理，完成了弧齿锥齿轮铣齿机刀轴箱部分的运动简化设计，以及对传统的数控弧齿锥齿轮铣齿机机构作出了一些改进。2. 刀具箱传动系统的工作原理和设计方案2.1 数控锥齿轮铣齿机的总体设计要求：螺旋锥齿轮是汽车、拖拉机、工程机械、电动工具、工业缝纫机等机械产品上的关键零件，它的质量直接影响到这些机器的性能。在1989年以前，螺旋锥齿轮采用机械式铣齿机加工，机床的结构非常复杂，机床的调整非常麻烦。因此，针对矿山、冶金等行业大规格、大模数螺旋锥齿轮精密铣齿加工的需求，开发六轴五联动数控螺旋锥齿轮铣齿机（X、Y、Z、A、B轴为联动轴），机床的结构简图为图1铣床结构简图2.2 刀具箱传动系统的具体设计要求：根据机床的总体设计要求和机床的总体结构，对刀具箱的传动系统进行设计，主要设计内容包括：1） 了解机床的整体结构和工作原理，对刀具箱传动系统进行方案设计和比较；2） 通过设计计算，选择合适的伺服电机、轴承等；3） 对关键零件进行校核；4） 完成总装图、部件图和部分零件图；5） 完成设计说明书。设计参数：1）刀具主轴的设计切削扭距3000Nm； 2）刀具主轴端部应符合标准JB/T8359-96中的2C型主轴端部； 3）刀具主轴的转速0240rpm。 4）将切削力折算到C轴轴线与C轴法兰前端面的交点处，则沿X轴正方向或负方向的分力为4500N，沿Y轴正方向或负方向的分力为3000N，沿C轴轴线方向(即Z轴负方向)的分力为4500N。2.3 工作原理: 电动机通过二级斜齿轮的传动,经过减速器减速后由主轴输出所需的机床加工转速.2.4 设计方案原理图图2 设计方案简图3. 传动装置的总体设计.3.1 电动机类型的选择 按工作要求和工作条件选用Y系列鼠笼三相异步电动机。其结构为全封闭自扇冷式结构，电压为380V。3.2 选择电动机的容量工作机有效功率P=,从电动机到工作机输送带之间的总效率为 =式中，分别为斜齿轮传动效率, 圆锥滚子轴承传动效率，角接触球轴承传动效率，调心滚子轴承传动效率。据机械设计手册知=0.98，=0.98，=0.99，=0.98，则有： =0.98 =0.886所以电动机所需的工作功率为： P=85.1KW 3.3 确定电动机的转速按推荐的两级同轴式圆柱斜齿轮减速器传动比I=916,所以电动机转速的可选范围为 n=I=（9-16）240 =（2160-3840）符合这一范围的同步转速有750r/min,1000r/min和1500r/min,3000r/min四种，查询机械设计手册（软件版）【常有电动机】-【三相异步电动机】-【三相异步电动机的选型】-【Y系列（IP23）三相异步电动机技术条件】-【电动机的机座号与转速对应关系】确定电机的型号为Y250s-2.其满载转速为2960r/min,额定功率为90KW。型号额定转速额定输出功率堵转扭矩额定电流极对数Y250s-22960r/min90KW97N.m202A2表13.4 传动装置总传动比和分配各级传动比1）传动装置总传动比 I=2）分配到各级传动比 参考机械设计指导书图12分配齿轮传动比得高速级传动比，低速级传动比为3.5 传动装置的运动和动力参数计算高速轴：转速：n=2960输入功率：P=P=90KW输出转矩：T=9.55=9.55 =290371N中间轴转速：n=输入功率：P=输入转矩T=9.55低速轴转速：n=输入功率：P 输入转矩：T=9.55 轴 号功率（KW）转矩（N）转速（）1轴902.929602轴86.451.15718.453轴82.283.27240表23.6 高速级齿轮设计1.选定齿轮类型，精度等级，材料及模数 1）按要求的传动方案，选用圆柱斜齿轮传动； 2）数控铣床属于精密机床,速度较高,故选用六级精度；（GB1009588） 3）材料的选择。由于机床的运动速度高,而且冲击载荷比较高,故选用合金钢20CrMnTi(调质),硬度为340HBS，大齿轮的材料为40Cr（调质）硬度为270HBS，两者硬度差为70HBS； 4）选小齿轮齿数为Z=22，大齿轮齿数Z可由Z=得 Z=90.24，取91；2.按齿面接触疲劳强度设计 按公式： （1）确定公式中各数值 1）试选K=1.6。 2）由2表10-7选取齿宽系数=0.86。 3）计算小齿轮传递的转矩，由前面计算可知： T=2.9N。 4）由2表10-6查的材料的弹性影响系数Z=189.8MP 5）由2图10-21d按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限 =900MP； 大齿轮的接触疲劳强度极限=820MP。 6）由2图10-19取接触疲劳寿命系数K=0.90； K=0.94。 7）计算接触疲劳许用应力。 取失效概率为1，安全系数S=1，有 =0.90900=810MP =0.94820=770.6MP 初选螺旋角:=15 有机械设计差得 (2) 计算 确定小齿轮分度圆直径d，代入 中较小的值 1）计算小齿轮的分度圆直径d，由计算公式可得： =73.421mm 2)计算圆周速度。 v=9.828m/s 3）计算齿宽b b=0.8673.4221=63.421mm 4）计算模数与齿高 模数 齿高 5) 计算齿宽与齿高之比 6）计算载荷系数K。 已知使用系数K=1，据v=9.836，6级精度。由2图10-8得K=1.0K=1.4075。由2图10-13查得K=1.29，由2图10-3查得K=K=1.1 故载荷系数： K=KKKK =1.707075 7)按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径： 8）计算模数m 3.按齿根弯曲疲劳强度设计 按公式： （1）确定计算参数 1）计算载荷系数。 K=KKKK=1 =1.5609 2）查取齿形系数 由2表10-5查得Y=2.7，Y=2.2333 3）查取应力校正系数 由2表10-5查得Y=1.574，Y=1.7567 4）由2图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极=730MP，大齿轮的弯曲疲劳强度极限=660MP 5）由2图10-18取弯曲疲劳寿命系数K=0.92，K=0.94 6）计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数S=1.4，则有： =479.7143Mpa =443.1429MPa 7）计算大、小齿轮的 ，并加以比较 =0.008859 =0.008853 经比较大齿轮的数值大。 8)计算纵向重合度 9)计算当量齿数（2）设计计算 m=2.35对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，取 m =3mm，已可满足弯曲疲劳强度。于是有： =取Z=26，则Z4.12=107.12取=107，新的传动比i4.几何尺寸计算（1）计算分度圆直径 （2）计算中心距 a =206.54mm 将中心距圆整为207mm（3）计算齿轮宽度 b= B=40mm，B=45mm (4) 按圆整后的中心距修正螺旋角 因值改变不多,故不必修正.3.7 低速级齿轮设计及校核1.选定齿轮类型，精度等级，材料及模数 1）按要求的传动方案，选用圆柱斜齿轮传动； 2）数控铣床属于精密机床,速度较高,故选用六级精度；（GB1009588） 3）材料的选择。由于机床的运动速度高,而且冲击载荷比较高,故选用合金钢20CrMnTi(调质),硬度为340HBS，大齿轮的材料为40Cr（调质）硬度为270HBS，两者硬度差为70HBS； 4）选小齿轮齿数为Z=21，大齿轮齿数Z可由Z=得 Z=90.24，取93；2.按齿面接触疲劳强度设计 按公式： （1）确定公式中各数值 1）试选K=1.6。 选取区域系数 查得 2）由2表10-7选取齿宽系数=1.0。 3）计算小齿轮传递的转矩，由前面计算可知： T=1.15N。 4）由2表10-6查的材料的弹性影响系数Z=189.8MP 5）由2图10-21d按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限=900MP；大齿轮的接触疲劳强度极限=820MP。 6）由2图10-19取接触疲劳寿命系数K=0.90； K=0.94。 7）计算接触疲劳许用应力。 取失效概率为1，安全系数S=1，有 =0.90900=810MP =0.94820=770.6MP 初选螺旋角:=15 有机械设计差得 (2) 计算 确定小齿轮分度圆直径d，代入 中较小的值 1）计算小齿轮的分度圆直径d，由计算公式可得： =90.716mm 2)计算圆周速度。 v=4.36m/s 3）计算齿宽b b=190.716=90.716mm 4）计算模数与齿高 模数 齿高 5) 计算齿宽与齿高之比 计算纵向重合度 =1.665 6）计算载荷系数K。 已知使用系数K=1，据v=4.36，6级精度。由2图10-8得K=1.05，K=1.417。由2图10-13查得K=1.29，由2图10-3查得K=K=1.1 故载荷系数： K=KKKK =1.630 7)按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径： 8）计算模数m 3.按齿根弯曲疲劳强度设计 按公式： （1）确定计算参数 1）计算载荷系数。 K=KKKK=1 =1.50115 2）查取齿形系数 由2表10-5查得Y=2.7，Y=2.2333 3）查取应力校正系数 由2表10-5查得Y=1.574，Y=1.7567 4）由2图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极=730MP，大齿轮的弯曲疲劳强度极限=660MP 5）由2图10-18取弯曲疲劳寿命系数K=0.93，K=0.95 6）计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数S=1.4，则有 =484.929Mpa =447M.857Pa 7）计算大、小齿轮的 ，并加以比较 =0.0087627 =0.0087448经比较大齿轮的数值大。 8)计算纵向重合度 查得螺旋角系数 9)计算当量齿数（2）设计计算 m=2.35 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度 计算的法面模数，取 m =4mm，已可满足弯曲疲劳强度。于是有： =取Z=23，则Z4.4*23=102.4取=1034.几何尺寸计算（1）计算分度圆直径 （2）计算中心距 a =268.17mm 将中心距圆整为268mm（3）计算齿轮宽度 b= B=103mm，B=100mm (4) 按圆整后的中心距修正螺旋角 因值改变不多,故不必修正.3.8 高速轴的设计及轴和轴上零件的校核1）求作用在小齿轮上的力电机的输出功率p=90 KW，转速n =2966rpm，转矩T=289784 N. mm因己知高速轴小齿轮的分度圆直径为=80. 75 mm，而圆周力F1、径向力Fr轴向力Fa的方向如图三所示图3 受力弯矩图2）轴的结构设计 由于整个刀具箱的结构要求相对紧凑，无需占用太大的空间，因此在设计过程中，把电机的输出轴直接用键与高速轴联接，从而达到整体结构简单紧凑。而根据电机的输出轴的尺寸结构设计，与电机输出轴联接的轴端需做成空心轴。拟定轴上零件的装备方案，如图4所示图4 拟轴上装备图3.8.2.根据轴向定位的要求，确定轴的各段直径和长度。1)为了使电机轴能与轴进行配合，d12要达到 60 mm，而齿轮与轴做成齿轮轴，因此轴的最小直径在6-7段。由于试d45=80. 75 mm，则df=d1-2. 5m=80. 75-2. 5x3=73.25 mm，因此取d34=d56=73 mm 2)初步选择滚动轴承。因为轴承同时受到径向力和轴向力的作用，故选 用单列圆锥滚子轴承。参照工作要求并根据d56 =73 mm，由轴承产品 初步选择。基本游隙组标准精度级的单列圆锥滚子轴承HR33012J, 其尺寸为:dxDxT=60 mm x 95 mm x 27mm，其基本额定载荷Cr=188KN,载荷系数弃fp=1, Yo=1 e=0.353)由于d13与飞轮配合，而飞轮d=100 mm，则有d13 =100 mm 4) 确定长度取箱盖的厚度为30mm，而B 飞 =115mm，取飞轮与箱体之间的距离为a=3mm，飞轮右端面与轴肩的距离为2mm，而轴伸出箱盖的断面3mm,因此L13=155mm。由电机输出轴可查得，取轴孔L12=135mm,L34和L56为轴肩点位作用，取L34和L56为8mm。取齿轮为中心位置，则L67 L13 取L675)取轴端倒角为2x45，各轴肩处的角半径为R2o =218mm。取轴端倒角为2x45，各轴肩处的角半径为R2.3.求轴上的载荷 首先根据轴的结构图作出轴的计算图。然后根据轴的计算简图作出轴的 弯矩图和扭矩图(图3)，从轴的结构图以及弯矩图和扭矩图中可以看出 截面D是轴的危险截面1)计算轴上的各个力的大小，由图3所示 水平面 Fnhl=Fr + Fnh2 (45+156)Fr=156Fnh1+FaD/2 求得 Fnhl=3884.9NFnh2=510.9N垂直面Ft=Fnv1+Fnv2156Fnv1=201Ft求得Fnv1= 2595.1N，Fnv2=11591.4N2)求轴上的危险截面的总弯矩Mh=45Fr一Fa一FaD/2=45 x 3374.62一224303 x 80.75/2=79606. SN.mmMv=45Fr=404833.05N.mm412585.7N.mm4.按弯扭合成应力校核轴的强度 进行校核时，通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面，即危险截面D 的强度。根据计算得的数据以及轴单向旋转，扭转切应力为脉冲循环变应力，取a =0. 6，轴的计算应力前己选定轴的材料为20CrMnTi，调质处理，由机械设计手册查得，故安全。3.8.3轴承的校核(2)求两轴承的计算轴向力Fa1和Fa2 由公式得 (3) 求轴承当量动载荷P1和P2查得X=1Y=0(4)、验算轴承的寿命因为P1P2，所以按轴承1的受力大小验算故所选的轴承满足寿命要求3.8.4键的强度校核 (1)键的选择 根据电动机伸出的结构，选择单头普通平键，而由电动机输出轴d=60mm, 查得键的截面尺寸为:宽度b=18mm，高度h=llmm，由轮毅宽度并参考键 的长度系列，取键长L=140mmo (2)、校核键连接的强度 键、轴和轮毅的材料都是钢，查其许用挤压应力=100-120MPa ,取其平均值，110MPa，键的工作长度L=100mm，键与轮毅槽的接触高度K=0. 5h=5. 5mm。由公式3.9 中间轴设计、3.9.1 中间轴的输入功率，转速和转矩都是由高速轴经过齿轮传递而来的，经计算可得:输入功率君P1=0.985x90=88.65 Kw转速n=2966/3. 16=938. 6076 rpm转矩:T1=9550000*88.65/938.6076=901982.362N.mm3.9.2求作用在小齿轮上的力因己知大齿轮的分度圆直径为D1=332. 3 mm，小齿轮的分度圆直径为D2=97.904mm而大齿轮小齿轮圆周力Ft、径向力Fr及轴向力Fa的方向如图5所示图5 中间轴受力弯矩图3.9.3轴的结构设计因为小齿轮的分度圆直径d2 = 97.904mm 160mm，所以小齿轮和轴做成齿轮轴，根据轴上的零件进行设计轴上装备方案如图所示图6 中间轴装备图根据轴向定位的要求定轴的各段直径和长度小齿轮两边都需要轴肩来定位大齿轮和轴承，取轴肩直径d34=d56 = 85mmL34=5mm ,L56=5.5mm，因为23段与大齿轮配合，所以取d23=75m3.9.4初步选择轴承 由于轴所受到的力比较大，而且还有轴向力的作用，因此在轴的右端设计成用两对角接触球轴承，用以承受主要的轴向力，轴的左端用调心滚子轴承，对轴进行自动调心和承受径向作用力，根据轴的结构，选用0基本游隙组，标准精度的角接触球轴承7214AC/DT，其基本尺寸为dxDx2B二75mm x 130mm x 50mm ,基本额定载荷为Cr=112kw, Cor=115kw,e=0.68 . 12段和23段定个轴肩对调心滚子轴承进行定位，查手册初步选用0基本游隙组，标准精度的调心滚子轴承22212TN/W33, d x D x B二70mm x 125mm x 30mm，基本额定载荷为Cr=150 Kw,Cor=185 Kw，e=0.24, Y1=2.8, Y2=4.:，Yo=2.7，当Fa/Fre时，Pr=0.67Fr+Y2Fa。由轴承可取L12=30mm，为了小齿轮轴的左端与高速轴保持一致，取L13=133mm，而去小齿轮定位为中心位置，取L67=163mm3.9.5轴上零件的周向定位 大齿轮与轴的周向定位采用平键联接，按姚3 =75mm查得平键截面bxh=22mmx14mm，键槽用键槽铣刀加工，长为64mm，同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毅与轴的配合为H6/js53. 5. 5求轴上的载荷根据轴的结构图做出轴的计算图，弯矩图和扭矩图，如前图所示。从轴的结构图以及弯矩和扭矩图中，可以看出截面B, C和D可能是危险截面。(1)计算各力的大小水平面 Fnhl+Fr1+Fnh3=Fr + Fnh2160Fr+(169+82+53!60)Fnh3=Fa1D/2+(169+82)Ft2+(169+82+53)Fnh253Fnh2=213Fnh3 求得 Fnhl=-1981.35NFnh2=-24937.78NFnh3=-6205.1N垂直面Fnv1+Fr2=Fnv3+Ft1+Fnv2169Ft1+304Fnv2+464Fnv3=177Fr2+Fa2D2/2对B点进行受力分析的82Fr2+Fa2D2/2=135Fnv2+295Fnv3联立求得Fnv1=0 Fnv2=-7718.52N Fnv3=6387.77N 求轴上危险截面的总弯矩轴的应力计算根据轴的强度校核公式安全3.9.6 轴承的校核经过轴的设计时算出了轴承所受到的力 求轴承的计算轴向力Fnv2和Fnv3Fd2=0.68Fr2=17751.366NFd3=0.68Fr3=6055.74N因为Fa1-Fa2=-2795.98N所以Fnv1=Fnv3+2795.98Fnv3=6055.74N即Fnv2=8851.72N(3) 求轴承当量动载荷P1和P2查得X=1Y=0(4)、验算轴承的寿命因为P1P2，所以按轴承1的受力大小验算故所选的轴承满足寿命要求3 9.7键的强度校核由前面可知，键的许用挤压应力=110MPa，键的工作长度L=42mm，键与轮毅键槽的接触高度为k=0. 5h=7mm，由机械设计公式得 故选择满足要求，键的标记为键20x63GB/1096-20033.10 主轴的设计3.10.1主轴的输入功率，转速和转矩主轴的输入功率，转速和转矩都是由中间轴经过齿轮传递而来的，经计算得:输入功率:P2n*P1=0.985x88.65=87.32 Kw转速:N2=N1/u=938.6076/3.89655=240. 745 rpm转矩T2=9550000x87.32/240.745 =3463855N.mm3.10.2求作用在齿轮上的力因己知主轴上齿轮的分度圆直径为d=426. 4mm，而圆周力F,、径向力F及轴向力Fa的方向如图七所示图7 主轴受力弯矩图3.10.3 主轴的结构设计（1）根据主轴的功能特点，拟定轴上的装配方案如图所示图8 主轴装备图 由图可知，主轴的主要结构是轴和标准刀头连成一体，由齿轮的传动带动轴的传动从而使刀头所带的刀具进行铣削工作。轴的右端刀头尺寸可从零件图可得，刀头的左端要对轴承进行轴向定位，因此此处做一个轴肩，其直径d67=240mm,长度L67=8mm，由齿轮的设计可知L23 =103-2=l01mm，取D23=150nm，齿轮左边需要轴肩对其进行轴向定位，取轴肩高20mm，则D34=D56=200mm o 45段是为了降低主轴加工的成本而制成的，取D45=198m2)、初步选择轴承 由于主轴所受到的力比较大，而且还有轴向力的作用，根据轴的结构D23=D56=200