机械装备课程设计-插齿机床.docx

机械装备课程设计 题目名称 插齿机床 学生学院 机电工程学院 学 生 指导教师 2016年 01 月 07 日摘 要本设计研究的是教学实验用齿轮插齿机，作为一个机械制造装备,插齿机是最基本的齿轮加工装备之一,能够帮助学生了解普通机械加工装备的基本结构、传动原理及一般齿轮的加工制作过程。在这次学习过程，主要内容有插齿机的传动原理与方法的拟订、传动系统的运动分析与计算和总体结构设计。在设计过程中主要采用机械传动方式，基本上包含了各种比较典型和常用的机械传动，如：带传动、圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动、蜗轮蜗杆、偏心轮结构和链传动等。总体结构设计上采用了分离式传动，能够比较直观地反映机械加工机床的特点，机床实现了齿轮加工所需的插齿、圆周进给、径向进给等运动。关键词：机械装备 机械传动 插齿加工 系统原理目 录第1章 绪论41.1课题背景41.2课题概述4第2章 系统设计及参数计算62.1系统组成、布局和方案设计62.2参数计算92.3主要传动零件的设计参数122.4带轮的具体参数12第3章 三维设计193.1总装图193.2插齿机各部件三维设计193.3建模与装配203.4插齿机各部件组成223.5二维图绘制3.6运动工作原理3.7三对涡轮蜗杆的建模3.8设计并对轴建模3.9 V带轮的建模3.10偏心轮和球头连杆建模3.11偏心轮建模3.12张紧底座建模3.13轴的设计及建模3.14轴承座建模第4章 结论参考文献第1章 绪论1.1 课题背景插齿机在国内外都是比较普遍的机床，但运用在教学中进行实物指导，帮助学生了解其原理及操作的却不是很多。作为一个机械制造装备，插齿机是最基本的齿轮加工装备之一，能够帮助学生了解普通机械加工装备的基本结构、传动原理及一般齿轮的加工制作过程。所以设计小型教学使用的插齿机在生产需求和实际运用上是完全有必要的。本设计所研究的是以电动机为动力源、石蜡为工件毛胚的小型教学实验插齿机，可应用于各理工院校，特别是机械专业的机械原理、加工、装备等课程的教学演示，学生可通过本仪器把以往对机械加工装备的感性认识上升到理性认识。对于只有理论教育缺乏实践教学的高校来说，具有非常重要的作用。本设计的指导思想是着重体现机械传动的传动过程及齿轮加工的运动合成，所以全部传动零件能够一目了然，方便于观察、临摹。1.2 课题概述1.2.1 本设计的目的和意义在交通、动力、冶金、石化、电力、建筑、轻纺、航空、航天、电子、医疗、军事、科研等国民经济的各行各业，乃至人们的日常生活中，都广泛使用着各种各样的机械、仪器和工具。它们的品种、数量和性能等都极大地影响着这些行业的生产能力、劳动效率和经济效率等。这些机械、仪器和工具统称为机械装备。能够生产这些机械装备的工业，称为机械制造业。显然，机械制造业的主要任务，就是向国民经济的各行各业提供现代化的机械装备。因此，机械制造业是国民经济发展的重要基础和有力支柱，是影响国家综合国力的重要方面。自1770年世间上制造出第一台蒸汽机开始，200多年来，为了适应社会生产力的不断进步，为了满足社会对产品的品种、数量、性能、质量以及高的性价比的要求，同时由于新兴工程材料的出现和使用，新的切削加工方法、新的工艺方法以及新的加工设备大量涌现，使得机械制造技术也在经历着巨大变化。近年来，由于现代科学技术的迅猛发展，特别是由于微电子技术、计算机技术的迅猛发展，将传统的制造技术带入了一个崭新的境界，出现了计算机辅助制造（CAM）的新概念。在工艺设计、生产管理、设备制造、质量控制、产品装配乃至产品储存、销售等方面，计算机都大显身手，产生了计算机辅助工艺设计（CAPP）、计算机辅助生产管理（CAPM）、计算机数字控制（CNC）、计算机辅助质量控制（CAQ），柔性制造系统（FMS）等一系列单项技术，而建立在这些单项技术之上的先进制造系统如计算机集成制造系统（CIMS），则是未来工厂的生产模式。所以制造技术正由数空化走向柔性化、集成化、智能化。这已经成为现代制造技术的前言。所有这一切的发展和进步，不仅孕育出机械制造学科的系统理论，而且使之成为最富有活力的、具有 重要研究价值的学科领域。总之，当代机械制造工业以迅猛的步伐跨出了21世纪，加工方法和制造工艺进一步完善与开拓，在传统的切削、磨削技术不断发展，上升到新的高度的同时，各种特种加工方法也在不断出现，开创出新的工艺可能性，达到新的技术水平，并在生产中发挥重要作用；加工技术向高精度发展，出现了所谓“精密工程”与“纳米技术”；制造技术向自动化发展，正在沿着数控技术、柔性制造系统与计算机集成制造系统的台阶向上攀登。如上所述，机械制造业在国民经济中占有极其重要的作用，是国家和地区经济发展的重要支柱。但是先进的技术在发展了，我们学生的实验室里有这些么？答案是没有。在我们的实验室连最基本的齿轮加工实验都得不到普遍，难到要我们的学生在学校与工厂之间跑么？所以教学实验型齿轮插齿机的设计是完全有必要的。它将在学生学习理论知识的同时把真正的实体展现于眼前，使学生能把理论与实际相结合，抹去那模糊不清的概念。1.2.2本设计的研究内容本设计主要研究小型教学实验用插齿机，主要体现机械加工装备的各级传动过程及用范成法加工齿轮。其主要内容包括：（1）插齿机的传动原理及传动方案的拟订；（2）传动系统的运动与动力参数的分析与计算；（3）主要传动零件的设计；（4）总体结构设计。 第2章 系统设计及参数计算2.1 系统组成、布局和方案设计2.1.1插齿机的工作原理插齿机是用来加工内、外啮合的圆柱齿轮，尤其适合于加工内齿轮和多联齿轮。这是滚齿机无法加工的。装上附件，插齿机还能加工齿条，但插齿机不能加工蜗轮。插齿机加工原理为一对圆柱齿轮的啮合。其中一个是工件，另一个是齿轮形刀具插齿刀。他的模数和压力角与被加工齿轮相同。插齿机同样是按展成法加工圆柱齿轮的。插齿运动包括插齿刀的旋转和工件的旋转所形成的展成运动以及插齿刀上下往复所形成的成型运动。插齿开始时，插齿刀和工件除做展成运动外，还要做相对的径向切入运动，直到全齿深为止；然后，工件再转过一周，全部轮齿就切削完毕；插齿刀与工件分开，机床停止。插齿刀在往复运动的回程中不切削。为了减少刀具的磨损还需要有让刀运动，即刀具在回程中径向退离工件，切削时恢复。插齿机的几个有关运动及功能分析如下：1切削运动 为切制出齿轮宽度，插齿刀作与被加工齿轮轴心线平行的垂直往复运动。2范成运动 为切制完整的齿轮，插齿刀与被加工齿轮像一对互相啮合的齿轮，被加工齿轮随齿轮插刀按一定传动比作旋转运动。3径向进给运动 在切齿开始时，插刀不能切出全齿高，被加工齿轮相对于插齿刀需作径向进给运动。4让刀运动 为使插刀在退刀时不受磨损，插刀向后作让刀运动。用齿轮型插齿刀插削直齿圆柱齿轮时，机床的传动原理图如下图所示：图1插齿机的传动原理图B11和B12是一个复合运动，需要一条内联系传动链和一条外传动链。图中点8到点11之间的传动链是内联系传动链展成链。圆周进给以插齿刀每往复一次，插齿刀所转过的分度圆弧长计。因此，外联系传动链以驱动插齿刀往复运动的偏心轮为间接动源来联系插齿刀旋转，图中所示为点4到点8。插齿刀的往复运动A是一个简单运动。它只有一个外联系传动链，即由电动机轴处的点1至曲柄偏心轮处的点4。这条传动链是主运动链。2.1.2 系统布局 图2 总体传动系统图 图3 总体传动系统三级传动链图2.1.3 系统方案设计1.传动系统设计有关加工演示的已知条件有：毛坯参数：外圆直径D=85mm 厚度H=12mm 成型后分度圆直径 模数m=2.5 齿数z=30演示所用插刀:选用m=2.5，=30的标准插刀，参数如下：m=2.5，演示过程中每分钟插齿次数为200次，插齿时圆周进给量为0.25mm/次2.选择电机类型按工作要求，平稳、冲击小、短时、小功率等选用三相笼型异步电动机，封闭式结构，电压380v，Y型。由于工件材料是石蜡，要求的切削力较小，且电机的功率只要满足各级机械传动能正常进行就可以。故无需计算功率选择，可根据经验直接选取容量合适的电动机即可。低转速电动机的极对数多，转矩也大，因此外廓尺寸及重量都较大，价格较高，但可以使传动装置总传动比减小，使传动装置的体积、重量较小；高速电动机则相反。因此确定电动机转速时要综合考虑，分析比较电动机及传动装置的性能、尺寸、重量、价格等要素。综合考虑以上因素选择Y型三相异步电动机90L-4，其性能如下表：表1 电机性能参数电动机型号额定功率 (kw)同步转速r/min满载时电流A效率转速r/minY90L-41.515003.77914002.2 参数计算2.2.1确定传动装置的总传动比和分配传动比将已知条件中的插刀次数转换成曲柄偏心盘的转速，即曲柄偏心盘的转速为200r/min。将插刀的旋转即圆周进给转换为插刀的转速为: 由选定的电动机满载转速和插刀偏心盘的转速n，可得电机到偏心盘的总传动比为 电机到插刀的总传动比分配传动装置传动比式中、分别为带传动、圆柱齿轮传动和链传动的传动比。考虑V带传动比与其外廓尺寸的关系以及链轮传动的稳定性选取V带传动比，则圆柱齿轮传动比插刀圆周进给时经过二级蜗轮传动减速，取第一级蜗轮的传动比为=30，则第二级蜗轮传动的传动比为 将蜗轮传动比圆整为。选定所有传动链中圆锥齿轮传动的传动比为 ，则内传动链中工件处蜗轮蜗杆传动的传动比插刀的实际转速 误差允许2.2.2 计算主要传动装置的运动和动力参数为了进行传动件的设计计算，要推算出各轴的转速和转矩（或功率）。现将传动装置各轴转速由高至低依次定义为轴、轴，以及，为相邻两轴间的传动效率；，为各轴的输入功率（kW）；，为各轴的输入转矩（Nm）；，为各轴的转速（r/min），则可按电动机至工作机传递路线推算，得到各轴的运动和动力参数。2.2.2.1各轴转速式中： 电动机转速； 电动机至轴的传动比。所以 r/min 2.2.2.1各轴功率 ， ， 式中、分别为带传动、轴承、圆柱齿轮传动、圆锥齿轮传动的传动效率。轴：轴：轴：2.2.2.2 各轴输入转矩其中为电动机轴的输出转矩，按下式计算： Nm所以 Nm Nm Nm电动机输出转矩 轴输入转矩 轴： 轴： 轴：运动和动力参数计算结果整理于下表：表2 系统运动与动力参数轴名功率转矩转速电机轴1.59.951400 轴1.4419.10700 轴1.36964.84200 轴1.24759.12002.3主要传动零件的设计参数2.3.1 V带设计2.3.1.1定v带型号和带轮直径1.根据工作情况查手册得工作情况系数2.计算功率3.选带型号查手册选用Z型V带，且最小带轮直径为4.带轮直径取， 2.3.1.2计算带长1.中心距的取值范围480a1682.初取中心距 取3.带长 4.基准长度 取Ld =1120mm2.3.1.3 求中心距1.中心距 由公式，取,验算小带轮包角大于120满足要求。2.3.1.4求带根数1.带速 2.带根数 查手册 由于插齿机主要用于做实验，故选取。2.3.1.5求轴上载荷1.张紧力2.轴上载荷 2.3.2 蜗杆轴的设计与校核2.3.2.1传动比i=30蜗杆的设计 1. 传递功率 P 1.247 (kW) 2. 蜗杆转矩 T1 59.10 (N.m) 3. 蜗轮转矩 T2 1787.1(N.m) 4. 蜗杆转速 n1 200 (r/min) 5. 蜗轮转速 n2 6.7 (r/min) 6. 理论传动比 i 30 7. 实际传动比 i 30 8. 传动比误差 0.00 () 9. 预定寿命 H 12000 (小时) 10. 原动机类别 电动机 11. 工作机载荷特性 平 稳 12. 润滑方式 喷油 13. 蜗杆类型 阿基米德蜗杆 14. 受载侧面 一侧 2.3.2.2材料及热处理 1. 蜗杆材料牌号 45(表面淬火) 2. 蜗杆热处理 表面淬火 3. 蜗杆材料硬度 HRC4555 4. 蜗杆材料齿面粗糙度 1.60.8 (m) 5. 蜗轮材料牌号及铸造方法 ZCuSn10P1(砂模) 6. 蜗杆材料许用接触应力H 200 MPa2.3.2.3 蜗杆蜗轮基本参数(mm) 1. 蜗杆头数 z1 1 2. 蜗轮齿数 z2 30 3. 模 数 m 2.00 (mm) 5. 蜗杆分度圆直径 d1 22.4(mm) 6. 中心距 A 45.00 (mm) 7. 蜗杆导程角 5.1 8. 蜗轮变位系数 x2 0.00 9. 轴向齿形角 x 20.000 10. 齿顶高系数 ha* 1.00 11. 顶隙系数 c* 0.20 12. 是否磨削加工 否 13. 蜗杆顶隙 c1 0.80 (mm) 14. 蜗杆齿顶圆直径 da1 26.4(mm) 15. 蜗杆齿根圆直径 df1 20(mm) 16. 蜗杆节圆直径 d1 22.4 (mm) 17. 蜗轮节圆直径 d2 60.00 (mm) 2.3.2.4蜗杆轴的校核弯曲强度校核1、齿形系数 ：蜗杆导程角根据 当量齿数查表得 齿形系数 2、螺旋角系数： 3、许用弯曲应力：4、弯曲应力通过计算得知，该蜗杆安全2.3.3 齿轮的设计与校核校核齿根弯曲疲劳强度1） 确定弯曲强度载荷系数由机械设计（第八版）表10-2查得使用系数齿轮圆周速度查得（7级精度齿轮）=1.67查表得根据齿轮作悬臂布置，查机械设计（第八版）表得轴承系数。2） 计算圆周力Ft3） 计算当量齿数4） 由机械设计（第八版）表10-5查得齿形系数应力校正系数5） 由机械设计（第八版）图20-20c查得齿轮的弯曲疲劳强度极限，6） 由机械设计（第八版）图10-18取弯曲疲劳寿命系数7） 计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数，得8）校核弯曲强度根据弯曲强度条件公式进行校核满足弯曲强度，所选参数合适。2.4 带轮的具体参数1、 小带轮选用实心型67mm 63mm 2、 大带轮162mm 158mm 109mm 26mm 28mm 20mm 40mm 4mm3、 轮槽尺寸：选型为Z型带，根据机械设计表8-10定下轮槽尺寸如下：8.5mm 2mm 7mm 12mm 7mm 第3章 三维设计3.1 总装图 图4 插齿机模型三维模型3.2 插齿机各部件三维设计图5 插齿机机构的爆炸图3.3建模与装配因为我们对插齿机的主传动链做了较大的改动，原先的设备只做一定的参考，确定总体方案，整个机构和结构的布置成了大问题，很多位置关系和尺寸参数需要重新设计确定。根据计算的传动比，确定各零部件的主要参数，并利用采用SolidWorks的Top-Dowm 建模方式，先用空间曲线布局约束电机，带轮，齿轮，蜗轮蜗杆，刀柄机构和工作台等位置。如下图6。图6 总体的空间布局图总体的空间布局确定之后还是有很多尺寸未确定的，而且可能出现干涉或不协调。下一步就是设计固定机架，用于对各零部件进行固定限位。初步机架模型如下图7。图7 总装机架和箱体设计定好机架和箱体的的位置和布置形式之后，下一步就是根据这些机架和箱体的位置和结构形式设计各传动轴，并对传动轴的结构进行细化。然后对所有零部件添加装配约束关系，并添加紧固件，完善装配体。图8插齿机总装配为了便于展示观察，将箱体侧面切除，建模对箱体并没有做太多的考虑. 图9 插齿机总装配透视图图10 插齿机总装配（箱体切空）3.4插齿机各部件组成用SolidWorks从总装图导出二维平面图，对设计的插齿机各部件组成进行介绍。图11 二维平面图331、箱体3、电机5、轴承座7、机架19、凸轮退刀传动机构11机架213、链传动15、工件工作台17、交错斜齿轮副19、工件转动蜗杆副2、皮带张紧机构4、皮带传动6、直齿圆柱齿轮副8、直齿圆锥齿轮副10、机架112、插刀主运动机构14、插刀转动蜗杆副16、一级减速蜗轮蜗杆副18、主运动传动轴3.5二维图绘制下图为插齿机其中的一个不标准的零部件-机架1的工程图，零件结构比较复杂。该零件支撑一级减速蜗轮蜗杆副，直齿锥齿轮副和主轴刀柄退刀机构，对轴孔的位置精度和形状精度要求较高，同时与箱体机械连接，保证定位孔的位置度要求。比如：各个孔均有形位公差要求，加工时要特别注意。图12 机架1工程图图13 总装图3.6运动工作原理3.6.1主运动 图14 主运动传动3.6.2 展成运动 图15 展成运动3.6.2进给运动 图16进给运动3.7三对涡轮蜗杆的建模第一对涡轮蜗杆的传动比是25.5，蜗杆蜗头数为2，涡轮齿数为51.第二对传动比是19，第三对传动比是30.3.8设计并对轴建模轴1的三维图轴5的三维图3.9 V带轮的建模小皮带轮的初步模型 大皮带轮的初步模型3.10偏心轮和球头连杆建模根据设计,对带动刀柄上下切削运动的机构进行建模,包括偏心轮以及偏心轮的固定,还有偏心轮带动的球头连杆,还有跟球头装备相对应的部分;另外,根据其他组员算得皮带轮的数据,对两皮带轮进行重建模,按标准的格式进行建模.1偏心轮的模型2连杆的模型中间放一个轴承,通过轴与偏心轮相连3球头连杆的模型3.11偏心轮：3.12张紧底座：3.13轴的设计及建模轴1：轴5的三维图3.14轴承座建模： 第4章 结论时间飞逝，在充实忙碌中的四周机械系统设计及制造课程设计已接近尾声，回首这