Y3150E型滚齿机设计（三维建模CAD图纸）.doc

Y3150E型滚齿机设计（三维建模CAD图纸） 摘 要?Y3150E 型滚齿机刀架系统 齿轮加工正朝着环保、高效、高精度及无屑加工方向发展,齿轮加工机床正朝着全数 控、功能复合、柔性、自动化、安全性及网络化方向发展。传统机械式滚齿机传动结构异 常复杂、传动效率低、传动精度差、磨损严重、切削速度低,在各方面都不能满足现代滚 齿机的性能要求;普通全数控滚齿机虽然具有全数控化、柔性好、安全的特点,但是机械 传动环节的存在始终限制其加工速度的提升,不能适应干式切削的需要。因此,国外的部 分厂家从最近几年才开始研制“零传动”齿轮加工机床。零传动滚齿机突破了传统齿轮加 工机床的结构设计原理,采用电主轴和内置力矩电机直接驱动滚刀旋转运动和工件轴旋转 运动,是齿轮机床设计技术的重大变革。但国外零传动机床的售价很高(是一般数控机床 的? 23?倍),设计原理和技术资料严格保密,形成了技术垄断的局面。 为了打破国外的技术垄断, 尽快提高我国齿轮加工机床的设计/制造水平, 研究和开发高速、 高精度零传动滚齿机是十分必要的。零传动滚齿机的研制基于零传动功能部件,由电主轴 直接驱动的零传动刀架部件是研发的核心之一。 我的课题主要内容是滚齿机刀架系统设计。滚刀箱固定在刀架滑板上,滚刀心轴插入滚刀 主轴并用拉紧螺栓固定在主轴上。为了保证主轴与前轴承的适当间隙,前轴承是做成外锥 并开口。调整轴承上的两个螺母,可以使前轴承做轴向移动,使前轴承孔收缩便可消除主 轴和轴承间过大的间隙。 关键词:滚齿机、刀架、动静态特性ABSTRACT?Y3150E?type?hobbing?machine?tool?system?The? gear? processing? is? developed? an? environment? protecting,?high?efficiency,high?precision? and? chipless? machining? mode,? meanwhile? the? gear?machine? tools?developed? the?completely?digital?control,? function?complex,? flexible,?automatic,? secure? and? network? modeTraditional? gear? hobbing? machine? can? not?satisfy? performance? demand? of? modern? gear? hobbing? machine,? because? of? its?disadvantages,? such? as? complex? drive? structure,? low? drive? efficiency,? low? drive?precision,? bad? abrasion,? low? cutting? speed,? and? etcnormal? NC? gear? hobbing?machine? has? characteristics? of? CNC,good? flexible? and? safety,? but? because? the?mechanical?drive? limit? the?cutting?speed? ,? it? also?can? not? fit? for? the?demand?of?dry?cutting.so? ,some?overseas?companies?have?started?to? study?zero?chain?gear?hobbing?machinezero?chain?gear?hobbing?machine?breaks?through?structure?design?principle?of? traditional?gear?cutting?machine? ,in?which?motorized?spindle?and? built?in? torque?motor?have?been?applied?to?realize?rotary?of?hobbing?cutter?and?workpiece?shaft.it?is?an? important? technological? innovation? of? the? design? of? gear?machine? tool.?But? the?foreign? Nought?Drive? machine? tools? are? expensive2?3? times? as? much? as? the?common?digital?control?machine?tool,?the?design?theory?and?the?pertinent?technical?data?are?all?kept?absolutely?secret?that?formed?a?situation of?monopoly?technologyIn? order? to? break? the? technology? monopoly? and? improve? the? level? of?designing/manufacturing? rapidly? in? our? countrys? gear? cutting? machine,? its? very?necessary? to? study? and? develop? high?speed? and? high?precision? direct? drive? gear?hobbing?machine,?one?key?of?the?research?is?the?direct?drive?hobheadThe?topic?main?content?of?topic?is?hob?cutter?frame?design?as?well?as?the?spindle?assembly?design.?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? apertureAdjusting? 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?bearingKey? words? :? Direct?drive,? Gear? Hobbing? Machine,? hobhead,? dynamic?static?performance第一章 绪论?1.1?滚齿机国内外研究现状 齿轮加工机床是一种技术含量高且结构复杂的机床系统, 由于齿轮使用的量 大面广,齿轮加工机床已成为汽车、摩托车、工程机械、船舶等行业的关键设备。 特别是,随着汽车工业的高速发展,对齿轮的需求量日益增加,对齿轮加工的效 率、质量及加工成本的要求愈来愈高,使齿轮加工机床在汽车、摩托车等行业中 占有越来越重要的作用。滚齿机是齿轮加工机床中的一种,其占齿轮加工机床拥 有量的40%50%。它主要用来加工圆柱齿轮和蜗轮等。 随着重型车市场的高速扩张和产销量的迅速增长, 变速箱和齿轮制造行业的 内部竞争必将进一步加剧,为齿轮机床行业增加了良性发展的大好机会,各生产 厂商大规模技改投资齿轮加工机床。 目前国际上生产滚齿机的强国?美国、德国和日本,也是世界经济强国 和汽车生产大国。美国Gleason-pfauter公司,德国的Liebherr 公司,日本的三 菱重工公司、 坚藤、 清和公司和意大利的SU公司是国外最具实力的滚齿机制造商。 这些公司目前生产的滚齿机都是全数控式的, 中小规格滚齿机都在朝着高速方向 发展, 所有高效机床均采用了全密封护罩加油雾分离器及磁力排屑器的方式部分 地解决环保问题。近年来,为更好地满足滚齿加工中的绿色制造,德国Liebherr 公司早在十几年前就开始研究高速干式切削滚齿机。 日本三菱重工则是最早将高 速干式切削滚齿机商品化的制造商,它们的成功还得益于滚刀制造技术的提高。 目前,Liebherr、Gleason?pfauter、三菱重工、SU、坚藤和清和均开发了适用于高 速干式切削的滚齿机产品。在特别重视环保的世界著名齿轮制造商中,如德国ZF?公司、美国Ford汽车公司等使用高速干式滚齿已成为主流。在我国上海汽车齿轮 公司及陕西发士特公司也已开始采购三菱重工公司生产的干式切削滚齿机。 近几年, 我国在滚齿机设计技术方面研究的主要内容经历了从传统机械式滚 齿机通过数控改造发展为2?3轴(直线运动轴)实用型数控高效滚齿机,到全新 的六轴四联动数控高速滚齿机的开发。滚齿机加工(钢件)全部采用湿式滚齿方 式。目前,国内主要滚齿机制造商重庆机床厂及南京二机床有限责任公司生产的 系列数控高效滚齿机已采取全密封护罩加油雾分离器和磁力排屑器的方式部分 地解决环保问题。 世界上滚齿机产量最大的制造商?重庆机床厂从2001年开始 研究面向绿色制造的高速干切滚齿技术,?2002年初研制成功既能干切又能湿切的 YKS3112六轴四联动数控高速滚齿机,2003年初又开始研制面向绿色制造的?YE3116CNC7高速干式切削滚齿机,即将进入商品化阶段。 传统滚齿机在加工过程中有以下特点:1滚削齿轮时,应用切削液可提高 刀具寿命,改善加工表面质量和利于排出切削热而不致引起机床的热变形。但 是, 在高速切削过程中切削液的飞溅和形成的油雾对生态环境和人类特别有害, 变质切削液的排放也会严重污染环境。2机床漏、混油严重。3加工成本高。机床的材料用量、能耗、油耗及附加费大,湿式齿轮加工中消耗的切削液及切 削液附加装置的费用占加工成本的 20%左右。4生产效率低下,加工质量差, 难以满足现代企业生产的要求。开发研制新的滚齿机可以使公司拥有更大的市 场份额,创造更好的经济效益和社会效益,同时在技术上达到一个新的高度。?1.2? 滚齿机研制技术的发展趋势 高速、高效化 17,24,34-35 综合上面的分析比较,我们可以看到,具有国际先进水平的滚齿机充分利 用了高速切削的原理,滚刀最高转速均在 3000r/min 以上,Liebherr 的 LC80 立式滚齿机甚至达到了 9000r/min 7 ,不仅提高了生产效率,而且由于切屑带走 了 90%以上的切削热,既能保证工件的精度又省去了冷却工件的切削液,避免 了环境污染。 全数控化 11-18,24 通过对机床各运动轴的 CNC 控制及部分轴间的联动,可增加机床功能,使 滚削小锥度及鼓形齿轮变得简单;可缩短传动链,提高各轴精度和重复定位精 度;可省去计算及更换分齿挂轮和差动挂轮、进给及主轴换档时间,从而减少 辅助加工时间,增加机床柔性;由于机械结构变得简单,可在设计时更有利于 提高机床的刚性及把热变形降到更低。各轴间没有机械联系,结构设计变得更 加典型,有利于实施模块化设计及制造。 零传动化及高速干式切削 17,33 国外先进滚齿机已经广泛采用了零传动功能部件,最常见的是刀架由电主 轴直接驱动,部分厂家工作台由力矩电机直接驱动。零传动滚齿机滚刀轴速度 一般在 3000 转/分以上, 能够达到干式切削的速度要求, 实现了机床的环保化。 干式切削滚齿机使齿轮加工彻底摆脱了切削液, 从根本上解决了环境污染问题, 还能提高 2 倍以上的加工效率,提高刀具 14 倍的寿命,大大降低单件齿轮 加工的成本。 网络化 17 由于计算机技术的高速发展, 现在的高档数控系统已具备通讯联网的功能, 数控机床正朝着网络化方向发展,实现远程监控和加工的功能,减少工人负担, 提高加工效率。 智能化 19 由于计算机技术及数控技术的发展,智能技术也逐渐应用于高性能数控齿 轮机中,具体表现在: 1 完成加工质量与加工过程智能控制。 根据对工件在线检测的结果和实时 采集的机床状态,预测工件的加工质量,并及时调整加工过程的工艺参数,以 保证机床的加工精度。 2 智能诊断。故障诊断的智能化表现在两方面:一方面是机床会对曾经产 生的故障作记录,当下次碰到该故障时,它会首先提示可能的原因;另一方面,现场信息经过压缩,存贮在机床的“黑匣子”中,一旦机床发生的故障超出其 自身的诊断能力,就可以通过 Internet 从网上专家系统获得支持,进行交互 式的远程协同诊断。第二章 滚齿机总体设计?2.1?滚齿机总体方案设计 滚齿加工是依照交错轴螺旋齿轮啮合原理进行的。 用齿轮滚刀加工的过程, 就相当于一对螺旋齿轮啮合的过程。将其中的一个齿轮的齿数减少到一个或几 个,螺旋角增大到很大,呈螺杆状,再开槽并铲背,使其具有切削性能,就成 了齿轮滚刀。机床使滚刀和工件保持一对螺旋齿轮副啮合关系作相关旋转运动 时,就可在工件上滚切出具有渐开线齿廓的齿槽。滚齿时,切出的齿廓是滚刀 切削刃运动轨迹的包络线。滚齿时齿廓的成形方法是展成法,成形滚刀旋转运 动和工件旋转运动组成的复合运动就是展成运动,再加上滚刀沿工件轴线垂直 方向的进给运动,就可切出整个齿长。 其设计依据如下: a 最大切削模数 8mm; b 铣削圆柱齿轮最大外径 500mm; c 铣刀最大直径 160mm; d 铣刀最大垂直行程长度 300mm; e 滚刀转数范围 40250r/min。?2.2? 拟定传动方案设计 加工直齿圆柱齿轮时,滚刀轴线与齿轮端面倾斜一个角度,其值等于滚刀 螺旋升角,使滚刀螺纹方向与被切齿轮齿向一致。它需具有以下三条传动链: a 主运动传动链:电动机?1?2?iv?3?4?滚刀,是一条外联系得传动 链,实现滚刀的旋转运动。其中,iv为置换机构,用以变换滚刀的转速。 b 展成运动传动链:滚刀?4?5?ix?6?7?工作台,是内联系传动链, 实现渐开线齿廓的复合成形运动。对单头滚刀而言,滚刀转一转,工件应转过 一个齿,所以要求滚刀与工作台之间必须保持严格的传动比关系。其中换置机 构为 ix,用于适应工件齿数和滚刀头数的变化,其传动比的要求很精确。由于 工作台的旋转方向与滚刀螺旋角的旋向有关,故在这条传动链中,还设有工作 台变向机构。 c 轴向进给运动传动链:工件?7?8?if?9?10?刀架升降丝杠,是一 条外传动链,实现齿宽方向直线形齿形的运动。其中,换置机构为 if,用于调 整轴向进给量的大小和方向,以适应不同加工表面粗糙度的要求,轴向进给运 动是一个独立的简单运动, 作为外联系传动链它可以使用独立的运动源来驱动, 这里所以用工作台作为间接运动源,是因为滚齿时的进给量通常以工件每转 1 转时,刀架的位移量来计量,且刀架运动速度较低,采用这种传动方案,不仅 满足了工艺上的需要,还能简化机床的结构。 图 2-1 所示为滚切直齿圆柱齿轮齿轮的传动原理图。图 2-1 滚切直齿圆柱齿轮的传动原理图 斜齿圆柱齿轮在齿长方向为一条螺旋线,为了形成螺旋线齿线,在滚刀作 轴向进给运动的同时,工件还应作附加旋转运动 B22(简称附加运动),且这两 个运动之间必须保持确定的关系:滚刀移动一个螺旋线导程 S 时工件应准确地 附加转过 1 转,因此,加工斜齿轮时的进给运动是一个螺旋运动,是一个复合 运动。实现滚切斜齿轮所需成形运动的传动原理图如图 2-2 所示。其中,主运 动、展成运动以及轴向运动传动链与加工直齿轮时相同,只是在刀架与工作台 之间增加了一条附加运动链:丝杠-12-13-iy-14-15-i 合成-6-7-ix-8-9-工件。 在保证刀架沿工作台轴线方向移动一个螺旋导程 s 时,工件附加转过1 转,形成螺旋线齿线。图 2-2 滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理图?2.3? 确定详细传动方案 本次所设计的 Y3150E 型滚齿机,它主要用于加工直齿和斜齿圆柱齿轮,也 可用于手动径向进给加工蜗轮。因此,传动系统中共有 6 条传动链,它们分别 是主运动链、展成运动链、轴向进给运动链、附加运动链、工作台的水平送进 运动链和快速移动刀架的运动链。 其主要四条传动链的表达式如下: a.主运动:电动机 滚刀 主电动机 ?165?115?(带轮)?42?21?43?27?54?28?28?28?28?28?28?28?20?80? 滚刀 b.展成运动:滚刀 工作台 滚刀 ?20?80?28?28?28?28?28?28?56?42? 合成机构 ?F?E?d?c?b?a ?72?1? 工作台 c.进给运动:工作台 刀架 工作台 ?1?72?25?2?39?39?1?1b?a?69?23?u进?25?2? 刀架 d.附加运动:刀架 工作台刀架 p?3?T?2?25?25?2?2?2b?a?2?2d?c?72?36?u 合?F?E?ux ?72?1?工件 Y3150E 型机床的传动系统图如图 2-3 所示。 图 2-3 Y3150E 型机床的传动系统图?2.4? 滚齿机各部件方案设计?2.4.1? 床身设计 床身为箱型结构,与底座铸成一个整体,左上部是方形导轨安放工作台,右上 部固定刀架立柱,床身内部安装有差动机构,床身后端连出分齿挂轮架背面为 主传动箱,主电动机及冷却电动机都装在床身上,方形导轨中间装一丝杠作移 动工作台之用,在分度挂轮架处的手柄,供铣正齿轮或斜齿轮时操纵使用。?2.4.2? 主传动箱设计 主传动箱紧固在床身的背面,其内装有主传动进给差动机构机件,主传动进给与差动挂轮架均在其中。主传动箱的第一根轴的端部连接叶片泵,主电动 机开动后,叶片泵被带动输出油,供给机床各部位自动润滑点的润滑油及刀架 立柱的液压缸压力油。?2.4.3? 刀架立柱设计 刀架立柱紧固在床身上方,其中有主传动的花键轴、伞齿轮和垂直进给丝 杆,另外还有平衡刀架滑板的液压油缸。刀架滑板置于 V型导轨上,前面是操 纵板(电气按钮)。另装有手柄供手动升降刀架滑板之用。手摇升降刀架时,先 将手柄搬至“开”位置将给合子脱开,使摇动轻便。?2.4.4? 滚刀牙箱设计 滚刀牙箱固定在刀架滑板上,滚刀主轴孔为莫氏 5号锥度,滚刀心轴插入 此孔,用拉紧螺栓将心轴固牢拉紧在主轴上。为了保证主轴与前轴承的适当间 隙,将前轴承做成外锥并开口。调整轴承上的两个螺母,可以使前轴承座轴向 移动,使前轴承孔收缩便可消除主轴与轴承间过大的间隙。 后轴承可与主轴一起沿着轴线移动 40毫米,以便在滚刀工作部分磨钝时, 把锋利的部分移到切削部分来工作。移动后轴承是利用与后轴承相连的钳在滚 刀牙箱壳体上的调整紧锁螺栓进行的,因为牙箱上套装后轴承的孔是开口的。 调整时应首先将拉紧开口的锁紧螺栓松开,调整好后并把它拧紧。松开压紧螺 钉,摇动手柄,可以使滚刀牙箱转动一定角度。?2.4.5? 工作台设计 工作台为箱形,装在床身的方形导轨上,工作台壳体以其环形表面支承工 作台,并以其锥孔来定工作台中心。分度蜗轮与工作台壳体连在一起,分度蜗 杆与工作台座连在一起。内壳体油室可提供润滑油润滑分度蜗轮副。?2.4.6? 外支架设计 外支架固定在工作台壳体上,它上面有燕尾形导轨。支承工件心轴的支臂, 可沿导轨移动。支臂上有一专用手柄,供支臂夹紧在支架上之用。当使用外支 架时,最大加工直径为?450?毫米。超过?450?毫米,就应取下外支架,才可以加 工。第三章 滚刀箱结构设计?3.1?滚刀箱的特性 图 3-1 滚刀箱箱体图?3.2?滚刀箱的结构设计 滚刀箱的结构形状主要取决于其功能要求,以及箱体在床身上的安装连接 要求。滚刀箱首先应该满足运动方面的要求,如滚刀箱的旋转、步进等。此外, 还要求具有较高的传动效率,保证传动件具有足够的强度或刚度,降低噪音, 提高抗振性和耐磨性,操作方便,并有良好的工艺性,便于检修,成本较低, 防尘、防漏,外形美观等。 图 3-1 为滚刀箱的结构示意图。?3.2.1? 滚刀箱的功能结构分析 滚刀箱内装有传动轴和齿轮,滚刀箱的绝大多数传动轴上都装有滚动轴承。 传动轴的轴承以圆锥滚子轴承为主。因为圆锥滚子轴承价格较低,噪音和发热 量较小,且装配方便,承载能力较大,还可以承载部分轴向力。 滚刀箱作为滚齿机的重要组成部分,要求传动精确,并且工作稳定。滚刀 箱为箱形,装在刀架立柱上的滚刀滑板上,由刀架立柱的丝杠来调节滚刀箱的 运动。滚刀心轴上装有齿轮滚刀,由滚刀的旋转与垂直运动来切削工件。而滚 刀箱通过螺栓固定在刀架立柱上,并由刀架立柱的锥齿轮通过主运动传动链传 递过来的力来驱动滚刀心轴的运动。3.2.2? 滚刀箱的壁厚 壁厚的大小取决于产品需要承受的外力、是否作为其他零件的支撑、承接 数量、伸出部分的多少以及选用的材料而定。一般的铸铁材料以?10?到?15?毫米 为准。滚刀箱的箱体主要是定位轴以及固定零件之用。从经济角度来看,过厚 的产品不但增加物料成本,延长生产过程的冷却时间,增加生产成本;从产品 设计角度来看,过大的壁厚将增加产生空穴和气孔的可能性,大大削弱产品的 刚性及强度。 最理想的壁厚分布是在任何一个地方都是均匀一致的,但为了满足功能上 的需求以致壁厚有所改变总是无可避免的。在此情形,有大的转角的地方应尽 可能平滑。因为太突然的壁厚转变会导致应力集中和产生不稳定问题。 壁厚均一的原则在转角的地方也同样需要,在有大的转角的地方应尽量运 用倒角和圆角。因为在大转角处通常会导致部件有缺陷及应力集中,应力集中 的地方会在受负载或撞击的时候破裂。 较大的圆角提供了这种缺点的解决方法, 减低了应力集中的程度。建议的最小圆角半径是壁厚的? 25%,适当地增大圆角 半径能明显地减少应力集中现象的发生。?3.3? 滚刀箱的设计计算 由于齿轮在转速最小的时候可以求得它们的最大扭矩,所以要选用适当的 蜗轮和蜗杆就必须求出齿轮的最小转速。?3.3.1? 斜齿轮的设计 根据齿根弯曲疲劳疲劳强度的设计: ?3?2?1?2?1?cos?4?F?Sa?Fa?d?nt?Y?Y?Z?Y?Y?KT?m s b b e F ?1?3 - 确定公式中的各参数值,取载荷系数? K1.93,? 1?Z? 60,已知滚刀的最低转 数为 47.5r/min。则: 传动效率为? 720?= 总 h , 大齿轮传递的转矩 总 h ? ? n?p?T? 6?1? 10?559 ?2?3- 则? mm?N?10?44?720?10?036? 5?5?1 =?T传动比为?3?1?60?30 m 大小齿轮的弯曲疲劳强度极限 查图 6.9 得:? MPa?300?2?lim?1?lim ? F?F s s 应力循环次数 考虑到工作条件工作环境以及总体设计取齿轮寿命为十年,每年 300 个工 作日,每个工作日安 8个小时计算得n?jL?n?N? 1?1? 60 ?3?3- 式中? n:齿轮的转速,单位为? min?r? ;?j:齿轮每转一圈时同一齿面的啮合的次数;?h?L? :齿轮的工作寿命,单位为 h。?7?1? 10?846?8?300?10?1?547?60? ?N?再由传动比?3?1 m 得:?8?1? 10?742?2 m?N?N?查表 6.6 得弯曲疲劳寿命系数:? 01?1 ?FN?k? 90?2 ?FN?k?计算许用弯曲应力 取弯曲疲劳安全系数? 41 ?F?s?应力修正系数? 2 ?ST?Y? 则 ?1?F d ?F?F?ST?FN?S?Y?k? 1?lim?1 d ?4?3- ? a?F? MP?41?2?300?1?1d? MPa?6428 同理 ?2?F d ? 2?lim?2? F?ST?FN? Y?k d /? a?F? MP?S? 41?2?300?90 =385.7MPa?查取齿形系数和应力校正系数 根据当量齿轮4371?1619?cos?/?60?cos?/? 3?3?1?1 o b?Z?Z?v ?5?3-?823?16319?cos?/?20?cos?/? 3?2?2 o b?Z?Z?v ?6?3- 计算大小齿轮的 ?F?S?Fa? a?Y?Y d 并加以比较?242?1 ?Fa?Y? 751?1 ?Sa?Y?692?2 ?Fa?Y? 5751?2 ?Sa?Y?由表 6.4 查取齿形系数和应力校正系数 ? 009150?6428?751?242?1?1?1 ?F?Sa?Fa?Y?Y d ? 0109850?7385?5751?692?2?2?2 ?F?Sa?Fa? Y?Y d 因为 ?2?2?2?F?S?Fa? a?Y?Y d ?1?1?1?F?S?Fa? a?Y?Y d ,故取? 2?Z? 进行齿根弯曲疲劳强度计算。 重合度系数? 70 e?Y? ,? 860 b?Y? 。 设计计算如下:?A.试计算齿轮模数? nt?m ?3?2?5?2?0109850?20?270?10?44?860?70?9450?561?2 ?nt?m?mm?m?nt? 54B.设计圆周速度 v?s?/?m?740?9450?1000?60?5142?20?861?cos?1000?60?1?1 p b p? n?z?m?v? nt ?7?3-?C.计算载荷系数查表 6.2 得? A?K? 1.0。 根据? s?m?v? /?740 ,7 级精度,查图?6.10,得? 081 ?V?K? 。?D.斜齿轮传动取? 21 a?K? ;查图 6.13 得? 241 b?K? 。则载荷系数?931?241?21?31?01 b a?K?K?K?K?K? V?A ?8?3- 式中:? A?K? 为使用系数;? V?K? 为动载系数;? a?K? 为齿间载荷分配系数; b?K? 为 齿向载荷分布系数。?022?861?51?931?3?3 ?t?t?n?n? k?k?m?m? mm?9?3- 则取? mm?3 ?n?m?计算齿轮传动得几何尺寸?a.中心距 a ? 9126?20?60?9450?2?3?cos?2? 2?1 + + ? Z?Z?m?a? n b?mm? ?10?3- 则取中心距为 ?a? 127mm?b.螺旋角b?1? 50?9?19?cos?arccos? o b b?Z?m?n ?11?3-?c.两分度圆直径?mm?4190?9450?60?3?cos?1?1 b?Z?m?d? n ?12?3-?mm?563?9450?20?3?cos?2?2 b?Z?m?d? n ?13?3-d.齿宽? 51 ?b? mm?下面校核齿面接触疲劳强度。 ?H?E?H?H? u?u?bd?KT?Z?Z?Z?Z d d b e+ ?1?2?2?1?1 ?14?3- 其中,大小齿轮得接触疲劳强度极限? MPa?1170?2?lim?1?lim ? H?H d d ?15?3- 查图 6.6,得接触疲劳寿命系数? 1?HN?K? =1.15? ,? 2?HN?K? =0.95。 计算许用接触应力 取安全系数? 1 ?H?S? 则 ? 51345?1170?151?/?1?lim?1?1 ? H?H?HN?H? S?K d d? MPa? ?16?3- ? 51111?1170?950?/?2?lim?2?2 ? H?H?HN?H? S?K d d? MPa? ?17?3- ? MPa?51228?2?/?2?1 + ? H?H d d d 查图 6.19,得节点区域系数? H?Z? =2.44。 重合度系数? 80 e?Z?螺旋角系数? 9720?9450?cos b b?Z ?18?3- 材料系数? MPa?8189 ?E?Z?校核计算得接触疲劳强度满足要求。3.3.2? 滚刀心轴的结构设计 图 3-2 滚刀心轴装配图 心轴是只承受弯矩而不受扭矩,其失效形式主要有: a.因疲劳强度不足而产生疲劳断裂; b.因静强度不足而产生塑性变形或脆性断裂 ; c.因刚度不足而产生过大弯曲及扭转变形; d.高速时发生共振破坏等。 选择轴的材料为 45号调质钢。 材料的安全弯曲应力为 ? MPa?300?1 - d 弯曲应力? W?M?b d ?19?3- 式中,M?为弯矩,W?为抗弯截面系数。 其中,? 3?10? d?W 。 图 3-3 心轴受弯曲应力作用时简图 图 3-4 心轴结构示意图由于在工作中心轴外面装有齿轮滚刀,齿轮滚刀是加工直齿和斜齿的最常 用的展成法刀具,利用螺旋齿轮啮合原理来加工齿轮。它加工范围广,模数从?mm?10? 到? mm?40? 的齿轮均可使用滚齿加工。 滚刀一般常用的是齿轮滚刀,其外形相当与一个蜗杆。为了能使这个蜗杆 能起到切削作用,需要在其圆周上开出几个容屑槽,形成很短的刀齿。 在工作过程中滚刀受到切削力的作用。根据总体设计中求出的切削力?kN?F?c? 1772 和所取的最小直径? mm?27? ,再由下列近似关系: ? c?f? F?F? 50?40? ?20?3- ? c?p? F?F? 40?30 ?21?3- 查10,取? c?f? F?F? 420 ,? c?p? F?F? 360 得出? kN?9140 ?f?F? ,? kN?780 ?p?F?根 据 公 式? 2?2?2? f?p?c? F?F?F?F + + ?22?3- 其中:? C?F? 为切削力;? p?F? 为背向力;? f?F? 为进给力。 求出合力? kN?F? 52 。 根据心轴的固定位置,取心轴的中点作为受力点,则 由公式? l?F?M , 得?mm?N?491250?5196?2500 ? l?F?M? 。?MPa?250?27?10?491250?3 ? a?ca? MP?W?M d 。 则 ?1 -d d?ca?强度足够。?mm?5196?2?393?2 ?L?l第四章 刀架底座部件设计?4.1? 工作要求 刀架底座部件在功能上主要实现窜刀运动,调整滚刀轴(B? 轴)与工件轴 (C? 轴)在滚刀轴轴向的相对位置,避免滚刀在同一部位过分磨损。在干切削 加工的时候,滚刀轴部件需要在滚刀长度范围内连续运动,保证滚刀的均匀磨 损。窜刀运动加入到联动轴系中相当于一个附加的展成运动,它使? C? 轴必须增 加一个附加转动与之相协调。滚齿机的切削过程是典型的断续切削,滚刀轴要 承受很大的冲击载荷,使整个? B? 轴部件产生振动,零传动滚齿机在进行干式切 削的时候,由于转速提高,振动问题更加不能小视,必须采取措施控制滚刀轴 部件的振动,这也是对刀架底座部件的要求之一。?4.2?窜刀运动与工件轴旋转的联动关系 当滚齿机进行干式切削时,其窜刀运动加入到了联动轴系中,相当于一个 附加的展成运动,工件轴必须有附加的旋转与之匹配。两轴之间的耦合关系是 滚刀的切向速度在工件轴切向方向上的速度分量与工件轴附加旋转产生的工件 线速度相同。即:?4.1?4.2?式中: ?工件轴的附加转动速度(转/分); ?刀架切向窜刀速度(mm/分); ?刀架安装角; ?工件模数。?4.3?刀架底座部件的结构特点 在进行滚齿机刀架部件的设计时, 刀架与工件轴的干涉是必须考虑的问题,刀架部件的结构应当非常紧凑。刀架底座的尺寸,特别是其在滚齿机的轴向进 给方向的尺寸对干涉的影响是很大的,过大的刀架底座尺寸会导致工件轴悬伸 量过大,降低工件轴的刚度,同时限制了刀架的安装角旋转范围,降低工件的 加工范围,使滚齿机的性能受到很大的影响。因此,采用伺服电机直连丝杠的 传动方案,结构紧凑,能最大可能地压缩刀架底座部件的尺寸。导轨选用窄形 圆柱滚子导轨,既能良好地承受冲击载荷,保证足够的刚度,又能控制在滚齿 机轴向进给方向的尺寸。 采用? INA? 公司的锁紧单元将滚刀轴部件的切向运动置 于锁紧状态,或者在连续窜刀时给予一定的摩擦力,增加阻尼,减弱其振动。?4.4?动力参数设计?4.4.1?滚齿机切削力的关系及坐标变换 由于滚齿过程复杂,分析切削力时需要建立一个与工件坐标轴重合的机床 坐标系(0,?x,?y,?z)和一个滚刀坐标系(0,?x,?y,?z ),如图?4.1 所示。可见? y? 轴 与? y轴重合。将机床坐标系绕? y? 轴转动,就能得到滚刀坐标系。 =+ 式中 ?滚刀安装角; ?工件螺旋角; ?滚刀螺旋升角。 图 4.1? 切削力的分解 众多切削力研究者都是在滚刀坐标系中测量各切削分力的。 我国学者陈鼎 昌在滚刀坐标系中得到下列结果(见图 4.1)。?Pt?滚刀切向分力,由实测扭矩得出?Pr?径向分力,Pr=0.3?Pt?Py?水平分力,逆铣时 ,顺铣时Px?滚刀轴向分力, 要计算? Y? 轴电机功率,必须求出机床坐标系中的? Px? -作用于工件的切 向分力,Py-作用于工件的径向分力,? Pz-作用于工件的轴向分力。因此, 必须进行坐标变换。首先,在滚刀坐标系中确定? Pt? 与? y轴的夹角,如图?3.2 所示,在逆铣时,当 时 则则 当 时,同样可算出81。由此可见,逆铣时刀齿从切 入到切出的过程中,由于? Py的幅值在交替变化,使? Pt? 力的方向也发生变 化。为简化计算,规定=65。在顺铣时, ,按照同样的方法 可算出=119。 图 4.2? 切削力的分解 下面进行坐标变换,如图? 4.1? 所示,首先将? Px、Pt、Pr? 绕? x轴顺时针旋转角,再绕? y? 轴旋转角,求得机床坐标系中的分力? Px、Py、Pz。 代入数值,得出? Px、Py、Pz? 与? Pt? 的关系如下表 逆铣 65 顺铣 =119 ? 0? 30? 45? 0? 30? 45?Px? 0.09Pt? 0.6Pt? 0.79Pt? 0.09Pt? 0.45Pt? 0.58Pt?Py? 0.15Pt? 0.15Pt? 0.15Pt? ?0.74Pt? ?0.74Pt? ?0.74Pt?Pz? 1.04Pt? 0.85Pt? 0.67Pt? 0.73Pt? 0.58Pt? 0.45Pt?根据上表以及第? 3.2.3? 节的计算,可知课题设计的零传动卧式数控滚齿机 在最危险情况下的切向力? Py=0.79Pt=429N,径向力? Px=0.74Pt=402N。?4.4.2? 等效负载转矩计算 负载转矩的种类 零传动滚齿机刀架底座部件系统具有三种性质的转矩:驱动转矩、负载转 矩和动态转矩(惯性转矩)。其中惯性转矩为:?4.3?负载转矩根据其特性可分为工作负载、摩擦转矩和制动转矩。零传动滚齿 机刀架底座部件驱动系统负载转矩有下面几种:?1? 滚刀轴承受的轴向切削力。?2? 滚刀轴承受的径向力和滚动导轨的预压力引起的摩擦力。?3? 滚刀轴部件的重力。 等效负载转矩的计算 选取最危险的情况,即当滚齿机逆铣直齿轮,并且由下往上窜刀时的情况 进行计算。此时电机的负载力为:?F?Py?+?W+fg?+?Px? 4.4?式中? Py?滚刀轴承受的轴向力?Px?滚刀轴承受的径向力?W?B? 轴部件的重量?Fg?导轨预压力 ?滚动导轨摩擦系数此时加在电机轴上的负载力为:?4.5?式中 ?加在电机轴上得扭矩负载?F?沿着轴向移动活动部分所需要的力?L?丝杠导程 ?滚珠丝杆或轴承加载在电机轴上的磨擦扭矩(在需要输入时) ?驱动系统效率 案例计算 题设计的卧式数控滚齿机滚刀轴部件重量? W=1280N;4.3.1? 节计算了最 危险条件下的切削力各分量,Px=402N,? Py=429N;选取? INA? 公司? RUE? 系列 窄形圆柱滚子导轨的导轨类型,查得? fg=0.1134000=13400N;滚动导轨摩 擦系数取? 0.005。代入式4.4? 得? F=1755N;设机械效率为? 0.9,查阅相应技 术资料,? Tf=0.10+0.17=0.27Nm,代入式(4.5)得:Tm=1.44Nm。?4.4.3? 等效转动惯量的计算 计算方法 工作台换算到电