双轴回转工作台毕业设计

毕业设计（论文） 题 专 班 学 学 二九年 目 双轴回转工作台 业 机械设计制造及其自动化 级 号 生 副教授指导教师 双轴回转工作台双轴回转工作台 摘要 在现有的三坐标联动数控机床的工作台上再增加一个具有两个 旋转自由度的数控回转工作台，将其安装在原有的工作台上，与原有的 工作台成为一个整体，成为一个多自由度的回转工作台，即双轴回转工 作台。再通过对数控系统的升级 （不属于此题范畴），使该机床成为五 坐标联动的数控机床。这样的双回转数控工作台不仅可以沿 X、Y、Z 方向作平行移动，在 A、B 两轴能同时运动，且能随时停止，在 A 轴上 能够在一定角度内连续旋转，在 B 轴上可以做 360 度的连续旋转。不仅 可以加工简单的直线、斜线弧，还可适应更复杂的曲面和球形零件的加 工。 关键词关键词：双轴，回转工作台，五坐标联动，设计，机床 The double turns round rotary worktableThe double turns round rotary worktable ABSTRACTABSTRACT At current three sit the mark connect the number that move the work on the stage controls the machine bed increases a number for having two revolve free degree controls the turn-over work set, will its gearing is in the original work on the stage, with originally possessed of the work set becomes a the whole, becoming the turn-over work set of a many free degrees, namely the double turns round the number controls the work set. Pass again the grade creep( do not belong to this category) that logarithms control system, make the machines bed become five sit the mark connect the dynamic number controls the machine bed. Such a turn-over number controls the work set can not only make the parallel ambulation along the X, Y, the direction of Z, continuing to revolve in A, B two stalks can at the same time exercise, and can at any time stop, on the A stalk can in the certain angle, canning the 360 degrees of revolving continuously on the B stalk. Can not only process the simple straight line, oblique line, arc, can but also adapt to the more complicated curved face to processes with the spheroid spare parts. Key wordsKey words ：The double turns round, rotary worktable, Five sit the mark; Connect to move, design, Machine bed 目目录录 第第 1 1 章章绪绪论论1 1.1本课题的研究范围及应解决的主要问题1 1.2本课题的研究目的和现实意义.1 1.3国内外现有数控发展状况2 1.4当代数控发展的主要趋势3 1.5数控机床的升级（五轴联动）11 第第 2 2 章章电动机的选择电动机的选择12 2.1步进电动机的特点与种类12 2.1.1步进电动机的特点12 2.1.2步进电动机的种类12 2.2步进电动机的选择14 第第 3 3 章章工作台方案的选定工作台方案的选定24 3.1分度工作台24 3.2数控回转工作台25 3.2.1开环数控转台26 3.2.2闭环数控回转工作台27 3.3调隙结构27 3.3.1双螺距蜗杆传动 3.3.2双蜗杆传动 3.4闭环结构方案设计 第第 4 4 章章双轴回转工作台结构设计双轴回转工作台结构设计30 第第 5 5 章章蜗轮蜗杆设计计算蜗轮蜗杆设计计算34 5.1 蜗杆传动输入参数34 5.2接触疲劳强度计算34 5.3确定蜗轮蜗杆主要尺寸36 5.4蜗杆的传动效率37 5.5蜗杆蜗轮的精度等级的选择37 5.6蜗杆传动的热平衡计算38 第第 6 6 章章齿轮设计计算齿轮设计计算39 6.1 齿轮设计输入参数39 6.2 齿轮传动结构形式和布置形式39 6.3 材料及热处理39 6.4初步确定齿轮基本参数40 6.5齿面接触疲劳强度的校核43 6.6齿根弯曲强度的校核44 6.7 齿轮基本参数 第第 7 7 章章结结论论71 参考文献参考文献72 英文原文英文原文：73 中文译文中文译文：78 致致谢谢82 第 1 章 绪 论 1.1 本课题的研究范围及应解决的主要问题 本课题内容为双轴回转工作台的结构设计， 那么其研究范围则包括： 双轴回转工作台的工作原理、功能结构及重要功能部件的结构设计与计 算。由此可知，本课题主要解决的问题有：1.熟悉并掌握双轴回转工作 台的工作原理；2.初步定下其功能结构；3.完成相关（传动、锁紧、密 封、 润滑等） 结构设计；4.进行尺寸计算和校核运算； 5.使用 SOLID EDGE 完成双轴回转工作台的三维造型设计和工程图。 1.2 本课题的研究目的和现实意义 随着我国制造业的发展，加工中心的需求也在增加，特别是四轴、 五轴联动的加工中心。双轴回转工作台是五轴联动的重要功能部件，它 能够实现回转轴和摆动轴的两坐标定位。通过第四轴、第五轴驱动转台 或分度头完成精密角度的等分、不等分或连续的回转加工，完成复杂曲 面加工，使机床的加工范围得以扩大。在三轴联动的数控铣床上增加了 双轴回转工作台，并通过数控改造使之成为五轴数控铣床，是扩展普通 机床使用功能的简捷方式。 五轴联动数控机床是一种科技含量高、精密度高专门用于加工复杂 曲的机床，这种机床系统对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密 器械、高精医疗设备等等行业，有着举足轻重的影响力，堪称“制造业 之灵魂”。 而提高五轴联动数控机床的科技含量、精密度的重要手段之 一就是提高双轴回转工作台的精密度。需要不断提高双轴回转工作台工 作性能，才能在实质上提高我国五轴联动数控机床的整体水平，使我国 装备制造业得到长足发展。 1.3 国内外现有数控发展状况 五轴联动数控机床是近几年才发展起来的技术，标志着一个国家的 工业技术水平。数控转台是数控机床的重要功能部件之一，国内外将对 其的研发和改进视为重中之重。只是国外研发步伐比较早，像美国，德 国，日本这样的发达国家在数控转台方面已经有了较为成熟的技术，其 表现为：具有较好的可靠性，耐用度和精度保持性等。我国的数控研发 企业虽然起步很晚，但也奋起直追，在研发层面上已与国外企业水平相 持平，只是苦于国内加工企业其持设施较差，无法完成较高精度零件的 加工，使得国产数控转台在可靠性，精度保持性上与国外有较大差距。 1.4 当代数控发展的主要趋势 在规格上向两头延伸，即开发小规格和大规格的数控转台；在性能 上进一步提高刹紧力矩、提高主轴转速及可靠性；在蜗杆副传动方面， 大幅度提高工作台转速和转台的承载能力；在转台形式方面，继续开发 研制两轴联动和多轴并联回转的数控转台。在我国，数控机床与装备的 发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步，特别是在通用数 控领域，以 PC 为平台的国产数控系统，已经逐步缩短了与世界先进水平 的差距。作为机床的主要组成部分，分度类机床附件（转台、分度头、 刀架）对机床的性能、质量、可靠性起着至关重要的作用，作为数控转 台的研发和生产企业，在近期的主要任务是进一步开发研制高精度、高 刚性、高回转速度的多功能数控转台。 1.5 数控机床的升级（五轴联动） 数控机床加工某些零件时,除需要有沿 X、Y、Z 三个坐标轴的直线 进给运动之外,还需要有绕 X、Y、Z 三个坐标轴的圆周进给运动,分别称 为 A、B、C 轴。五轴联动机床也称五坐标机床,它是在三个平动轴(沿 X、 Y、Z 轴的直线运动)的基础上增加了两个转动轴(能实现绕 X 轴、Z 轴旋 转运动,即A轴和C轴),不仅可使刀具相对于工件的位置任意可控,而且刀 具轴线相对于工件的方向也在一定范围内任意可控 ,由此使五坐标加工 工具有以下特点: 图五坐标加工的特点 （1）.可避免刀具干涉,加工普通三坐标机床难以加工的复杂零件,加 工适应性广,如图 1(a)所示。 （2）.对于直纹面类零件,可采用侧铣方式一刀成型,加工质量好、效 率高,如图 1(b)所示。 （3）.对一般立体型面特别是较为平坦的大型表面,可用大直径端铣 刀端面逼近表面进行加工,走刀次数少,残余高度小,可大大提高加工效率 与表面质量,如图 1(c)所示。 （4）.对工件上的多个空间表面可一次装夹进行多面、多工序加工, 加工效率高并有利于提高各表面的相互位置精度,如图 1(d)所示。 （5）.五轴加工时,刀具相对于工件表面可处于最有效的切削状态。 例如使用球头刀时可避免球头底部切削 ,如图 1(e)所示,利于提高加工效 率。同时,由于切削状态可保持不变,刀具受力情况一致,变形一致,可使整 个零件表面上的误差分布比较均匀 ,这对于保证某些高速回转零件的平 衡性能具有重要作用。 （6）.在某些加工场合,如空间受到限制的通道加工或组合曲面的过 渡区域加工,可采用较大尺寸的刀具避开干涉,刀具刚性好,有利于提高加 工效率与精度,如图 1(f)所示。 现在,大家普遍认为,五轴联动数控机床系统是解决叶轮、叶片、船用 螺旋桨、重型发电机转子、汽轮机转子、大型柴油机曲轴等加工的唯一 手段。所以,每当人们在设计、研制复杂曲面遇到无法解决的难题时,往往 转向求助于五轴数控系统。 因此在传统的三轴联动机床上安装一个双轴回转工作台，即在 X、 Y、Z 三个直线运动轴之外增加了一个回转轴和可倾轴， 就完成了五周联 动的硬件设计。 双轴回转工作台是三轴联动与五轴联动的主要区别之一。 第 2 章 电动机的选择 2.1 步进电动机的特点与种类 2.1.1 步进电动机的特点 步进电动机是一种同步电动机，定子磁场在空间旋转时，转子跟随 定子磁场同步旋转。定子磁场的激磁磁势为脉冲式，使磁场以一定频率 步进式旋转，转子也就一步一步旋转。可见，步进电动机是一种将电脉 冲信号转换成角位移（或直线位移）的执行元件。给步进电动机供电的 电源是脉冲电源，而不是直流电源或正弦交流电源。步进电动机的特点 是： （1）步进电动机转子的转速主要取决于脉冲的频率，转子总的角位 移取决于总的脉冲数，转子的转向取决于分配脉冲的相序。其步距值不 受各种干扰因素的影响。 （2）步进电动机每走一步所转过的角度（实际步距值）与理论步距 值之间总有一定的误差。从某一步到任何一步，即走任意步数后，也总 会有一定的累积误差，但每转一圈的累积误差为零，亦即步距误差不长 期积累。 一般步进电机的精度为步进角的 3%-5%。 （3）步进电机外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁， 从而导致力矩下 降乃至于失步， 因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材 料的退磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏130 度以上，有的 甚至高达摄氏 200 度以上， 所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度完全 正常。 （4）步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率 越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大 而相电流减小，从而导致力矩下降。 （5）步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启 动，并伴有啸叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况 下能够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启 动，可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果 要使电机达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低， 然后按一定加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速）。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴 随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高， 步进电机 将会在更多的领域得到应用。 2.1.2 步进电动机的种类 （一）按力矩产生的原理分 1.反应式步进电机：转子无绕组；定子上有绕组，被激磁后产生反 应力矩，实现步进运动。 2.激磁式步进电机：转子有绕组(或用永久磁钢) ；定子上有绕组； 绕组被激磁后产生电磁力矩，实现步进运动。 （二）按输出力矩大小分 1.伺服式步进电机: 输出力矩小,只能驱动较小的负载 ;若要驱动机 床工作台等较大的负载,须和液压扭矩放大器配合。 2.功率式步进电机: 输出力矩较大, 能直接驱动机床工作台等较大 的负载。 （三）按定子数分 1.单定子式步进电机； 2.双定子式步进电机； 3.三定子式步进电机； 4.多定子式步进电机。 （四）按各相绕组分布分: 1.径向分相式: 电机各相按圆周依次排列； 2.轴向分相式: 电机各相按轴向依次排列。 2.2 步进电动机的选择 根据任务书中的要求：回转轴和可倾轴的总传动比均为 1：90，且 工作台台面直径为 120mm,工作转速 2000rpm。我们选定电机为 MINAS A 系列中 MDMA 系列（中惯量）电机：额定功率1KW，额定转矩4.8NM,最大 转矩 14.4NM,额定转速 2000rpm。 第第 3 3 章章 工作台方案的选定工作台方案的选定 3.1 分度工作台 分度工作台的分度、 转位和定位工作,是按照控制系统的指令自动地 进行,每次转位回转一定角度(5、 10、 15、 30、 45、 90、 180), 但实现工作台转位的机构都很难达到分度精度的要求 ,所以要有专门的 定位元件来保证。因此定位元件往往是分度工作台的关键。常用的定位 元件有插销定位、反靠定位、钢球定位和齿盘定位等几种。 双楔环 - 钢球定位机构只限制了工作台体的 3 个自由度 ,工作台 体主定位面的 3 个自由度由工作台底座环形滑动导轨面限制 ,双楔环V 型沟槽及钢球只承受夹紧力及一部分切削力 ,不承受夹具、工件的重量 以及工作台体自重和撞击力 ,大部分切削力作用于导轨面上 ,承载刚性 比多齿盘高得多。钢球在内外环的 V 型沟槽内灵活运动 ,可以完全消除 钢球与内外环 V型沟槽斜面的间隙 ,夹环受力变形后仍然可以通过钢球 将夹紧力均匀地施加在内外环上 ,夹紧刚性较好 ,并且使用时间越长 , 钢球与 V 型沟槽的接触面积越大 ,接触精度越好 ,双楔环的精度保持性 很好。 齿盘定位的分度工作台能达到很高的分度定位精度 ,一般为3, 最高可达0.4。能承受很大的外载,定位刚度高,精度保持性好。实际 上,由于齿盘啮合、 脱开相当于两齿盘对研过程,因此,随着齿盘使用时间 的延续,其定位精度还有不断提高的趋势。 齿盘定位的分度工作台广泛用 于数控机床、组合机床或其他专用机床。 3.2 数控回转工作台 在数控机床上一般由数控回转工作台来实现圆周进给运动。数控回 转工作台(简称数控转台)除了可以实现圆周进给运动之外 ,还可以完成 分度运动。 数控转台的外形和分度工作台没有多大差别,但在结构上则具 有一系列的特点。 由于数控转台能实现进给运动,所以它在结构上和数控 机床的进给驱动机构有许多共同之处。不同点是驱动机构实现的是直线 进给运动,而数控转台实现的是圆周进给运动。 数控转台可分为开环和闭 环两种。 3.2.1 开环数控转台 开环数控回转工作是由步进电机按指令脉冲的要求来确定数控转 台的回转方向、回转速度、回转角度。数控转台的脉冲当量是指数控转 台每个脉冲所回转的角度(度/脉冲),有的小到 0.001/脉冲,有的大到 2/脉冲,设计时可根据加工精度的要求和数控转台直径大小来选定。一 般加工精度愈高,脉冲当量应选得愈小;数控转台直径愈大,脉冲当量应 选得愈小。但也不能盲目追求过小的脉冲当量。脉冲当量 选定后,根据 步进电机的脉冲步距角 就可决定减速齿轮和涡轮副的传动比: Z 1 Z 3 Z 2 Z 4 式中:Z1,Z2分别为主动、被动齿轮齿数; Z3,Z4分别为蜗杆头数和蜗轮齿数。 在确定 Z1,Z2,Z3,Z4 时,一方面要满足传动比的要求,同时也要考虑 到结构的限制。 3.2.2 闭环数控回转工作台 闭环数控转台的结构与开环数控转台大致相同,其区别在于:闭环数 控转台有转动角度的测量元件(圆光栅或圆感应同步器)。所测量的结果 反馈回去与指令值进行比较 ,按闭环原理进行工作 ,使转台定位精度更 高。 有一些数控转台上,采用伺服电机轴端带测速发电机和旋转变压器, 或带脉冲编码盘,直接反馈电机轴的转速和角位移,进行半闭环控制。 3.3 调隙结构 在数控机床中,分度工作台、 数控回转工作台都广泛采用蜗杆涡轮传 动。 蜗轮副的啮合侧隙对其分度定位精度影响最大,因此消除蜗轮副的侧 隙就成为数控回转工作台的关键问题。常见的蜗杆涡轮消隙方法有双螺 距蜗杆传动机构和双蜗杆传动机构。 3.3.1 双螺距蜗杆传动 一般在要求连续精确分度的机构中(如齿轮加工机床、 数控回转工作 台等)或为了避免传动机构因承受脉动载荷 (如断续铣削)而引起扭转振 动的场合往往采用双螺距渐厚蜗杆,以便调整啮合侧隙到最小限度。 图双螺距渐厚蜗杆调隙原理 双螺距渐厚蜗杆与普通蜗杆的区别是:双螺距渐厚蜗杆齿的左、 右两 侧面具有不同的齿距 (导程);而同一侧面的齿距 (导程)则是相等的(图 4)。双螺距渐厚蜗杆副的啮合原理与一般蜗杆副啮合原理相同, 蜗杆的 轴向截面仍相当于基本齿条,涡轮则相当于同它啮合的齿轮。 由于蜗杆齿 左、右两侧面具有不同的齿距,即左、右两侧面具有不同的模数 m(m=t/ )。因而同一侧面的齿距相同,故没有破坏啮合条件。双螺距渐厚蜗杆 传动的公称模数 m 可看成普通涡轮副的轴向模数,一般等于左、 右齿面模 数的平均值。此蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚。但由于同一侧的螺距是相 同的,所以仍然可以保持正常的啮合。因此,可用轴向移动蜗杆的方法来 消除蜗杆与涡轮的齿侧隙。 从图 5 中知道, 蜗杆左侧的齿矩为 t 左,右侧 的齿距为 t 右,中间齿距为 t 中。 当 t 右t 左时 s1=t 左-c1 s2=t 右-c1 相邻两齿厚的差值 s=s2-s1=t 右-t 左 不难看出,任意两相邻齿厚之差(沿同一轴向截面上)都是 s=si+1-si=t 右-t 左, 这样的蜗杆从左到右齿厚渐厚,当蜗杆向左移动时,啮合侧隙将会逐 渐减小。同理,当 t 左t 右时,从左到右齿厚渐薄,当蜗杆向左移动时,啮 合侧隙将会逐渐变大。 图 5 是依靠改变调整环的厚度,即可使蜗杆轴向移 动,以便调整蜗杆涡轮啮合侧隙。 图双螺距渐厚蜗杆调隙结构图 3.3.2 双蜗杆传动 另外一种办法就是使用双蜗杆传动机构。 它在要求避免因承受脉动 载荷（如铣削加工）而引起扭转振动的情况下完成连续精密传动的场合， 使得齿侧间隙调整到最小程度。 图双蜗杆传动机构 如图所示，我们把一个完整的蜗杆做成两个部分（红色为蜗杆 1 和金色部分为蜗杆 2） ，它们沿着轴线可以进行旋转运动。在它们左端安 装了可调整的锁紧装置蜗杆固定座（银色是固定座 1、紫色是固定座 2） 。 当我们需要增大齿距时，向外旋转蜗杆 1，到达合适位置后，迅速拧紧 固定座上的紧定螺钉直到锁死。而减小齿距则往反方向旋转即可。 由于后者具有制造成本低、 方便操作并能达到比较高的精度等特点， 在本设计方案中我们决定使用它作为该回转工作台的涡轮蜗杆消隙机 构。 3.4闭环结构方案设计 考虑到机器性能要求的精密性以及加工的准确性 ,还要与数控铣床 相连成为精密的五轴联动机床。 因此要求系统为闭环,即设计一个闭环数 控回转台。所以选用FAGRO 公司的两个 ENCODER H-90 型旋转编码器分别 安装在与回转台连接的轴末端和摆动支座轴末端。这样即使在传动过程 中有误差或间隙也可在反馈后得到数控系统的补偿。 第第 4 4 章章 双轴回转工作台结构和原理双轴回转工作台结构和原理 通过一段时间的学习和了解，整个工作台由几部分构成：可倾轴部 分和回转轴部分。 图 双轴回转工作台结构视图 由于五轴联动数控机床系统价格十分昂贵, 加之NC 程序制作较难, 使五轴系统难以“平民”化。 现在很多的工厂使用的是三轴联动的数控机床,即能实现 X、Y、Z 三 个轴方向的同时平动。如果再配上一个双轴回转工作台,能实现绕 X 轴、 Z 轴旋转(即 A 轴和 C 轴), 再完成数控部分的改造,实现同时控制即能实 现五轴联动。这样即可减少固定资产的无形磨损, 又避免购置新机的大 量资金投入。 4.1 双轴回转工作台的功用 第一, 使工作台进行圆周进给完成切削工作 ;第二, 使工作台进行 分度工作。它按照控制系统的命令,在需要时完成上述务。数控回转工作 台由伺服电动机驱动, 采用无级变速方式工作 ,所以定位精度完全由控 制系统决定。 4.2 双轴回转工作台的传动和结构双轴回转工作台的传动和结构 此处引用的工作台属于闭环数控回转工作台, 两个旋转编码器分别 位于与工作台固接的轴端和支撑座的尾端,能将旋转后的位置准确的反 馈回系统。这种数控回转工作台由步进电动机驱动, 在它的输出轴接一 级齿轮减速器。该数控回转工作台由圆柱齿轮传动系统、涡轮蜗杆传动 系统、间隙消除装置及蜗轮轴夹紧装置组成。 因为是涡轮蜗杆传动与分度, 所以停位不受限, 并不像端齿分度盘 一样, 只能分度固定的角度的整数倍(5、10、15等), 而且偏转范 围较大(1055),能加工任何角度与倾斜度的孔与表面。 齿的侧隙是 靠齿轮制造精度和安装精度来保持。大齿轮的支撑轴与涡杆轴做成一个 轴, 这种联结方式能增大连接的刚性和精度,更能减少功率的损耗。 其工作原理简述如下其工作原理简述如下: 双轴回转工作台的运动由交流侍服电机驱动圆柱齿轮传动, 带动涡 轮涡杆系统, 使工作台旋转。 当数控回转工作台接到数控系统的指令后, 首先松开圆周运动部分的涡轮夹紧装置, 松开涡轮, 然后启动步进电机, 按数控指令确定工作台的回转方向、回转速度及回转角度大小等参数。 摆动部分的工作原理与此相同。 需要说明的是, 当工作台静止时必须处于锁紧状态, 工作台在其传 动轴端部安装了夹紧液压缸进行夹紧。当工作台不回转时, 夹紧油缸在 液压油的作用下向外运动, 通过刹车片紧紧顶在涡轮轴表面,从而锁紧 工作台。当工作台需要回转时,数控系统发出指令, 反向重复上述动作, 松开涡轮, 使涡轮和回转工作台按照控制系统的指令进行回转运动。 4.3 锁紧装置及锁紧力计算 4.3.1 锁紧的介绍与选用 在双轴回转工作台的回转部分，涡轮轴端的刹车片采用的是液压缸 直接顶紧，用刹车活塞与涡轮轴端刹车片的摩擦力来锁紧。锁紧力计算 过程举例如下： 4.4 润滑与密封 4.4.1 回转部分的润滑与密封 因为回转部分有较大的摆动角度（105-5），所以虽然蜗轮蜗杆 及齿轮传动都是在箱体内，也不能采用常规的甩油润滑。再者箱盖或工 作台与箱座或回转下箱之间不可能有很好的密封，在倾斜时会将存于箱 底的油倒出没法再甩油。所以回转部分都应选用循环喷油润滑。但在装 配时轴承部分要先填好润滑脂， 以免长时间得不到润滑而降低使用寿命。 喷油润滑的好处非常多，可以冲掉传动过程中齿轮啮合区的磨粒、 减少磨损、延长使用寿命、对蜗轮蜗杆进行很好的冷却与润滑等。 为防止工作过程中切屑与杂质进入旋转台，回转部分与下箱之间要 用防尘圈密封好，这样还能起到存油润滑轴承的作用。为防止传动过程 中有杂质存于箱体内，随油进入轴承，影响轴承寿命，应定期对箱体内 进行清洗。 4.4.2 摆动部分的润滑与密封 摆动部分是固定在平动工作台上的，只能随 X、Y、Z 轴平动，所以 选择甩油润滑，当然也可以采用喷油润滑。由于回转部分已采用喷油润 滑，无非是多几条支路而已。 在左端回转箱内有蜗轮蜗杆，所以轴承能同时得到润滑。而在右端 只是起支撑作用，只能用脂润滑。左支撑只需要采用常规的齿轮-蜗杆减 速器中的密封方法即可。各轴承端则需采用橡胶密封圈密封。与回转支 架相连部分的轴承端用橡胶圈密封，因为左端采用了油润滑。 第第 5 5 章章蜗轮蜗杆设计计算蜗轮蜗杆设计计算 5.1 蜗杆传动输入参数 根据 GB/T10085-1988 推荐,采用渐开线蜗杆(ZI)。 转速n 1 1000r /min，扭矩T 1 0.9742 7.76N m 功率P 1 n 1T1 10007.76 0.812565KW 95509550 5.5蜗杆蜗轮的材料和精度等级的选择 蜗杆选用 45 钢,因希望效率高些,耐磨性好些,故蜗杆螺旋齿面 要求淬火,硬度为 4555HRC。 蜗轮选用 ZCuAl10Fe3，金属模铸造。 加工精度 6 级。 5.2确定蜗轮蜗杆主要尺寸 1. 初选几何参数 选z 1 1z 2 iz 1 451 45 2. 计算蜗杆输出转矩T 2 粗算传动效率： (1003.5 i)/100 (1003.5 45)/100 0.765 T 2 iT 1 0.765457.76 267N m 3. 确定许用接触应力 HP 由机械设计手册 （第五版第三卷） （以下齿轮传动的设计参数 均根据机械设计手册 （第五版第三卷）查得）图14-4-13 查得 滑动速度 s 2.65m/s 由表 14-4-14 查得 HP 190N /mm2 4. 求载荷系数K 由表 14-4-12 知： K K 1K2K3K4 K 5K6 式中：K 1 动载系数 K 2 啮合质量系数 K 3 小时载荷率系数 K 4 环境温度系数 K 5 工作情况系数 K 6 风扇系数 2 3m/s，按表 14-4-12 取K 1 1 查表 14-4-15，6 级精度时K 2 0.93 由于JC 40/60 66.67%，由图 14-4-8 得K 3 0.92 由表 14-4-16 查得K 4 1.08 由表 14-4-17 查得K 5 1.0 由图 14-4-9 查得K 6 0.87 所以K 10.930.921.081.00.87 0.804 5. 计算和m和q值 m3q 3 ( 3 ( 15150 2) KT 2 z 2HP 15150 2) 0.804267 5.1mm 45190 查表 14-4-5，取m 2q 17.75 6. 主要几何尺寸计算 a m (z 2 q 2x 2 ) 2 2 (4517.75 0) 62.75mm 2 圆整中心距，取a 62.75mm z 1 /q)导程角r arctan( 1/17.75) 31310 arctan( 分度圆直径d 1 mq 217.75 35.5mm d 2 mz 2 245 90mm 齿顶圆直径d a d 2h a d a1 35.5 22 39.5mm d a2 90 22 94mm 齿根圆直径d f d 2h f d f1 35.521.22 30.7mm d f 2 9021.22 85.2mm d 1 35.5mm节圆直径d 1 d 2 90mmd 2 5.3接触疲劳强度计算 1. 齿面接触强度核算验算 由表 14-4-12 得 H 14783KT 2 d 2 d 1 147830.804267 165.5N /mm2 9035.5 因为 H HP ，所以齿面接触强度足够。 2.确定许用弯曲应力 FP 根据表 14-4-12 FP FbPYN 由表 14-4-13 查得 FbP 80N /mm 2 应力循环次数N 60n 2t 1000 50000 3.33107 60 90 由图 14-4-7 查得Y N 0.68 所以 FP 800.68 54.4N /mm2 3.齿根弯曲强度校核验算 由图 14-4-6 查得Y 2 0.47 2000T 2k由表 14-4-12 得 F d 1 mY 2 cosrd 2 2000701.8920.804 48.09N /mm2 283.5563.150.47cos31310 因为 F FP 所以齿根弯曲强度足够。 5.6蜗杆传动的热平衡计算 蜗杆传动由于效率低，所以工作时发热量大。在闭式传动中，如果 产生的热量不能及时散逸，将因油温不断升高而使润滑油稀释，从而增 大摩擦损失，甚至发生胶合。所以，必须根据单位时间内的发热量等于 同时间内的散热量的条件进行热平衡计算，以保证油温稳定地处于规定 的范围内。 由于摩擦损耗的功率 ，则产生的热流量(单位为 lW=l J/s)为 H1=1000P(1- ) W 式中 P 为蜗杆传递的功率，kW。 H1=1000*1*(1-0.776) W=224W 以自然冷却方式，从箱体外壁散发到周围空气中去的热流量为 H2= 式中: 气流通良好时，取大值； S -内表面能被润滑油所飞溅到，而外表面又可为周围空气所 冷却的箱体表面面积，； t0-油的工作温度， 一般限制在 6070， 最高不应超过 80； ta-周围空气的温度，常温情况可取为 20； S 150225150124 225124 22 80250mm 0.08025m S(t0-ta) W ，空-箱体的表面传热系数， 按热平衡条件 H1=H2，可求得在既定工作条件下的油温为 20 10001(1.776) 17.450.08025 =180C 在 t080或有效的散热面积不足时，则必须采取措施，以提高散热 能力。通常采取： 1)加散热片以增大散热面积。 2)在蜗杆轴端加装风扇以加速空气的流通。 由于在蜗杆轴端加装风扇这就增加了功率损耗为。总的损率损耗为 式中 kW 为风扇消耗的功率，可按下式计算: kW 此处：vF风扇叶轮的圆周速度， 其中 DF为风扇叶轮外径，mm； nF风扇叶轮转速，r/min。 由摩擦消耗的功率所产生的热流量为 W 散发到空气中的热流量为 W m/s， 式中:S1,S2-分别为风冷面积及自然冷却面积， 热系数 ； -风冷时的表面传热系数，按下表 选取。 风冷时的表面传热系数风冷时的表面传热系数 蜗杆转速(r/min) W/() 750 27 1000 31 1250 35 1550 38 从其结构看，选装散热片来降温更为合适。 第第 6 6 章章 齿轮设计计算齿轮设计计算 6.1 齿轮设计输入参数 选择齿轮材料 6.2 齿轮传动结构形式和布置形式 1.常用的齿轮结构 常见的圆柱齿轮结构如图 所示。图 为齿轮轴；图 为腹板式齿 轮；图 为轮辐式齿轮。 （a） (b) (c) 图常用齿轮结构形式 根据受力状况和整体结构形式，在此处我决定选用腹板式齿轮结构 比较合理。 2.布置形式 从前面工作台整体结构设计中我们知道：小齿轮是主动轮，动力来 自电动机；大齿轮是从动轮，它带动了蜗杆进行转动。因而大小齿轮均 采用悬臂布置。 6.3 材料及热处理 选择齿轮材料 小齿轮：50SiMn调质，硬度 260290HB+ 大齿轮：42SiMn调质，硬度 200230HB 由机械设计手册 （第五版第三卷） （以下齿轮传动的设计 参数均根据机械设计手册 （第五版第三卷）查得）图14-1-83 和图 14-1-112 按 ML 级质量求取值， 得 H lim1 =550 N/mm ， H lim2 =460 N/mm2和 Flim1 = 210 N/mm2， F lim2 = 190 N/mm2 2 6.4 初步确定齿轮基本参数 初步确定主要参数 （1）接触强度初步确定中心距 按直齿轮从表 14-1-65 选取Aa=476，取载荷系数 K=2.0 按表 14-1-69 选 d=0.6，则 a= = d 0.5(u1) 0.6 =0.4 0.5(21) 齿数比u i 2 小齿轮传递的转矩 T 1=4 Nm 3 许用接触应力 HP HP 0.9 H lim =0.9460=414 N/mm2 中心距 Aa（u+1） 3 KT 1 2 a u HP =476（2+1） 取=66 mm 2.04 =63.4 mm 20.42414 （2）初步确定模数、齿数、齿宽等几何参数 m n =(0.0070.02)a=(0.0070.02)100=0.72 mm 取m n =2 mm 由公式 z 1 2a cos m n (1u) 266 2(1 2) 22 取z 1 =22z 2 =iz 1 =222=44 齿宽 b= a =0.466=26.4mm取 b=24mm 小齿轮分度圆直径d 1 m n z 1 222 44 mm 大齿轮分度圆直径d 2 m n z 2 244 88 mm 齿轮精度等级为 6 级 6.5 齿面接触疲劳强度的校核 （1） 分度圆上名义切向力F t F 2000T 1 t 2000 d 1 4 44 182N （2） 使用系数K A 原动机为电动机，均匀平稳，工作机有轻微冲击，查表 14-1-71，K A =1.25 （3） 动载系数K V 齿轮线速度V d 1n1 60 1000 442000 601000 4.61 m/s 由表 14-1-80 公式计算传动精度系数 C C 0.5048ln(z)1.144ln(m n )2.852ln(f pt )3.32 小齿轮:z 1 =22大齿轮:z 2 =44 查表 14-1-40 可得:f pt1 =7.5 mf pt1 = 8.5 m C 1 0.5048ln(22)1.144ln(2) 2.852ln(7.5)3.32 6.509 C 2 0.5048ln(44)1.144ln(2) 2.852ln(8.5)3.32 6.516 取 C2=6.516 ，经圆整后为 C=7 查图 14-1-74K V =1.1 （4） 螺旋线载荷分布系数K H 由表 14-1-88，齿轮装配时对研跑合 K H1.110.1816.7( b 2 b 2) () 1.5104b d 1 d 1 2424 1.11 0.181 6.7()2()21.510424 4444 1.337 （5） 齿间载荷分配系数K H K A F t 1.25182 5.625 N/ mm b40 查表 14-1-92 得：K H =1.5 （6） 节点区域系数Z H x 0 0查图 14-1-76Z H =2.47 （7） 弹性系数Z E 由表 14-1-95 查得Z E =189.8 N /mm2 （8） 重合度系数Z bsin m n 40sin8635 0.898 2 纵向重合度 端面重合度 z 1 33 26.61 1 x n1 10.24 z66 86.842 1 x n1 10.24 由图 14-1-25 1 =0.80 2 =0.90 (1 x n1)1 (1 x n1)2 (1 0.24)0.80 (1 0.24)0.90 1.676 由图 14-1-79 查得Z=0.79 （9） 螺旋角系数Z Z cos cos8635 0.994 （10）小齿轮、大齿轮的单对齿啮合系数Z B ,Z D 按表 14-1-94 的判定条件，由于 0.898 1.0 ,则 Z B M 1 (M 1 1) Z D M 2 (M 2 1) tan n) t t arctan( cos tan 20 ) 20.19 arctan( cos8635 *d a d 2h a d 2(h an x n )m n d a1 44 212 48mm d a2 88 212 92mm d b dcos t d b1 44cos20.19 41.297mm d b2 88cos20.19 82.593mm M 1 tan t dd2 1 z 1 dd 2 a1 2 b1 2 a2 2 b2 1(1) 2 z 2 tan20.19 922 22 11(1.6761) 2282.59324441.2972 482 =1 Z B 10.898(11) 1 M 2 tan t 22d a d a 22 2 2 1 2 11(1) z 2 z 1 d b2 d b1 tan20.19 48 22 11(1.6761) 22442282.59341.297 922 2 =0.9665 Z D 0.96650.898(0.96651) 0.997 1取Z D 1 （11）计算接触应力 H 由表 14-1-70 公式可得 H1 Z B K AKV K H K H Z H Z E Z Z 1 F t u 1 d 1b u 1.25 1.1 1.337 1.5 2.47 189 .8 1802 1 66 .667 402 0.79 0.994 194.52N /mm2 由于Z D =Z B =1，所以 H2 = H1 194.52N /mm2 （12）寿命系数Z NT 应力循环系数N L 60nt N L1 6020005000 6.0109 2000 5000 3.0109N L2 60 2 由表 14-1-96 公式计算 Z NT 109 0.0706 () N L 109 )0.0706 0.881Z NT1 ( 96.010 Z NT2 109 0.0706 () 0.925 93.010 （13）润滑油膜影响系数Z L Z V Z R 由表 14-1-98，经展成法滚、插的齿轮副R Z10 4.0m , Z L Z V Z R =0.85 （14）齿面工作硬化系数Z W 由图 14-1-90Z W1 =1.12Z W2 =1.16 （15）尺寸系数Z X 由图 14-1-99Z X 1.0 （16）安全系数S H S H S H1 S H 2 H lim Z NT Z L Z V Z R Z W Z X H 5500.8810.851.121.0 2.37 194.52 4600.9250.851.161.0 2.16 194.52 由于S H1 ,S H2 均达到表 14-1-100 规定的高可靠度时，最小安 全系数S H min =1.501.60 的要求，齿面接触强度核算通过。 6.6 齿根弯曲强度的校核 （1）螺旋线载荷分布系数K F K F (K H )N (b/h)2 N 21b/h(b/h) b 40mmh 2.25m n 2.252 4.5mm (40/4.5)2 N 0.889 140/4.5(40/4.5)2 K F (1.458)0.8891.398 （2） 螺旋线载荷分配系数K F K F K H 1.5 （3） 齿廓系数Y Fa 当量齿数 z n z n1 z cos3 33 34.01 3cos 8635 66 68.02 3cos 86 35 z n2 由图 14-1-98Y Fa1 2.28Y Fa2 2.38 （4） 应力修正系数Y Sa 由图 14-1-103Y Sa 1.74Y Sa 1.66 （5） 重合度系数Y Y 0.25 n 0.75 n cos2 由表 14-1-104 知 b arccos 1(sincos n )2 cos b 1(sincos n )21(sin8635cos20)2 0.9912 n 1.676 1.706 20.9912 0.75 0.69 1.706 Y 0.25 （6） 螺旋角系数Y 由图 14-1-109，根据， 查得Y 0.93 （7） 计算齿根应力 F 因 1.676 2用表 14-1-101 中方法二 F tY FaYSaYY K A K V K F K F bm