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一种
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一种手持式电钻结构设计及分析专业班级：XXXX学生学号：XXXXXXXX学生姓名：XXX指导老师：XXX二一八年六月毕业设计（论文）诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。就我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表和撰写的研究成果，也不包含为获得华东交通大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。如在文中涉及抄袭或剽窃行为，本人愿承担由此而造成的一切后果及责任。本人签名_导师签名_年 月 日Abdtract 摘要一种手持式电钻结构设计及分析摘要电钻是一类钻孔切削的电动工具，常常应用于在金属或者非金属材料上进行钻孔加工，电钻特点：体积小、灵活性高、重量轻、方便携带等。所以在我们的日常生活中经常使用到电钻，在我国的许多领域都得到了广泛的应用。中国的经济建设的发展，也将会带动许多电动工具行业的发展，电钻就是其中之一。手持式电钻通常是由电动机、风扇、钻夹头、齿轮传动机构、开光、电线、外壳等组成，电钻工作原理是电动机通电以后，电动机的带动了齿轮轴的转动，通过传动装置减速后，驱动钻头上的工具对材料进行钻孔加工。此次研究设计通过对国内外的电钻优势的了解，和对电钻行业的发展趋势的比较，都对该次的设计提供了很好的的设计思路，在对电钻的各个组成部分的选用上都进行了比较。本次的研究主要对电钻传动结构进行设计计算和说明。最后利用proe5.0和AutoCAD2010完成电钻的三维立体模型和二维图的绘制关键词：电钻、减速装置设计 IV AbstractDesign and analysis of a handheld electric drillABSTRACTElectric drill is a kind of electric tool for drilling and cutting. It is often used in drilling on metal or non metal materials. The characteristics of electric drill are small volume, high flexibility, light weight, easy to carry and so on. So in our daily life, we often use electric drill, which has been widely applied in many areas of our country. The development of Chinas economic construction will also lead to the development of many electric tools industry. Electric drill is one of them.The handheld electric drill is usually composed of electric motor, fan, drill chuck, gear transmission mechanism, open light, wire and shell. The principle of electric drill is that after electric motor is electrified, the motor drives the rotation of the gear shaft, and after decelerating the transmission device, the tool is driven to drill the material. Through the understanding of the advantages of the electric drills at home and abroad and the comparison of the trend of the development of the electric drill, the design provides a good design idea for this design, and compares the selection of the components of the electric drill. This research mainly focuses on the design calculation and explanation of the transmission structure of electric drill. Finally, we use proe5.0 and AutoCAD2010 to complete the 3D model and 2D drawing of the electric drill.Key Words:Drills of electric drills, deceleration devices and drills目录目录第一章 绪论11.1电钻的应用11.2电钻的结构组成21.3电钻的发展趋势21.4存在的问题与解决方案3第二章 电钻的设计方案42.1电钻的工作原理42.2传动装置的设计4第三章 电钻机的组成零件选择63.1电动机的选择63.2风扇的选择73.3电源线的选择73.4换向器的选择73.5 电刷装置的选择83.6开关装置的选择93.7本章小结9第四章 传动装置的设计104.1齿轮传动的设计104.1.1选定齿轮类型、精度等级、材料和齿数104.1.2按齿面接触强度设计104.1.3齿轮计算114.1.4按齿根弯曲强度设计124.1.5几何尺寸的计算134.1.6校核齿根弯曲疲劳强度144.2齿轮轴的设计154.2.1基本参数的计算154.2.2轴的结构设计154.2.3轴与轴承的校核174.3轴II的设计194.3.1基本参数的计算204.3.2轴的结构设计204.3.3轴的校核214.4本章小结22第五章 其余零件的设计235.1钻夹头的设计235.2外壳的设计245.3钻头的选择26第六章 总结28参考文献29致谢30附录A 外文翻译原文31附录B 外文翻译译文39附录C46VI 第一章 绪论I第一章 绪论1.1电钻的应用手持式电钻常常被叫做手电钻或者电钻，手持式电钻都用于在许多的金属材料和非金属材料上进行钻孔加工，在所有的电动工具里面，电钻是研发最早，使用范围最大的电动工具了。手持式电钻相比其他的电动工工具体积相对小，在电钻的重量上也很轻，手持式电钻的使用也简单，操作容易，因为体积和重量都小，在工作的时候可以随身携带。建筑工业应用：电钻常常被用作在建筑梁、板、柱、墙等的建筑类的实物上的加固，手持式电钻更经常用来安装一系列的建筑物料比如装修、墙体安装、支架、栏杆、广告牌、空调室外机、导轨、卫星接收器电梯、钢结构厂房。医学应用：在上个世纪最开始的时候，国外的牙科是一个非常受到重视的职业，使用的器械产品也非常的精密，所以在那个时候国外发明了壁挂式三弯臂牙科电钻，这种电钻平常的转速可以轻轻松松的达到4000r/mm，加大这类电钻的转速的话可以达到10000r/mm，在当时的牙科工作上提供了很大的帮助，比如说现在我们仍然在广泛使用的齿轮传动的三弯臂牙钻机就是通过这种电钻的设计里面和方法上设计出来的电钻产品。除了牙科，还有耳科的医学上，电钻在耳科上也有很大的应用在上个世纪的30年代，就有用电钻产品来帮助耳科医生来进行耳科的手术，这件事情在当时的纽约得到机械类专家的推崇，这种手术可以帮助患者医治慢性的耳科疾病，还有这降低患者面部神经损伤发生的概率，可是当时的电钻在材料和设计上有很大的缺陷，就是稳定性不高，所以医生很难控制住电钻的工作，而且电钻的噪音也很大，所以需要在设计上一点点的改正处理。现代的电钻和气钻大大提高了转速，加强了切削能力，快速切削钻头、金刚石钻头和冲洗-抽吸系统的使用使耳科医师可以在很快的时间内准确的进行手术解剖，非常快的速度，也在很大的程度上减少了手术所需要的时间。海洋工业应用：有一种最新的电钻被用于在海洋上进行钻孔探查，这种电钻叫做海洋柔杆电钻，这种电钻是用在海底的底层进行取样本，用来查探海洋海底的物质产品寻找人类需要的矿产和新的能源。 电钻可以扥为三种类别分别是手电钻、冲击钻和锤钻。这次的毕业设计研究电钻就是三种电钻的手电钻。我们研究的就是其中的手电钻，手持式电钻是通过电动机转子的转动通过齿轮传动机构减速，是安装在夹头上的钻头对甲供材料钻孔切削等。1.2电钻的结构组成手持式电钻的基本结构如下图1-1所示，它的组成有电动机、风扇、外壳、钻夹头、钻头。齿轮传动装置、电刷装置、电线、开关和按钮等。 1-电动机2-外壳3-齿轮传动机构4-钻夹头5-手柄6-电源开关图1.1 电钻的基本结构图1.3电钻的发展趋势电动工具里面最早在世界发明出现的就是电钻这一类的电动工具，最早的电钻发明在19世纪时期的德国设计发明了第一台的直流电钻，但是当时的这种电钻的外壳都是用铁制造的，所以这种电钻很重，不利于操作，钻的孔直径也分厂的小，只有4mm的孔。随着科技的进步，又发明了一种三项工频的电钻产品，这种电钻的转速很慢，最高的转速也就是3000r/min。到了上个世纪的初期，科学家由发明研究出来现在最常用的单相串激电动机作为电钻的电动机，大大的提高了电钻的转速，最高的转速可以达到了10000r/min。上个世纪的中期，出现了用电池作为电源的电钻，应为当时的电池制作水平不高，制作成本也非常的昂贵，所以很少在市面上被出售，随着不断地改进，电池的技术革新，使得电池的价格大大的降低，而且每次的充电时间也大大的缩减，这种用电池作为电源的电钻产品受到了大家的热捧，在许多国家都被大量的使用。在电钻的外壳发展上也是从最初的用铁制作外壳，到之后用铝合金材料来作为制作电钻外壳的材料，在重量上大大的降低了电钻的重量。同样在上个世纪的中期，一种新的材料出现，这种材料就是热塑性的工程塑料，这种材料不仅可以绝缘还质量轻，结构稳定性强。所以这种材料知道现在都是作为电钻的外壳制造原材料。在电钻开关上也发明了电子调速开关电钻，这种电钻的开关是一种电子线路控制类开关，可以控制电钻的不同转速，大大的提高了电钻的使用效率。1.4存在的问题与解决方案因为我们国家的工业发展时间落于其他的发达国家，所以我们国家的电钻研究设计和生产都与国外一些发达国家的电钻产品有一定的差距。在以前我们国家的电钻的优点少，缺点多，比如品种单一，外观设计上也不好看，功能上噪音太大、输出的功率低，电钻的使用寿命也短，由于产品的单一，我国经常从别的国家购买电钻产品。但是，经过20世纪末到现在，我们国家对工业建设的重视和发展，在电钻行业上哦我们渐渐的拉低了与其他国家先进水平的差距，一点点的把以前电钻的缺点改正，还进行了优化。我们国家的许多的电钻产品也有了向海外国家出口的资格。在这我主要说明一些我们国家电钻产品存在的一点问题和解决方案：1、电钻的单位重量出力低，可以通过提高电动机额定转速，使得电钻的额定负载转速与空载转速基本相同来提高电钻的单位重量出力。2、国外大部分都是采用电子调速，重点研究在电子控制上。可以采用电子无级调速开关装置。3、电钻的噪声大、振动大。在电钻的结构材料选择上和零件的质量以及零件的加工工艺水平上进行不同的测试和工艺水平的提高4、外壳不精美、不舒适。采用人体工程学原理设计电钻的外壳。33第二章 电钻的设计方案第二章 电钻的设计方案2.1电钻的工作原理这次设计的电钻的电动机是单相串励电动机，接通电源电动机的转子上的绕线组经过转向器两边的电刷装置组成一个串联，电流经过会产生大量的磁力线和转子上产生的磁力线相互的作用，使得电钻的转子发展旋转，然后通过齿轮传动装置使得主轴开始转动，带动钻头的转动，对物体进行钻孔或者切削。手持式电钻就是用交流电源或者直流电源作为动力的钻孔工具。电钻的主要技术参数如下表2-1： 表2-1额定电压（v) 输入功率（W) 空载转速(r/min) 额定输出功率（w)220 385 0-2700 1602.2传动装置的设计电钻的传动装置采用一级齿轮传动。其传动装置简图如下图2-1：1齿轮2轴齿轮3风扇4电动机图2-1 电钻传动装置简图传动装置的实物图如下图2-2，根据实物图的模型更方便理解电钻传动装置工作的原理，在设计上可以启发更大的想象空间。 图2-2 电钻传动装置实物图第三章 电钻机的组成零件选择第三章 电钻机的组成零件选择3.1电动机的选择电钻的主要组成零件之一就是电动机，因为电动机是整个电钻的核心，一个好的电动机可以使得电钻的转速远高于其他的电钻产品。在对电钻一类电动工具产品的电动机比较和选择上主要有3类电动机：单向串励电动机、三相工频电动机和三相中频电动机。通过网上的查阅，对上述3类电动机产品的优势分析比较，单向串励电动机明显远比其他两种电动机更适合用于电钻产品，所以这次的研究设计，我选择用单向串励电动机来作为手持式电钻的电动机类型。单向串励电动机的优点和介绍如下：单向串励电动机：单相串励电动机是将转子绕组与定子绕组串联后接到电源上，可以使用直流电源，也可以使用交流电源，故又称为交直流两用电动机。单相串励电动机采用换向器结构，本质上属直流电动机范畴。串励电动机具有起动转矩大、过载能力强、调速方便、体积小、重量轻等很多优点。单向串励电动机是交流点和直流电都可以用的电动机，所以又把单向串励电动机脚做了叫直线流两用单向串励电动机。因为这种电动机的转速高，体质又小，启动时的转矩大，转速有可以更具需要进行调节，同时的有可以交流电来使用，还有直流电的时候来使用，所以在电动工具中特别是电钻类的电动工具常常用这个电动机来作为电钻的主体部分。满足电钻的选择要求。单向串励电动机组成零件是定子、电刷、转子、电刷装置还有风扇组成，单向串励电动机里面的定子组成不仅有定子铁心，还有定子绕组组成，定子铁芯的作用主要是用于接通电源后产生励磁磁场，对处在其中的通电导体产生力的作用，因为定子必须满足刚度好、振动好、导磁性好、损耗小的作用，所以我们的定子铁心就选择用硅钢片来制做。转子就是用转子铁心、电枢绕组、换向器及转轴等零件来组成，转子铁心和定子铁芯一样，都是用硅钢片来制作，用硅钢片冲制变成具有槽的圆片，然后把这些圆片进行叠压。转子上的冲片，它的槽型一般都是制作成了半闭口的槽型，然后在这些半闭口的槽内放置绝缘的材料，接下来就是电枢绕组的部分，在铁芯上不断的叠和绕电枢线圈，线圈上的进线端和线圈上的出线端都与整流子铜片进行着焊接，这就是转子铁心和电枢绕组的组成办法。同时转子铁芯的槽口，都和转轴轴线要相互的平行，或者在叠槽口的时候把转子铁心的槽口叠装成斜槽口的样子，因为斜槽的结构在电动机运行的时候，可以减小电动机的噪声，这样对电钻的设计优点上有很大的帮助。同时电动机的组成零件风扇也是装在了转子的转轴上，这样方便对电动机运行时产生的热量更快的散发出去，获得更好的散热功效。对风扇的选择和设计会在下一个小节重点的描述和总结。在电钻的发展中，世界上不断的对这个电动工具进行改进和优化。我们国家也一样，为了赶上世界工业设计的步伐，努力的赶超那些发达国家的先进技术水平，在20世纪中期的时候我们国家对电钻这一类的电动工具产品做了很多的研究和测试。最后设计总结出来单向串励电动机最好的3种规格，同时这3种规格的单向串励电动机是对它们的转子冲片大小进行区别，这3种规格分别是冲片直径为56mm、71mm还有90mm。这次的电钻设计研究上，我准备也在这3种规格的转子冲片中选择。通过查阅 上海市电动工具研究所编.电动工具.北京：机械工业出版社.1975 这本书籍得到了单向串励电动机的性能数据表，如下表3-1：表3-1 电动机性能数据定子冲片D输出功率P电压V频率f电流I转矩M转速n效率功率因素 71385220502.710.27813200680.9553.2风扇的选择风扇的放置位置在换向器的对面，电钻里电动机在运行的时候会产生大量的热量，这个时候这些热量就必须要散发出去，否则会使电钻内部产生高温，甚至烧坏电钻，电动机产生的热量会由电动机本身携带的风扇散发出去，对风扇的设计上我们选择用抽风式的风扇结构，将内部产生的热量抽出的形式达到对电钻的散热。同时在风扇大小材料的设计上都会根据齿轮轴的大小和选择电动机的大小进行最好的方案设计。在轴轮式的风扇还有离心式的风扇两种，大部分的电钻产品采用的都是离心式的风扇，在风扇的材料选择上，选用工程塑料来制造，因为这样的材料重量轻，可以有效的减轻电钻机的重量，应为电动机的转速高，产生的气流也较大，防止风扇叶片间发生涡流的情况，叶片数设计的30片，数目多点。因为定子直径有71mm在定子直径的基础上风扇直径减少7mm，设计风扇直径为64mm。3.3电源线的选择因为手持式电钻在进行工作的时候要不断地移动，所以电源线就会受到反反复复的弯曲和扭转，在电源线的材料上要轻便，还要有很好的耐磨性，在电源线的软电缆采用QY型轻型橡套软电缆，手持式电钻是用单相电源来供电的，所以在规格电缆上我选择采用两芯电缆。3.4换向器的选择换向器的放置位置在风扇的另一边，换向器的组成部分有：梯形换向片、塑料、内衬套、云母片等。梯形换向片一般的话是用铜材料制成的，导电性比较好。换向器也有两种，分别是半塑性还有全塑性两种，它们是由按片间绝缘进行区分。半塑性的换向器是在每一个换向片之间用云母片相互隔开，然后在它们的下面部分压进玻璃纤维酚醛塑料，这样不仅把换向片、云母片还有铜衬套相互之间固定，变成圆柱体，还起到了绝缘的作用。全塑性换向器是在每一片梯形换向片之间用耐弧酚醛塑料绝缘，云母片不会高过换向器的圆柱面，因为这样子可以避免多出来的云母片绝缘会让电刷装置和换向片之间接触不良，然后在换向器上产生火花，使得电刷装置内的碳刷磨损严重。换向器是电动机为了可以持续的转动下去的一个零部件，通常换向器又被称作整流子，它的结构上很简单，一般都是几个接触片围成圆柱形状，这些接触片每一个都连接有转子上的每一个触头，然后在换向器的外边还有两个电刷和接触片接触，可是种植可以在相互对立的面接触两片接触片。换向器还有槽形换向器和钩形换向器，这两种换向器是根据它换向器上每一个换向片和绕组相应的线圈连接的形式来区分。因为钩形换向器有绝缘加环，所以我选择钩形加固型换向器。型号：DZQD-RA-D-441 结构：钩形加固 片数：24内径：10mm 外径：25.5mm 总高:18.5mm片高：17.3mm 沟长:3mm 钩外径：30mm3.5 电刷装置的选择 电刷是电钻的关键零件，电刷装置的好坏会直接影响到电钻的使用寿命，电刷装置是由刷体、弹簧、电刷的软接线和铜联接片组成的。电刷装置有卡式电刷、辫式电刷、和芯式电刷。这3种电刷装置都是按照电刷装置的结构样子来进行区分。卡式电刷：盘簧通过导电片把电刷压在换向器表面，随着电刷的磨短，盘簧、导电片和电刷下移，当电刷磨损使得盘簧、导电片被凹槽底部挡住，电刷就不再受压，电流不再导通，此时需更换新电刷。这种结构的电刷产生火花等级在二级以内。辫式电刷:压缩弹簧作用于电刷上，使之与换向器表面接触，弹簧随着电刷磨短而伸长，同时电刷辫也逐渐伸直，当电刷磨至刷辫完全伸直时，弹簧不再对电刷施压，此时电刷与换向器面脱离接触，电动机停转。芯式电刷：在电刷内部埋有带反力弹簧的圆柱塑料芯。当电刷磨到某一位置时，反力弹簧作用力使塑料芯冲破电刷面，同时电刷脱离换向器表面，电动机停转。通过比较，卡式电刷和辫式电刷在结构上相对更加简单，更加好制造成功而且所需要的经济成本也低。在这两种电刷中选择辫式电刷，因为这种电刷更加的耐磨，不易损坏。这样就更加耐用。电刷大部分是用电化石墨制成，也可以把电刷叫做碳刷，在形状上电刷都是长方形，在里面安装有弹簧还有引线。在电钻里面，我选用了常用的电刷型号D374L，查阅电动工具书籍这种电刷的规格和性能数据如下：型号：D374L 规格(lar) :5816(mm) 导线面积:0.3(mm2)导线长度：29（mm） 电阻率：50 硬度：90（HRC) 电流密度:123.6开关装置的选择电钻的开关装置主要是用于控制电动机的启动和停止运行，具体的办法是接通和断开电源，开关的放置位置在电刷装置的下方，位于电钻外壳的手柄内。在设计的电钻开关的材料选择和这次设计的电钻的外壳材料一样，我选择使用绝缘的工程塑料材料，因为开关和电钻的外壳一样，开关是和我们人体直接接触的，如果漏电的话，与人体接触的地方就会发生触电，对人体造成伤害，所以为了避免这种情况的出现，电钻的开关一定是绝缘材料。在手柄的设计上，为了方便开关的安装，我选择了手枪式的手柄，因为设计的电钻比较小，手枪式的手柄更加方便掌控。除了一个控制电源的接通和断开的开关外，还需要一个控制钻头正反转的开关。正反转开关的原理很简单，就是保持电动机里面的定子或者转子中的一个电流方向不变，另外一个电流的方向改变，这样电动机的转向改变了带动齿轮传动装置方向的改变，钻头上轴的方向改变带动钻头工作方向变成相反的方向。为了加上可以控制电钻产生不同转速的作用，我选择采用电子无级调速开关，这样可以使得电钻转速从0到转速的最大值之间进行调控，针对不同的加工材料，选用不同的合适转速，查阅电动工具书籍，选择型号DZKE-A的开关。3.7本章小结本章主要对电钻的组成零件进行选择，这次设计研究的电钻在零件材料和大小数据规格上都需要进行比较选择，电动机是电钻产品的重要组成零件，对各种类电动机进行比较，在设计基础上选择了单向串励电动机，风扇、开关、换线器等零部件的选择都查阅了相关的书籍，在材料选择上都要求满足零件质量合格并且满足设计要求数据的零件。第四章 传动装置的设计第四章 传动装置的设计4.1齿轮传动的设计根据电钻的特点，要求齿轮传动间的速度比大，模数要小，我选择齿轮的材料为40Cr，在齿轮形状上有圆柱直齿轮和圆柱斜齿轮两种，因为以往的设计研究里面发现，圆柱直齿轮没有轴向力，设计出来的电钻噪音太大，而且电钻承受的冲击负荷也大。圆柱斜齿轮设计出来的电钻噪音低，可是会有轴向力，查阅书籍，为了可以减小轴向力的办法是减小齿轮的倾斜角，在这次的研究中，我选择齿轮的倾斜角为12度。4.1.1选定齿轮类型、精度等级、材料和齿数。齿轮的类型是圆柱斜齿轮，由5表10-1选择齿轮的材料为40Cr，材料经过调质和高频淬火，这样的齿轮材料会具有很好的强度还有韧性，齿面的硬度是4855HRC。进度等级：6级。齿数:先选择小齿轮的齿数为6，Z1=6，可以求得齿轮传动之间的传动比W1/W2=13200/2700=4.88，根据传动比和小齿轮的齿数求得大齿轮齿数Z2=6 4.88=29.28，把齿数取整，得大齿轮齿数为29。螺旋角最开始我选择12度，为了减小齿轮的轴向力。4.1.2按齿面接触强度设计 按5式（10-21）计算，即： 试选择载荷系数Kt=1.6。1）计算小齿轮传递的转矩 2）由5表10-7选取齿宽系数=0.5.3）由5中的表10-26,得=6，=29，得出=0.58，=0.80，=+=1.38。4）由5中的图10-30选取区域系数=2.46。5)由5表10-6查得材料弹性影响系数=189.8（MPa）6)由图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的解除疲劳强度极限分别都是1100MPa。7)由式10-13计算应力循环系数 ：N1=60nj=601320014800=3.81098)由5表10-19查得接触疲劳寿命系数分别是0.91和0.97。9）计算接触疲劳许用应力，取失效概率为0.01，安全系数S=1，由式10-12： 得许用接触应力分别是1001和1067，计算的最终的许用应力是（1001+1067）/2=1034MPa。4.1.3齿轮计算1) 计算小齿轮的分度圆的直径，由计算公式，将上面所有的数据代入公式得出：d6.827mm。2) 计算圆周速度V=3.14dn/601000=4.7m/s。3) 计算齿轮宽b还有模数，查阅机械设计书得公式如下： 得出b=3.4135mm，=1.113mm。4) 计算齿宽与齿轮高的比b/h，得出h=2.25=2.251.113=2.5mm，b/h=1.3654.5） 计算纵向重合度：。6） 计算载荷系数K：由5表10-2查得系数=1，根据V=4.7m/s，6级精度，由5图10-8查得动载系数KV=1.08，由5表10-3得=1.1,由表10-4查得KH=1.2，由5图10-13查得=1.14，K=11.081.21.14=1.47。7） 按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由5式（10-10a）得： =6.636mm。8） 计算模数：由上述公式将分度圆的直径代入公式里面得出：=1.08mm。 4.1.4按齿根弯曲强度设计（1）由5式（10-17）得设计计算公式为 1） 计算载荷系数 ，K=11.081.11.14=1.35。2） 根据纵向重合度=0.2027，从5图10-28查得螺旋角影响系数=0.97。3） 由5图10-20c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限为620MPa，大齿轮的弯曲疲劳强度极限为620MPa ，。4） 由5图10-18查得弯曲疲劳寿命系数0.85和0.88。5） 计算弯曲疲劳许用应力，取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由5式10-12得出弯曲疲劳许用应力分别是376.4MPa和389.7MPa。6） 计算当量齿数： 得：=6.41 =30.98 。7） 由5表10-5查得齿形系数分别为；和应力校正系数分别为8） 设计计算： 将上面所求的的各项数值代入公式 得出来模数0.6616。通过对齿轮齿面接触疲劳强度计算和齿根弯曲疲劳强度计算，都得出了齿轮法面模数，对这两个法面模数比较大小，发现齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，在机械设计中齿轮的设计模数要求是齿轮模数的大小主要取决于齿轮弯曲强度所决定的承载能力，取整作为标准值，所以根据上述要求齿轮模数取整是1.0mm，同时为了要满足接触疲劳强度，用分度圆的直径6.636mm来计算应该有的齿数，得出Z1=6，Z2=29。和之前的齿数没变化。 4.1.5几何尺寸的计算1） 计算中心距: =17.89mm 取整a=18mm。2） 按圆整后的中心距修正螺旋角： 。3） 计算大小齿轮分度圆的直径: 。4） 计算齿轮宽度： 加宽5到10mm 得出：。5） 计算该齿轮的变位系数：。6） 取标准值：，齿顶高的公式：。 7） 计算齿根高：取值，齿根高的计算公式：。8） 计算齿高： 9） 计算齿顶圆直径： 。 10） 计算齿根圆直径: 11） 计算基圆直径：12） 计算齿顶圆压力角：4.1.6校核齿根弯曲疲劳强度校核齿根弯曲疲劳强度公式为因为弯曲疲劳安全系数S=1.4，由5式10-22得将上面所求的数据代入上面公式中得： 所以经过齿轮校核 大小斜齿轮的弯曲疲劳强度都小于许用的弯曲疲劳应力，符合弯曲疲劳强度条件。4.2齿轮轴的设计4.2.1基本参数的计算1) 齿轮轴上的功率P=385W，齿轮轴上的转速n=13200r/min求齿轮轴上的转矩T：2) 求作用在小齿轮上的圆周力，径向力，轴向力 =92.8N; =34.7N; =22.27N.3) 选取齿轮轴的材料为40Cr，调质热处理。根据5中的表15-3查取=107于是按5中的式（15-2）初步计算出轴的最小直径得 : 4.2.2轴的结构设计齿轮轴的模型如下图4-2所示:图4-2 齿轮轴模型图如图4-2所示，1-2所在的轴段安置一个轴承，轴承的选用在下一个章节详细的计算和介绍，2-3所在的轴段是一段轴肩，轴肩的高度和长度都用公式进行计算，3-4段安置着换向器，4-5段所在的轴段安置电动机的定子部分，5-6段所在的轴段安置着用于散热的风扇，6-7段所在的轴段也是一个轴肩，7-8段所在的轴段安置一个轴承，8-9段就是小的斜齿轮部分。 1） 轴承上1-2段初步选用滚动球轴承，因为在轴上由径向力还有轴向力同时作用，查阅机械设计指导书，初步悬着轴承代号为608-Z的滚动轴承，这种轴承的基本尺寸是d=8mm，D=22mm，B=7mm。在轴承的基本数据下分别设计出齿轮轴1-2段的。2） 因为选用的轴承采用轴肩进行轴向定位，所以齿轮轴的2-3段是轴肩，轴肩的高度和长度都可以计算，由9表1-31查得608-Z型轴承定位轴肩高度是a=0.7mm，于是，。在长度上，需要根据轴承到换向器之间的距离来判断，初步选择两个零件之间的距离为8mm。3） 由第三章中的换向器选择上，我们设计的换向器基本数据为换向器的内直径是10mm，总的长度是18.5mm。3-4段的轴根据换向器的数据得出：，在长度上换向器到转子一段的距离根据设定合适值，初步选择为5mm，总的长度为。4） 在齿轮轴的4-5段就是一个电动机，在第三章的电动机选择上根据设计电钻要求的额定功率和设计选择的冲片直径，得到了庄子的内直径为11.5mm，铁心长度为52mm，所以取总长度74mm。得出：。5） 在上一章的风扇选择中，选择了风扇的内直径为13mm，高度为12.8mm，和换向器到转子一端的距离为5mm一样，选择风扇到转子的另一端的距离也定为5mm，得出:。6） 齿轮轴6-7段的高度和长度需要根据7-8段的轴承大小来确定，应为小斜齿轮的齿顶圆直径为8mm那么7-8段的轴承选择上，查8表1-5选择右端的滚动轴承代号为6000-Z，这种轴承的基本数据是d=10mm，D=26mm，B=8mm。和左端的轴承一样，选择用轴肩来进行定位，查阅得知，轴肩高度a=0.7mm，和左端的一样。计算得:。也同时得出轴段7-8的直径和长度：。7） 齿轮轴的做右端8-9段便是小斜齿轮，经过计算得出了：。8） 齿轮轴的总长度L: L=7+8+23.5+74+17.8+5+8+15=158.3mm9） 在齿轮轴上换向器 、转子还有风扇都是用胶水粘合的办法，将这3个零件固定在在齿轮轴上，在齿轮轴上的滚动球轴承是用轴的周向定位配合和固定，我选择齿轮轴的直径尺寸公差j5。10） 参考机械设计书中的表15-2，设计齿轮轴的左端倒角为0.5x45度，其他歌部分的轴肩倒角一样。4.2.3轴与轴承的校核1) 齿轮轴上的功率P=385W，齿轮轴上的转速n=13200r/min求齿轮轴上的转矩T：2) 求作用在小齿轮上的圆周力，径向力，轴向力 =92.8N; =34.7N; =22.27N.3) 选取齿轮轴的材料为40Cr，调质热处理。根据5表15-3查取=107于是按式（15-2）初步估算轴的最小直径得 : 4) 轴的扭转强度条件为：式中：是扭转切应力，MPa。 T是轴所受的扭矩，。 是轴的抗扭截面系数，。 n是轴的转速。 P是轴传递的功率,KW。 d是计算截面出轴的直径。是许用扭转切应力，见5表格15-3，因为轴的材料是40，所以轴的许用切应力为35-55MPa之间。将数据代入公式得到=27.19MPa可以得出，轴的安全校核满足要求。5) 在齿轮轴上，轴承的支撑点在轴承的中心点，所以受力距离如下图：得到。在小齿轮的重点截面进行受力分析得：。进行对齿轮轴的受力分析：水平面： 垂直面：合成弯矩：6) 按弯扭合成应力校核轴的强度： 从齿轮轴的载荷分析图上可以看出来截面D是危险截面，所以只校核这个危险界面的强度，根据机械设计书籍的式15-5，取值a=0.6。 因为已经选定齿轮轴的材料为40Cr，查阅机械设计书籍5中的表15-1，得=70MPa，将数据代入式子中求得 ：所以齿轮轴的强度校核合格。7) 轴承的寿命校核 在齿轮轴最左端的轴承受到轴承径向载荷3.45N，轴向载荷3.7N，根据机械设计书籍的表13-5滚动球轴承的最大e只为0.44，两个载荷的比值e。 计算当量载荷P，P= 按照5表格13-6，取=1.2，按照5表13-5，得X=0.56，Y=1.5，代入式中得，P=8.9N。根据5式13-6，求轴承应有的基本额定载荷值: 因为是滚动球轴承，所以，将数据代入式子中得C=138.9。按照轴承样子本和设计手册得608-Z轴承的C=130N，按照5公式13-5计算该轴承的寿命：将数据代入式中求得轴承的寿命。低于预期的计算寿命，所以轴承校核合格。 在齿轮的右端轴承承受的轴承径向载荷37.14N，轴向载荷96.5N，根据机械设计书籍5的表13-5滚动球轴承的最大e只为0.44，两个载荷的比值e。计算当量载荷P，P=按照5表格13-6，取=1.2，按照5表13-5，得X=0.56，Y=2，代入式中得，P=256.7N。根据5式13-6，求轴承应有的基本额定载荷值: 因为是滚动球轴承，所以，将数据代入式子中得C=4006N。按照轴承样子本和设计手册得6000-Z轴承的C=3800N，按照公式13-5计算该轴承的寿命: 将数据代入式中求得轴承的寿命.低于预期的计算寿命，所以轴承校核合格。4.3轴II的设计 4.3.1基本参数的计算1)齿轮的传动效率0.97，于是求得P1=PP1=385X0.97X0.97=362.5W;n1=2704.9r/minT1=1279.8N.mm2) 求在大斜齿轮上作用的力，在上一节中求的大斜齿轮的分度圆直径为d2=29mm。3) 选取齿轮轴的材料为40Cr，调质热处理。根据5表15-3查取=107于是按式（15-2）初步估算轴的最小直径得 : 4.3.2轴的结构设计输出轴的图形如下图4-3：1 2 3 4 5 6 7图4-3 输出轴三维模型图上图就是输出轴的三维模型图，在上图的标注中1是安装一个轴承，2是轴承需要定位，选择用轴肩定位，所以2是一个轴肩部分，3则是安装一个大齿轮的轴段，凸出来的部分用于将大齿轮的结构固定，增加自由度。在设计上在第5轴段安装有一个轴承和一个轴套。所以4轴段设计为一个轴肩，用于轴向定位，6段是设计将轴套固定，7段轴是用于用反牙螺旋段将输出轴和钻头部分联接在一起，固定和夹紧两个零件。1）输出轴段1部分，初步选用滚动球轴承，因为在轴上由径向力还有轴向力同时作用，查阅机械设计指导书，初步悬着轴承代号为601-Z的滚动轴承，这种轴承的基本尺寸是d=5mm，D=12mm，B=5mm。所以根据选用轴承的基本尺寸确定 1轴段的直径和长度分别是=5mm，=5mm。2）查阅书籍的值该轴承的轴肩高度，于是求得=5+22.2=9.4mm，同时设计轴肩距离为=2mm。3）输出轴段3，安装固定大齿轮，因为大齿轮的齿轮厚度为5mm，所以设计该轴段的长度为=5mm，根据轴肩的直径和大齿轮的分度圆直径设。4）输出轴段4，是一个轴肩部分，轴段的直径和距离由安装在轴段5的轴承决定，初步选择轴承代号为608-Z的滚动球轴承，这种轴承的基本尺寸数据是：d=8mm，D=22mm，B=7mm。所以根据选用的轴承定位，轴肩高度和齿轮轴的左端轴承相同，轴肩定位高度a=0.7mm，于是求得：=8+20.7=9.4mm，=2mm。5）输出轴段5，由轴承和轴套安装位置和要求确定轴段5的直径和长度，由选用的轴承基本数据确定直径为8mm，得：=8mm，=30.5mm。6）输出轴段6的作用是固定轴套的作用，查阅得：，。7）输出轴段7，是用于将输出轴与钻头联接固定成一体，用输出轴的转动带动钻头部分的转动，则 这个轴段的直径和距离由下一个章节的钻头部分选择和设计上确定数据。4.3.3轴的校核输出轴的校核和齿轮轴的校核一样都是通过对轴上的危险界面的扭转应力校核：输出轴上的功率P=362.5W，齿轮轴上的转速n=2704.9r/min求齿轮轴上的转矩T：1) 选取齿轮轴的材料为40Cr，调质热处理。根据5表15-3查取=107于是按式（15-2）初步估算轴的最小直径得 : 2) 轴的扭转强度条件为：式中：是扭转切应力，MPa。T是轴所受的扭矩，。是轴的抗扭截面系数，。n是轴的转速。 P是轴传递的功率,KW。 d是计算截面出轴的直径。是许用扭转切应力，见5表格15-3，因为轴的材料是45，所以轴的许用切应力为35-55MPa之间。因为在输出轴上最左端的轴段受到切应力最大，所以d=5mm。将数据代入公式得到=22.62MPa ，可以得出，输出轴的安全校核满足要求。4.4本章小结本章主要分成三个部分，分别是对齿轮的设计，根据电钻的基础数据设计出合适的齿轮，一个大的斜齿轮和齿轮轴上的斜齿轮啮合，构成一个一级的齿轮传动减速机构。根据设计的齿轮计算出斜齿轮的各项基本数据，最后对齿轮校核。第二部分是对电钻齿轮轴进行设计，记录设计的尺寸数据，最后对齿轮轴进行校核成功，同时对齿轮轴上的轴承也进行校核成功。第三部分是对主轴的设计和校核。第五章 其余零件的设计第五章 其余零件的设计5.1钻夹头的设计在电动工具行业里面，钻夹头零件是电钻的主要配件，用于连接输出轴和钻头，用输出轴的转动带动钻头工作，完成钻孔等一系列的切屑工作，钻夹头和电钻的输出轴连接的方式有两种，一种是用螺纹连接，还有一种是锥孔连接的方法，查阅书籍，大部分的手持式电钻都是使用了螺纹连接的方式，所以这次的设计上，在钻夹头和电钻主体的连接上使用螺纹连接的方式，现在的螺纹连接的规格有很多。这次的电钻设计里，选择用螺纹连接钻夹头和输出轴，根据输出轴的设计，螺纹的长度选择用20mm，考虑轴承的安装，螺纹的孔径选择8mm，所以钻夹头的螺纹规格连接为B8。钻夹头的设计主要看三个方面，一个是钻夹头的精度，一个是钻夹头的夹持力，最后就是钻夹头的夹持范围了，钻夹头的精度就是用来控制夹持两连接部分之间的跳动量，这样的话可以保证钻头进行加工时不会出现剧烈的跳动，使得出现加工误差的增大，保证一定的孔加工精度。夹持范围就是用来控制手电钻的夹头部分夹持钻头的最小直径和最大的直径，可以根据钻头大小来设计。一般夹持范围的大小只会比夹头的规格大一点点，太大的话就有点浪费材料，增加了设计成本。设计的钻夹头根据它的结构有两种类型的钻夹头，一种是扳手式的钻夹头，另外一种是手紧式的钻夹头，顾名思义，扳手式钻夹头就是需要用扳手来将电钻主体和钻夹头连接拧紧，手紧式钻夹头就是靠握住前后套来拧紧钻夹头的，这种钻夹头又根据结构上的区分有带锁的不带锁的、一个套的和两个套的分别。因为扳手式的钻夹头结构简单，零部件好加工，价格不贵，性能好的优点，这次的设计研究上选用扳手式的钻夹头。在钻夹头的夹头部分也是个小零件可以拆卸，夹头的性能测试上和钻夹头一样都是需啊哟对夹头的精度还有夹持力进行测试，夹头的精度就是用它的最大夹持的范围来检验的。不同的夹持范围，它们夹持力不同，相对的夹持精度也不相同，加工质量越高，精度上的差异就越小。设计的钻夹头三维模型如下图5-1： 图5-1 钻夹头三维模型图在设计上，因为夹头部位所需要桩孔8mm大小所以设计为8mm，在钻夹头的主图部位上直径设为25mm，这样与输出轴的连连上跳动精度不会很大。5.2外壳的设计外壳设计根据工程塑料制作，用的是绝缘材料。手电钻的外壳用SLS工艺制造，这种工艺是一种快速成型的方法，随着世界的工业进步和制造业的不断发展，这种类型的快速成型方法更加的重要，所以这次的设计上也使用这种方法制造。首先是利用激光没以层的扫描粉末材料，使得这种粉末材料渐渐的发生固话，形成在三维图形中制作的样子。这种工艺的特点是：强度高、精度高、可以供给选择的材料多、使用的成本也低。激光处理以后，要自然冷却到常温再取出。三维图形如图5-2和图5-3： 图5-2 电钻下外壳三维模型图图5-3 电钻上外壳三维模型图如图所示，在外壳体上根据内部的组成部分，在齿轮和风扇还有轴承的一系列的零件上都多留有1到2mm的空间，这样可以方便零件的安装和拆卸，在外壳的电动机和风扇部位都有宽阔的散热部分。在设计的原则上是要保证气流要经过轴承，和里面在齿轮轴上的零件，将热量通过热空气的形式散发出去。开关掣位的设计:在手持式的电钻上开关掣的位置大都是放置在手持式电钻的手柄处的位置上，但是因为电钻的体积小所以在电钻的手柄处的空间也十分的狭小，所以在工作是电钻十分容易发生压伤了电钻内部电线的事情，还有发生开关部位的卡死甚至发生电钻回弹的现象，所以在电钻的外壳设计上，需要考虑很多的方面；首先，电钻的手柄处位置需要有足够的空间来安放开关零件，入社设计的空间出现不够的情况，就要修改开关的外形，或者修改电钻的外形，一定要有足够的空间来安装防止开关还有和开关连接的所有电线，电钻的制造后还需要通过一项测试，叫做跌落测试，座椅必须保证手持式电钻的外部机壳的开关处位置上有着足够的空间和稳定性来通过手持式电钻的跌落强度测试。在开关掣的位置摆放上，也有很大的要求，因为在设计的理念上要求电钻的外形要小，同时开关处的位置也是手持式电钻机的外壳部分薄弱的地方，所以在电钻机的跌落测试中，这个位置也是最容易发生断裂的现象，所以在开光的设计上，一定要保证电钻机外壳的强度要求。在电钻机的外壳上需要设计许多的筋骨结构来保证有足够的稳定强度和放置处大量的开间，在电钻机的外壳上还应该合理的设置一些的槽来放置电钻机内部的电线，可以有效地防止电线在设计装配的时候本压断了，影响电钻机的正常工作。开关和几颗之间的间隙应该根据要求设计，因为间隙太小的话，会使开关开电钻工作的时候发生卡死的现象，开关和电钻机的外壳间隙如果设计太大的话会使得电钻机的外观不好看，而且容易使得工作是的一些切屑垃圾或则小的切削材料进入到电钻内部，对电钻的正常工作造成影响，查阅设计手册，开关和外壳之间的间隙一般设计为0.3mm左右。5.3钻头的选择钻头的位置是安装在电钻的钻夹头上，钻头就是一种通过不断地旋转，然后在钻头的的头端部位有着切削能力的一种工具，钻头的材料都有碳钢、高速钢等一系列的材料，一般这两种材料最经常被使用，其他的材料选择需要根据不同的加工环境和加工材料选用不同的合适的材料制造合适的钻头。钻头的制造通常都是先经过铣制，然后在经过淬火，还有进过回火热处理后最后在磨制成的，这样的钻头才可以在金属材料或者非金属材料上进行钻孔加工。钻头的种类有许多种，分别有按结构形状进行分类，按照钻头的钻柄部位来进行分类，最后一种分类是根据钻头的用途来进行分类。第一种分类，按照结构形状上分类有两种钻头：整体式钻头，这个钻头的整体材料都是一样的，相当于就是从一个材料上整体的制造出来;另外一种钻头就是端焊式钻头，这个钻头其他的部分和其他钻头没有太大的区别，主要就是在钻头的钻顶部位是通过碳化物焊接成的。钻头整体上有三个部位，分别是钻顶和钻身，还有钻柄。其中一种钻头的分类方式就是根据钻柄来进行分类的：第一种就是直柄钻头，这种钻头的直径是低于13mm的，所有的钻头的直径如果低于13mm的话，那么在钻柄的位置都是采用了直柄的方式；另外一种就是锥柄钻头，顾名思义，这种钻头的钻头钻柄部位是有锥度的，在锥度的使用选择上都是采用了莫氏锥度，所以这种钻头的钻柄处是锥度状。根据电钻的用途进行分类的话，钻头有许多种，有中心钻头、麻花钻头、超硬钻头、油孔钻头、深孔钻头、钻头绞刀、锥度钻头、圆柱孔钻头、圆锥孔钻头、三角钻头。首先介绍中心钻头：这种钻头通常都是用在钻孔工作之前用来打中心点。麻花钻头是市面上出项实用最广的一种钻头了，在工业的制造上麻花钻头也是制造量最多的，应为在我们生活中许多的电钻工具使用的都是麻花钻头。超硬钻头的钻身的前端是用超硬的合金刀具制造而成的，有时候这种钻头的一个整体都是使用这种超硬合金刀具材料制造而成，这种钻头一般加工金属类的材料对金属材料进行钻孔加工。油孔钻头，在钻头的钻身部位上有着两道小的孔，这两道小孔在钻头进行切削工作的时候可以带走大量的切削热量和切削。深孔钻头又叫做枪管钻头，这种钻头一般是一个直槽型，在一圆管中切除四分之一的部位用来产生刃口排削。圆柱孔钻头，也叫做沉头铣刀，因为这种钻头前端部位上有着一个直径相对比较小的部分，一般把这个部分叫做道杆。三角钻头就是在钻头的钻柄位置处制作成三角形的样子，这样可以使得电钻的夹头可以固定钻头。钻头是与加工材料直接接触的零件，所以钻头很容易损坏，在平常的使用中需要注意对钻头的保养和维护，同时在使用的过程当中，也要注意一些注意的事项。比如在钻头加工完材料之后，应该马上检查下钻头有没有破损，或者是钻头发生了钝化，没有发生破损或者钝化的话便可以了，如果有的话应该马上对钻头进行研磨还有修整。同时在钻头钻通孔的时候，就是当钻头马上要将加工材料钻穿的时候，这个时候钻头受到的扭力是最大的，所以在这个时候应该要用轻的压力来对钻头进行慢慢的进刀工作，这样可以避免钻头因为受到的扭力过大发生扭断。钻孔的时候也应该充分的切削平且还要主要加工的时候排除切削材料。本次的设计研究中选择了麻花钻头，查阅设计手册，选择规格为M4的麻花钻头，这类的钻头小直径为4.5mm，大直径为8.0mm全长是75mm，小直径的刃长18mm，钻柄的长度是8mm。 第六章 总结第六章 总结 在这次的电钻设计中，通过查阅了机械设计书籍，对电钻内部的齿轮传动装置设计上有了很大的了解，还有在材料力学书籍上也对电钻内部的轴承和齿轮轴还有输出轴的校核有了更具体的了解。 在这次的设计研究中，对设计的电钻功能和市面的电钻的主要功能相同，设计的电钻结构简单，因为是家用电钻所以电钻设计的体积较小，在电钻的零件材料上大部分选用质量轻，强度高的工程材料，所以设计出的电钻也具有质量轻的特点 ，在整体的形状上满足人体工程学上的结构形状设计，所以在使用电钻的时候会有很大的舒适度，在电钻的外壳等一系列与人体直接接触的材料上都选用了具有绝缘作用的材料，还有设计后对电钻的测试，保证了电钻使用的安全性。因为钻头选择了高强度的麻花钻头，所以设计出来的电钻可以轻易的对木材等一些材料进行钻孔加工处理。开光上选择了先进的无级电子调速开关，在电钻进行钻孔加工的时候可以根据使用者选择需要的合适转速。大大的提高了电钻的使用效率。 这次的设计研究通过查阅了网上许多的相关文献，对电钻的每一个零部件都进行了详细的了解，同时也查阅了在大学四年中所学的许多书籍，机械设计，材料力学，还有机械原理专业书籍里面的许多知识。因为我的设计经验缺乏，同时在对每一个零部件的性能了解不够深，在设计方面有着一些缺陷，设计出来的电钻和市面上的电钻实物有着很大的区别和差距，我会不断的学习改进设计的产品。 参考文献参考文献1 上海市电动工具研究所编.电动工具.北京：机械工业出版社.19752 单辉祖编著.材料力学（1）.北京：高等教育出版社，20093 申永胜主编.机械原理教程.北京：清华大学出版社，20054 濮良贵、纪名刚主编.机械设计（第八版）.北京高等教育出版社，20055 杨永新、肖乾主编.Pro/ENGINEER Wildfire 5.0中文版上机实践指导.上海：中国电力出版社，20116 成大先主编.机械设计手册.单行本.机械传动.北京：化学工业出版社，20047 成大先主编.机械设计手册.单行本.轴承.北京：化学工业出版社，20048 吕克主编.最新国内外轴承代号对照手册.北京：机械工业出版社，20019 王魏主编.机械制图.北京高等教育出版社，200810朱强、秦泳元主编.人体工程学与电动工具.电动工具，200511能林主编产品造型材料与工艺北京：北京理工大学出版社,199112刘传凯主编产品创意设计北京：中国青年出版社,200513杨正主编工业产品造型设计武汉：武汉大学出版社,200814张黔主编设计艺术美学北京：清华大学出版社,200715阮宝湘,邵祥华编著工业设计人机工程学北京：机械工业出版社,200816刘盛璜主编人体工程学与室内设计北京：中国建筑工业出版社,199717程能林主编工业设计概论北京：机械工业出版社,200654致谢致谢这次毕业设计即将结束，经过几个月的学习研究设计，不仅仅加深了我对专业知识的了解，也使我对机械设计产生了浓厚的兴趣。在这对帮我过我的老师和同学表示感谢。首先我感谢我的毕业设计指导老师，在这次的设计中，老师在设计的思路上给予了很大的帮助，在我们不懂的时候耐心的指导我们如何去处理设计难题。在设计方面的文献和一系列的电钻资料都提供给参考，使得我减少了许多的设计难点。老师的专业知识丰富，使我非常的敬佩。对待工作的认真和严谨也值得我去学习。在大学的最后时间里可以得到这样优秀老师的指导我很高兴，在这我衷心的感谢舒老师的指导和帮助。最后也感谢和我一起不断学习的班上同学和小组成员，在设计中我们相互帮助，你们帮我解决了许多的困难，使得我设计的更加完整，在这我对你们表示衷心的感谢。附录A 外文翻译原文附录A 外文翻译原文Hot Rolling of Large GearsForming processes are generally characterized by a high degree of material utilization as well as short process times and, consequently, a decent economic efficiency. Furthermore, incremental forming enables the use of relatively low forming forces which results in a more compact design of the used machines. These conveniences are utilized in terms of roll forming with round tools to form gears and threads in a competitive way. Based on experiences gained over many years of researching rolling technologies, a cross-rolling process characterized by round tools with outer gearings was elaborated to realize a hot forming process of large gears at the Fraunhofer IWU. At actual project GEARFORM, a scaled sun gear demonstrator from wind gear application could be realized by hot rolling technology. An optimized rolling time was achieved by 32.5 seconds.1. IntroductionGeneral Rolling Technology DescriptionFormer cold rolling processes for gear production received an industrial accep-tation limited to stub-toothed geometries with tooth height coefficients up to y = 1.5. However, findings of the researches at Fraunhofer IWU Chemnitz prove that it is possible to roll high gearings by using a wedge-rolling technique with two round tools for transmission applications, as well as other rotationally sym-metric profile shapes 1. In regard to optimizing the forming process, the tool design and its construction numerous optimization loops were necessary to en-sure the required component qualities. Due to the increase of available compu-ting capacities and the latest findings in the simulation of incremental formingtechnologies, an illustration of the demanding process kinematics was made possible. Compared to earlier FE calculations, a 32-core computer could be used instead of an 8-core one. Moreover, the segmentation strategy of work piece geometry led to an enormous time reduction. The round-rolling process with two rolling tools can be considered as a forming process with infinite tool length. Accordingly, the maximum tip diameter of a rollable work piece is only limited by the available working space of the utilized machine. The rotationally symme-tric work piece is clamped between tips or chucked with a single centering tip in axial direction. The round-rolling tools start penetrating from the pre-diameter of the workpiece having the same rotational direction and constant speed each. Next, the forming process is introduced by reducing the distance between the axes of the tools in the radial direction. Based on a calculation and improved construction of the tools a parameter related process optimization was accom-plished by the Fraunhofer IWU Chemnitz. Thus, it was possible to roll spur and helical gears with a tooth height coefficient outreaching the state-of-the-art val-ues into the solid material using a special rolling machine called PWZ. This ex-panded the limits for rollability by extending the tooth height coefficient of rolled gears by factor four compared to former investigations.2. Rolling MachineIn initial trials using existing machine technology at the Fraunhofer IWU prom-ising results at planetary gears could already be achieved with the approach of round rolling principle (see process of heating and hot rolling in Figure 1). For the purposes of the desired diameter range of large gears an appropriately sized and adapted hot rolling technology could be developed by adjusting the PWZS pezial rolling machine.At the beginning of the forming process, the work piece is accelerated to the correct rotational velocity (see Figure 2).3. Tools and DevicesIn order to guarantee a rolling process which generates gears of the desired qual-ity, the tool design, the clamping units as well as the used preforms have to be considered. Therefore, the following articles contain a summary of the geome-trical and mechanical adjustments to realize the hot forming of large gears by gear rolling.3.1. Design of WorkpiecesIn terms of down-scaling the desired demonstrators to the common size of the present rolling machine used at the Fraunhofer IWU, the available working space as well as the performance characteristics of the rolling drive concerning the rolling force and the corresponding torque have to be considered. Therefore, the maximum of the work piece diameter can be characterized by 200 millime-ters which can be attributed to the peculiarity of the tools own diameter and the maximal distance between the tool axes. Considering the scientific and technol-ogical results of prime rolling trials, that can be defined by the utilization of tools used for hot forming work pieces with a mean temperature of 1000C, it was possible to determine that torque provided by the tools drive was suitable to realize the forming of gears with a normal module of 4 millimeters and a width up to 90 millimeters. Based on these circumstances, the scaling was performed, see Table 1.In case of the demonstrator, the so-called sun gear, the normal module was multiplied by 4 in order to scale it up. However, the parameters resulting from this process are still realizable by the rolling machine PWZ Spezial. Eventually, the width of the work piece had to be reduced when reaching the torque limit of the rolling drive, see Figure 3.3.2. Design of Workpiece ClampingThe constructive adjustments of the rolling machine mentioned were generally approved. The production of the single machine components as well as the in-stallation of major assembly groups and the final reconstruction of the machine was carried out by the company Dreiling which is located in Geisleden, Germa-ny. The base frame consisting of a welded construction, the base plate with the sliding carriage on top, the head- and tailstock montaged on the sliding carriage are displayed in Figure 4.Furthermore, the assembly contained newly developed spindles, which were exclusively produced to be part of the PWZ Spezial of the Fraunhofer IWU and support the use of tool widths up to 180 millimeters. Besides, a convenient coat-ing of the spindles surface prevents the development of rust attributed to the designated fitting which can occur between the tool and the spindle. It also sta-bilizes the rolling process in case of forming high-tempered work pieces.3.3. Design of Rolling ToolsThe construction of the rolling tools at the Fraunhofer IWU was carried out based on the sun gear. Likewise, the profile design of the tools was created by a process of rolling off the desired gear contour. Here, the tip diameter of the tool, which adds up to the volume of the work piece and its amount of teeth, has to be defined 4 5 6 7 8. The unique contour of the bore which is part of the tools results from requirements of the used tool holder of the PWZ Spezial. The parameters which characterize the tool used for the forming of the sun gear and a corresponding 3D-model can be seen in Figure 5.Basically, gear rolling can be characterized as a compressive forming process. In this regard, two round tools with outer gearings form the designated gear geometry into the work piece by a combining a rotational with a radial tool feed motion. In the following case, the used forming process can be defined as a hot forming one using work piece temperatures of 900C to 1200C. The tool teeth are subjected to bending stresses. Since the effective contact time between the work piece and the tool is generally short there is a relatively low thermal impact on the tool, too, resulting in a comparatively slight elevation of the tool temper-ature of 350C. It has to be mentioned that there might be a higher temperature at the teeth tips, which is, however, locally limited. Nevertheless, the following main requirements of the tool material can be derived from the described re-search results:Extreme toughness combined with a decent hardness, Good tempering resistance, Adequate thermal shock resistance, Abrasion resistance, Available in a diameter range up to 1000 millimeters.Considering these requirements, the hot working steel TQ1 provided by the Kind & Co. stainless steel mill was the material of choice.4. FE SimulationThe entireness of the following simulations was carried out by using the simula-tion software Forge computed by the Transvalor Company. In case of the sun gear the expansion of the preform diameter due to the temperature rise as well as the temperature distribution in the forming zone was analyzed. Defining the ex-act extent of the preform diameter is a crucial task for ensuring a fully functional rolling process and to guarantee the correct rolling of the designated amount of teeth. Besides, the temperature distribution in the forming zone of the preform is a significantly relevant information. The inductively applied forming temper-ature has to be appropriately high in the area of the tooth root diameter to en-sure an adequately ductile material behavior of the work piece. Furthermore, di-verse feed motions of the tool and the subsequently resulting stresses on the tools were analyzed.4.1. Simulation of Inductive HeatingThe results which could be achieved by simulating the heating of the preform are displayed in Figure 6. As the temperatures in the outer area of the tooth root diameter reach degrees of about 900C, an extension of the preform diameter of about 1.2% can be witnessed.4.2. Simulation of Hot Rolling ProcessAfter the simulation of the heating process, the flow of the used material was numerically simulated and evaluated by using a hot-forming simulator. Based on the achieved findings, further preforms were developed which should be de-signed to optimize the flow of material. In order to reduce the time needed for simulating, the main focus of this research was put on a single segment of theFigure 6. Scientific results of simulating the heating of the preform.gears entireness. In Figure 7, the designated finite element model including both tools, the tool holder, the mandrel and the preform can be seen. Addition-ally, the preform was constructed with a finer FEM net in the relevant contact zone. Furthermore, a supplementary plane of symmetry was added in the axial direction to reduce the amount of element knots.Following the simulation of the forming process of the preform further calcu-lations are executed. The first model used contained a cylindrical bore in a con-cave preform characterized by a phase angle of 30 (120) and a step slanted in 90. Besides, the simulated result of the rolling process is displayed in Figure 8 in an over layered matter, presenting the cold-forming condition (green) and the preform (red). Due to this layout the development of the undercut as well as of the significant axial flow of material are highlighted. The gear used for the finite element model is defined by a fully formed tip up to a width of 55.7 millimeters, a tip circle of 123.9 millimeters and a root circle of 104.9 millimeters.In order to optimize the contour of the gear on both fronts a second model including an increased phase angle of 35 (125) and the elimination of the pre-vious step geometry was developed (see Figure 9). Due to that, the development of the undercut could be reduced drastically. Besides, the fully possible forma-tion of the tip increased to 60 millimeters. These slightly increased diameters can be attributed to a rise in the volume of the simulation model, which can hardly be controlled using the present software.Due to the utilization of a simulation model focusing on a single segment of the work piece the calculation of the demanded forming force was realized. Ac-cording to the findings of this research, the forming force grows continuously during the penetration of the work piece up to a maximum of 300 kilo newton, as displayed in Figure 10. Therefore, the process of calibration utilizes 75% of the maximum machine capacity which can be quantified by 400 kilo newton, respectively.5.Conclusions and OutlookThe successful forming of large gears on the PWZ Special machine can be attri-buted to the adjustment of the tool clamping unit as well as the integration of a segment inductor. The verification of the hot-forming process was made possi-ble by simulating the tool together with the preform design and the force de-manded for rolling. Additionally, experimental trials were executed.Referred to the temperature measurements at maximum output of induction unit an up-scaled heating system must be used to minimize heating time in pa-rallel with increase of forming temperature for further hot rolling trials.The main foc
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