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多功能 螺旋 平面 数控 剃齿机 设计

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毕 业 论 文（设计）题 目： 多功能螺旋平面齿轮数控滚检、剃齿机设计 姓 名： 学 院：专 业：班 级：学 号：指导教师：2019年03月20日1 绪论齿轮是机械产品的重要基础零件，它以其恒功率输出、承载能力大、传动效率高等优点而被广泛应用于机床、汽车、摩托车、农机、建筑机械、工程机械、航空、兵器、工具等领域，其质量、性能、寿命直接影响到各类机械的总成质量。齿轮因其形状复杂，技术问题多，制造难度较大，也造成齿轮加工机床的高度复杂性，所以齿轮制造水平在较大程度上反映了一个国家机械工业的水平。近年来，随着汽车、机械、航天等工业领域的不断发展，对齿轮提出了更高的要求：传动速度大、承载能力强、使用寿命长、运行噪音小、制造成本低，相应地对齿轮的设计、加工、检测等方面也提高了要求。在这种背景下，现代设计方法、先进制造技术、计算机技术及相关技术的交叉融合，使齿轮相关技术的研究进入了一个崭新的阶段。1.1 齿轮加工技术圆柱齿轮的加工方法很多，按齿廓形成原理，可以分为成形法和展成法两大类。成形法是用刃部形状与被切齿轮槽形状相同的成形刀具来加工齿轮的，属于成形法的齿轮加工方法有铣齿、拉齿、冲齿、成形磨齿、压铸等。展成法又称滚切法，是加工时切削刀具与工件作相对展成运动，刀具和工件的瞬心线相互作纯滚动，两者之间保持确定的速比关系，所获得加工表面就是刀刃在这种运动中的包络面。现代齿轮生产中，主要是展成法。属于展成法的齿轮加工方法有剃齿、插齿、剃齿、珩齿、展成法磨齿、车齿等。剃齿加工剃齿是一种高效的、应用最广泛的一种齿廓加工方法，是依照交错轴斜齿轮啮合原理进行加工的。剃齿精度一般可达78级，当采用高精度剃齿刀和高精度剃齿机时，可滚切5级精度的齿轮。目前剃齿加工的先进技术有：1）多头剃齿刀剃齿，可以大幅度提高生产效率，剃齿刀头数最多可达7头，但各头之间的偏差影响齿轮的齿向精度。2）硬齿面剃齿技术，国外硬齿面剃齿精度达DIN6级，加工费用仅为磨齿的1/3，效率较普通的磨齿高15倍，且无磨削烧伤或裂纹。3）剃齿机数控化，大幅度提高了机床的加工精度及工艺能力指数，增加了机床的可靠性并且扩大了机床的加工范围。4）干切工艺。德国Liebherr公司的LC80系列剃齿机，美国Gleason一Pfauter公司的GP130系列剃齿机，日本三菱重工公司的GN10系列剃齿机等均可以采用高速干式切削加工。国内齿轮机床制造厂家在齿轮加工干切技术方面，目前正处于研究的初级阶段。在CIMT2005机床展上，日本三菱公司展出的GE15A剃齿机上，采用了表面涂有超级干切涂层的MACH7高速钢剃齿刀，线速度达250 m/min；重庆机床厂展出的YKS3112剃齿机上，采用了表面涂有DUAL涂层的硬质合金剃齿刀，线速度达181 m/min。干式滚削具有高的生产率、高精度和高的工件质量，无切削液，工件不受油液污染，符合环保要求，属于无污染的绿色加工工艺。插齿加工插齿也是广为采用的切齿方法，它是用形状为齿轮或齿条的插齿刀具，与被加工齿轮按一定的速度作相啮合运动的同时，刀具沿齿长方向作往复运动形成切削加工，特别适合于加工内齿轮和多联齿轮。采用特殊刀具和附件后，还可加工棘轮、内外花键、扇形齿轮、齿条、端面齿轮等。插削速度最高可达10002500次/min冲程数，加工精度达56级。插齿技术的研究重点有：1）插齿机的数控化，以便加工椭圆齿轮、非圆齿轮和特殊形状的齿轮。2）提高插齿机的冲程次数，从而提高插齿效率。3）硬齿面齿轮的插削工艺的研究。4）数控插螺旋齿，以提高螺旋齿轮的加工精度。剃齿加工剃齿方法除了人们所熟知的平行轴剃齿、对角剃齿外，径向剃齿的发展近年来格外引人注目。径向剃齿由于只作径向进给运动而省掉了轴向或对角进给，因而效率大大提高。径向剃齿时，齿轮的齿形和齿向修形均靠剃齿刀修形完成。剃齿刀齿面轮廓形状和精度要求高，齿形要求中凹，齿向要反鼓，同时对剃齿刀刃口槽形位置、形状（如刃口错位排列）、矩形槽都有很高要求，因此剃齿刀设计和制造上都有相当的难度。近年来由于径向剃齿刀的研制成功，使径向剃齿这一高效方法在越来越多的齿轮加工中得到应用。国内一些工具厂近年来成功地研制出径向剃齿刀，同时不少齿轮制造厂引进了相应的剃齿刀修磨机床，因而径向剃齿工艺在我国也得到了越来越广泛的应用。由与径向剃齿比平行剃齿或对角剃齿产生更大的径向挤压力，因此要求机床具有更高的刚性。重庆机床厂近年开发的YA4232A剃齿机和YAT4232径向剃齿机均具有很高的刚性，适合于汽车、摩托车和机床齿轮的剃齿加工。珩齿加工珩齿技术的发展经历了从自由珩到强迫珩，从最初的齿轮式外啮合珩到蜗杆珩再到现在的内啮合珩等阶段。最初的齿轮式外珩齿技术，采用的是自由珩技术，靠珩轮轮齿对工件齿轮表面进行光整加工，可有效地改善齿面质量。80年代，卡谱（Kapp）公司推出的VAC65型珩齿机，采用了称为Coronieren的硬齿面精加工方法。其珩磨轮是一个有高精度内齿轮的钢环，内齿轮齿面上电镀单层CBN磨料。工具齿轮与工件齿轮间采用电子同步系统相联系，运转中通过进给使工件齿轮的各项误差逐渐得到修正，从而达到十分稳定的精度。目前晰齿都用于中、小模数的齿轮。我国大连理工大学研究了可控电解珩磨工艺，解决大模数齿轮的珩齿，其特点是不受齿轮模数、齿数、尺寸及结构形式限制，可在剃齿的基础上，将齿形精度提高12级，表面粗糙度降低到Ra0.5m以下。磨齿加工磨齿是获得高精度齿轮最有效和可靠的方法。由于现在多用硬齿面的齿轮，磨齿成为高精度齿轮的主要加工方法。目前碟形砂轮和大平面砂轮磨齿精度可达DIN 2级，蜗杆砂轮磨齿精度达DIN 34级，锥形砂轮磨齿精度达DIN 45级。磨齿的主要问题是效率低、成本高，所以提高磨齿效率，降低费用成为当前主要研究方向。近年来出现的新技术有：1）改进磨削方法，Maag公司提出了“K磨削法和Niles公司提出了“双面磨削法”，提高了磨齿效率。2）应用立方氮化硼砂轮高效磨齿，比用单晶刚玉砂轮磨削效率提高5-10倍，被磨削表面不易发生烧伤和裂纹，疲劳强度高。3）采用数控技术，提高了效率和自动化程度，获得了稳定和可靠的精度。4）开拓新的磨削原理和磨齿工艺，瑞士赖斯豪尔公司新开发的RZP200型磨齿机采用了环面蜗杆砂轮磨削的连续成形磨齿工艺，其效率是普通磨齿法的5倍。以上几种圆柱齿轮工艺方法与加工精度的比较见表1.1表1.1 圆柱齿轮工艺加工方法和加工精度比较工艺方法工艺方法简图加工精度加工特点剃齿59生产率高，通用性大，连续分度剃齿，运动误差易保证插齿58适用于中小模数齿轮加工，通用性好，广泛用于内齿轮、双联及多联齿轮加工剃齿57主要用于齿轮的滚、插预加工后的精加工，和磨齿相比，具有效率高，成本低，齿面无烧伤和裂纹等优点珩齿68效率高，成本低，表面质量好，齿面无烧伤，尤其适用于作硬齿面滚、插后改善表面粗糙度的后续工序磨齿成型砂轮磨齿78生产率很高，砂轮是专用的，适用于较大批量生产齿轮蝶形砂轮磨齿47采用碟形砂轮的棱边磨削不加冷却液，生产率较低蜗杆砂轮磨齿57生产率很高，特别适用于成批生产和大量生产1.2 剃齿原理简介 剃齿机，是一种齿轮精加工用的金属切削机床。以齿轮状的剃齿刀作为刀具来精加工已经加工出的齿轮齿面，这种加工方法称为“剃齿”。剃齿机按螺旋齿轮啮合原理由刀具带动工件(或工件带动刀具)自由旋转对圆柱齿轮进行精加工，在齿面上剃下发丝状的细屑，以修正齿形和提高表面光洁度。剃齿机适用于精加工未经淬火的齿轮，通常用于对预先经过剃齿或插齿的硬度不大于 HRC48的直齿或斜齿轮进行剃齿，加附件后还可加工内齿轮。被加工齿轮最大直径可达5米但以500毫米以下的中等规格剃齿机使用最广。剃齿精度为 76级(JB17983)表面粗糙度为0.630.32微米。剃齿机有卧式和立式两种。卧式剃齿机有两种结构一种刀具位于工件上面，机床结构紧凑占地面积小广泛应用于成批大量生产中小型齿轮的汽车拖拉机和机床等行业另一种刀具位于工件后面工件装卸方便主要用于加工大中型齿轮和轴齿轮。大型剃齿机多为立式主要用于机车矿山机械和船舶制造部门。在卧式剃齿机上剃齿刀安装在主轴上由主电动机驱动作交替的正反向旋转。工件安装在心轴上并顶在工作台的前后顶尖间与刀具呈交叉轴啮合状态由刀具带动工件自由旋转。工件沿轴向或与轴线构成一夹角方向往复移动工件每次往复行程后作一次径向进给运动。剃鼓形齿时在工作台往复轴向移动的同时工件轴线反复摆动一个很小的角度。大型剃齿机由工件带动剃齿刀旋转刀具作轴向移动。双面剃齿时刀具作径向进给单面剃齿时须在刀具主轴上加一制动扭矩。剃齿刀是经过淬火磨削的齿轮形刀具，沿齿高方向有锯齿刀槽。剃齿加工就是利用剃齿刀与齿轮工件的啮合传动，从齿轮工件的齿面切削去微小的加工余量，进行剃削。齿轮工件与剃齿刀啮合旋转时，齿轮轴与刀具轴并不平行，而是互相交错；齿轮工件和剃齿刀之间只有齿面啮合，两者的轴之间没有机械的联系，互相之间自由旋转。这也是剃齿与其它齿轮精加工方法、切齿法的显著区别所在。剃齿过程中，两轴互相交错地啮合着的齿轮和剃齿刀，由于一面在齿面上加压力而一面旋转，刀具和齿轮齿面在齿高方向和轴向产生相对滑移，刀具齿面上的很多齿刃槽的边缘就成了切削刃。剃齿刀的锯齿刀槽的顶部构成刀具齿面，用齿轮磨床进行齿形磨削，没有齿面后角，不像其它刀具(例如插齿刀)有齿面后角。因此，即使是用锯齿刃槽的刃背顶住齿轮工件的齿面，也不会过度切入，可以用0.020.05毫米的加工余量进行齿面精加工。剃齿刀齿侧面的切削刃槽通常是平行于刀具端面或垂直于刀具齿向，使两侧切削刃分别具有正、负前脚或零前角，剃齿刀切削工件时，它的齿侧面和工件的加工表面相切，所以剃齿时的后角等于0，这将产生挤压现象，因此剃齿是一个在滑移运动中产生切削与挤压的加工过程。按剃削齿轮的移动方向或按啮合点移动方式可以将剃齿法分为几种，具有代表性的有轴向剃齿、切向剃齿、对角线剃齿及径向剃齿法。轴向剃齿是通过刀具或齿轮沿齿轮轴向移动来达到剃齿刀与齿轮啮合点的移动，可以遍及齿轮的齿宽；切向剃齿是刀具或齿轮垂直于齿轮轴移动，所能加工到的齿宽限于刀具的齿宽覆盖范围内，但移动量仅为普通剃齿的几分之一，所以加工时间显著缩短；对角线剃齿介于上述两者之间，刀具或齿轮在倾斜于轴的方向移动，剃削得齿宽可以宽于刀具的齿宽，刀具或齿轮的移动量介于两者之间；径向剃齿法在剃削过程中，剃齿刀与齿轮为线接触，因此具有效率高、刀具耐用度高、齿形精度高和加工表面粗糙度值低，有强制性的齿向修正能力，且特别适合于加工多联齿轮等优点。另外，按切削所必需的压力加在齿轮工件和刀具齿面上的方式，剃齿法可以分为过盈啮合剃齿和制动剃齿两种。过盈啮合剃齿是：使刀具和齿轮无侧隙啮合，再通过缩短中心距对齿面加以必需的切削压力；制动剃齿是：制动被动的刀具或齿轮的轴，将必需的压力加于啮合齿面，这种加工方法通常用于只需加工一侧齿面或剃齿刀和齿轮以任意啮合角啮合的情况，通常用于大型齿轮的齿向误差矫正。1.2 传统剃齿机分析传统剃齿机典型机型Y3150E，传动系统图如图1.1所示。传统的剃齿机传动采用单电机驱动，用分流传动方式驱动多个执行机构，内联传动链严格的速度同步与行程同步关系是靠具有准确传动比的传动元件（齿轮、蜗轮、蜗杆等）实现的，调整环节采用挂轮以保证足够精度的传动比与调整范围。传动系统有五条传动链：主运动传动链、展成运动传动链、轴向进给传动链、附加运动传动链、快速空行程传动链。这些传动使剃齿机只具有滚切圆柱齿轮、蜗轮的加工能力，其工作范围不仅较窄，而且机械结构复杂，且传动链上的工作元件多。例如展成运动链和附加运动链除了要必须经过合成运动机构外，从首端件到末端件还各自需要经过9对齿轮、蜗杆蜗轮、以及10根左右轴的顺序传递；轴向进给传动链则需要经过8对齿轮、蜗杆蜗轮、丝杠螺母、7根轴的顺序传递。这些传动链不仅传动元件多，积累误差大，而且误差还交替传递，尤其是展成运动链和附加运动链有一部分重复使用，这样就易形成误差的交替传递，从而将附加运动的传动误差，传入到要求分度运动准确性很高的展成运动上。传统机械剃齿机的剃齿刀主轴转速最高为500rpm，工作台转速最高为32rpm。传统机械传动链剃齿机已经不适合新型机床对传动精度与传动速度的要求。由于各传动元件的制造和安装误差，使得内联传动链首端件和末端件不能按理想的传动关系运动，存在传动误差。剃齿机传动链精度是指按规定的工件齿数调整后，工件主轴相对于剃齿刀主轴回转运动的转角误差。传动链中的传动环节与传动元件越多，传动误差的来源越多，传动误差也越大，传动链的传动误差是影响齿轮加工精度的主要因素。提高内联传动链的传动精度一直是此类机床的研究重点。图1.1 Y3150E剃齿机传动系统图1.3 数控剃齿机分析二十世纪80年代以来，数控剃齿机进入了实用阶段。随着计算机技术、电子技术和自动控制技术的发展，国外剃齿机产品中，数控剃齿机已占主导作用，我国研制的数控剃齿机始于二十世纪80年代中期。数控剃齿机的机械结构，在很多方面继承了传统机械剃齿机的特点，但由于应用了数控技术所以在结构上作了相应的改进，以充分发挥机电一体化的优势。 现代数控剃齿机，各个运动都由单独的伺服电机驱动，交流主轴电机直接安装在刀架上，经过几对高精度圆柱斜齿轮传至剃齿刀主轴，区别于传统剃齿机设计中主轴运动由普通或变频电机通过较长传动链传至主轴，而此设计大大降低了传动误差，提高了传动精度，并增强了相关的传动特性和传动刚性，转速可达1500rpm。工作台采用大直径高精度圆柱斜齿轮传动，改变了传统的工作台由蜗轮、蜗杆传动的形式，提高了加工效率，采用高精度、高刚性滚动轴承支承，最高转速可达150rpm，显著提高了机床的加工精度。数控剃齿机采用全数字控制，并带有EGB（Electronic Gear Box）电子齿轮箱，由它代替了传统机械剃齿机各种交换齿轮的功能，所以机床各项运动精度高，调整方便。机床的柔性好，切削循环可设置一次、二次方框循环，L循环等多种切削循环方式，除可加工圆柱直齿轮、斜齿轮、短花键轴、链轮、蜗轮等外，还可加工多种锥齿轮、鼓形齿等特殊齿形的齿轮。图1.2 数控剃齿机传动系统图数控剃齿机由于传动链大大缩短，减少了轴、轴承和齿轮等元件的制造误差、间隙和装配误差的影响；另一方面由于刚度的提高和热变形的减少保持了精度的稳定性；第二是可以方便地对机械误差进行补偿。所以相对传统机械剃齿机来说，机械误差对加工精度的影响能得到有效的控制。图1.2是国内目前最先进的数控剃齿机传动系统图。1.4 剃齿加工技术的发展趋势剃齿是国内外应用最广的齿轮修正方法，一些国家剃齿机的拥有量约占所有齿轮机床总量的4550%。为适应齿轮加工行业对制造精度、生产效率、提高质量及清洁生产的要求，剃齿机及剃齿加工技术出现了以下几个发展趋势： 全数控化所谓的全数控化，指不仅齿轮加工机床的各轴进给运动是数控的，而且机床的展成运动和差动运动也是数控的，即机床的各运动轴进行CNC控制及轴间实现联动。 齿轮加工机床全数控化后具有如下特点： 1）机床结构发生革命性的变化 齿轮加工机床全数控化使得机床传动链大大缩短，并且各轴间没有机械传动的联系，与传统机床相比机床的结构大大简化，增强了机床的刚性。机床结构的简化，更有利于实现结构的模块化。 2）提高齿轮的加工精度 机械传动链缩短或完全被取代，刀具磨损的自动补偿，计算机技术的快速发展，新的智能控制算法的应用，伺服系统的脉冲当量的进一步减小，从而提高了机床的加工精度及工艺能力指数。 3）提高齿轮加工的效率 完全排除了交换齿轮和行程挡块的调整，缩短调整时间，而且可在一次安装下不经过任何调整就可加工多联齿轮。工件程序可以储存供再次加工时调用，调整时间显著缩短，一般调整时间仅是非数控系统的10%30%。 4）高精度快速地加工非圆齿轮、修形齿轮 由于数控技术的采用，可以方便调整、控制各轴间的运动关系，从而加工出椭圆齿轮等各种非圆齿轮和各种修形齿轮，且加工精度远高于传统的机械靠模加工方法。 5)高度自动化和柔性化可实现任意工作循环，缩短调整时间，便于实现小批量多品种加工。同时机床本身柔性大为增加，易于实现机床重组，易于组成柔性齿轮制造系统，实现齿轮制造的柔性自动化过程。零传动技术的应用“零传动”即直接驱动，由电机直接驱动刀具、回转工作台的回转及直线进给系统，完全取消所有机械传动环节，实现动力源对机床工作部件的直接传动传动链的长度为“零”。一般数控剃齿机的剃齿刀主轴由变频交流主电机通过一到两对斜齿轮驱动，直接驱动工件主轴的分度副，一般采用高精度蜗轮副或特殊齿形的多头双蜗轮副以及大尺寸齿轮副，各进给轴通过滚珠丝杠副实现旋转运动向直线运动的转换。近几年国外的各齿轮制造厂家在小直径（200mm）、小模数（m3mm）齿轮加工方面已推出剃齿刀轴和工件轴直接驱动的机型。如GleasonPfauter公司制造的P60、 P100、P210、GP130，Liebherr公司制造的LC80、 LC120、 LC150、 LC180,Koepfer公司制造的Koepfer 160，Hurth公司制造的5160等。直接驱动的实现是使用电主轴直接驱动剃齿刀主轴，用同步力矩伺服电机直接驱动工作台。由于直接传动，去掉了高精密齿轮等关键零件，这样就消除了由于传动装置而产生的误差，如反向间隙、啮合误差等。而各进给轴仍通过滚珠丝杠副实现旋转运动向直线运动的转换，如果各进给轴采用直线电机直接驱动，将完全实现零传动。零传动齿轮加工机床不仅可以大幅度提高机床的加工精度和加工速度，也可以完全解决机械传动链中存在的磨损问题，可以长期保持机床的精度。此外，零传动方案还可极大地简化机床的机械结构，提高机床的动静刚度，也有利于实现可重构机床的设计和制造。高速、高精度剃齿机的高速化，主要是指机床拥有高的刀具主轴转速和高的工作台转速。它们是影响切削效率的主要指标。传统机械剃齿机的剃齿刀主轴转速最高为500 rpm，工作台转速最高为32 rpm。电主轴和大扭矩同步力矩伺服电动机的应用使刀具主轴和工作台转速得到提高。GleasonPfauter公司制造的P60卧式剃齿磨齿复合机床，刀具主轴转速达12000rpm，工作台转速达3000rpm。德国Liebherr公司制造的LC80干式切削剃齿机，剃齿刀主轴转速为9000rpm，工作台转速为800 rpm。国外厂家在小直径小模数方面均有刀具主轴转速达3000rpm，工作台转速达1000rpm的机型。在CIMT 2005机床展上，日本三菱公司展出的GE15A剃齿机上，采用了表面涂有超级干切涂层的MACH7高速钢剃齿刀，线速度达250 m/min，滚切模数1.4mm，齿数34,螺旋角22.5的齿轮，切削时间为lOs，加上上下料等辅助时间，加工一个齿轮总循环时间仅为14.3s。提高加工精度的途径可分为两大类，一是提高机床本身的精度，二是通过误差补偿来减少加工误差。由于采用了高精度、具有预加负荷的高刚性直线导轨、滚珠丝杠、滚动轴承、电主轴、大扭矩同步力矩伺服电动机，使齿轮加工机床在高速加工的条件下精度得到保证并有所提高。电主轴精度一般为径向振摆0.002mm，轴向跳动0.001mm；大扭矩同步力矩伺服电动机定位精度达0.5，重复定位精度达0.01。直线运动轴的定位精度小于0.008 mm，重复定位精度小于O.OO5mm。影响齿轮加工精度的因素很多，除了电气方面的以外，还有如机床结构特性与热特性、刀具磨损、机床主轴运动误差、各种静态载荷，以及工件装火和机床振动等因素。所有这些因素都可以通过建模（如神经网络建模）来加以补偿。由于计算机技术的迅速发展和插补算法的不断改进，数控系统的数据处理和曲线拟合精度可以达到很高。采用多种智能控制方式，可以改善伺服系统的跟踪响应特性，也可以提高加工精度。剃齿尽管一般用于粗加工，但在高速切削的条件下仍能达到DIN 67级精度，为其后的精加工工序获得高精度提供了保证。环保化众所周知，金属切削中的切削液具有冷却、润滑和排屑等作用，可获得良好的加工质量，并提高刀具耐用度和生产率。但随着近年来切削速度和切削功率的急剧提高，单位时间内金属切除量大量增加，切削液的用量也越来越大，并且在高速切削过程中，切削液产生飞溅、形成油雾，不仅提高了企业生产成本，还污染了生态环境，并损害了工人的身体健康。为此，通常将加工区用保护罩封闭起来，安装上油雾分离器，使排出的只是不含油的雾，而切削油则重新流回机床内循环利用。但这并不能从根本上解决环保问题，因为变质切削液的更换排放会严重污染环境。因此，不使用切削液的干切削就成为改善生态环境，降低生产成本的有效措施，也是实现清洁化生产的一条重要途径。国内外著名的齿轮加工机床制造商及齿轮刀具制造商，均把研制满足环保要求的干式切削机床和刀具作为产品开发的一项首要的任务来抓。有的机床甚至不采用液压油及循环润滑油，实现绿色制造及清洁加工。干式切削要解决的问题是刀具寿命问题、刀具价格问题和切屑的安全迅速地排走问题。采用硬质合金涂层刀具进行干切削，尽管第一次购刀价格比湿式刀具价格高，但因切削效率高且刀具寿命长，还节省了切削液及喷淋过滤装置的费用，从而单件齿轮的加工成本反而有所降低，同时又符合环保无污染的要求。据日本三菱重工资料报道，采用高速干式切削刀具的使用寿命是湿式切削的3倍，刀具费用降低47，加工效率提高2倍，单件齿轮加工成本（刀具费、设备费、切削油费、人员费）降低40。因此，干式切削降低了单件齿轮的加工成本。目前，国外主要的齿轮加工机床厂家都在大力开发数控高速干切剃齿机。例如:德国Liebherr公司的LC80系列剃齿机，美国GleasonPfauter公司的GP130系列剃齿机，日本三菱重工公司的GN10系列剃齿机等均可以采用高速干式切削加工。国内齿轮机床制造厂家在齿轮加工干切技术方面，目前正处于研究的初级阶段。在CIMT2005机床展上，日本三菱公司展出的GE15A剃齿机上，采用了表面涂有超级干切涂层的MACH7高速钢剃齿刀，线速度达250m/min；重庆机床厂展出的YKS3112剃齿机上，采用了表面涂有DUAL涂层的硬质合金剃齿刀，线速度达181m/min。复合化齿轮机床（特别是大型齿轮机床）有集多种工艺于一体的趋势。如Hurth公司的WF3500剃齿机，将插齿、剃齿（包括滚内齿轮）、磨齿和齿轮检测集于一体，工件一次装夹只需更换切削头，就可实现相应的齿轮加工功能，同时还可以对加工过程中的齿轮进行检测，以决定加工用量。Gleason公司的P60剃齿磨齿复合机床，能完成先用铣刀加工双头蜗杆，再用CBN磨轮磨该蜗杆，并具有去除蜗杆端面毛刺的功能。同时该机床还配有自动对齿机构和工件自动上下料机械手及料仓。Liebherr公司的LC80型剃齿机，机床采用模块化设计，只要更换切削头，就可组合成剃齿、单分度铣齿或插齿。重庆机床厂的YKS3120系列六轴数控高速剃齿机，能在一次安装中加工不同模数、不同齿数、不同螺旋角及不同螺旋方向的双联齿轮及单分度铣槽，并可配备自动对齿机构、去除齿轮端面毛刺及工件自动上下料装置，在该系列机床上还可进行硬齿面剃齿。网络化数控系统的通讯联网功能不断加强。开放式的CNC系统已成为数控行业不可抵挡的趋势，开放性的CNC系统可以方便地进入各级通用网络，从而可以柔性地实现DNC、 FMS、CIMS和FA（自动化工厂）。NC技术使FMS和CIMS成为可能；FMS和CIMS的发展反过来要求CNC系统应具有通讯和联网功能，以便实现CIM环境中的信息集成和系统管理。现代CNC系统一般都具有用于通讯的串行口和DNC接口，高档数控系统充分利用Internet/Intranet的功能，使网络化生产、远程调试、远程诊断等功能得以实现。智能化由于计算机技术及数控技术的发展智能技术也逐渐用于高性能数控齿轮机床中，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。关键词: 齿轮加工 剃齿机 数控化 Abstractmechanical systems is a common mechanical components of the overall role of parts service goals. The design and modifications from the analysis of mechanical systems design tasks and goals, and design and modifications on the various components, between the various components of the configuration, selection and design of the structure matching, and the overall design modifications and what issues should be considered. The aim is to design diversity. Design innovation and the ability of the overall design. Gear Honing is a low-speed grinding, mechanical manufacturing cylinder aperturestop finishing the commonly used techniques. Gear Honing in recent years developed a gear finishing method. The design is the main gear honing machine modifications and design, including its main spindle box, honing head, and other parts of the spindle design. In the paper first gear honing machine introduced briefly, then gear-honing-machine component parts of the size and design verification. The design represents the gear honing machine conversion and the general design process. Heng Machine as a complex production tools, the most fundamental thing is processing technology and modified and design the structure and layout. The machine for the conversion of existing structures, the use of machine technology and equipment for the process of innovation, not blindly pursue advanced, and the conversion program should strive reasonable, simple structure clever and good economic results. Keywords : Heng shaping machines, modified 第一章 数控剃齿机工作原理和结构特点1.1数控剃齿机的工作原理和结构特点玻璃片自动贴标机的工作原理及结构特点，主要用途：本贴标机适用玻璃片等或类似物体的贴标。该机能自动完成分玻璃片、送标带、同步分离标签，标贴。现有的贴标机主要通过改变回卷纸筒的角速度，使回卷纸筒的直径逐渐增大的过程中，保持签纸的线速度前后一致。这往往需要采用伺服电机、步进电机、力矩电机或其它可控制角速度做及相应复杂的控制系统来实现。因而使贴标机的复杂程度和制作成本较高。本玻璃片贴标机包括输送装置和送标器；输送装置包括主动轮、输送带、从动轮、玻片和玻片仓；主动轮和从动轮以及输送带构成带传动，输送带的带面上设计有等距离的横向带齿，玻片仓位于传送带上端，用于存放玻片，多个玻片由下而上层叠在一起； 所述送标器包括标签卷纸、分离板、齿轮和回卷纸筒；签卷纸上的载签纸与回卷纸筒连接，载签纸上贴有标签，在输送带上端设有标签分离板，位于连接签卷纸与回卷纸筒的载签纸后端，用于将标签与载签纸的分离；所述载签纸为两边设有孔，载签纸的移动由主动齿轮带动，主动齿轮为两个，分别安装在载签纸两边的孔位置，主动齿轮与载签纸两边的孔啮合。所述签卷纸与分离板之间设有张紧轮，用于张紧签卷纸与分离板之间的载签纸。因此具有成本低，低速扭矩大，速度稳定，工作电压稳定，抗干拢能力强等技术特性。技术参数：长方形玻璃片，大小为76*26*3 mm， 生产能力：50-100片/分 标签规格：标签卷筒芯内径：76mm， 标签宽度：50-100mm 标签卷最大外径：30mm， 标签长度：30-200mm 电源： 220V 50Hz 功率： 250W 外形尺寸：17901530610mm 1.2 数控剃齿机的工作过程图1为贴标机的组成原理框图，整机结构由五大部分组成：贴标头、履带式传送带、玻璃片分离机构、底座支架。贴标头主要用于安装调速电机、送纸机构、回纸机构、张紧机构、压标装置、出标装置、检测装置，完成标带的输送与控制。第二章 数控剃齿机的总体设计2.1 总体方案及工作流程分析2.1.1 设计输入技术规格参数和性能参数1.技术规格参数机床的重复定位精度不大于2微米，剃齿后螺旋平面齿轮精度为 6级，工件最大直径480mm, 表面粗糙度为0.32微米，20分钟/件，工件材料锌合金。2.1.2 影响总体布局设计的主要因素分析影响剃齿机总体布局的因素很多，主要有以下几个方面:剃齿机动力特性的影响剃齿在切削原理方面采用展成逼近的切削原理，带切削槽及螺旋升角的剃齿刀的旋转运动形成假想齿条的直线运动，工件根据剃齿刀的螺旋升角、旋转方向也按相应的方向作回转运动。由于切削原理、刀具参数及刀具结构型式，使剃齿切削过程的机理远比车、磨、铣、刨等工艺方法的机理复杂得多。在剃齿动力特性中影响机床总体布局的最显著的因素有三个方面：1）剃齿过程是一种断续切削，在剃齿刀转速越高时，切削力变化频率越高；2）剃齿过程中滚切力大小是变化的，剃齿负荷具有很明显的冲击性质；3）剃齿过程中滚切力方向是变化的。上述三点剃齿的动力特性决定了对剃齿机动静刚度有着特殊要求，为了避免在剃齿时出现共振，机床的固有频率应远离切削力变化频率，亦即在机床工作区间内，机床的固有频率不应与切削力变化频率的频带重叠。由于各种剃齿机生产效率、规格及刀具参数等的不同，对剃齿机动静刚度的要求也不相同。对于采用优质高速钢或硬质合金钢剃齿刀进行高速切齿的机床，显然要求其应比普通机床的动静刚度高得多。对于大规格的机床而言，由于切削模数大，切削力及切削力矩变化更大，因而要求机床的刚度更高。剃齿机剃齿工作方式的影响剃齿机剃齿工作方式分为轴向进给加工、径向进给加工、切向进给加工、对角进给加工。一般而言，目前对角进给加工方式应用较少，前三种进给加工方式应用较多。对于数控剃齿机而言，前三种进给加工方式均应具备。这些工作方式决定机床的运动及布局。剃齿机各部件运动分配的影响剃齿机除了剃齿刀和工作台的旋转完成展成运动之外，一般还必须具备轴向进给运动，径向进给运动，切向进给运动，这些运动的有无及分配不同，机床的布局也随之变化。径向进给运动可以由立柱运动来完成，也可以由工作台运动来完成。运动的分配则要根据工件的参数、加工精度要求、对机床的生产率要求及刚性要求而定。机床总体布局的选择应保证机床各种运动分配的实现。剃齿机传动型式的影响机械剃齿机的传动链是由机械内联系传动链来实现的，机床的主运动剃齿刀旋转运动及工作台旋转运动现在流行两种方式:一种是由置于床身上的交流电机来实现，另一种是置于大立柱内的交流电机或变频调速电机来实现。机床的进给运动也可以根据与主运动的链接点不同而各异。数控剃齿机的传动是靠CNC（Computer Numeric Control）系统以电子齿轮箱（EGBElectronic Gear Box）的形式实现的，各运动是由独立的伺服电机或交流主轴电机传动的，根据数控轴的数量和机床规格的不同，机床的总体布局也是有较大差异的。剃齿机自动化程度及生产效率高低的影响机床的布局应适应机床的自动化程度及生产效率的要求。汽车齿轮加工等大批量生产的行业需要的高效、高速剃齿机，必须保证机床生产率较高，自动化程度高，以便于实现单机自动化或纳入生产线自动化。为此，机床除必须有一定刚性外，为便于自动上、下料，工件轴线位置最好是固定的，即机床的工作台最好是固定的，采用立柱移动来实现进给运动。同时，大量切屑的排除，大流量冷却系统的防护、切削过程中油雾的收集等，对机床总体布局也有较大影响。工件尺寸、形状、重量对机床布局的影响对于小规格的工件(一般直径在125mm以下)，为了便于工件装夹、上下料及自动化要求，一般采用卧式布局，由滑板的平稳进给进行加工，这样，有利于提高齿轮加工精度和降低齿面粗糙度;对于中小型规格的工件(一般直径在2001250mm以内)，这种规格的机床一般采用立式布局，在这种规格中，对于400mm规格以内的机床，一般根据自动化程度采用工作台固定，主柱移动的布局；而对于1250mm以上的大规格机床，一般采用工作台固定，立柱移动的布局，并且对工作台的承载(重量)能力也有严格要求，结构上也必须采用一定措施加以解决。机床的总体布局应有利于减少热变形及其影响机床工作时，所消耗能量的相当部分转变为热量，使机床各部分的温度不一致而出现热变形，这对机床的几何精度、工作精度有较大影响，特别是对批量生产的高效机床影响更大，它是决定机床加工工序能力大小的一个重要因素。所以，总体布局采取对应措施，减小热变形及其影响，提高机床的热稳定性，在机床布局时，一般采取措施有：1）隔离热源将液压油箱、冷却油箱、电气控制箱、主电机等热源置于机床外，这一点对精密机床尤为重要。2）合理布置热源，使机床达到热平衡，以减小相对热变形。3）合理选择布局，使机床热变形对机床精度影响减小到最小程度。例如，立式布局中的工作台固定、立柱移动布置方式中，将后立柱布置在工作台上与布置在床身上的两种方式中，后一种结构可以消除工作台分度副发热对后立柱外支架支承轴承孔中心线与工作台回转轴线的同轴度的影响。机床的总体布局应使机床操作、调整方便，并使机床具有良好的加工工艺性、装配工艺性及维修方便性。机床的总体布局应使机床外形美观、大方、稳定、协调。这一点很大程度上是靠机床防护罩的设计来满足机床整体效果的。机床的油漆色泽(彩)也要满足人机工程学的要求。3.1.2 剃齿机总体布局方案比较分析根据论文第2.4.1节的综合分析，剃齿机按工件主轴的空间布置方式分为立式(见图2.5)和卧式(见图2.6)两大类。根据剃齿加工的展成切削原理、各部件运动分配的不同，立式和卧式又可分为多种。表2.1 从机床的可操作性、家具的安装盒调整、切屑处理、机床中心高等方面对立式和卧式剃齿机作了详细的比较。 图2.5 立式剃齿机床 图2.6 卧式剃齿机床表2.1 立式和卧式剃齿机的比较立式剃齿机的工件主轴垂直布置，这对于大、中型盘状齿轮的安装、夹持和调整操作都比较有利，多数大、中型剃齿机都是立式。卧式剃齿机的工件主轴水平布置，加工长轴齿轮和小模数齿轮的剃齿机多为卧式。根据机床的加工范围和综合因素分析，零传动剃齿机选择卧式布局，下面分析比较常见的几种卧式布局形式：工件主轴进给，运动中产生的间隙、振动会影响零件的加工精度。工件主轴不进给，由剃齿刀滑座兼作轴向和径向进给，根据剃齿刀主轴的位置又分两种情况:1)剃齿刀主轴位于工件下方:不利于排屑，万能性好，剃齿刀轴旋转角可以在90范围内。2)剃齿刀主轴位于工件后方:利于排屑，容易实现工件装卸料的自动化，剃齿刀轴旋转角受到限制，达不到90范围。根据Z轴布置形式可分两种情况：1. Z轴水平布置剃齿刀架稳定性好；2. Z轴垂直布置，其排屑性更优，剃齿刀架稳定性稍差。经过以上几种卧式剃齿机布局结构形式的比较，从机床结构紧凑、提高机床刚性、提高机床高效切削能力、易于排屑的角度考虑，零传动剃齿机的基本布局形式参照YKJ3610机床的布局形式，即工件主轴采用卧式布局，工件主轴固定，轴向、径向进给拖板位于工件主轴后方，Z轴水平布置，采用类似立式剃齿机的高刚性剃齿刀架的整体布局方式。图2.7为机床布局总图。图2.7 机床布局总图第三章 数控剃齿机关键零部件的设计计算3.1主电动机的选择本次设计的数控剃齿机传动主体结构为：z轴升降台，电主轴，剃齿刀轮X轴顶尖。Z轴升降台主要完成电主轴剃齿时径向偏摆运动。剃齿刀的驱动是伺服电机带动同步带驱动电主轴然后驱动剃齿刀。3.1.1车床电主轴的工作原理电主轴作为加工中心的核心部件，它将机床主轴与交流伺服电机轴合二为一，即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部，并经过精确的动平衡校正，具有良好的回转精度和稳定性，形成一个完美的高速主轴单元，也被称为内装式电主轴，其间不再使用皮带齿轮传动副，从而实现机床主轴系统的“零传动”， 通电后转子直接带动主轴运转。3.1.2 数控剃齿机电主轴的特征（1）高回转精度车削中心的主轴是装夹工件的基准，并将运动传递给工件，因此主轴的回转精度直接影响加工精度。为保证电主轴在高速运转时的回转精度，其关键零件必须进行精加工和超精加工，选用尺寸和精度等级合适的轴承，采用合理的装配方案；（2）高刚度主轴刚度反映主轴单元抵抗外载荷的能力。尤其，进行车削粗加工时，切削量较大，主轴要承受很大的径向力。为了保证加工精度、避免振动，要求电主轴具备较高的刚度，特别是径向刚度；（3）抗振性强机床工作时，主轴部件不仅受静态力的作用，同时还受其他冲击力和交变干扰力的作用而产生振动。振动是主轴动态性能的重要指标，振动将会产生噪声，并直接影响工件的表面加工质量，振动严重时会产生崩刃和打刀现象。因此，电主轴的抗振性要强；（4）电机特性优良车削中心要求有较广的加工范围，这 就要求电主轴既要有优良的低速加工性能，又要有好的高速加工性能。在起步及低速段采用恒转矩调速，保证低速时有较大的输出转矩，满足低速大进给的切削要求；而高速段采用恒功率调速，可满足小切削量的高转速要求。对一些低速要求高的电主轴，应采用高性能的矢量变频器控制；（5）热特性稳定由于电主轴是将高速电机置于机床主轴部件内部，高速运转时，电机转子、定子和轴承的的发热量很大，并引起热变形，直接影响机床的工作性能和加工精度，因此要求电主轴的热态性能稳定 2 。3.1.3 车床电主轴结构设计3.1 电主轴结构图1主轴箱体 2主轴前轴承 3主轴 4冷却液进口 5主轴前轴承座 6前轴承冷却套 7定子 8转子 9定子冷却套 10冷却液出口 11主轴后轴承图 3.1 车削中心电主轴结构示意图电主轴由主轴及主轴箱本体、辅助装置、检测装置组成。电机的转子采用压配方法与主轴做成一体，主轴则由前后轴承支撑。转子定子通过冷却套安装于主轴单元的壳体中。主轴的变速由主轴驱动模块控制，而主轴单元内的温升由冷却装置控制。在主轴的后面装有松刀油缸、旋转接头；前端的内锥孔和端面用于安装刀具、刀具夹爪；中间有刀具拉杆、刀具夹紧弹簧。3.1.4 主切削力的估算及电动机的选择剃齿切削的最大扭矩（用锌铁合金计算） （2-1） （2-2）式中：切削深度系数是切削深度a和齿高的比值，；Z所要加工齿轮的齿数；工件材料修正系数；齿轮螺距角修正系数；为硬度修正系数。其中，模数m=8mm，进给量取，切削深度取270mm，所以，切削速度，查得，代入式(2-1)可得： 根据， ，取滚刀直径，有 机床电动机的功率取效率，选电动机功率可选择电机型号为1FT6102-8ABT,其额定功率为P=3.8kw,合适，输出扭矩为T=24.5N.m电机的选择 (3-1) (3-2) (3-3) (3-4)式中：m被加工齿轮的法向模数； f轴向进给量 mm/min； A切削深度，为切削深度a和齿高的比值，即 V切削速度 m/min； Z被加工齿轮的齿数； 工件材料的修正系数； 齿轮螺旋角修正系数； 工件硬度修正系数； 最大切削力； 垂直切削力； 滚刀轴的滚率； 斜齿轮轴的功率。根据斜齿轮轴功率，滚刀转速，可选择电机型号为1FT6102-8ABT,其额定功率为P=3.8kw,合适，输出扭矩为T=24.5N.m 3.1.4、工件转速的选择由于珩磨头的结构关系，珩轮的转速不宜过高，以n=150左右为宜。由于主动轮也被动轮的转速之比等于它们齿数的反比。即： 式中工件转速珩轮转速工件齿数珩轮齿数所以： 或 因为珩轮和工件的齿数是已知的，所以利用上式可算出工件的转速。3.2 零传动滚齿机床的传动系统设计3.2.1 零传动滚齿机运动概述滚齿加工相当于一对交错轴斜齿圆柱齿轮的空间啮合。滚刀是一个螺旋角很大而齿数极少的斜齿圆柱齿轮，其实质就是一个蜗杆。由这种蜗杆组成的滚刀，沿平行于轴线方向或垂直于螺旋线方向开一些容屑槽，刀齿后面经过铲磨加工。切削加工过程中，滚刀和工件的轴线相互交叉，在一定速比关系下作空间啮合，按包络(展成)原理来完成共轭齿形的加工。这种对滚的关系与一对蜗轮副相同，而齿廓是靠连续的展成切削来形成的。切削金属的进给运动是相对于工件径向、轴向或切向的直线运动，它取决于为适应具体要求所采用的工作循环。机床各运动轴均由独立的交流伺服电机驱动，以电子齿轮箱完成切齿时的分度运动、进给运动、差动补偿运动。图2.8是零传动滚齿机二维外观模型。本机床设计为六轴四联动全数控滚齿机，该六轴为：A滚刀架旋转运动；B滚刀主轴回转运动；C工件主轴回转运动；X滚刀架径向进给运动；Y滚刀架切向进给运动；Z滚刀架轴向进给运动。联动轴为：B，C，Y，Z或B，C，X，Z滚齿加工机床工作时是采用展成（范成）原理进行连续切削加工的。滚齿机的各运动的函数运算关系是：分度运动：轴向差动进给补偿运动：切向差动进给补偿运动：轴向和切向同时差动进给补偿运动：式中 与齿轮的旋向、滚刀的旋向、Z轴或Y轴的运动方向有关； Z工件齿数； K滚刀头数； 滚刀主轴转速，rpm； 工作台转，rpm； 工件螺旋角； 刀架安装角； ，分别为Z轴、Y轴的移动速度，mm/min； 工件法向模数，mm。图2.8 零传动滚齿机三维模型3.2.2 零传动滚齿机各运动轴的传动设计要实现高速干式滚齿，滚齿机刀具主轴与工作台主轴的高速及高精度同步回转是先决条件。传统滚齿机是通过展成传动链将这两个运动连在一起的，滚刀主轴采用滑动轴承，工作台采用蜗轮副分度和滑动轴承支承，这就使得这两个运动的转速都不高，通常滚刀主轴实际能使用的转速在350rpm以内，工作台的转速在25rpm以下，在这种转速下要实现高速、高精度、干式切削是不可能的。简化滚齿机的传动系统，不仅可以缩短传动链，提高机床的传动精度，增加了机床的动、静刚性及热平衡，便于机床的安装及维修，而且传动系统的简化带来了机床结构的简化，可以节约机床的用材，减少机床的机械加工，从而减少滚齿机制造过程中对环境的影响及节约能源。零传动滚齿机利用先进的数控技术、伺服技术、计算机软件技术、电主轴技术、力矩电机技术等实现了传动系统极大的简化。图2.9为零传动滚齿机传动系统图。该图中的蜗轮蜗杆传动副，与传统机床的传动系统相同，实现刀架转位。图2.9 传动系统图滚刀主轴、工件主轴回转运动传动设计B轴(滚刀主轴回转运动)和C轴(工件主轴回转运动)均去掉一般数控滚齿机中的高精度齿轮副或蜗轮副，采用内置主轴电机(电主轴，用于滚刀主轴)、内置力矩电机(DDR电机，用于工件主轴)分别驱动，这样就消除了由于传动装置而产生的误差，如反向间隙、啮合误差等，其传动精度主要决定于反馈装置的精度，由于直接驱动只有很少的运动部件，所以噪音很小，系统中唯一的磨损件是轴承，维护减少，如果轴承采用定期润滑，整体主轴装置就能达到零维护。图2.10为滚刀主轴和工件主轴结构图，表2.2对齿轮传动和直接驱动滚刀轴、工件轴性能进行了比较。表2.2 齿轮传动和直接驱动滚刀轴、工件轴性能比较项目齿轮传动滚刀轴、工件轴直接驱动滚刀轴、工件轴速度低高加速度低高抗干扰相对强相对弱夹紧转矩大相对小定位精度较高（主要决定于编码器分辨率和降速机械）高（主要决定于编码器分辨率、机械刚度和轴承刚度）机械噪声大低维修必需（由于机械磨损）基本不需要装配相对容易需要思考（由于磁拉力）冷却一般不需要自然冷、气冷、液冷（决定于连续转矩和散热情况）外形尺寸不紧凑（电机外装）紧凑（电机内装）机械结构复杂简单机床径向及轴向运动的传动设计X轴（滚刀架径向进给运动）、Z轴（滚刀架轴向进给运动）、Y轴（滚刀架切向进给运动）均采用伺服电机与高精度预加载荷的滚珠丝杠直联的传动方式。滚珠螺旋传动具有传动效率高、运动平稳、传动可逆和不自锁、定位精度高、同步性高等特点。这样结构紧凑，传动精度高。刀架调整角度用蜗杆传动设计相对于两垂直相错轴间具有固定传动比的回转运动，蜗杆传动是运用最广的传动方式。蜗杆传动具有降速比大、结构紧凑、工作平稳、无噪声、能阻滞扭转振动，以及当蜗杆螺旋升角小于摩擦角时，有反向锁紧作用等特点。这些特点使蜗杆传动在机床中得以广泛应用，特别是对于需要传递较大功率（扭矩）及改变传递运动方向的运动轴中。控制滚齿机刀架角度回转为调整轴，只有在加工双联齿轮或换加工品种时才使用。因此，在绝大部分滚齿机中，采用蜗杆副传动调整刀架角度。蜗杆传动的设计是极其成熟的技术，在此不再赘述。图2.10 滚刀主轴和工件主轴结构图4 尾座部件设计4.1 液压缸主要技术性能参数的计算4.1.1 液压缸工作压力的确定根据各类液压设备常用压力表设备类型机 床磨 床组合机床车床、铣床、镗床等拉床、龙门刨床工作压力/MPa26.32410由液压缸的公称压力系列（GB793887），MPa0.6311.62.546.31016202540选定设计的液压缸的工作压力=4MPa。4.1.2 液压缸的总效率的确定液压缸的总效率有以下效率组成：（） 机械效率，由活塞及活塞杆密封处的摩擦阻力所造成的摩擦损失，在额定压力下,通常可取： =0.90.95。（） 容积效率，由各种密封件泄露造成，通常取：活塞密封为弹性材料时：活塞密封为金属环时：0.98（） 作用力效率,当排油直接回油箱时：（） 液压缸的总效率： 0.911 0.94.1.3 液压缸的理论作用力的计算液压缸的理论作用力P： P= =3920/(0.60.9) =7260N负载率，一般=0.50.7，取0.6。液压缸的总效率，=0.9活塞杆的实际作用力,=400Kg=3920N4.1.4 液压缸内径的选取根据常用液压缸理论推力表D=4MPa(mm)(C)P(KN)328.043.224012.575.025019.637.856331.1712.47选取液压缸的内径为D=50mm,此时活塞的输出力P=7850N,符合条件.4.1.5 活塞运动速度的选取活塞运动速度v过低可能造成液压缸爬行,导致液压缸无法正常工作.故,根据法国MARREL和CPOAC公司采用的液压缸活塞的许用最大线速度,小型系列缸内径,mm32630.5801000.41252000.25选取此液压缸活塞的运动速度为v=0.15m/s.4.1.6 液压缸速比的选取为了避免产生过大的背压或造成活塞杆太细,稳定性不好,活塞的速比不应太大或太小.根据下表,选取活塞杆的直径d=22mm,此时速比=1.25缸筒内径D(mm)速 比21.461.331.251.15d(mm)36282522184.1.7 液压缸流量的计算对于单活塞杆液压缸,当活塞杆伸出时: Q= = =17.67L/min当活塞杆缩回时：Q= = =14.21L/minD液压缸内径，md活塞杆直径，mv活塞杆运动速度，m/min液压缸容积效率。当活塞密封为弹性密封材料时：14.1.8 活塞行程的确定活塞的最大允许行程=320 =320 =782mm65mm。根据活塞行程系列（GB2349-80），mm255080100125160200250320400500选取活塞行程为L=80mm。活塞杆弯曲失稳临界压缩力， NP活塞杆纵向压缩力，N安全系数，通常=3.56，取5。d活塞杆直径。4.2 液压缸主要零部件设计4.2.1 液压缸缸筒的设计（1） 缸筒结构：根据缸筒的额定工作压力，用途和使用环境，缸筒采用内螺纹连接，此种连接方法具有重量较轻，外径较小的优点。（2） 缸筒材料：一般要求具有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒要求有良好的焊接性能。因缸筒与端盖焊接，所以选用S35号钢，机械预加工后再调质。（3）缸筒计算：1）缸筒内径：前边已经求得缸筒的内径D=50mm2）缸筒壁厚： 缸筒壁厚 缸筒材料要求强度最小值（mm）缸筒外径公差余量。-腐蚀余量。按照中等壁厚缸筒（=0.080.3）计算。材料选用S35号钢，520N/mm,=310N/mm。 1.29mm最高允许压力：；额定压力，=4MPa缸筒材料的许用应力104MPa。缸筒材料的抗拉强度。n安全系数。通常n5。考虑到腐蚀余量和缸筒外径公差余量，根据国内外常用缸筒外径尺寸，选取缸筒外径=70mm。3）缸筒壁厚验算：a：缸筒工作的极限压力为：缸筒的额定工作压力Pn4MPa53.1MPab:缸筒完全塑性变形时的压力：缸筒的额定工作压力Pn4MPa101MPaC：缸筒的径向变形：Pr缸筒耐压实验压力：Pr1.5Pn=6MPaE缸筒材料弹性模数：E=MPa缸筒材料的泊松系数，对于钢材为0.3d：缸筒的爆炸压力：Pr2.3总上，缸筒的壁厚满足要求。4）缸筒底部厚度计算 缸筒底部为平时，其厚度可以按照四周嵌住的圆盘强度进行近似的计算： 0.4330 =8.8考虑到缸筒底部设有油口管道，选取筒底厚P缸筒最大工作压力筒底材料许用应力，选取方法与上述缸筒厚度计算相同。5）缸筒头部法兰厚度计算 = =3.9mm选取其厚度为10F法兰在缸筒最大内压下，所承受的最大压力，N法兰外圆半径。6）钢筒螺纹连接部分校核计算钢筒与端部螺纹连接时，钢筒螺纹处的强度计算如下：螺纹处的拉应力 = =27.6MP螺纹处的切应力为： = =10.28MPa合成应力为： 33.7MPaF缸筒端部承受的最大推力。D缸筒内径。螺纹外径。螺纹底径。K拧紧螺纹系数。螺纹连接的摩擦系数。7）缸筒与端部焊接校核：缸筒与端部用焊接连接时，其焊缝应力计算如下： = =26.7MPaF-缸筒最大推力。D-缸筒外径。焊缝底径。焊接效率。4.2.2 活塞的设计1）活塞结构形式：采用整体活塞，迷宫型间隙密封。用于精度高，直径小，速度低的液压缸。没有容易刮伤的密封件，不会因密封件的损坏而发生泄露。与缸筒的配合公差等级，形位公差等级要求高，表面粗糙度参数值小，一般需配研。2）活塞与活塞杆的连接活塞与活塞杆采用螺母连接。活塞与活塞杆之间设置静密封。3）活塞材料：对于无导向环的活塞，采用高强度铸铁HT200300或球墨铸铁。5）活塞的尺寸及加工公差。活塞外径的配合一般采用f9，外径对于内孔的同轴度公差不大于0.02，断面于轴线的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差之半。4.2.3 活塞杆的设计1）活塞杆的结构：为了装有位置传感器，可采用空心管。为了避免活塞杆在工作中产生偏心负载力，适应液压缸的安装要求，提高作用效率，考虑到本设计缸工作时轴线固定不动，所以采用螺栓头连接2）活塞杆的材料和技术要求：活塞杆采用45号缸，调质处理，并淬火，淬火深度为0.51mm。3）活塞杆的计算：a：活塞杆的直径计算。前面已经计算出活塞杆的直径为22mm对于空心活塞杆：则=19.1mm取为18mmb：活塞杆的强度计算在活塞杆稳定工况下，如果只受轴向推力或拉力，可以近似的采用直杆承受拉压负载的简单强度计算公式计算： 20.7MPa材料的许用应力，无缝钢管100110MPa对于活塞杆上的螺纹，退刀槽等危险截面，其合成应力：1.8 1.8 72MPaC：活塞杆弯曲稳定性验算：当受力完全在轴线上时，按照 400KN满足要求实际弹性模数a材料组织缺陷系数，钢材一般a1/12b活塞杆截面不均匀系数，一般取b1/13E-材料的弹性模数。-活塞杆弯曲失稳临界压缩力。安全系数，通常取3.56K-液压缸安装和导向系数，因为是前法兰刚性固定，有导向，取为0.5。I活塞杆横截面惯性矩。4.2.4 活塞杆的导向套和密封设计活塞杆导向套在液压缸有杆侧端盖内，用以对活塞杆导向。内装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封。外侧装有防尘圈。以防止活塞杆在后退时把杂质，灰尘等带到密封装置处，损坏密封装置。1）导向套的结构导向套的典型结构有：轴套式和端盖式。本设计采用轴套式，其优点是装拆方便。2）导向套的材料导向套一般采用摩擦系数较小，耐磨性好的青铜材料制作。3）导向套长度的确定 导向套的主要尺寸是支撑长度，通常按照活塞杆直径，导向套的形式，导向套材料的承压能力，可能遇到的最大侧向负载等因素来考虑。导向套的长度过短，将使缸因配合间隙引起的初始挠度增大，影响液压缸工作性能和稳定性，因此设计必须保证缸有一定的最小导向长度，一般缸的最小导向长度应满足： = =29mmH最小导向长度，是从活塞支撑面中点，到导向套滑动面中点的距离。D缸筒内径。S最大工作行程4.2.5 油口的设计计算油口包括油口孔和油口连接螺纹。液压缸的进出油口可布置在端盖或缸筒上。本次设计的油口属于薄壁孔。根据薄壁孔的流量计算公式：得出28.2A=,得出R=3mm根据液压缸连接螺纹尺寸，M50.8M81M101M121.5M141.5M161.5M181.5M221.5M272M332M422M502选取螺