滚齿机差动机构分度轴及走刀挂轮架设计

1、1 前 言.12 总体设计.32.1 滚齿机工作原理.32.2 拟定选择传动方案.32.3 主切削力的估算及电动机的选择.73 差动机构设计.93.1 总传动比的计算.93.2 传动比的分配.93.3 设计计算.103.3.1 螺旋伞齿轮的设计.103.3.2 运动合成机构设计.113.3.3 差动蜗轮设计.123.3.4 圆柱直齿轮的设计.164 分度轴及走刀挂轮架的设计.214.1 轴的设计.214.2 确定分度轴的材料及热处理方法.214.3 分度轴的结构设计.214.4 分度轴强度的校核.234.5 走刀挂轮架的设计.245 结束语.26参考文献.27致 谢.28附件清单.29齿轮加工

2、机床指用齿轮切削工具加工齿轮齿面或齿条齿面的机床及其配套辅机。齿轮加工按加工原理分为两类，仿形法和范成法(或称展成法)。仿形法是用刀具的刀刃形状来保证齿轮齿形的准确性，用单分齿来保证分齿的均匀。范成法是按照齿轮啮合原理进行加工，假想刀具为齿轮的牙形，它在切削被加工齿轮时好似一对齿轮啮合传动，被加工齿轮就是在类似啮合传动的过程中被范成成形的，范成法具有加工精度高，粗糙度值低，生产率高等特点，因而得到广泛应用，范成法按其加工方法和加工对象分为： a) 插齿机：多用于粗、精加工内外啮合的直齿圆柱齿轮，特别适用于双联、多联齿轮，当机床上装有专用装置后，可以加工斜齿圆柱齿轮及齿条。 b) 滚齿机：可进行

3、滚铣圆柱直齿轮、斜齿轮、蜗轮及花键轴等加工。 c) 剃齿机：按螺旋齿轮啮合原理，用剃齿刀带动工件(或工件带动刀具)旋转，剃削圆柱齿轮齿面的齿轮再加工机床。 d) 刨齿机：用于外啮合直齿锥齿轮加工。 e) 铣齿机：用于加工正交、非正交(轴交角不等于90°)的弧齿锥齿轮、双曲线锥齿轮加工。 f) 磨齿机：用于热处理后各种高精度齿轮再加工。随着齿轮加工刀具性能的提高，齿轮加工机床的高速、高效切削得到了飞速发展和成熟，齿轮滚齿切削速度由m/min，发展到m/min，切削走刀速度由mm/r发展mm/r，滚齿机主轴的最高转速可达r/min，工作台最高转速可m/min， 机床部件移动速度也高达m/

4、min；大功率主轴系统使机床可运用直径和长度均较大的砂轮进行切削，有利于增加砂轮寿命，也有利于操作者选择最优的参数来完成滚齿加工。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。而现今国际上生产滚齿机的强国为美国、德国和日本

5、。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。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。图2-3 y38型机床的传动系统图转速图的拟定对整台滚齿机设计的质量，如结构、性能、尺寸、效率、维修等都有较大的影响。转速图如图2-5： 图2-5 滚齿机转速图mmmm4 分度轴及走刀挂轮架的设计4.1 轴的设计轴的设计包括结构设计和工作能力计算两

6、方面的内容。合理的结构和足够的强度是轴在设计过程中必须满足的基本要求。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理的确定轴的结构形式和尺寸。轴的工作能力计算包括轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。4.2 确定分度轴的材料及热处理方法轴的常用材料是碳素钢、合金钢及球墨铸铁。碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性低，热处理及化学处理可得到较高的综合力学性能（尤其在耐磨性和抗疲劳强度两个方面），应用最多。滚齿机上的分度轴要有好的耐磨性和抗疲劳强度，所以，选用碳钢，分度轴的材料采用45优质碳素钢。先进行调质HB220250，再部分采用高频淬火。使抗拉强度极限，屈服极限，弯

7、曲疲劳强度，剪切疲劳强度，许用弯曲应力。4.3 分度轴的结构设计轴的结构主要取决于轴在机器中的安装位置及形式；轴的毛坯种类；轴上作用力的大小和分布情况；轴上零件的布置及固定方式；轴承类型及位置；轴的加工工艺及其它要求。不论具体情况如何，轴的结构一般满足以下几个方面的要求：（1）轴和轴上的零件要有准确的工作位置；（2）轴上零件应便于装拆和调整；（3）轴应具有良好的制造工艺性；（4）轴的受力合理，有利于提高强度和刚度；（5）节省材料，减轻重量；（6）形状及尺寸有利于减小应力集中。a.轴上零件的布置和装配轴上零件布置得是否合理，直接关系到轴的外形、结构、尺寸及受力状况以及材料的选择。拟定轴上零件的装

8、配方案是进行轴的结构设计的前提。装配方案是指轴上零件的装配方向、顺序和相互关系。轴上零件可以从轴的左端、右端或从轴的两端依次装配。在此选择从左端开始装配。轴的左端固定是通过锁紧螺帽和圆螺母固定的。然后套在工件心轴底座上，工件心轴底座通过六角螺钉和内螺纹孔锥销与工作台圆盘固定在一起，蜗杆和蜗轮的旋转带动了工作台圆盘的转动，这样工件心轴底座和心轴一起旋转。工件套在工件心轴上，通过六角螺帽和两个垫圈进行固定。具体结构如上图所示。工件的安装和固定有一定的要求。工件本身的准确性及安装的正确性直接影响着铣出的齿轮的好坏，因此，要提高工件的固定精度。此外，应当使工件与工作台中心同心，在夹紧力的作用下不会产生

9、变形，可用千分表紧固在刀架上来检查工件安装的情况。b.轴的最小直径的估算 由材料力学可知，轴的扭转强度条件为：式中, 轴的扭转切应力 T轴传递的功率 P轴传递的功率 n轴的转速 轴的抗扭截面系数 许用扭转切应力。由此推得实心圆柱的最小直径 式中 C计算常数，取决于轴的材料和受载情况。查表11.3得 C=126103；把各参数带入公式可求得结果。c.各阶梯轴轴段直径和长度的确定阶梯轴各轴段直径的变化：要求配合性质不同的表面，直径应有所不同；加工精度、粗糙度不同的表面，一般直径应有所不同；还应便于轴上零件的装拆。通常从轴端最小直径开始考虑轴上配合零部件的标准尺寸、结构特点和定位、固定、装拆、受力情

10、况对轴结构的要求，依次确定各轴段的直径。d.轴上零件的轴向定位与固定为了保证轴和轴上零件具有准确而可靠的工作位置，防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件和轴本身都必须做到定位准确，固定可靠。在轴的最左端用圆螺母固定，因为它固定可靠，可承受较大轴向力，能实现轴上零件的间隙调整。为减小对轴的强度的削弱及提高锁紧效果，采用细牙螺纹；为了防松，加了锁紧螺母。此外，轴的直径变化尽可能少，应尽量限制轴的最大直径及各轴段的间的直径差，这样不仅能简化结构，节省材料，又能减少切削量。各轴段的轴端应制成45°的倒角。在这里心轴要紧定工件，装有六角螺母，所以需要切削螺纹，轴段就应留有退刀槽

11、。根据以上规则设计出其结构，示意图如下：图4-1 分度轴示意图其详细结构见附件5里的分度轴。4.4 分度轴强度的校核对分度轴进行受力分析，由于分度轴除了受到本身重力的作用，在x,y,z三个方向上没受到其他力的作用，因而不承载弯矩，只受扭矩的作用。可将其力学模型简化如下：图4-2 分度轴简化的力学模型图此力学模型为圆轴扭转，横截面上每个点都处于纯剪切状态，切应力沿径向线性分布，横截面上最大切应力位于圆轴表面。查12表11.2轴的常用材料及其主要力学性能，得。轴的最大许用弯矩: (4-2)根据材料力学可知：实心圆截面的抗扭截面模量为 (4-3) 空心圆截面的抗扭截面模量为 (4-4)式中为轴的外径

12、，（为截面的内径）。对应其结构可知，危险截面可能在两个位置，即在装齿轮和蜗杆的两处，他们的外径分别为，。将数据代入式5-1，得1截面处，2截面处。分度轴在工作时传递的最大转矩: =轴在工作时传递的最大转矩小于截面1和2处的许用弯矩。若1截面处看作空心截面，且，则得，可知当1截面为空心截面的时候也满足强度要求。分度轴满足强度的要求。4.5 走刀挂轮架的设计走刀挂轮架的材料采用HT200，正火处理。其结构示意图如下：图4-3 走刀挂轮结构示意图分度轴与走刀挂轮架为一个部件，走刀挂轮与分度轴的装配结构关系见附件3分度轴及走刀挂轮架装配图。5 结束语本次毕业设计的是Y38系列普通型滚齿机，主要用于单件

13、、小批和成批圆柱齿轮与蜗轮的铣削加工。我的主要设计内容为机床的总体设计、机床传动系统设计、差动机构的设计以及分度轴及走刀挂轮架设计。在总体设计及床身零件的结构设计方面，根据机床的工艺要求，刚度及精度要求，对机床的总体布局、床身结构进行优化设计，提高了机床的性能和技术经济指标，传动系统的设计参考了很多设计手册及设计指导书，从机床的性能结构、工作需要出发，对照传动方案和总体布局，确定了较优的传动系统。为期三个月的毕业设计即将结束，回顾整个过程，我觉得收获很大。毕业设计是检查学生综合设计能力的一个重要环节，是对学生独立设计能力的一次考验。通过理论与实践相结合，找出了我在设计中的不足之处和能力欠缺之处，加深了我对所学理论知识的理解和掌握，强化了毕业设计中的感性认识，提高了独立创新设计的能力。通过深入实践，我体会到理论联系实际的必要性，认识到在学校学过的许多知识与解决实际生产问题还有很大的差距，而缩短差距的方法只有到实践中去。只有到实践中去才能真正的锻炼自己。向生产实践学习，了解与课题有关的生产线、设备、工艺等实际知识，使我对机械设计方面的知识有了更深一层的了解。5 胡家秀