毕业设计-数控滚齿机刀架设计.doc

河南科技大学毕业设计（论文） 1 数控滚齿机刀架设计数控滚齿机刀架设计 摘 要 滚齿机是齿轮滚刀加工齿轮的专用机床，在齿轮加工中应用最广泛。在滚齿 机上可切削直齿、斜齿圆柱齿轮。这种机床使用特制的滚刀时也能加工蜗轮、花 键和链轮等各种特殊齿形的工件。 本滚齿机由床身、立柱、刀架及滑板、工作台组成。滚齿机工作时，滚刀装 在滚刀主轴上，由伺服电机驱动作旋转运动，刀架可沿立柱导轨垂直移动，还可 绕水平轴线调整一个角度。工件装在工作台上，由分度蜗轮副带动旋转，与滚刀 的运动一起构成展成运动。立柱可沿床身导轨移动,以适应不同工件直径和作径向 进给。 刀架与滑板通过 t 型槽和螺栓联接，滑板后联接立柱，通过双 v 轨道实现沿 立柱导轨的上下直线运动。刀架体装有三根轴，动力从伺服电机传出，经过减速 器，通过斜齿轮轴传递到主轴，这两根轴实现动力传动；蜗杆蜗轮轴通过一对内 啮合的直齿轮实现分度功能，切削斜齿轮。其中在主轴上安装滚刀，滚刀通过锥 度主轴孔和拉杆定位，通过辅助轴承的滑动实现对刀。 刀架滑板的设计：计算出主轴的转矩，然后进行主要零部件如轴、蜗轮蜗杆、 斜齿轮、直齿轮的设计计算及轴承、键选择校核。 关关 键键 词：滚齿机，刀架滑板，轴，齿轮词：滚齿机，刀架滑板，轴，齿轮 河南科技大学毕业设计（论文） 2 gear hobbing machine tool rest and slider designing abstract gear hobbing machine is special purpose machine tools for cutting gear with gear hob and it is widely used. it can be used for machining spur cylindrical gears, helical cylindrical gears. with special hobbing cutter , it could machine worm gears multiple spline and sprocket wheels whose tooth profile are special. this gear hobbing machine is composed of bed, column, tool rest, slider, and machine table. when machining, the hobbing cutter is installed in the spindle and rotating with the drive of motor. the tool rest makes vertical motion along the column guide rail. what s more, it can form a angle between tool rest and horizontal axis. the ， workpiece is set up on the machine table and is moved by worm gear pair with which generate the motion of gear hobbing. for hobbing helical gears, the differential structure makes the workpiece to do an additional motion. column can glide along the bed in order to make an radial movement or to adapt different shaft diameter. the tool rest is linked to the slider with t groove and bolts. it is column behind the slider. along the double v guide rail, it can achieve up and down straight motion. there are three shafts in the body of tool rest. two of them are used to transmit power and the others are to obtain the function index so as to cut helical gears. the gear hobbing cutter is mounted in the spindle and it is located with taper hole of the shaft and pull rod, while presenting with the auxiliary sliding bearing. designing of tool rest and slider: figure out torque of the spindle, then design the main parts like shafts, worm gear, gears and check. key words: gear hobbing machine, tool rest, slider, shaft, gear 河南科技大学毕业设计（论文） 目目 录录 前言.1 第 1 章 滚齿机概述2 1.1 滚齿机工作原理2 1.2 国内外同类滚齿机的发展概况综述.4 1.3 机床的使用范围和主要规格.5 第 2 章 刀架滑板结构介绍.7 第 3 章 伺服电机与减速器的选择.9 3.1 电机的选择.9 3.2 减速器的选择.9 第 4 章 刀架滑板结构设计10 4.1 各轴转矩的计算.10 4.2 传动轴上斜齿轮的设计计算10 4.2.1. 齿轮传动的失效形式及设计准则.10 4.2.2. 齿轮的材料及其选择原则11 4.2.3. 轮齿传动的计算载荷.12 4.2.4. 标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算12 4.2.5. 本机构中齿轮传动设计与校核.13 4.3 轴的设计计算.17 4.3.1 轴的设计概述17 4.3.2 主轴的设计及校核20 4.4 第二根轴的强度校核21 4.5 键的校核24 结论25 参考文献.26 致 谢28 河南科技大学毕业设计（论文） 1 前言 齿轮被广泛地应用于机械设备的传动系统中，滚齿是应用最广的切齿方法1， 传统的机械滚齿机床机械结构非常复杂，一台主电机不仅要驱动展成分度传动链， 还要驱动差动和进给传动链，各传动链中的每一个传动元件本身的加工误差都会 影响被加工齿轮的加工精度，同时为加工不同齿轮，还需要更换各种挂轮调整起 来复杂费时2，大大降低了劳动生产率。 以德国西门子、日本发那科公司数控系统为主流的数控滚齿机的出现，大大 提高了齿轮加工能力和加工效率。我国目前真正能够生产数控滚齿机的只有 个厂家，且使用的多是德国西门子数控系统，加工中模数齿轮，没有自主 产权的核心技术，缺少国际竞争力。 随着微处理机的发展，数控机床已向机电一体化方向发展。历经几代进化， 计算机数控系统不仅比原来的数控系统使用范围广，功能全、精度高，而且还有 相当大的通用性，改善了对机床操作的控制，并开始向人工智能化发展 现代数控系统的发展新趋势：(1) 采用交流数字伺服系统；（2）实现多轴控 制；（3）cnc 的智能化；（4）有很强的通讯功能；（5）可靠性大大提高。现 代数控系统的发展为滚齿机的数控化提供了强有力的支持。 本文重点介绍数控滚齿机的刀架滑板设计。 河南科技大学毕业设计（论文） 2 第 1 章 滚齿机概述 1.1 滚齿机工作原理 图 1.1 滚齿机 立式滚齿机工作时，滚刀装在滚刀主轴上，由主电动机驱动作旋转运动，刀 架可沿立柱导轧垂直移动，还可绕水平轴线调整一个角度。工件装在工作台上， 由分度蜗轮副带动旋转，与滚刀的运动一起构成展成运动。滚切斜齿时,差动机构 使工件作相应的附加转动。工作台(或立柱)可沿床身导轨移动,以适应不同工件直 径和作径向进给。 滚齿机的齿形加工原理为展成法。展成法是将齿轮啮合副中的一个齿轮转化 为刀具，另一个齿轮转化为工件，齿轮刀具做切削主运动的同时，以内联系传动 链强制刀具和工件做严格的啮合运动，于是刀具切削刃就在工件上加工出所要求 的齿形表面来。这种方法的加工精度和生产效率都很高。 滚齿机的立柱固定在床身上，刀架滑板可沿立柱上的导轨做轴向进给运动。 安装滚刀的刀杆固定在刀架体的刀具主轴上，刀架体能绕自身轴线倾斜一个角度， 这个角度成为滚刀安装角，其大小与滚刀螺旋升角大小及旋向有关。安装工件用 的心轴固定在工作台上，工作台与后立柱装在床鞍上，可沿床身导轨做径向进给 运动或调整径向进给位置支架用于支撑工件心轴上端，以提高心轴的刚度。 该机床的传动链有四条：主运动传动链、展成运动传动链、轴向进给传动链、 河南科技大学毕业设计（论文） 3 差动运动传动链。 1）主运动传动链：电动机（m）123滚刀（） ，是一 v u 1 b 条将运动源（电动机）与滚刀相联系的外联系传动链。 2）展成运动传动链：滚刀（）345-6工作台（） ， 1 b x u 2 b 是一条内联系传动链，实现渐开线齿廓的复合成形运动。 3）轴向进给运动传动链：工作台（）612uf11m110 2 b 87刀架（） ，是一条外联系传动链，实现齿廓方向直线齿形 2 a 的运动。 4）差动运动传动链：刀架-8-9-10-11-12-uy-13-14-5-ux-6-7-工作台。 合 u 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。 图 1-2 滚切直齿圆柱齿轮的传动原理图 河南科技大学毕业设计（论文） 4 图 1-3 滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理图 普通滚齿机工作时，滚刀装在主轴上，由主电动机驱动做旋转运动，而数 控滚齿机，对于刀架滑板结构来说，主要是动力源变了，不在由原来的主电动 机驱动，而是由刀架内的伺服电机经过减速器直接驱动。 1.2 国内外同类滚齿机的发展概况综述 古代齿轮用手工修锉成形。 1540 年，意大利托里亚诺制造钟表时，制成 一台使用旋转锉刀切齿装置； 1783 年，法国勒内制成了使用铣刀齿轮加工机 床，并有切削齿条内齿轮附件； 1820 年前后，英国怀特制造出第一台既能加 工圆柱齿轮又能加工圆锥齿轮机床。具有这一性能机床到19 世纪后半叶又 有发展。 1835 年，英国惠特沃思获得蜗轮滚齿机专利； 1858 年，席勒取得圆柱 齿轮滚齿机专利；以后经多次改进，至1897 年德国普福特制成带差动机构滚 齿机，才圆满解决了加工斜齿轮问题。制成齿轮形插齿刀后，美国费洛斯于 1897 年制成了插齿机。 河南科技大学毕业设计（论文） 5 20 世纪 60 年代以后出现的高效滚齿机，主要采用硬质合金滚刀作高速和 大进给量滚 齿，滚刀主轴常采用 液体静压轴承 ，能自动处理油雾和排屑。这 种滚齿机适用于齿轮的大量生产。 滚齿机按布局分为立式和卧式两类。大中型滚齿机多为立式，小型滚齿机 和专用于加工长的轴齿轮的滚齿机皆为卧式。立式滚齿机又分为工作台移动和 立柱移动两种。立式滚齿机工作时，滚刀装在滚刀主轴上，由主电动机驱动作 旋转运动，刀架可沿立柱导轧垂直移动，还可绕水平轴线调整一个角度。工件 装在工作台上，由分度蜗轮副带动旋转，与滚刀的运动一起构成展成运动。滚 切斜齿时,差动机构使工件作相应的附加转动。工作台 (或立柱)可沿床身导轧 移动,以适应不同工件直径和作径向进给。有的滚齿机的刀架还可沿滚刀轴线 方向移动，以便用切向进给法加工蜗轮。大型滚齿机还设有单齿分度机构、指 形铣刀刀架和加工人字齿轮的差动换向机构等。小型滚齿机用于加工仪表齿轮。 手表齿轮滚齿机普遍使用硬质合金滚刀加工钟表摆线齿轮，循环节拍快，对机 床可靠性要求高，每台机床都配备自动上下料装置进行单机自动加工。此外， 尚有多种特殊用途的滚齿机，如加工高精度蜗轮的分度蜗轮滚齿机等。 由于传统的机械式滚齿机存在许多的不足，因此在现在许多的场合以不能适 应生产的要求。而数控滚齿机具有传统机械式机床不可比拟的优点，它机械结构 简单，加工效率高，加工将度高，自动化程度高，能在加工过程中减少人为干预。 滚齿机采用数控后加工范围扩大，生产和生产准备周期缩短，并且能减轻工人劳 动强度，改善劳动条件。因此数控滚齿机的研究具有重大意义。随着微处理机的 发展，数控机床已向机电一体化方向发展。历经几代进化，计算机数控系统不仅 比原来的数控系统使用范围广，功能全、精度高，而且还有相当大的通用性，改 善了对机床操作的控制，并开始向人工智能化发展。 1.3 机床的使用范围和主要规格 滚齿机(gear hobbing machine)是齿轮加工机床中应用最广泛的一种机床，在 滚齿机上可切削直齿、斜齿圆柱齿轮，还可加工蜗轮、链轮等。 用滚刀按展成 法加工直齿、斜齿和人字齿圆柱齿轮以及蜗轮的齿轮加工机床。这种机床使用特 制的滚刀时也能加工花键和链轮等各种特殊齿形的工件。普通滚齿机的加工精度 河南科技大学毕业设计（论文） 6 为 76 级(jb179-83),高精度滚齿机为 43 级。最大加工直径达 15 米。 一般滚齿机有以下特点： （1）适用于成批，小批及单件生产圆柱斜齿轮和蜗轮，尚可滚切一定参数 范围的花健轴. （2）调整方便，具有自动停车机构 （3）具有可靠的安全装置以及自动润滑系统 该机床的主要规格 加工圆柱形直齿轮时最大直径 有外支架 450 毫米 无外支架 800 毫米 加工圆柱形斜齿轮时最大直径 螺旋角为时 500 毫米 30 螺旋角为时 190 毫米 60 最大加工模数 钢材 6 毫米，铸铁 8 毫米 最大加工长度 240 毫米 刀具最大垂直行程 270 毫米 由台面到刀具主轴中心线最小距离 205 毫米 刀具的最大直径 120 毫米 装刀具的可换心轴直径 22、27、32 毫米 工作台孔的直径 80 毫米 分度蜗轮的节径 624 毫米 刀具转速范围 47.5-192 转/分 工件每转一转刀具的垂直进给量 0.5-3 毫米/转 工件每转一转刀具的径向进给量 0.06-0.36 毫米/转 主电动机功率 3.8 千瓦 主电动机转速 4500 转/分 河南科技大学毕业设计（论文） 7 第 2 章 刀架滑板结构介绍 该机床的刀架体由三个框形结构组成，见图 2.1 刀架体其刚性好。滚刀主轴 由两个推力球轴承和内锥外圆滑动轴承，支撑在前轴承座内。轴承磨损后可以修 磨垫片，经调整后就可恢复主轴的回转精度。滚刀主轴由大的斜齿轮带动，而大 齿轮是支撑在刀架体上，这样在主轴传动过程中只受扭矩作用而不受弯矩作用。 主轴右端有一套筒和主轴外圆配合定心，支撑主轴在大齿轮上。另外转动方头手 柄，可通过螺纹传动，使主轴带动滚刀一起做轴向移动。 刀架与滑板通过 t 型槽和螺栓联接，滑板后联接立柱，通过双 v 轨道实现沿 立柱导轨的上下直线运动。刀架体装有三根轴，动力从伺服电机传出，通过斜齿 轮轴传递到主轴，这两根轴实现动力传动；蜗杆蜗轮轴通过一对内啮合的直齿轮 实现分度功能，切削斜齿轮。其中在主轴上安装滚刀，滚刀通过锥度主轴孔和拉 杆定位，通过辅助轴承的滑动实现对刀。 刀架主轴前轴承的调隙：为了消除轴承的间隙，必须取下端盖，用开口螺帽 扳手使轴承转动，使外锥的轴承套轴向移动来达到消除间隙，保证主轴精密的运 转。 刀架部位利用主轴前支撑、末级齿轮等两级油池进行飞溅润滑。这样保证刀 架扳转角后仍得到充分的润滑。 河南科技大学毕业设计（论文） 8 图 2.1 刀架体 图 2.2 刀架滑板装配图 河南科技大学毕业设计（论文） 9 第 3 章 伺服电机与减速器的选择 3.1 电机的选择 321 27 . 0 26 . 0 81 . 0 65 . 0 75. 1 max 1 . 9kkkzvafmm (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 2.25 a a m 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； 1 k 齿轮螺旋角修正系数； 工件硬度修正系数； 2 k 3 k 最大切削力； 垂直切削力； max f z f 滚刀轴的滚率； 斜齿轮轴的功率。 1 p 2 p 根据斜齿轮轴功率，滚刀转速，可选择电机型号kwp95 . 2 2 min/192 5 . 47rv 为 1ft6102-8abt,其额定功率为 p=3.8kw,合适，输出扭矩为 t=24.5n.m 3.2 减速器的选择 由所选电机型号可知，电机额定功率 p =3.8kw,额定输出扭矩为 t=24.5n.m ，而滚刀转速，可选减速器型号为 ps115,减速比为 6:1，额定min/192 5 . 47rv 输出扭矩为 130n.m 0.8,95 . 2 8 . 0 36 . 2 36 . 2 /5 . 04710 4710854. 0,5515 06 . 0 9 . 330 .4 .309111 . 1 06 . 1 100255 . 0261 . 9 100,25, 2, 5 . 0, 1,11 . 1 ,06 . 1 1 2 1 maxmax 27 . 0 26 . 0 81 . 0 65 . 0 75. 1 321 取kw p p kwsmvfp nffn r m f mnm zvfakkk z z 河南科技大学毕业设计（论文） 10 第 4 章 刀架滑板结构设计 4.1 各轴转矩的计算 图 4.1 刀架主轴箱简图 由刀具最小转速为 47.5 转/分，伺服电机的功率为 3.8kw，进行以下计算 （忽略各级传递功率损耗） 1 轴： min/5.47 1 rn (4-1) mmn n p t 55 1 5 1 1064 . 7 10 5 . 47 8 . 3 5 . 9510 5 . 95 2 轴： min/190 25.0 5.47 1 2 r i n n (4-2)mmn n p t 55 2 5 2 1091 . 1 190 8 . 3 10 5 . 9510 5 . 95 4.2 传动轴上斜齿轮的设计计算 4.2.1. 齿轮传动的失效形式及设计准则 (1).失效形式 齿轮传动就装置形式来说，有开式、半开式及闭式之分；就使用情况来说， 有低速、高速及轻载、重载之别；就齿轮材料性能及热处理工艺的不同，齿轮有 较脆（如经整体淬火、齿面硬度很高的钢齿轮或铸铁齿轮）或较韧（如经调质、 常化的优质碳钢及合金钢齿轮） ，齿面有较硬（轮齿工作面的硬度大于 350hbs 或 38hrc，并称为硬齿面齿轮）或较软（轮齿工作面的硬度小于或等于 350hbs 河南科技大学毕业设计（论文） 11 或 38hrc，并称为软齿面齿轮）的差别等。由于上述条件的不同，齿轮传动也就 出现了不同的失效形式。一般来说，齿轮的失效主要是轮齿的失效，而轮齿的失 效形式有常见的以下几种：轮齿折弯和工作面磨损、点蚀、胶合剂塑性变形等。 (2)设计准则 由上述分析可知，所设计的齿轮传动在具体的工作情况下，必须具有足够的、 相应的工作能力，以保证在整个工作寿命期间不致失效。因此，针对上述各种工 作情况及失效形式，都应分别确立相应的设计准则。但是对于齿面磨损、塑性变 形等，通常只按保证齿根弯曲疲劳强度及保证齿面接触疲劳强度两准则进行计算。 对于高速大功率的齿轮传动，还要按保证齿面抗胶合能力的准则进行计算。 4.2.2. 齿轮的材料及其选择原则 由齿轮的失效形式可知，设计齿轮传动时，应使齿面具有较高的抗磨损、抗 点蚀、抗胶合及抗塑性变形的能力，而齿根要有较高的抗折断能力。因此，对齿 轮材料性能的基本要求为齿面要硬，齿心要韧。 (1).常用的齿轮材料 1)钢 钢材的韧性好，耐冲击，还可通过热处理或化学热处理改善其力学性能及提 高齿面的硬度，故最适于用来制造齿轮。 2）铸铁 灰铸铁性能较脆，抗冲击及耐磨性都较差，但抗胶合及抗点蚀的能力较好。 灰铸铁常用于工作平稳，速度较低，功率不大的场合。 3）非金属材料 对高速、轻载及精度要求不高的齿轮传动，为了降低噪声，常用非金属材料 （如加布塑胶、尼龙等）做小齿轮，大齿轮仍用钢或铸铁制造。为使大齿轮具有 足够的抗磨损及抗点蚀的能力，齿面的硬度应为 250350hbs。 (2).齿轮材料的选用原则 齿轮材料的种类很多，但选择时应考虑以下几点： 1）齿轮材料必须满足工作条件的要求。 2）应考虑齿轮尺寸的大小、毛坯成形方法及热处理和制造工艺。 3）金属制的软齿面齿轮，配对两齿轮齿面的硬度差应保持在 3050hbs 或 更多。 河南科技大学毕业设计（论文） 12 4.2.3. 轮齿传动的计算载荷 为了便于分析计算，通常取沿齿面接触线单位长度上所受的载荷进行计算。 沿齿面接触线单位长度上的平均载荷 p（单位为 n/m）为 (4-3) l f p n 式中：作用于齿面接触线上的法向载荷，n； n f l沿齿面的接触线长，mm。 法向载荷为公称载荷，在实际传动中，由于原动机及工作机性能的影响， n f 以及齿轮的制造精度，特别是基节误差和齿形误差的影响，会使法向载荷增大。 因此，在同时啮合的齿对间，载荷的 分布并不是均匀的，即使在一对齿上，载 荷也不可能沿接触线均匀分布。因此在计算齿轮传动的强度时，应该按接触线单 位长度上的最大载荷，即计算载荷（单位为 n/mm）进行计算。即 ca p (4-4) l kf kpp n ca 式中：k 为载荷系数；、l 的意义和单位同前。 n f 计算齿轮强度用的载荷系数 k，包括使用系数、动载荷系数、齿间载 a k v k 荷分配系数及齿向载荷分布系数，即 k k (4-5) k kkkk va 4.2.4. 标准斜齿圆柱齿轮传动的强度计算 (1) 轮齿的受力分析 齿轮传动一般均加以润滑，啮合齿轮间的摩擦力通常很小，计算轮齿受力时， 可不予考虑。沿啮合线作用在齿面上的法向载荷垂直于齿面，为了计算方便， n f 将法向载荷（单位为 n）在节点 p 处分解为两个相互垂直的分力，即圆周力 n f 与径向力（单位均为 n） ，由此得 1 f r f (4-6) 1 1 2 d t ft (4-7) tan tr ff (4-8) cos t n f f 式中：小齿轮传递的转矩，； 1 t mmn 小齿轮的节圆直径，对标准齿轮即为分度圆直径，mm； 1 d 啮合角，对标准齿轮，。 20 以上分析的是主动齿轮上的力，从动轮轮齿上的力分别与其大小相等、方向 相反。 河南科技大学毕业设计（论文） 13 (2) 齿根弯曲疲劳强度计算 轮齿在受载时，齿根所受的弯矩最大，因此齿根处的弯曲疲劳强度最弱。当 轮齿在齿顶处啮合时，处于双对啮合区，此时弯矩的力臂最大，但力不是最大， 因此弯矩并不是最大。根据分析，齿根所受的最大弯矩发生在轮齿啮合点位于单 对啮合区最高点时。因此，齿根弯曲强度也应按载荷作用于单对啮合区最高点来 计算。由于此种算法比较复杂，通常只用于高精度齿轮传动。 对于制造精度不高的齿轮传动，由于制造误差较大，实际上多由在齿顶处啮 合的轮齿分担较多的载荷。为便于计算，通常按全部载荷作用于齿顶来计算齿根 的弯曲强度。当然，采用这样的方法，轮齿的弯曲强度比较富裕。 4.2.5. 本机构中齿轮传动设计与校核 1. 选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数。 1）选用斜齿圆柱齿轮传动选用 7 级精度（gb10095-88） 2）选择小齿轮材料为 45（调质） ，硬度为 240hbs，大齿轮材料为 45（调质） 硬度为 240hbs 3）选小齿轮齿数=18，大齿轮齿数=184=72。 1 z 2 z 4）初选螺旋角为。 14 2. 按齿面接触强度设计 由设计计算公式进行试算，即 (4-9) 2 3 1 1 ) ( 12 h he d t t zz u utk d 确定公式内各计算数值 试选载荷系数 6.1 t k 由表 107 选齿宽系数 1 d 由图 10-26 得 (4-10) 6 . 1 86 . 0 74 . 0 21 21 查机械设计课本图 10-30 46.2zh 由表 10-6 查得材料的弹性影响系数 1 2 ea z189.8mp 由图 10-21d 按齿面硬度查得大小齿轮的接触疲劳强度极限 (4-11) hlim1hlim2a 550mp 计算应力循环次数 河南科技大学毕业设计（论文） 14 (4-12) 8 11 1074.2)103008(11906060n h jln (4-13) 7 8 1 2 1085.6 4 1074.2 4 n n 由图 10-19 取接触疲劳寿命系数 05.1 1 hn k16.1 2 hn k 计算接触疲劳许用应力。 取失效概率为 1%，安全系数 s=1 (4-14) mpa s k hn h 5.57755005.1 1lim1 1 (4-15)mpa s k hn h 63855016.1 2lim2 2 计算 试算小齿轮分度圆直径 (4-16) mm z u utk d h e d t t 07.64 ) 8 . 607 433 . 2 2 . 189 ( 4 5 16 . 1 109 . 16 . 12 ) ( 1 32. 2 3 2 5 3 21 1 计算圆周速度 (4-17)sm nd v t /64 . 0 100060 19007.64 100060 11 计算齿宽 (4-18)mmdb td 07.6407.641 1 计算齿宽与齿高之比 模数 (4-19)mm z d m t t 45 . 3 14cos 18 07.64cos 1 1 齿高 (4-20)mmmh t 76 . 7 45 . 3 25 . 2 25 . 2 齿宽齿高比 (4-21)26. 8 76 . 7 07.64 h b 计算纵向重合度 (4-22)427 . 1 tan318 . 0 1 z d 计算载荷系数 根据 v=0.64m/s，7 级精度，由图 10-8 查得动载系数 02 . 1 v k 斜齿轮 (4-23)4 . 1 fh kk 由表 10-2 查得使用系数 1 a k 河南科技大学毕业设计（论文） 15 由表 10-4 用插值法查得 7 级精度，小齿轮相对支撑非对称布置时， 31 . 1 h k 由 31 . 1 ,26 . 8 h k h b 查图 10-13 得 26 . 1 f k 故载荷系数 (4-24)87 . 1 31 . 1 4 . 102 . 1 1 hhva kkkkk 6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径，得 (4-25)mm k k dd t t 48.67 6 . 1 87 . 1 07.64 3 3 11 计算模数 m (4-26) mm z d m64 . 3 14cos 18 48.67cos 1 1 3. 按齿根弯曲强度设计 弯曲强度的设计公式为 (4-27) cos2 2 1 3 1 3 f sf d yy z ykt m 确定公式内的各计算数值 由图 10-20c 查得齿轮的弯曲疲劳强度极限 fe1fe2a 380mp 由图 10-18 取弯曲疲劳寿命系数 95 . 0 21 fnfn kk 计算弯曲疲劳应力。 取弯曲疲劳安全系数 s1.4 (4-28) mpa s k fefn ff 86.257 4 . 1 38095. 0 11 12 计算载荷系数 (4-29)1.81.311.41.021kkkkk ffva 计算重合度系数 ，由图 10-28 得 1.4270.88y 计算当量齿数 (4-30) 19.7 14cos 18 cos z z 33 1 v1 (4-31)78.8 14cos 72 cos z z 33 2 v2 查取齿形系数 由表 10-5 查得 河南科技大学毕业设计（论文） 16 82. 2 1 f y22 . 2 2 f y 查取应力校正系数。 由表 10-5 查得 548 . 1 1sa y768 . 1 2 s y 7）计算大小齿轮的并加以比较 fasa f y y (4-32)0169 . 0 86.257 548 . 1 82. 2 1 11 f sf yy (4-33)0152 . 0 86.257 768 . 1 22 . 2 2 22 f sf yy 小齿轮的数值较大 设计计算 (4-34) mm yy z ykt m f sf d 648 . 2 0169 . 0 6 . 1181 14cos88 . 0 1091 . 1 8 . 12 cos2 2 25 2 1 2 1 3 对比计算结果，由齿面接触疲劳计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度计算 的模数，由于齿轮模数 m 的大小主要取决于接触强度所决定的承载能力，而齿面 弯曲疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，可取由接触强度算得的模 数，即取 m=4mm (4-35)36.16 4 14cos48.67cos 1 1 m d z 取 则17 1 z68174 12 uzz 几何尺寸计算 计算中心距 mm (4-36) 2 . 175 cos2 )( 21 n mzz a 计算齿轮宽度 (4-37)mmdb d 70701 1 按圆整后中心距修正螺旋角 (4-38) 13.73 1752 468)(17 arccos 2a )mz(z arccos n21 计算大小齿轮分度圆直径 (4-39)mm mz d n 70 73.13cos 417 cos 1 1 河南科技大学毕业设计（论文） 17 (4-40) mm mz d n 280 73.13cos 464 cos 2 2 计算齿轮宽度 取小齿轮齿宽为 140mm，大齿轮齿宽为 70mm 4.3 轴的设计计算 4.3.1 轴的设计概述 轴的作用，做回转运动的传动零件，如减速器中的齿轮、联轴器等，都是安 装在轴上，并通过轴才能实现传动。因此，轴的主要功能就是支承传动零件并传 递运动和动力。 轴可以根据不同的条件加以分类。 按受载情况分 同时承受弯矩和转矩作用的轴称为转轴；只承受转矩作用的轴称为传动轴； 只承受弯矩作用的轴称为心轴。 按结构形状分 有实心轴（一般齿轮轴） 、空心轴（车床的主轴） ；曲轴、挠性钢丝轴和直轴。 而直轴又可分为截面相等的光轴和截面分段变化的阶梯轴。 工程中最常见的是同时承受弯矩和转矩作用的阶梯轴。 轴的失效形式 轴的失效形式与轴的应力性质和大小，轴的材料的力学性能、 轴的结构形状，轴的加工方法及轴的工作环境等因素有关。 常见的失效形式有： 疲劳断裂，椐统计资料表明，轴团疲劳断裂失效约占轴的失效总数的 40%-50%。 塑性变形或脆性断裂。 过大的弯曲变形或扭转变形。 高速工作振幅过大。 其他失效形式，如轴颈或导向花键的磨损，高温下工作时的蠕变，被腐蚀介 质腐蚀等。 轴的设计准则：为了保证轴在预工作寿命条件正常工作，要遵守以下准则进 行设计。 河南科技大学毕业设计（论文） 18 正确选择轴的材料、毛坯种类和热处理方法。 合理设计轴的结构。 正确选择设计计算方法，对多数转轴要进行疲劳强度设计计算或精确验算； 对受力大的细长轴（如蜗杆轴）和刚度要求高的轴（如机床主轴）还应刚度计算； 对高速轴（如汽轮机轴） ，因有共振危险，还应进行振动稳定性计算。 按轴各段所起的作用不同，可将轴分为 5 部分： 轴头：与联轴器和齿轮等传动零件配合的轴段 轴颈：与轴承配合的轴段 轴身：连接轴头和轴颈的轴段 轴环：直径最大用于定位的窄轴段 轴肩：截面尺寸变化处 此外，还有轴肩的过度圆角；轴端的倒角；与键连接处的键槽等结构。 长期变应力作用下的疲劳破坏是轴的主要失效形式。因此，轴的材料要求具 有较好的强度、韧性，与轴上零件有相对滑动的部位还应具有较好的耐磨性。此 外，还必须考虑应力集中的影响。 轴的常用材料有： 碳素钢 工程中广泛采用 35 45 50 等优质碳素钢，价格低廉，对应力集中敏 感性较小，可以通过调质或正火处理以保证其力学性能，通过表面淬火或低温回 火以保证其耐磨性。对于轻载和不重要的轴也可采用 q235、q275 等普通碳素钢。 合金钢 常用于高温、高速、重载以及结构要求紧凑的轴。合金钢有较高的 力学性，但价格较贵，对应力集中较敏感，所以在结构设计时必须尽量减少应力 集中。 球墨铸铁 耐磨、价格低，但可靠性较差，一般用于形状复杂的轴，如曲轴、 凸轮轴等。 钻床的主轴承受中等扭转-弯曲复合载荷，转速略高，并承受一定冲击载荷。 所以主轴毛坯可以选用 45 钢，并进行一系列热处理一满足各方面的性能要求。 轴上零件的轴向定位、固定和周向固定 轴上零件的轴向定位主要靠轴肩和轴环来完成。为了保证轴上零件靠紧定位 面，轴肩处的圆角半径 r 必须小于零件内孔的圆角半径 r1 或倒角 c1；轴肩高度 河南科技大学毕业设计（论文） 19 一般取 h=（0.070.1）d，轴环宽度 b=1.4h，也可采用套筒定位，其尺寸可参照轴 肩尺寸。 轴上零件的轴向固定就是不许轴上零件沿轴向窜动，必须双向固定。此外， 常用的轴向固定措施还有：轴的一端可采用轴端挡圈；套筒过长可采用圆螺母； 受载较小时可采用弹性挡圈、紧定螺钉和销钉等固定。 轴上零件的周向固定就是保证轴上的传动零件要与轴一起转动。常用的固定 方式有键连接和过盈配合。转矩较大时，可采用花键连接，也可同时采用平键连 接和过盈配合连接来实现周向固定。转矩较小时，可采用紧定螺钉、销钉等措施。 制造工艺和装配工艺要求 制造工艺要求是指轴的结构应尽可能简单加工、降低成本。为此，轴端倒角 的尺寸应尽量一致；轴肩的圆角半径也要尽可能相同。若轴上采用多个单键连接 时，键宽应尽可能统一，并在同一条加工直线上。在有磨削工艺的轴段应设有砂 轮越程槽，在车螺纹的轴段应设有螺纹退刀槽。 装配工艺要求是指轴上零件应便于安装和拆卸。为此，一般将轴制成中间粗 两端细的阶梯形；轴端应倒角；轴端的键槽应尽量靠近轴端；与滚动轴承配合的 轴肩高度和套筒高度应小于轴承内圈的厚度；与传动零件过盈配合的轴段应制有 10左右的导向锥面；要尽量减少装配长度。 标准尺寸要求 轴上的零件多数都是标准零件，如滚动轴承、联轴器、圆螺母等，因此与标 准零件配合处的轴段尺寸必需符合标准零件的尺寸系列。 提高轴的疲劳强度 加大轴肩处的过度圆角半径和减小轴肩高度，就可以减少应力集中，从而提 高轴的疲劳强度。提高轴的表面质量、合理分布载荷等也可以提高轴的疲劳强度。 安装时，要严格按照轴上零件得先后顺序进行，注意保证安装精度。对于过 盈配合得轴段要采用专门工具进行装配，例如大尺寸得轴承可用压力机在内圈上 加压装配，中小尺寸得轴承可借助手捶加力进行装配，轴承得拆卸应使用专门工 具，应尽量使轴避免承受过量得冲击载荷，以免破坏其表面质量。安装结束后要 严格检查轴在机器中得位置以及轴上零件得位置，并将其调整到最佳工作位置， 河南科技大学毕业设计（论文） 20 同时轴承得游隙也要按工作要求进行调整。在工作中，必须严格按照规程进行， 尽量使轴避免承受过量载荷和冲击载荷，并保证轴得疲劳强度。 在工作过程中，对机械要定期检查和维修，对于轴得维护重点注意三个方面。 认真检查轴和轴上零件得完好程度，若发现问题应及时维修或更换。轴得维 修部位主要是轴颈和轴头，对精度要求较高得轴，在磨损量较小时，可采用电镀 法在其配合表面镀上一层硬质合金层，并磨削至规定尺寸精度。对尺寸较大得轴 颈和轴头，还可采用热喷涂（或喷焊）进行修复。轴上花键、键槽得损伤，可以 用气焊或堆焊修复，然后再铣出花键或键槽。也可以将原键槽焊补后再铣制新键 槽。 认真检查轴和轴上主要传动零件工作位置得准确性、轴承的游隙变化并及时 调整。轴上得传动零件（如齿轮、链轮等）和轴承必须保证良好得润滑。应当根 据季节和地点，按规定选用润滑剂并定期加注。要对润滑油得数量及时检查、补 充和更换。 4.3.2 主轴的设计及校核 1）初步确定轴的最小直径 先按公式确定轴的最小直径。选取轴材料为 40cr,局部淬火处理。取 ,于是得：112 0 a (4-41) mmmm n p ad26.48 5 . 47 8 . 3 112 3 1 1 3 0min 轴上有三个键槽，最小轴径增加 20%。由于主轴中要装滚刀，所以选用空 心轴。计算公式为： (4-42) mm n p ad68.48 )4 . 01 (5 .47 8 . 3 112 )1 ( 4 3 4 3 0 式子中，即空心轴的直径与外径 d 之比，取=0.4 d d1 1 d 所以，选最小轴径为 50mm。 2）轴的结构设计如下： 图 4.2 主轴结构图 3）主轴的校核 由于主轴靠滑动轴承和套筒来支撑，可以认为主轴只受扭矩作用，而不受弯 河南科技大学毕业设计（论文） 21 矩作用，按扭转强度来校核轴的强度。只需校核齿轮所在剖面处的强度 mmnt 5 1 106.5 (4-43) mpa d t w t t t 8 . 21 )4 . 01 (502 . 0 106 . 5 )1 (2 . 0 43 5 43 tt mpa5535 故安全 4.4 第二根轴的强度校核 2 轴上的功率 p ，转速 n ，和转矩 t 取轴承的效率为 0.98，齿轮的效率为 22 0.98 p=3.58 (4-44) 3 12 98. 0 p 3 98.08.3kw n (4-45)min/190 25.0 5.47 1 2 r i n 初步确定轴的最小直径 选材料为 45 钢时，取 a =110 0 d (4-46)mm n p 27.29 190 58 . 3 110110 3 3 2 2 min 取最小轴径 30mm，其结构详见图纸，下面仅对轴进行强度校核 轴的材料的选择 该轴无特殊要求，因而选用调质处理的 45 钢，查得 mpampampa b 155,300,600 11 轴上的载荷 轴上所受力为 nfnfnf art 7 .1066,2 .1589, 7 . 4356 转速 n 功率 prpm45 2 kw58 . 3 2 齿轮截面处的 m 如下所示 cavh mm , 载荷 水平面 h 垂直面 v r nrn hh 9 .2450, 8 . 1914 21 r nrn vv 4 . 728, 8 . 860 21 弯矩 m m mmmn h .245000mmn v .110000 总弯矩 m m = = 269000 (4-47) 22 110000245000mmn 扭矩 t t = (4-48)179942 190 58. 39550000 mmn 河南科技大学毕业设计（论文） 22 计算弯矩 m ca m=289000 1ca 2 2 17994259. 0269000mmn (4-49)mmnmca.270000 2 按弯扭合成应力校核轴的强度 只校核轴的齿轮所在截面处的强度即可： (4-50)mpa w mca ca 42 . 8 701 . 0 289000 3 对 的碳钢，承受对称循环变应力时的mpa b 600 许用应力 故安全 ca mpa 55 河南科技大学毕业设计（论文） 23 图 4.3 力矩图 河南科技大学毕业设计（论文） 24 4.5 键的校核 校核刀架上的四个键 主轴 键 1118114018hlb 斜齿轮轴 键 1016102416hlb 电机 键 81086010hlb 减速器 键 787328hlb 1）主轴的键的强度校核 (4-51)mpa kld t p 115 60405.5 105.472102 33 mpa p 120100 键的强度安全 2）斜齿轮轴键的强度校核 (4-52) mpa mpa kld t p pp 120100 7.63 50245 101912102 33 3）减速器上的键的校核 (4-53) pp p mpa kld t 9 . 90 25325 . 35 . 1 101912 5 . 1 102 33 键的强度安全 4) 电机上键的校核 (4-54) pp p mpa kld t 9 . 41 38604 101912102 33 键的强度安全 河南科技大学毕业设计（论文） 25 结论 毕业设计是教学的重要环节，我们从上学开始到现在，一直接触的是理论的 课本知识，对于实际的东西