毕业设计（论文）-加工中心自动换刀系统设计(盘式).docx

本科毕业设计（论文）题 目 加工中心自动换刀系统设计（盘式） 刀库系统 学院名称 机械与动力工程学院 专业名称 机械设计制造及其自动化 年级班级 学生姓名 指导教师 2017年 5月目录前言1.加工中心概述 11.1加工中心发展现状和发展趋势 11.2加工中心的特点 21.3加工中心的分类 31.4加工中心的结构51.5加工中心刀库及自动换刀装置6 1.5.1加工中心刀库形式 6 1.5.2加工中心的自动换刀装置8 1.5.3刀库结构及换刀过程92.刀库传动设计2.1电动机的选择 2.1.1初选电动机 2.1.2校核电动机 2.2运动和动力参数计算 2.3蜗杆传动设计 2.3.1蜗杆传动的选择 2.3.2蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算 2.3.3校核齿根弯曲疲劳强度 2.3.4验算蜗杆传动的效率、润滑及热平衡 2.3.5蜗杆和蜗轮的结构设计 2.4传动轴设计 2.4.1轴的材料 2.4.2蜗杆轴的结构设计 2.4.3蜗轮轴的结构设计 2.4.4轴系零、部件的校核3.刀库结构设计3.1刀盘设计3.2刀库设计4.液压系统的设计4.1液压缸的载荷计算4.2液压缸的主要参数计算结论致谢参考文献摘要前言 目前机床发展的主要趋势是加工中心，其在机械制造业中得到了大规模的应用，而且加工中心还在不断地向高速化、高效率、高精度的目标发展着，在机床结构方面，多轴化、复合加工等方面的创新也日趋活跃。而20世纪70年代，由我们国家研究制造的这类机床，很多都不可以正常的应用在工作中，不仅是因为我们国家设计制造的水平有限，加工中心的配件也存在着很多的弊端；20世纪90年代中期以来 ，我们国家加工中心的技术水平有了很大的提高，而且加工中心的配件也得到了一定的改善，这使我国生产的加工中心的可靠度有了大幅度的提高，但比较于国外的加工中心，可靠性仍然不是很高，这使我国生产的加工中心的市场竞争力在一定程度上受到了影响1。在制造的自动化过程中，加工中心的刀库是具有一个给加工中心提供储存刀具和更换刀具需要的功能，刀库一直在发展着，其不仅仅是一个机床配件，并在加工中心占有很重要的角色。以人为主的传统生产方式已经被能储放多把刀具的刀库及自动换刀装置改变，并发展出了符合机床高效率、高精度、高可靠性等要求的产品，这体现出机床的整体效能表现和刀库品质的优劣的关系密不可分。未来刀库的任务是能够进行复合加工，以及全方位切削加工，因此将来刀库的发展是不可预估的，设计、制造刀库时拥有全新的思维，才能在未来的产业发展中占领一席之地。我国加工中心的配套件在技术、结构、质量上都和国外存在一定差距，在刀库的研究、设计方面，我们一定要不断地加强，这才能促进我国加工中心的发展。盘式刀库非常普遍的在加工中心中使用，它不仅构造紧凑，更换刀具的时间较短，而且换刀的动作精确可靠。本课题研究的主要内容是盘式刀库的总体方案设计、刀库的传动和结构设计及零部件校核、液压系统的简单设计。所设计的刀库放置刀具的形式是单环排列式，满载装刀24把，刀库的传动采用蜗轮蜗杆传动方式，蜗轮蜗杆传动平稳，而且产生的振动较小，噪音也不高。摘要以人为主的传统生产方式已经被能储放多把刀具的刀库及自动换刀装置改变，并发展出了符合机床高效率、高精度、高可靠性等要求的产品，机床的整体效能表现和刀库品质的优劣的关系密不可分，其中盘式刀库非常普遍的在加工中心中使用，它不仅构造紧凑，更换刀具的时间较短，而且换刀的动作精确可靠。本课题研究的主要内容是盘式刀库的总体方案设计、刀库的传动和结构设计及零部件校核、液压系统的简单设计。考虑到市场上刀库供给与需求的状况，以及客户想要选择的类型，所设计的刀库放置刀具的形式是单环排列式，满载装刀24把，为了使传动平稳、降低噪音，刀库的传动使用蜗轮蜗杆传动方式。我国加工中心的配套件在技术、结构、质量上都和国外存在一定差距，对刀库的研究、设计等方面，我们一定要不断地加强，这才能促进我国加工中心的发展。关键词：加工中心；盘式刀库；自动换刀；蜗轮蜗杆；液压系统摘要ABSTRACT窗体底端The traditional production mode of people has been able to store more than the tool magazine and automatic tool changer change,and developed in line with the machine tool efficiency,high precision,high reliability and other requirements of the product,the overall performance of the machine and the quality of the magazine are inseparable,in which the disc magazine in the processing center in the wider application of its compact structure,tool change time is short,accurate and reliable action.The main contents of this research are the scheme design of the disc magazine, the drive and structural design of the magazine and the checking of parts and the simple design of the hydraulic system.Taking into account the market supply and demand situation,and the customers potential choice,the design of the magazine using a single ring arrangement placed,loaded with a knife 24.For making the transmission smooth and reduce noise,the drive section of the magazine is used to slow down with the worm gear.The accessories of Chinas machining center have a certain gap with abroad in the technology,structure and quality,we need to strengthen the research on the magazine,design and manufacturing,and promote the development of Chinas machining center.Keywords: Machining center;Disc magazine; Automatic tool change;Worm gear; Hydraulic system加工中心概述1.加工中心概述需要加工的零部件在一次装卡后,可以不间断地进行多道工序的加工，例如钻、铣、镗、攻丝等，而且具备自动换刀的功能以及具有刀库系统的数控机床称之为加工中心，它不仅减少了工件装夹时间，而且生产自动化程度高、加工质量稳定可靠、零件加工的适应性较强，因而加工中心的发展水平代表着国家制造业的发展水平2。而刀库是加工中心中最主要的配套件之一，高储刀效能、成本低及更快速的刀库架构是未来刀库发展的焦点，在容量、构造等方面，刀库对加工中心的设计有着至关重要的作用。 1.1加工中心发展现状和发展趋势由于计算机技术、材料技术、信息技术等技术的不断发展，数控机床也随之发展了起来。之前的数控机床功能简单、笨拙，现在的数控机床功能齐全、灵巧并且已经应用到各个制造领域，尤其在发达国家中，在机床产值方面，数控机床所占的比重越来越大，其已经变成了发达国家工业的主要产品之一。因为市场竞争环境越来越激烈，所以对机床的性能要求也变得更高，机床的发展也越来越快，其中在铣床的基础上发展起来的加工中心生产自动化程度高、加工质量稳定可靠、零件加工的适应性较强，它在我国机床工业所占的比重逐年增加，2001年我们国家的加工中心的生产总量为近500台，到2010年产量增加至2万多台。近年来，在技术水平方面，我们国家的加工中心有了很大的提高，有些经常需要进口的产品如五轴加工中心等，现在也已正在批量生产。但因我国机床产业比国外发展晚，我国生产的加工中心在技术、质量、配套等方面都与国外先进产品有一定差距。目前高速度、高精度、高效率是加工中心主要发展的方向；在机床结构方面，多轴化、复合加工、等方面的创新也日趋活跃；随着计算机的急速发展，加工中心的智能化也发展起来了。 （1）我国推进以“三高”为特征的高速化，高的换刀速度、高的快速移动速度和高的主轴转速即为“三高”。“三高”可以不仅有效地缩短辅助的时间，减少了不切削时的工时，还提高了机床的切削效率，大大强化了工作效率。 （2）对于小型复杂零件，在进行中、大批量加工时，多轴加工中心可以对其高效率生产，它具有加工中心的柔性和自动线的高产量的特性，这种结构的加工中心可以在进行五面加工过程中不需重新装夹工具，不仅提高了加工过程中的精度，还大幅度地保证了机械加工效率。 （3）复合化加工中心被视为新时代机床技术进步的标志，并成为工业发达国家关注的热点。复合加工在各工序之间的传送和工件的装卸都是自动的，其主要优点为：提高了生产的柔性；提高了加工过程中零件的精度；去除了很多不创造价值的辅助工作的时间；降低了制造每个零件的成本。 （4）如今制造技术的发展方向是智能加工。在机械加工过程中，总会有一些不确定的问题出现，并且只能人工操作才能完成。为了处理这个问题，在机械加工过程中，控制系统需要模拟人类专家的比较智能化的活动，例如自动编写程序的智能化，监控诊疗判断的智能化等。1.2加工中心的特点需要加工的零部件在一次装卡后,可以不间断地进行多道工序的加工，例如钻、铣、镗、攻丝等，而且具备自动换刀的功能以及具有刀库系统的数控机床称之为加工中心，加工中心的发展水平代表着制造业的发展水平，其也一直被各企业界关注着。它有以下几个主要特点： （1）工序集中 在加工中心中，需要加工的零件一次装夹后，机床的控制系统可依照加工工序的不同，自动的交换已用完和将要用的刀具，自动改变刀具的运动路线、机床需要的主轴旋转速度和加工零件需要的进给速度，而后将零件的加工集中在几道工序中去完成2。 （2）加工生产率高零件加工的时间分机动时间和辅助时间两部分。因为带有自动换刀装置和刀库，加工中心中能不间断地完成几道工序，这减少了工件装夹次数，以及加工一半的成品的装卸转运时间，这提高了机床的利用效率、生产效率。 （3）加工精度高和其余计算机数字控制机床相同的是，加工中心也具备加工精度较高的优点。因为工序的集中，也使得人为干扰减少，得到了比较高的加工质量。 （4）操作者劳动强度低除了装卸零件、测量、照看机床的运行以及操作键盘外，操作者不需要在进行其它的手动的操作，因为加工中心在加工零件之前，程序就已经编写好了，加工中心会依照此程序自动加工零件。这不仅降低了操作人员的劳动量和紧张感，还使得操作人员的劳动环境得到提高。（5）经济效益高在单件、小生产量的条件下，利用加工中心加工零件之前能够节约划线的工作时间，在加工零件安装之后又降低了调整时间，能够减少一些不必要的生产加工；而且，由于零件加工过程中不需要工装卡具等工艺设备，也减少了这方面的投资，因而能够得到较高的经济效益。（6）利于生产管理现代化生产过程的管理是必要的，这个模块被许多计算机辅助设计和计算机辅助制造集成软件开发，这使得在用加工中心加工零件的情况下，计算机可以快速地进行辅助生产管理。 （7）加工中心的不足工序集中模式虽然给加工中心带来很多的好处，但也产生了一系列的问题，如下所示：切削过程中切屑不容易断的，以及切屑容易堆积等问题会使加工中心的加工过程不能正常的进行，并且有可能损伤加工零件的表面而使零件报废，还有可能会损坏刀具。 需要加工的毛坯在一次装夹中，几何外形变化可能会比较大，即金属切除量较大，在加工过程中也不能释放压力，只有在加工完成之后，内部产生的压力才得以释放，这会导致加工零件的形状变化。 在工件粗加工，其温升还来不及恢复，就要直接进行精加工，工件经过冷却后，它的尺寸大小会发生改变，也会使零件的加工精度受到影响。 因为自动换刀装置限定了加工零件的尺寸大小，所以在加工工件的过程中，刀具的长度、直径及质量等条件都需要考虑是否合适。1.3加工中心的分类 依照加工中心的形态，加工中心可分为立式、卧式、龙门式、五轴和虚轴加工中心。（1）立式加工中心的主轴是垂直形式的。立式加工中心能够容易的装卡，操作也很简单方便，加工过程中的各种情况能够很方便的观察到，普遍的运用在机床工业中。但由于自动换刀装置以及加工中心立柱的高度的限制，因此立式加工中心加工的零件不能太高，相比而言，立式加工中心更适合加工套、盘及板类零件，如果要加工螺旋线类零件，可以在加工中心的工作台上装一个回转台。立式加工中心如图1-1所示。（2）卧式加工中心的主轴是水平形式的。在加工零件过程中，卧式加工中心能够比较方便的排除切屑，便于加工的正常进行，但是价格较贵。卧式加工中心的回转工作台一般都带有分度功能，并且坐标轴一般是一个回转坐标轴和三个直线坐标轴，除了顶面和安装表面，卧式加工中心可以同时完成工件四个表面的加工，因而更加适合加工箱体状的零件。卧式加工中心如图1-2所示图1-1 立式加工中心 图1-2 卧式加工中心 （3）龙门式加工中心的主轴大多设置为垂直方向，如图1-3所示。龙门式加工中心的主轴头的配件是能够替换的，还具有功用较多的数控装置，特别适用于大零件以及外形比较复杂的零件的加工。图1-3 龙门式加工中心 （4）在五轴加工工中心里，主轴旋转，对工件进行立式、卧式加工；不改变主轴方向，工件随着工作台旋转，这两种形式是最常见的，如图1-4所示。除了安装表面以外，其余五个表面都可在工件一次安装后完成加工。 （5）虚轴加工中心可通过连杆的运动，使主轴多自由度的运动，进而加工工件比较复杂性的曲面，如图1-5所示。虚轴加工中心在某种程度上使以前的机床发生了一定的改变。图1-4 五轴加工中心图1-5 虚轴加工中心1.4加工中心的结构尽管加工中心有许多不相同的构造形状，但总体构成基本相同,加工中心的结构如1-6所示，其主要由如下几大部分构成：（1）机床本体 主要是指加工中心的机械构造，主要部分有主传动系统、进给传动机构、立柱、工作台及床身等，传动装置、操作装置及外型等都与传统机床有一定的差异。（2）数控系统 机床完成自动加工过程主要依靠的部分就是数控系统，它的主要组成有PLC、MCS、各类I/O接口及输入装置等。振动、位移、尺寸及质量、温度、体积等机械量和物理量是数字控制系统主要的控制对象。如果要确定机床X、Y、Z坐标轴的位移，就要先利用主控制器里的插补功能对所读取的零件的相关程序进行编辑翻译处理，然后对刀具路线进行插补运算，同时与X、Y、Z坐标伺服系统的反馈信号进行比较。图1-6 加工中心的结构1-床身；2-滑座；3-工作台；4-润滑油箱；5-立柱；6-数控柜；7-刀库；8-机械手；9-主轴箱；10-操纵面板；11-控制柜；12-主轴 （3）伺服系统 加工中心的机床本体和数字控制系统之间的连接是靠伺服系统实现的，主要结构有位置检测元件、反馈系统、TCS及伺服电机等。数控系统通过位置指令来使工作台或刀架运动，在位置指令执行之前需要与反馈信号作对比，而后等驱动系统的功率放大后运行电动机，电动机带动传动机构使刀架或者工作台运动。 （4）强电控制柜 强电控制柜用来连接机床的各种电气执行元件和可编程控制器的输出接口，而且提供过载、短路等保护，其主要构成有电器保护元器件、TR、KM、KA、接线端子和电源开关等。 （5）辅助装置 其主要结构有回转工作台、APC、ATC、工件夹紧及放松机构、液压控制系统、排除切屑装置、润滑装置等。在加工中心中，这些结构都是不能缺少的，例如排屑装置可以及时清理加工时产生的切屑，避免切屑对加工中心造成影响，使加工中心不能正常的工作；润滑装置可以带走加工过程中产生的热量，提高加工质量。1.5加工中心刀库及自动换刀装置目前加工中心常常使用的换刀形式是用刀库来完成的，加工中心只需要一个不可移动的主轴来夹紧刀具，这不仅仅增强了主轴的抵抗变形的能力，也使刀库增大了存储刀具的空间，而且在加工过程中，刀库可以降低影响加工质量的干扰。在有机械手参与换刀的情况下，利用机械手从主轴中拿出已经使用完的刀具，同一时刻，另外一个机械手从刀库拿出将要使用的刀具，替换两把刀具的位置，换刀的过程就完成了。在有机械手参与换刀的情况下，替换刀具的动作都比较灵敏，而且替换刀具所用的时间比较短3。1.5.1加工中心刀库形式刀库的形式有很多种，依照刀库的构造、容纳刀具的数量，刀库可分为以下几种形式: （1）斗笠式刀库在换刀的过程中，斗笠式刀库会移向主轴，当需要替换刀具时，使用过的刀具需要到达刀库的卡槽中，然后向上挪动主轴，与此同时刀具离开了主轴，将刀库中需要替换的刀具转到主轴的下方，并向下挪动主轴，然后刀具到达主轴锥孔内并被夹紧，此时替换刀具的过程完毕，刀库回到之前所在的位置。如图1-7所示。 图1-7 斗笠式刀库 （2）盘式刀库在小型立式综合加工机中，盘式刀库经常被使用。其刀库容纳刀具的数量不多，最多能容纳刀具30把，并且盘式刀库需要ATC配合进行刀具更换。如图1-8所示。 图1-8 盘式刀库（3）链式刀库 链式刀库可以储存刀具120把以上，可见其数量之多。需要更换的刀具被链式刀库用链条送到需要到达的确切位置，并且使用机械手把刀具装入到主轴中，链式刀库不仅动作较快、而且结构较简单，可是价格比其他形式的刀库贵。 图1-9 链式刀库 （4）格子式刀库格子式刀库结构紧凑、容量大、占地小，但格子式刀库选择刀具和取刀具的工作较麻烦，因此它常常在柔性制造系统FMS的供刀系统中应用。1.5.2加工中心的自动换刀装置 在加工中心中，自动换刀装置主要分为二轴转动式、主轴直接式、转塔式、回转插入式及180回转式这五种。（1）二轴转动式换刀装置适用于立式加工中心，其刀具库安装在数制机床的侧面或者后面，可以起到保护刀具的作用，但这种装置过多得传递刀具，已经逐渐被其他形式所替代。（2）主轴直接式换刀装置的运动包括主轴直接移到刀具库、刀具库直接移到主轴这两种，这种装置和其他的换刀装置的形式有所不同。（3）转塔式换刀装置中，如果刀具数量多于轴数，并且如果想要装入后面加工中所需要的刀具，就要换下已经使用过了的刀具，但由于是把刀具和刀夹同时卸下，所以换刀时间也较短，这种装置目前还在数控钻床中应用。（4）回转插入式换刀装置如图1-10所示，其可以在卧式加工中心上进行应用。在这种装置中，刀具库在加工中心的侧面，这样避免了加工过程中产生的切屑对主轴及刀夹造成损坏，但是换刀用的时间较长。图1-10 回转插入式换刀装置（5）180回转式换刀装置在这五种装置中是比较简单的，其不仅替换刀具的速度快，替换刀具的动作也比较少，但是由于主轴需要与刀具平行，在加工过程中，刀夹内就会很容易的进入切屑，这会使替换刀具造起误差，因此刀夹的保护是必要的。1.5.3刀库结构及换刀过程（1）刀库使用蜗轮蜗杆传动方式，蜗轮蜗杆传动比其他传动平稳，并且产生的振动小，噪音也比较小。当刀盘带动刀套转动到其中的一个位置时，控制系统就会出现一个计数信号来进行刀套的定位，这会使所需要使用的刀具到达确定的地点。在刀库中间位置安装一个液压缸，通过拨叉带动刀套尾部的滚子来控制刀套倒刀和回刀，并且控制刀套行动的液压阀两端安装着倒刀和回刀传感器，发出相应的信号，来使刀套旋转需要的角度。刀具的松开和夹紧是靠刀套上的球头销钉和弹簧来完成的4。图1-11所示是其结构示意图。图1-11 刀库结构示意图1-电动机 2-联轴器 3-蜗杆 4-蜗轮 5-液压缸 6、7-行程开关 8-拨叉 9-挡标 10-滚子 11-刀套 12-刀盘（2）本课题研究的盘式刀库应用在卧式加工中心中，接下来介绍其换刀过程，图1-12所示是机械手的换刀示意图。图1-12 换刀示意图1-机械手 2-刀库 3-主轴 4-刀套 5-刀具在机械手换刀时，主轴3的轴线需要平行于刀具的轴线，因此在换刀之前，刀库需要旋转，使将要使用的刀具5准确地到达要换刀的地点，然后液压系统带动拨叉使刀套4翻转90，因为刀套里装有刀具，所以刀具也随之翻转，即可实现与主轴轴线的平行。按图中所示，机械手1需要旋转75度，刀库2上的刀具被其中一手爪抓住，另一手爪则抓住主轴上的。主轴及刀套内的卡紧机构分别松开刀具，然后机械手下移，拔出刀具。然后机械手旋转180度使这两把刀具相互转换位置，机械手向上移动，使两把刀具分别进入到刀套和主轴锥孔中，接着主轴及刀套内的卡紧机构分别夹紧刀具。最后控制机械手的液压缸的活塞复位，机械手回到原来位置，装有刀具的刀套翻转到原来位置。11刀库传动设计2.刀库传动设计所设计的圆盘刀库采用蜗轮蜗杆传动方式，选择传动比，要求寿命为12000h。刀盘已标准化，初选刀盘直径为500mm，刀库的装刀量为24把，本设计中放置刀具的方式是单环排列式，因此每把刀的间隙大约10mm，刀库主要参数如下表2-1示。表2-1刀库刀柄型号BT40刀库容量24最大刀具尺寸（满刀）mm80300最大刀具重量kg8最大刀库重量kg240刀盘直径mm500刀盘转速r/min702.1电动机的选择2.1.1初选电动机 根据工作要求和条件，选择Y系列的三相异步电动机，电压380V。参照机械设计课程设计5初选电动机型号为，主要技术数据如下表2-2示。表2-2电机型号 额定 功率 （kW） 满载 转速 （r/min） 启动转矩 （） 最大转矩 （） 额定转矩 额定转矩Y90L-41.514002.32.32.1.2校核电动机本设计中选用伺服电动机驱动刀库，其选择即需要满足刀库运行时的负载扭矩，又要满足起动时的加速扭矩。（1）估算刀库的负载扭矩由于此负载扭矩是用来克服刀具质量的不平衡，其估算所选择的方法是设置三把放在一起的刀具的重心为刀库回转轴线的半径处，并且重量是规定的最大重量。由表2-1可设刀具重心与刀库回转轴线的距离为250mm，刀具的最大重量为8kg。所以（2）计算刀库的加速扭矩 （2-1）式中：电动机转速，r/min； 加速时间，一般为150ms至200ms； 电动机转子惯量，； 负载惯量转换的惯量，。初选电动机转速，。按照公式（2-1）可得：（3）计算电动机的输出扭矩 （2-2） 式中：传动比； 传动效率。选择传动比为，传动效率为：式中是联轴器的传动效率，是蜗杆的传动效率，是轴承的传动效率，按照公式（2-2）可得： 因为实际情况要复杂得多，所以电动机轴额定扭矩是电动机轴输出扭矩的1.21.5倍，即（1.21.5）=（4.8866.108），所选电动机的额定扭矩为： （4.8866.108）因此满足要求。2.2运动和动力参数计算（1）各轴转速轴转速 轴转速 （2）各轴功率 轴功率 轴功率 （3）各轴转矩电动机轴转矩 轴转矩 轴转矩 为方便计算使用，将以上计算结果填入表2-3。表2-3参数电动机轴轴轴转速(r/min)1400140070功率(kW)1.51.4851.176转矩()10.2310.13160.456传动比120效率0.990.800.992.3蜗杆传动设计2.3.1蜗杆传动的选择（1）类型选择根据的推荐,本设计使用渐开线蜗杆传动。（2）材料选择考虑到所设计的蜗杆传动动的速度不是特别快，功率也不是特别大，故蜗杆的材料使用45钢；因为需要比较好的耐磨性和比较高的传动效率，所以蜗杆螺旋齿的表面应该淬火，使得硬度达到4555。蜗轮齿圈使用，即铸锡磷青铜，金属模铸造；轮芯使用灰铸铁制造。2.3.2蜗杆传动的主要参数及几何尺寸计算渐开线蜗杆的法向压力角，并且蜗轮与蜗杆啮合时，在中间平面上，。（1）按齿面接触疲劳强度设计依照闭式蜗杆传动的设计原则，先按照齿面的接触疲劳强度设计，再校核齿根的弯曲疲劳强度6。取蜗杆头数，蜗轮接触疲劳强度计算公式为： （2-3）式中：K载荷系数，,其中为使用系数，为齿向载荷分布 系数，为动载系数； 齿面许用接触应力，。由前文可知蜗轮转矩。查机械设计表11-5使用系数，取；由于蜗杆传动工作载荷平稳，取；由于蜗轮转速不高，取；故因选用蜗轮和45钢蜗杆，故弹性影响系数。确定蜗轮齿数。根据蜗轮材料，且蜗轮的铸造是用金属模，蜗杆螺旋齿的表面硬度4555，可从机械设计书中的表中获得蜗轮基本许用应力为。应力循环次数 式中为蜗轮运转一圈，蜗轮上轮齿啮合的次数。寿命系数 则 计算值 因蜗杆头数，查机械设计表，取模数，蜗杆分度圆直径，分度圆导程角。 （2）蜗杆与蜗轮的主要参数及几何尺寸 中心距蜗杆的主要参数及几何尺寸见表2-4。表2-4名 称计算关系式结 果蜗杆头数模数传动比导程角压力角蜗杆直径系数蜗杆轴向齿距蜗杆轴向齿厚蜗杆分度圆直径蜗杆齿顶圆直径蜗杆齿根圆直径蜗杆齿宽 蜗杆的主要参数及几何尺寸见表2-5。表2-5名 称计算关系式结 果蜗轮齿数蜗轮分度圆直径蜗轮喉圆直径蜗轮齿根圆直径蜗轮顶圆直径蜗轮咽喉圆母半径蜗轮宽度（注：，） 2.3.3校核齿根弯曲疲劳强度 （2-4）式中：蜗轮齿根的弯曲应力，； 蜗轮齿形系数； 螺旋角影响系数； 蜗轮的许用弯曲应力，。（1）当量齿数 根据，可查机械设计图11-17得齿形系数。（2）螺旋角影响系数 （3）寿命系数 查机械设计 表11-8得由制造的蜗轮，则许用弯曲应力 以上参数代入公式（2-4）可得：因此弯曲强度满足要求。2.3.4验算蜗杆传动的效率、润滑及热平衡（1）验算效率 （0.950.96） （2-5）式中：当量摩擦角，它的数值大小需要依照滑移速度表来选择。 滑移速度 （2-6）式中：蜗杆的圆周速度，。将各参数代入公式（2-6）得查机械设计表用插值法获得、；代入公式（2-5）可算出,此数值大于原来估计的数值，不需要重新计算。（2）蜗杆传动的润滑当润滑不良好时，会使传动效率降低，并可能带来磨损及发生胶合。根据蜗杆传动的及载荷不是很大，可查机械设计表，选取润滑油的运动粘度，并且选取给油方法是油池润滑。根据蜗杆分度圆圆周速度 因此可以采用蜗杆下置的形式，浸油高度是蜗杆的一个齿高；但是考虑到安装问题，在本设计中蜗杆传动需要采用蜗杆上置的形式，那么浸油高度就变成蜗轮外径的。（3）蜗杆传动工作时有较大的发热量，如果不及时消散，高温可能会稀释润滑油，使摩擦损失增大。所以为了使油温保持在安全的数值之内，需要对此传动机构进行热平衡计算。产生的热流量 （2-7）散发的热流量 （2-8）式中：箱面的传热系数，可取）； 箱体内表面被润滑油溅到，外表面可以被空气冷却的表面积，； 油的工作温度，普遍在6070之间，不能大于80； 四周空气的温度，常温普遍取温度大小为20。并估算可求得散热面积 按照热平衡条件，可求出油的工作温度 （2-9）取），将上述参数代入公式（2-9）可得：因此合格。 2.3.5蜗杆和蜗轮的结构设计（1）蜗杆的结构蜗杆和轴做成一个整体，如图2-1所示。采用铣制的方法加工螺旋部分。图2-1 蜗杆的结构形式（2）蜗轮的结构 蜗轮是由青铜齿圈和铸铁轮芯构成，并多使用配合，为了增加蜗轮的可靠性，需要安装46个紧定螺钉使齿圈和轮芯连接在一起。螺钉直径取，即；螺钉拧入深度为，即；因轮芯材料较硬，为便于钻孔，使螺孔中心线向其偏移23，如图2-2所示。 （3）根据,蜗轮、蜗杆的精度等级选取8级，侧隙种类选取；选择旋向为右旋，则蜗杆传动标记：。图2-2 蜗轮的结构形式2.4传动轴的设计 2.4.1轴的材料碳钢和合金钢是轴的主要材料，考虑到成本及工作条件，选择45钢作为传动轴的材料。查机械设计表15-1得知调制处理的45钢的主要力学性能，如表2-6所示。表2-6 材料牌号热处理硬度/HBS抗拉强度极限屈服强度极限弯曲疲劳极限剪切疲劳极限许用弯曲应力45调质217255640355275155602.4.2蜗杆轴的结构设计（1）初步估算轴径 （2-10）式中：轴传递的功率，； 轴的转速，。由上文知,，查机械设计表15-3取,则因为蜗杆轴的直径，而且在蜗杆轴上有一个键槽，所以轴的直径需要增大57，则轴径最小为。（2）联轴器的选择联轴器的计算转矩 （2-11）式中：公称转矩，； 工作情况系数。由上文知，查机械设计表14-1取，则从机械设计课程设计表16-3中选取公称转矩为25的GY型凸缘联轴器，如果要使电动机轴和轴对中，那就需要用螺栓来完成，螺栓是在铰制孔里，转矩需要螺栓杆承受挤压力和承受剪切力来传递。根据蜗杆轴直径的最小值，选取联轴器的轴孔直径，选择Y型轴孔长度，选择六角头铰制孔用螺栓的螺纹规格为，如图2-3所示。图2-3 GY型凸缘联轴器 （3）键的选择根据上述尺寸，选择圆头普通平键（A）型、b=5、h=5、L=22。 （4）轴承的选择蜗杆传动既需要承受径向力，又需要承受轴向力，因此选用角接触球轴承7000C，主要参数见表2-7。表2-7基本尺寸（mm）基本额定载荷（）极限转速（r/min）轴承代号安装尺寸dDB油7000C型20421210.56.08190007004C25 （5）结构设计 联轴器所在轴段的长度初选，直径为；轴段为过渡段，初选长度为，直径为；由轴承可得出轴段和轴段的长度为，直径为；轴段的初选总长，直径，螺杆齿宽为。如图所示。图2-4 蜗杆轴2.4.5蜗轮轴的结构设计（1）初步估算轴径 由上文知,，查机械设计表15-3取,代入公式（2-10）得由于蜗轮轴的直径，而且蜗轮轴上有两个键槽，轴径需增大1015，则轴径最小为。（2）键的选择轴段选择圆头普通平键（A）型、b=10、h=8、L=50；轴段选择圆头普通平键（A）型、b=14、h=9、L=50。 （3）轴承的选择选用角接触球轴承7000C，主要参数见表2-8。表2-8基本尺寸（mm）基本额定载荷（）极限转速（r/min）轴承代号安装尺寸dDB油7000C型40681520.015.2110007008C46 （4）结构设计刀盘所在轴段的长度初选，直径为；由轴承可得出轴段和轴段的长度初选为，直径为；轴段为过渡段，初选长度为，直径为；轴肩的长度为，直径，蜗轮所在的轴段初选长度为，直径为。如图2-5所示。图2-5 蜗轮轴2.4.4轴系零、部件的校核（1）蜗杆轴的校核 按弯扭合成应力校核查机械设计课程设计表14-2得轴承受力点，设蜗杆逆时针转动，则蜗杆传动的受力分析如下，图2-6所示：图2-6 蜗杆传动的受力分析水平面： 垂直面： 求得 ,则 合成弯矩 弯扭 轴的弯扭合成强度条件为： （2-12）式中：轴的计算应力，； 轴的抗弯截面系数， 轴的许用弯曲应力，由上文中表2-6可得。取1；在此截面上有单键槽，则 那么 故安全。校核轴的疲劳强度在蜗杆轴中截面1和2引起的应力集中较严重，而且相差不大，因此蜗杆轴只需要校核截面1即可。 抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面1的弯矩 截面1上的扭矩 截面上的弯曲应力 截面上的扭转切应力查机械设计附表3-2取由于轴肩形成的及，因、，经插值后查得 由附图3-1得敏性系数为有效应力集中系数为由附图3-2得尺寸系数，由附图3-3得扭转尺寸系数。轴按铣削加工，由附图3-4得表面质量系数轴未经表面强化处理，取，则综合系数为取碳钢的特性系数为计算安全系数值 故可知其安全。 （2）蜗轮轴的校核 按弯扭合成应力校核查机械设计课程设计表14-2得轴承受力点，由上文可知，蜗轮受力的大小计算如下 水平面： 求得 则 垂直面： 求得 ,则 合成弯矩 弯扭 轴的弯扭合成强度条件为： 取1；在此截面上有单键槽，则 那么 故安全。校核轴的疲劳强度轴段和轴段左侧轴肩处的应力集中较严重，因为蜗轮与蜗轮轴需要过盈配合，而且这两处对蜗轮轴