麻花钻螺旋槽磨削加工虚拟仿真.doc

e e 题 目 麻花钻螺旋槽磨削加工虚拟仿真 学生姓名 ee 学号 ee 所在学院 机械工程学院 专业班级 ee 指导教师 ee 完成地点 校内 2009 年 6 月 19 日 ee 麻花钻螺旋槽磨削加工虚拟仿真 ee ee 指导老师 ee 摘要 分析加工麻花钻时螺旋槽与砂轮的几何运动关系 运用微分几何和运动学原理建立螺旋槽和砂轮的 数学模型 在此基础上 利用 Pro ENGINEER 建立了麻花钻螺旋槽三维磨削虚拟仿真加工模型 在理论分析的基础上 应用 DEFORM 3D 的前处理建立麻花钻螺旋槽的有限元模型 通过控制刀具运动模拟切削过程 计算分析 完成对钻 削过程的动态数值模拟 应用 DEFORM 3D 后处理器提取计算结果 对钻削过程中应力场和应变场的变化进行分析研 究 关键词 麻花钻 螺旋槽 三维建模 DEFORM 3D 模拟 ee Study on Helical Flute Grinding Virtual Simulation of Twist Drill ee ee Tutor ee Abstract Research of the geometric motion relations between spiral groove and the wheel when processing twist the use of differential geometry and kinematics mathematical model of the spiral groove and the wheel On this basis with Pro ENGINEER to establish a three dimensional twist spiral groove grinding virtual simulation machining model Based on the theoretical analysis pre processing applications DEFORM 3D finite element model of the spiral groove twist by controlling the movement of the tool cutting process simulation calculation and analysis complete the dynamic simulation of the drilling process Processor extracts the application DEFORM 3D calculation results the changes in the drilling process the stress and strain fields were analyzed Keywords twist spiral groove dimensional modeling DEFORM 3D simulation ee I 目 录 目录 I 1 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 研究背景与国内外研究现状 1 1 3 本课题的研究意义 1 1 4 本课题研究的主要工作 2 2 金属弹塑性变形有限元理论及切削原理 3 2 1 弹塑性有限元分析 3 2 2 刚塑性有限元分析 3 2 3 切削原理 3 2 3 1 金属的晶体结构 4 2 3 2 塑性变形机理 4 3 麻花钻螺旋槽的磨削加工 6 3 1 麻花钻理论基础 6 3 1 1 麻花钻概述 6 3 1 2 麻花钻的组成 6 3 1 3 麻花钻的角度 6 3 2 麻花钻螺旋槽的磨削原理 7 3 2 1 麻花钻螺旋槽磨削加工原理 7 3 2 2 麻花钻螺旋槽磨削加工机床模型 8 ee II 3 2 3 麻花钻螺旋槽磨削加工数学模型 8 3 3 麻花钻螺旋槽磨削模型的建立 11 3 3 1PRO ENGINEER 中麻花钻的三维建模 11 3 3 2PRO ENGINEER 中砂轮的三维建模 17 3 3 3 装配 18 4 DEFORM 3D 软件 20 4 1 DEFORM 3D 软件简介 20 4 2 DEFORM 3D 的操作流程 20 5 钻削过程的仿真及分析 22 5 1 钻削模型的建立 22 5 2 前处理 26 5 3 后处理 28 5 3 1 温度分布 28 5 3 2 刀具受力分析 30 5 3 3 刀具应力应变分析 32 5 3 4 刀具扭矩分析 35 致谢 37 参考文献 38 附录 39 ee 1 1 绪论 1 11 1 引言引言 切削加工的历史可追溯到原始人创造石劈 骨钻等劳动工具的旧石器时期 在中国 早在商 代中期 公元前 13 世纪 就已能用研磨的方法加工铜镜 商代晚期 公元前 12 世纪 曾用青 铜钻头在卜骨上钻孔 西汉时期 公元前 206 公元 23 就已使用杆钻和管钻 用加砂研磨的 方法在 金缕玉衣 的 4000 多块坚硬的玉片上钻了 18000 多个直径 1 2 毫米的孔 17 世纪中叶 中国开始利用畜力代替人力驱动刀具进行切削加工 如公元 1668 年 曾在畜力驱动的装置上 用 多齿刀具铣削天文仪上直径达 2 丈 古丈 的大铜环 然后再用磨石进行精加工 18 世纪后半期 的英国工业革命开始后 由于蒸汽机和近代机床的发明 切削加工开始用蒸汽机作为动力 到 19 世纪 70 年代 切削加工中又开始使用电力 对金属切削原理的研究始于 19 世纪 50 年代 对磨削 原理的研究始于 19 世纪 80 年代 此后各种新的刀具材 料相继出现 19 世纪末出现的高速钢刀具 使刀具许用的切削速度比碳素工具钢和合金工具钢刀具提高两倍以上 达到 25 米 分左右 1923 年出现的硬质合金刀具 使切削速度比高速钢刀具又提高两倍左右 30 年代以后出现的金属陶瓷 见陶瓷 和超硬材料 人造金刚石和立方氮化硼 进一步提高了切削速度和加工精度 随着机 床和刀具不断发展 切削加工的精度 效率和自动化程度不断提高 应用范围也日益扩大 从而促 进了现代机械制造业的发展 1 21 2 研究背景与国内外研究现状研究背景与国内外研究现状 计算机模拟加工过程是制造工程领域的重要成果之一 由于使用了计算机模型对所需切削力 切削温度 切削形成过程等进行仿真 大大简化了整个研究中试验过程 减少了反复试验 节约了 研究成本和人力 具有很高的价值 研究该领域的学者 都倾向于应用有限元进行切削过程分析建 模 有限元法的优点是让计算机能够自动模拟整个切削的复杂过程 几十年来的深入研究 人们对于计算机模拟已经有了比较全面的了解 建模方法已经从最初 的简单剪切平面法发展到更加复杂的有限元方法 而有限元方法是最新趋势的代表 有限元法有着 强大的应用能力 可以包含几乎所有金属切削过程的各个方面 可以同时解决在刀 屑接触面摩擦 的应力平衡方程 应力 应变增量关系式 热传导方程 材料本构方程和应力特性方程 这个方法 可能比其他方法更细致地揭示金属切削过程 国内外的研究者在有限元分析法上都做了细致的研究 取得了很多卓越的成果 可也还是留 下了一些发展的空间 让我们后人去探索 1 31 3 本课题的研究意义本课题的研究意义 在机械加工中 孔加工占30 以上特别是在汽车行业中麻花钻的应用极为广泛 而螺旋 槽形 成麻花钻的前刀面 它与后刀面的交线构成麻花 钻的主切削刃 直接影响主切削刃的形状和麻花 钻的 切削性能 钻削时螺旋槽提供排屑空间 它的形状和大 小影响切屑排出的流畅性 若排屑不 畅 切屑堆积则容 易造成堵塞 严重时导致麻花钻折断 螺旋槽的形状与 大小也影响麻花钻的强 度和刚度 在加工时 螺旋槽的形状取决于刀具的廓形和机床的调整参数 目前对螺旋槽的加工主 要凭制造者的经验进行 其主要问题 是精度和生产率低 机床调整难度大 由于在不同的 条件下 不同的刀具廓形和机床调整参数 可以加工出相同的螺旋槽 所以在选择加工刀具和调整机床 时很大程度上依赖操作人员的经验 虚拟仿真加工技术是实际加工过程中各个环节参数在虚拟环境 下的再现 通过对零件加工过程的可视化仿真 可检验数控加工程序代码的正确性 检查加工过程 中刀具与工件 夹具之间是否存在干涉 包括碰撞和过切 实时改正在仿真过程中发现的错误 避免现实机床加工中可能出现的事故 优化加工方案 在虚拟加工仿真中得到的工件实体可总结出 数据信息难以表达的规律 通过对麻花钻螺旋槽加工的虚拟仿真研究 可以避免在实际数控加工 中 为校验数控代码的正确性而进行的反复试切和加工参数的反复调试 提高麻花钻的加工质量和 效率 节省资源并避免危险 基于上述原因 对钻销过程的数值模拟仿真分析已势在必行 该仿真结果对钻销加工过程中工 艺效果的预测和优化具有现实的指导意义 通过对该结果的分析及完善 不但能够缩短生产周期 降低制造成本 提高加工精度 延长刀具寿命 而且依据该结果 可以制定出更佳的加工工艺 以 ee 2 获取更大的经济效益 1 41 4 本课题研究的主要工作本课题研究的主要工作 到目前为止 我国对金属切削过程有限元模拟方面的研究工作已经开展多年 研究了切削后 工件的残余应力 切削过程中切削断裂准则等 我国对金属切削过程三维有限元仿真方面的研究处 于探索阶段 对仿真中出现的问题并没有明确的认识 因此 采用 DEFORM 3D 对金属切削过程经行 三维有限元仿真及实验研究 可以对金属切削机理有更深入的了解和认识 这对提高我国精密 超 精密产品的制造水平有重大意义 研究工作 1 利用 proe 软件建立参数化麻花钻三维模型 2 建立麻花钻的数学模型 对麻花钻螺旋槽的磨削过程进行仿真模拟 3 应用 deform 3d 的前处理建立麻花钻螺旋槽的有限元模型 通过控制刀具运动模拟切削过 程 计算分析 完成对钻削过程的动态数值模拟 4 应用 deform 3d 后处理器提取计算结果 对钻削过程中应力场和应变场的变化进行分析研 究 ee 3 2 电机选择电机选择 2 1 电动机选择电动机选择 倒数第三页里有东东 倒数第三页里有东东 2 1 1 选择电动机类型选择电动机类型 2 1 2 选择电动机容量选择电动机容量 电动机所需工作功率为 w d P P 工作机所需功率为 w P 1000 Fv Pw 传动装置的总效率为 4321 传动滚筒 96 0 1 滚动轴承效率 96 0 2 闭式齿轮传动效率 97 0 3 联轴器效率 99 0 4 代入数值得 8 099 097 0 99 096 0 224 4321 所需电动机功率为 kWkW Fv Pd52 10 6010008 0 4010000 1000 略大于 即可 d P d P 选用同步转速 1460r min 4 级 型号 Y160M 4 功率为 11kW 2 1 3 确定电动机转速确定电动机转速 取滚筒直径mmD500 min 6 125 500 100060 r v nw 1 分配传动比 1 总传动比 62 11 6 125 1460 w m n n i 2 分配动装置各级传动比 取两级圆柱齿轮减速器高速级传动比 03 44 1 01 ii ee 4 则低速级的传动比 88 2 03 4 62 11 01 12 i i i 2 1 4 电机端盖组装电机端盖组装 CAD 截图截图 图 2 1 4 电机端盖 2 2 运动和动力参数计算运动和动力参数计算 2 2 1 电动机轴电动机轴 mN r kW n P T nn pp m d 81 689550 min 1460 52 10 0 0 0 0 0 2 2 2 高速轴高速轴 mN r kW n p T nn pp m d 09 68 1460 41 10 95509550 min 1460 41 10 1 1 1 1 41 2 2 3 中间轴中间轴 ee 5 mN rr kW n p T i n n ppp 6 263 2 362 10 10 95509550 min 2 362min 03 4 1460 10 1097 099 0 52 10 2 2 2 01 1 2 3200112 2 2 4 低速轴低速轴 mN r kW n p T i n n ppp 8 7359550 76 125 69 9 9550 min 76 125 88 2 2 362 69 9 97 099 0 10 10 3 3 3 12 2 3 3210223 2 2 5 滚筒轴滚筒轴 mN r kW n p T i n n ppp 720 76 125 49 9 95509550 min 76 125 49 9 99 0 99 069 9 4 4 4 23 3 4 4220334 ee 6 3 齿轮计算齿轮计算 3 1 选定齿轮类型 精度等级 材料及齿数选定齿轮类型 精度等级 材料及齿数 1 按传动方案 选用斜齿圆柱齿轮传动 2 绞车为一般工作机器 速度不高 故选用 7 级精度 GB 10095 88 3 材料选择 由表 10 1 选择小齿轮材料为 40Cr 调质 硬度为 280 HBS 大齿 轮材料为 45 钢 调质 硬度为 240 HBS 二者材料硬度差为 40 HBS 4 选小齿轮齿数 大齿轮齿数 取24 1 z76 9603 4 24 2 z 97 2 z 5 初选螺旋角 初选螺旋角 14 3 2 按齿面接触强度设计按齿面接触强度设计 由 机械设计 设计计算公式 10 21 进行试算 即 3 0 1 12 H EH d t t ZZTK d 3 2 1 确定公式内的各计算数值确定公式内的各计算数值 1 试选载荷系数1 6 1 t k 2 由 机械设计 第八版图 10 30 选取区域系数 433 2 h z 3 由 机械设计 第八版图 10 26 查得 则 78 0 1 87 0 2 65 1 21 4 计算小齿轮传递的转矩 mmNmmN n p T 108 6 1460 41 1010 5 9510 5 95 4 5 1 0 5 1 5 由 机械设计 第八版表 10 7 选取齿宽系数1 d 6 由 机械设计 第八版表 10 6 查得材料的弹性影响系数MPaZe8 189 7 由 机械设计 第八版图 10 21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极 限 大齿轮的接触疲劳强度极限 MPa H 600 1lim MPa H 500 2lim 13 计算应力循环次数 9 11 103 61530082114606060 h jLnN 91 2 1056 1 03 4 N N 9 由 机械设计 第八版图 10 19 取接触疲劳寿命系数 90 0 1 HN K 95 0 2 HN K ee 7 10 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1 安全系数 S 1 由 机械设计 第八版式 10 12 得 MPaMPa S KHN H 5406009 0 1lim1 1 MPaMPa S KHN H 5 52255095 0 2lim2 2 11 许用接触应力 MPa HH H 25 531 2 21 3 2 2 计算计算 1 试算小齿轮分度圆直径d t 1 4 0 3 1 21 tHE t d H K TZ Z d 324 86 0 1046 16 34 1046 167396 0 10738 121 3 9 56mm 2 计算圆周速度v0 sm ndt 78 3 100060 56 491460 100060 11 3 计算齿宽及模数 1 1 cos 49 56 t nt mm d m z 2mm z d m t nt 1 1 cos 24 14cos56 49 24 97 056 49 h 2 252 25 2 4 5mm nt m 49 56 4 5 11 01 h b 4 计算纵向重合度 0 318 1 24 tan 20 73 tan318 0 1z d 14 5 计算载荷系数 K 已知使用系数根据 v 7 6 m s 7 级精度 由 机械设计 第八版图 10 8 1 KA 查得动载系数 11 1 Kv 由 机械设计 第八版表 10 4 查得的值与齿轮的相同 故 KH 42 1 KH 由 机械设计 第八版图 10 13 查得 35 1 f K 由 机械设计 第八版表 10 3 查得 故载荷系数4 1 HH KK 1 1 11 1 4 1 42 2 2 HHVA KKKKK 6 按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径 由式 10 10a 得 ee 8 3 11 K dd t t K mm11 55375 1 56 49 6 1 2 2 56 49 3 3 7 计算模数 z d mn 1 1cos mm22 2 24 11 5597 0 24 14cos11 55 3 3 按齿根弯曲强度设计按齿根弯曲强度设计 由式 10 17 3 2 2 1 1 2 cos F SaFa d n YY z YT m K 3 3 1 确定计算参确定计算参数数 1 计算载荷系数 2 09 ffVA KKKKK35 1 4 111 1 2 根据纵向重合度 从 机械设计 第八版图 10 28 查得螺旋 903 1 角影响系数 88 0 Y 3 计算当量齿数 37 26 91 0 2424 14 24 97 0 coscos 333 1 1 z zV 59 106 91 0 97 14 97 coscos 33 2 2 z zv 4 查齿形系数 由表 10 5 查得 18 2 57 2 21 YYFaFa 5 查取应力校正系数 由 机械设计 第八版表 10 5 查得 79 1 6 1 21 YYSaSa 6 由 机械设计 第八版图 10 24c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 大齿轮的弯曲强度极限 MPa FE 500 1 MPa FE 380 2 7 由 机械设计 第八版图 10 18 取弯曲疲劳寿命系数 85 0 1 KFN 88 0 2 KFN 8 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S 1 4 由 机械设计 第八版式 10 12 得 ee 9 MPaMPa S F MPaMPa S F FEFN FEFN K K 86 238 4 1 38088 0 57 303 4 1 85500 0 22 2 11 1 9 计算大 小齿轮的 并加以比较 F YYSaFa 1363 0 57 303 596 1 592 2 1 11 F YYSaFa F YYSaFa 2 22 01642 0 86 238 774 1211 2 由此可知大齿轮的数值大 3 3 2 设计计算设计计算 mmmmmm mn 59 1 085 4 342 4 01642 0 65 1 88 0 8 610 2 2 3 3 2 3 2 2 4 97 0 24 14 cos 10 对比计算结果 由齿面接触疲劳强度计算的法面模数 大于由齿面齿根弯曲疲 mn 劳强度计算 的法面模数 取2 已可满足弯曲强度 但为了同时满足接触疲劳强 mn 度 需按接触疲劳强度得的分度圆直径 100 677mm 来计算应有的齿数 于是由 73 26 2 14cos11 55 cos 1 1 m d z n 取 则 取 27 1 z 81 10803 4 27 2 z 109 2 z 3 4 几何尺寸计算几何尺寸计算 3 4 1 计算中心距计算中心距 a mm mzz n 2 140 97 0 136 14cos2 2 10927 cos2 21 将中以距圆整为 141mm ee 10 3 4 2 按圆整后的中心距修正螺旋角按圆整后的中心距修正螺旋角 06 1497 0 arccos 2 1402 2 10927 arccos 2 arccos 21 a mzz n 因值改变不多 故参数 等不必修正 k ZH 3 4 3 计算大 小齿轮的分度圆直径计算大 小齿轮的分度圆直径 mm mm mz d mz d n n 224 97 0 218 14cos 2109 cos 55 97 0 54 14cos 227 cos 2 2 1 1 mma dd 5 139 2 22455 2 21 3 4 4 计算齿轮宽度计算齿轮宽度 mmb d d 5567 551 1 圆整后取 mmmm BB 61 56 12 低速级 取 m 3 30 3 z 由88 2 3 4 12 z z i 取 4 2 88 3086 4 z 87 4 z mmm mm zd zd 261873 90303 44 33 mmmma dd 5 175 2 26190 2 43 mmmmb d d 90901 3 圆整后取mmmm BB 95 90 34 ee 11 表表 1高速级齿轮 计 算 公 式名 称 代号 小齿轮大齿轮 模数m22 压力角 2020 分度圆 直径 d 2 27 54 zd m 11 2 109 218 zd m 22 齿顶高 ha 221 21 m hhh aaa 齿根高 hf 2 1 21 cm chhh aff 齿全高h m chhh a 2 21 齿顶圆 直径 da 11 2 aa m dhz m hzd aa 2 22 表表 2低速级齿轮 计 算 公 式名 称 代号 小齿轮大齿轮 模数m33 压力角 2020 分度圆 直径 d 3 27 54 zd m 11 2 109 218 zd m 22 齿顶高 ha 12 1 22 aaamhhh 齿根高 hf 2 1 21 cm chhh aff 齿全高h m chhh a 2 21 齿顶圆 直径 da 11 2 aa m dhz m hzd aa 2 22 ee 12 4 轴的设计轴的设计 4 1 低速轴低速轴 4 1 1 求输出轴上的功率求输出轴上的功率转速转速和转矩和转矩 p3 n3T3 若取每级齿轮的传动的效率 则 mN r kW n p T i n n ppp 842 7359550 76 125 69 9 9550 min 76 125 88 2 2 362 69 9 97 990 0 10 10 3 3 3 12 2 3 3210223 4 1 2 求作用在齿轮上的力求作用在齿轮上的力 因已知低速级大齿轮的分度圆直径为 mmmz d 4041014 44 N N N FF FF d T F ta n tr t 90814tan3642tan 1366 97 0 3639 0 3642 14cos 20tan 3642 cos tan 3642 404 10008 7352 2 4 3 圆周力 径向力 及轴向力 的 FtFrFa 4 1 3 初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径 先按式初步估算轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢 调质处理 根据 机械设计 第八版表 15 3 取 于是得 112 0 A mm n p Ad 64 47077 0 112 76 125 69 9 112 3 33 3 3 0min 输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径 为了使所选的轴直径与联轴 d12 器的孔径相适应 故需同时选取联轴器型号 联轴器的计算转矩 查表考虑到转矩变化很小 故取 则 TKTAca3 3 1 KA mmNmmN TKTAca 6 9565947358423 1 3 按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件 查标准 GB T 5014 2003 或手册 Tca ee 13 选用 LX4 型弹性柱销联轴器 其公称转矩为 2500000 半联轴器的孔径 mmN 故取 半联轴器长度 L 112mm 半联轴器与轴配合的毂孔 mm d 55 1 mm d 50 21 长度 mm L 84 1 4 1 4 轴的结构设计轴的结构设计 1 拟定轴上零件的装配方案 图 4 1 2 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1 根据联轴器为了满足半联轴器的轴向定位要示求 1 2 轴 84 50 1212 mmmml d 段右端需制出一轴肩 故取 2 3 段的直径 左端用轴端挡圈 按轴端直径取 mm d 62 32 挡圈直径 D 65mm 半联轴器与轴配合的毂孔长度 为了保证轴端挡圈只压在 mm L 84 1 半联轴器上而不压在轴的端面上 故 1 2 段的长度应比 略短一些 现取 L1 mm l 82 21 2 初步选择滚动轴承 因轴承同时受有径向力和轴向力的作用 故选用单列圆锥滚 子轴承 参照工作要求并根据 由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙 mm d 62 32 组 标准精度级的单列圆锥滚子轴承 30313 其尺寸为 d D T 65mm 140mm 36mm 故 而 mm dd 65 7643 mmmm dl 82 5 54 6565 3 取安装齿轮处的轴段 4 5 段的直径 齿轮的右端与左轴承之间 mm d 70 54 采用套筒定位 已知齿轮轮毂的宽度为 90mm 为了使套筒端面可靠地压紧齿轮 此轴 段应略短于轮毂宽度 故取 齿轮的左端采用轴肩定位 轴肩高度 mm l 85 54 故取 h 6mm 则轴环处的直径 轴环宽度 dh07 0 mm d 82 65 hb4 1 取 mm l 5 60 65 4 轴承端盖的总宽度为 20mm 由减速器及轴承端盖的结构设计而定 根据轴承 ee 14 端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求 取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距 离 l 30mm 故取 mm l 57 40 32 低速轴的相关参数 表 4 1 功率 p3 kW69 9 转速 n3 min 76 125r 转矩 T3 mN 842 735 1 2 段轴长 l 21 84mm 1 2 段直径 d 21 50mm 2 3 段轴长 l 32 40 57mm 2 3 段直径 d 32 62mm 3 4 段轴长 l 43 49 5mm 3 4 段直径 d 43 65mm 4 5 段轴长 l 54 85mm 4 5 段直径 d 54 70mm 5 6 段轴长 l 65 60 5mm 5 6 段直径 d 65 82mm 6 7 段轴长 l 76 54 5mm 6 7 段直径 d 76 65mm 3 轴上零件的周向定位 齿轮 半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接 按查表查得平键截面 d 54 b h 20mm 12mm 键槽用键槽铣刀加工 长为 L 63mm 同时为了保证齿轮与轴配合 有良好的对中性 故选择齿轮轮毂与轴的配合为 同样 半联轴器与轴的连接 6 7 n H 选用平键为 14mm 9mm 70mm 半联轴器与轴的配合为 滚动轴承与轴的周向 6 7 k H 定位是由过渡配合来保证的 此处选轴的直径公差为 m6 4 2 中间轴中间轴 4 2 1 求输出轴上的功率求输出轴上的功率转速转速和转矩和转矩 p2 n2T2 ee 15 mN rr kW n p T i n n ppp 6 263 2 362 10 10 95509550 min 2 362min 03 4 1460 10 1097 0 99 0 52 10 2 2 2 01 1 2 3200112 4 2 2 求作用在齿轮上的力求作用在齿轮上的力 1 因已知低速级小齿轮的分度圆直径为 mmmz d 140354 33 N N N FF FF d T F ta n tr t 35214tan1412tan 1412 97 0 3639 0 3765 14cos 20tan 3765 cos tan 3765 140 10006 2632 2 3 2 2 因已知高速级大齿轮的分度圆直径为 mmmz d 3991333 22 N N N FF FF d T F ta n tr t 12314tan495tan 495 97 0 3639 0 1321 14cos 20tan 1321 cos tan 1321 399 10006 2632 2 2 2 4 2 3 初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径 先按式初步估算轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢 调质处理 根据表 15 3 取 于是得 112 0 A mm n p Ad 6 33027 0 112 2 362 10 10 112 3 33 2 2 0min 轴的最小直径显然是安装轴承处轴的直径 d12 ee 16 图 4 2 4 2 4 初步选择滚动轴承初步选择滚动轴承 1 因轴承同时受有径向力和轴向力的作用 故选用单列圆锥滚子轴承 参照工作 要求并根据 由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 标准精度级mm d 35 21 的单列圆锥滚子轴承 其尺寸为 d D T 35mm 72mm 18 25mm 故 mm dd 35 6521 mm l 8 31 65 2 取安装低速级小齿轮处的轴段 2 3 段的直径 齿mm d 45 32 mm l 8 29 21 轮的左端与左轴承之间采用套筒定位 已知齿轮轮毂的宽度为 95mm 为了使套筒端 面可靠地压紧齿轮 此轴段应略短于轮毂宽度 故取 齿轮的右端采用mm l 90 32 轴肩定位 轴肩高度 故取 h 6mm 则轴环处的直径 轴环宽度 dh07 0 hb4 1 取 mm l 12 43 3 取安装高速级大齿轮的轴段 4 5 段的直径齿轮的右端与右端轴 45 54 mm d 承之间采用套筒定位 已知齿轮轮毂的宽度为 56mm 为了使套筒端面可靠地压紧齿 轮 此轴段应略短于轮毂宽度 故取 mm l 51 54 4 2 5 轴上零件的周向定位轴上零件的周向定位 齿轮 半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接 按查表查得平键截面 d 54 b h 22mm 14mm 键槽用键槽铣刀加工 长为 63mm 同时为了保证齿轮与轴配合有 良好的对中性 故选择齿轮轮毂与轴的配合为 同样 半联轴器与轴的连接 选用 平键为 14mm 9mm 70mm 半联轴器与轴的配合为 滚动轴承与轴的周向定位是 由过渡配合来保证的 此处选轴的直径公差为 m6 中间轴的参数 表 4 2 功率 p2 10 10kw 转速 n2 362 2r min 转矩 T2 263 6mN 1 2 段轴长 l 21 29 3mm ee 17 1 2 段直径 d 21 25mm 2 3 段轴长 l 32 90mm 2 3 段直径 d 32 45mm 3 4 段轴长 l 43 12mm 3 4 段直径 d 43 57mm 4 5 段轴长 l 54 51mm 4 5 段直径 d 54 45mm 4 3 高速轴高速轴 4 3 1 求输出轴上的功率求输出轴上的功率转速转速和转矩和转矩 p1 n1T1 若取每级齿轮的传动的效率 则 mN r kW n p T nn pp m d 09 68 1460 41 10 95509550 min 1460 41 10 1 1 1 1 41 4 3 2 求作用在齿轮上的力求作用在齿轮上的力 因已知低速级大齿轮的分度圆直径为 mmmz d 72243 11 N N N FF FF d T F ta n tr t 95 470249 038 189114tan38 1891tan 55 709 97 0 3639 0 38 1891 14cos 20tan 38 1891 cos tan 38 1891 72 100009 682 2 1 1 4 3 3 初步确定轴的最小直径初步确定轴的最小直径 先按式初步估算轴的最小直径 选取轴的材料为 45 钢 调质处理 根据表 15 3 取 于是得 112 0 A ee 18 mm n p Ad 54 211 0924 1 112 13 7112 1460 41 10 112 3 3 33 1 1 0min10 输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径 为了使所选的轴直径与联轴 d12 器的孔径相适应 故需同时选取联轴器型号 联轴器的计算转矩 查表 考虑到转矩变化很小 故取 则 TKTAca1 3 1 KA mmNmmN TKTAca 88517680903 1 1 按照计算转矩 应小于联轴器公称转矩的条件 查标准 GB T 5014 2003 或 Tca 手册 选用 LX2 型弹性柱销联轴器 其公称转矩为 560000 半联轴器的孔径mmN 故取 半联轴器长度 L 82mm 半联轴器与轴配合的毂孔长度mm d 30 1 mm d 30 21 mm L 82 1 4 4 轴的结构设计轴的结构设计 4 4 1 拟定轴上零件的装配方案拟定轴上零件的装配方案 图 4 3 4 4 2 根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度 1 为了满足半联 轴器的轴向定位要示求 1 2 轴段右端需制出一轴肩 故取 2 3 段 的直径 左端用轴端挡圈 按轴端直径取挡圈直径 D 45mm 半联轴器与mm d 42 32 轴配合的毂孔长度 为了保证轴端挡圈只压在半联轴器上 而不压在轴的端mm L 82 1 面上 故 段的长度应比 略短一些 现取 mm l 80 21 2 初步选择滚动轴承 因轴承同时受有径向力和轴向力的作用 故选用单列圆锥滚子 轴承 参照工作要求并根据 由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 mm d 42 32 标准精度级的单列圆锥滚子轴承 其尺寸为 d D T 45mm 85mm 20 75mm 故 而 mm mm dd 45 7643 mm l 75 26 87 75 31 43 l 3 取安装齿轮处的轴段 4 5 段 做成齿轮轴 已知齿轮轴轮毂的宽度为 61mm 齿 轮轴的直径为 62 29mm 4 轴承端盖的总宽度为 20mm 由减速器及轴承端盖的结构设计而定 根据轴 承端盖的装拆及便于对轴承加润滑脂的要求 取端盖的外端面与半联轴器右端面间的 距离 l 30mm 故取 mm l 81 45 32 5 轴上零件的周向定位 ee 19 齿轮 半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接 按 查表查得平键截面 d 54 b h 14mm 9mm 键槽用键槽铣刀加工 长为 L 45mm 同时为了保证齿轮与轴配合 有良好的对中性 故选择齿轮轮毂与轴的配合为 同样 半联轴器与轴的连接 6 7 n H 选用平键为 14mm 9mm 70mm 半联轴器与轴的配合为 滚动轴承与轴的周 6 7 k H 向定位是由过渡配合来保证的 此处选轴的直径公差为 m6 高速轴的参数 表 4 3 功率 p1 10 41kw 转速 n1 1460r min 转矩 T1 mN 09 68 1 2 段轴长 l 21 80mm 1 2 段直径 d 21 30mm 2 3 段轴长 l 32 45 81mm 2 3 段直径 d 32 42mm 3 4 段轴长 l 43 45mm 3 4 段直径 d 43 31 75mm 4 5 段轴长 l 54 99 5mm 4 5 段直径 d 54 48 86mm 5 6 段轴长 l 65 61mm 5 6 段直径 d 65 62 29mm 6 7 段轴长 l 76 26 75mm 6 7 段直径 d 76 45mm ee 20 5 5 齿轮的参数化建模齿轮的参数化建模 5 1 齿轮的建模齿轮的建模 1 在上工具箱中单击按钮 打开 新建 对话框 在 类型 列表框中选择 零件 选项 在 子类型 列表框中选择 实体 选项 在 名称 文本框中输入 dachilun gear 如图5 1所示 图5 1 新建 对话框 2 取消选中 使用默认模板 复选项 单击 确定 按钮 打开 新文件选项 对话框 选中其中 mmns part solid 选项 如图5 2所示 最后单击 确定 按钮 进入三维实体 建模环境 图5 2 新文件选项 对话框 2 设置齿轮参数 1 在主菜单中依次选择 工具 关系 选项 系统将自动弹出 关系 对话框 ee 21 2 在对话框中单击按钮 然后将齿轮的各参数依次添加到参数列表框中 具体 内容如图5 4所示 完成齿轮参数添加后 单击 确定 按钮 关闭对话框 图5 3输入齿轮参数 3 绘制齿轮基本圆 在右工具箱单击 弹出 草绘 对话框 选择 FRONT 基准平面作为草绘平面 绘制如图 5 4 所示的任意尺寸的四个圆 4 设置齿轮关系式 确定其尺寸参数 1 按照如图 5 5 所示 在 关系 对话框中分别添加确定齿轮的分度圆直径 基 圆直径 齿根圆直径 齿顶圆直径的关系式 2 双击草绘基本圆的直径尺寸 将它的尺寸分别修改为 修改的结d a d b d f d 果如图 5 6 所示 ee 22 图 5 4 草绘同心圆 图 5 5 关系 对话框 图 5 6 修改同心圆尺寸 图 5 7 曲线 从方程 对话框 5 创建齿轮齿廓线 1 在右工具箱中单击按钮打开 菜单管理器 菜单 在该菜单中依次选择 曲 线选项 从方程 完成 选项 打开 曲线 从方程 对话框 如图 5 7 所示 2 在模型树窗口中选择坐标系 然后再从 设置坐标类型 菜单 中选择 笛卡尔 选项 如图 5 8 所示 打开记事本窗口 3 在记事本文件中添加渐开线方程式 如图 5 9 所示 然后在记事本窗中选取 文件 保存 选项保存设置 图 5 8 菜单管理器 对话框 图 5 9 添加渐开线方程 4 选择图 5 11 中的曲线 1 曲线 2 作为放置参照 创建过两曲线交点的基准点 ee 23 PNTO 参照设置如图 5 10 所示 图 5 11 基准点参照曲线的选择 图 5 10 基准点 对话框 5 如图 5 12 所示 单击 确定 按钮 选取基准平面 TOP 和 RIGHT 作为放置参照 创建过两平面交线的基准轴 A 1 如图 6 13 所示 图 5 12 基准轴 对话框 图 5 13 基准轴 A 1 曲 线 1曲 线 2 ee 24 6 如图 5 13 所示 单击 确定 按钮 创建经过基准点 PNTO 和基准轴 A 1 的基 准平面 DTM1 如图 5 14 所示 5 5 15 基准平面对话框 5 15 基准平面 DTM1 7 如图 5 16 所示 单击 确定 按钮 创建经过基准轴 A 1 并由基准平面 DTM1 转过 90 z 的基准平面 DTM2 如图 5 17 所示 ee 25 图 5 16 基准平面 对话框 图 5 17 基准平面 DTM2 8 镜像渐开线 使用基准平面 DTM2 作为镜像平面基准曲线 结果如图 5 18 所示 图 5 18 镜像齿廓曲线 6 创建齿根圆实体特征 1 在右工具箱中单击按钮打开设 计图标版 选择基准平面 FRONT 作为草绘 平面 接收系统默认选项放置草绘平面 2 在右工具箱中单击按钮打开 类型 对话框 选择其中的 环 单选 ee 26 按钮 然后在工作区中选择图 5 19 中的曲线 1 作为草绘剖面 再图标中输入拉伸深度 为 b 完成齿根圆实体的创建 创建后的结果如图 5 20 所示 图 5 19 草绘的图形 5 20 拉伸的结果 7 创建一条齿廓曲线 1 在右工具箱中单击按钮 系统弹出 草绘 对话框 选取基准平面 FRONT 作 为草绘平面后进入二维草绘平面 2 在右工具箱单击按钮打开 类型 对话框 选择 单个 单选按钮 使用 和并结合绘图工具绘制如图 5 21 所示的二维图形 ee 27 图 5 21 草绘曲线图 5 22 显示倒角半径 3 打开 关系 对话框 如图 5 22 所示 圆角半径尺寸显示为 sd0 在对话框 中输入如图 5 23 所示的关系式 ee 28 图 5 23 关系 对话框 8 复制齿廓曲线 1 在主菜单中依次选择 编辑 特征操作 选项 打开 菜单管理器 菜单 选择其中的 复制 选项 选取 移动 复制方法 选取上一步刚创建的齿廓 曲线作为复制对象 图 5 24 依次选取的 菜单 2 选取 平移 方式 并选取基准平面 FRONT 作为平移参照 设置平移距离为 B 将曲线平移到齿坯的另一侧 图 5 25 输入旋转角度 3 继续在 移动特征 菜单中选取 旋转 方式 并选取轴 A 1 作为旋转复制参 照 设置旋转角度为 asin 2 b tan beta d 再将前一步平移复制的齿廓曲线旋 转相应角度 最后生成如图 5 26 所示的另一端齿廓曲线 ee 29 图 5 26 创建另一端齿廓曲线 9 创建投影曲线 1 在工具栏内单击按钮 系统弹出 草绘 对话框 选取 RIGUT 面作为草 绘平面 选取 TOP 面作为参照平面 参照方向为 右 单击 草绘 按钮进入草 绘环境 2 绘制如图 5 27 所示的二维草图 在工具栏内单击按钮完成草绘的绘制 图 5 27 绘制二维草图 3 主菜单中依次选择 编辑 投影 选项 选取拉伸的齿根圆曲面为投 影表面 投影结果如下图 5 28 所示 ee 30 图 5 28 投影结果 10 创建第一个轮齿特征 1 在主菜单上依次单击 插入 扫描混合 命令 系统弹出 扫描混合 操控面板 如图 5 29 所示 2 在 扫描混合 操控面板内单击 参照 按钮 系统弹出 参照 上滑面板 如图 6 30 所示 图 5 29 扫描混合 操作面板 图 5 30 参照 上滑面板 3 在 参照 上滑面板的 剖面控制 下拉列表框内选择 垂直于轨迹 选项 在 水平 垂直控制 下拉列表框内选择 垂直于曲面 选项 如图 5 30 示 4 在绘图区单击选取分度圆上的投影线作为扫描混合的扫引线 如图 5 31 示 ee 31 图 5 31 选取扫描引线 5 在 扫描混合 操作面板中单击 剖面 按钮 系统弹出 剖面 上滑面板 在上方下拉列表框中选择 所选截面 选项 如图 5 32 所示 图 5 32 剖面 上滑面板 图 5 33 选取截面 6 在绘图区单击选取 扫描混合 截面 如图 5 33 所示 7 在 扫描混合 操控面板内单击按钮完成第一个齿的创建 完成后的特征 如图 5 34 所示 扫描引线 ee 32 图 5 34 完成后的轮齿特征 图 5 35 选择性粘贴 对话框 11 阵列轮齿 1 单击上一步创建的轮齿特征 在主工具栏中单击按钮 然后单击按钮 随即弹出 选择性粘贴 对话框 如图 5 35 所示 在该对话框中勾选 对副本应用移 动 旋转变换 然后单击 确定 按钮 图 5 36 旋转角度设置 图 5 37 复制生成的第二个轮 齿 2 单击复制特征工具栏中的 变换 在 设置 下拉菜单中选取 旋转 选项 方向参照 选取轴 A 1 可在模型数中选取 也可以直接单击选择 输入旋转角度 360 z 如图 6 36 所示 最后单击按钮 完成轮齿的复制 生成如图 6 37 所 示的第 2 个轮齿 3 在模型树中单击刚刚创建的第二个轮齿特征 在工具栏内单击按钮 或者依 次在主菜单中单击 编辑 阵列 命令 系统弹出 阵列 操控面板 如图 6 38 所示 图 5 38 阵列 操控面板 ee 33 图 5 39 完成后的轮齿 图 5 40 齿轮的最终结构 4 在 阵列 操控面板内选择 轴 阵列 在绘图区单击选取齿根园