哈工大 牛头刨床 课程设计报告

1、1 题目要求如下图所示牛头刨床的功能简图。刨刀水平作往复直线运动，切削安装在工作台上的工件。刨刀每切削一次，工作台沿着刨刀运动的水平垂直方向进给0.3，0.4，0.5mm/次，分3档2 题目解答2.1 工艺动作分析由设计题中牛头刨床的功能可得，牛头刨床加工平面（槽）时由两个工艺动作协调完成。即刨刀每刨削一次，工作台沿着刨刀运动水平垂直方向（上下垂直方向）进给一定的距离，为了避免两个动作发生干涉，工作台沿着刨刀运动的水平垂直方向（上下垂直方向）移动，必须在刨刀切削运动完成后在退刀运动时进行；为了避免工作台的进给与退刀时刀具产生干涉，刀具装有自动弹起装置。据此，可以画出牛头刨床的运动循环图。刨刀工

2、作行程（切削）空回行程工作台停止进给停止2.2 运动功能分析及运动功能系统图 动机及其运动形式分析一般情况下，牛头刨床是在工厂车间使用。在工厂车间里的设备大多是电动机，具有连续回转的运动特点。由题知电动机转速n=1420r/min，因此牛头刨床原动机的运动功能单元符号表达如图。 机械传动部分及其运动形式分析根据牛头刨床使用功能描述，牛头刨床每分钟切削102,126,158次，一般原动机转速要远大于这个值。因此需要减速，即传动比i>1，也就是说，机械传动部分应具有传动缩小功能，把一个转速较大的输入传动转换为转速较小的输出运动，其运动功能单元符号如图。 过载保护及其分析金属加工机床的原动机与

3、传动部分之间通常会加载一个过载保护单元，以便在过载时保护机床免于损坏。多数情况下，这一过载保护单元同时还有减速功能，表达符号如图。 滑移齿轮变速机构及其分析在过载保护与机械传动输出之间 ，要实现牛头刨床每分钟切削102，126，158次，要采用有级变速。由于电机转速为1420r/min。为了输出转速达到要求的值则传动比为：过载保护系统的传动比为3.21，让传动比为，经过过载保护后，机械传动部分采用两个变速齿轮使其转速降至102r/min。得：综上，1420r/min的转速经过带传动和和机械传动部分降至102r/min，而之前采用齿轮变速的传动比为：于是，传动的有级变速如图所示： 刨刀的执行机构

4、及其运动形式分析牛头刨床刨刀的运动形式为连续往复直线运动，而刨刀运动执行机构的主动件运动应该是前面机械传动部分的输出转动，因此刨刀运动执行机构应该是具有将连续转动转换成往复连续直线运动的功能，其功能图如图： 为了得到滑枕的运动，可采用如上图的运动功能单元，其实现的运动功能系统图如图 运动分支及其分析原动机只为牛头刨床提供了一个驱动运动，而牛头刨床有刨刀和工作台两执行运动需要驱动，在机械传动功能单元之后加一个分支功能单元，把一个输入运动分成三个输出运动，其运动功能符号如图所示：这里三个运动，有两个运动时同方向的，另一个是垂直方向的。将滑枕与水平垂直方向移动定位同方向，上下移动定为垂直方向。 工作

5、台及其运动形式分析由牛头刨床使用功能描述可知，牛头刨床工作台运动形式为间歇单向直线运动。下面，由于牛头刨床有工作台水平垂直方向和上下垂直方向进给，为避免重复，以水平垂直运动为例。1) 首先得运动分支输出的一个转动转换为摆动，其功能单元符号如图所示2) 然后将该功能单元输出的摆动转换为间歇运动，其功能单元如图：3) 一般情况下，间歇运动机构所输出运动每次转动的角度较小，为了得到较大的间歇运动角，可通过放大功能单元放大间歇运动转角，其运动功能单元符号如图。4) 最后，工作台要实现单向移动，需要把输出转动转化为单向运动，其运动功能单元符号如图。牛头刨床实际功能系统图：2.3 系统运动方案拟定图表 1

6、 电机替代运动功能单元1能够实现这一功能单元的载体有：三相交流电动机，步进电机，交流伺服电机液压马达等，一般情况下，工厂采用的普通机床都用三相交流电动机。因此，牛头刨床也用三相交流电动机为原动机，额定转速为1420r/min。图表 2 带传动替代运动功能单元2能够实现该功能的运动单元有：带传动，摩擦轮传动，安全联轴节。带传动具有传动可靠，结构简单，安装方便，成本低等优点，但也有尺寸大，精度低等缺点，但对于要求不严格，精度不高的牛头刨床中，可以用带传动满足过载保护的功能。图表 3 滑移齿轮变速代替运动单元3图表 4 第二级齿轮传动代替运动单元4满足该传动机构的结构单元有：齿轮传动，带传动，行星传

7、动机构，连杆机构等。但由于圆柱齿轮传动具有传动可靠，结构简单，强度高，尺寸小等优点，因此选用齿轮传动机构用于满足变速降低转速的的功能。图表 5 六连杆滑块机构代替运动单元5能够实现该功能的机构有：曲柄滑块机构，六连杆滑块机构，移动从动件凸轮机构等。由于该结构用于牛头刨床的切削，刨削金属时，其切削力较大，因此采用低副机构，由于运动有急回特性，故采用六连杆滑块机构。图表 6铰链四杆机构与摆动从动件替代运动单元6能满足该结构的机构有：平面曲柄摇杆结构，摆动从动件盘型凸轮结构，摆动导杆结构，曲柄六连杆机构等。可以从中选出摆动从动件盘型凸轮结构和铰链四杆机构组合在一起的结构以满足该功能。图表 7 棘轮机

8、构代替运动单元7能满足该功能的结构有：棘轮机构，组合机构等。可以从中选出棘轮机构满足该功能。图表 8 齿轮传动机构代替运动单元8能实现该功能的结构有：齿轮传动机构，带传动机构，链传动机构，行星传动机构，蜗杆机构等。可从中选出齿传动机构满足该功能。图表 9 螺旋机构代替运动单元9能实现该功能的结构有：齿轮齿条机构，螺旋机构，带传动机构，链传动机构等。从中选出螺旋机构满足该功能。2.4 系统运动方案设计2.4.1执行机构运动（牛头刨床刨刀运动）尺寸的确定由图2-68可以看到，牛头刨床刨刀运动执行机构是六杆机构，该机构的清晰简图如图2-69所示。根据上述牛头刨床的已知条件，滑枕行程为 H=500mm

9、 （2-1）并设，连杆BC驱动滑枕的最大压力角为 （2-2）该牛头刨床的行程速比系数为 K=2 （2-3）令点O5到滑枕导路的距离为y，点O5到导杆竖直位置时点B的距离为y1，点O5到连线的距离为y2，则 当 （2-6）时，连杆BC驱动滑枕的最大压力角最小。 （2-7）由图2-69可知，牛头刨床的行程为 （2-8）图2-69所示曲柄摆动导杆机构的极位夹角为 （2-9）根据已知行程速比系数，极位夹角为 (2-10)于是，导杆O5B的长度为 （2-11）连杆BC的长度为 （2-12）设导杆O5B长度与曲柄，导杆转动中心距离的比为 (2-13)则曲柄，导杆转动中心距离为 (2-14)曲柄O4A的长度

10、为 （2-15）2.4.2 牛头刨床主传动机构运动尺寸的确定A.带传动设计（1） 传动带类型和带传动形式按传递功率4kw进行设计。根据表9-1，表9-3,选择普通V带开口传动。（2） 普通V带传动的设计计算按表9-12的步骤进行计算，见表2-1.表2-1 V带传动的设计计算序号计算项目符号单位计算公式和参数选定说明1设计功率PdKWPd=KAP=1.3×4=5.2 kW传递的功率P=4Kw工况系数KA=1.3，查表9-13.2选定带型根据Pd和n1由图9-3选A型普通V带小带轮转速n1=1420r/min3初定传动比ii5根据表9-1,9-3.4小带轮基准直径dd1mm按表9-15，

11、dd1=100mm为提高V带的寿命，宜选取较大的直径5大带轮基准直径dd2mm按表9-15，dd2=315mm6传动比i取=0.02n2-大带轮转速（r/min）-弹性滑动率，通常取0.01-0.027带速vm/s普通V带Vmax=2530m/s一般V不得低于5m/s为充分发挥V带的传动能力，应使V=20m/s8初定轴间距a0mm或根据结构要求订9所需基准长度Ld0mm由表9-8表9-10选取相近的Ld,对有效宽度制V带，按带轮有效直径计算所需长度，再由表9-11选取相近带长10实际轴间距amm安装时所需最小轴间距amin=a-0.015Ld 张紧或补偿伸长所需最大轴间距 amax=a+0.0

12、3Ld11小带轮包角1°若较小，应增大中心距a或用张紧轮。12单根V带传动额定功率P1kW查表9-17c，P1=1.32kWP1是，载荷平稳时，特定基准长度的单根V带基本额定功率13传动比的额定功率增量kW查表9-17c，14V带的根数ZKa-小带轮包角修正系数，查表9-18.Ka=0.92KL-带长修正系数，查表9-19.9-20KL=1.01不进行进一步计算B.齿轮机构设计(1) 牛头刨床齿轮传动机构的传动分配上述带传动设计计算中，得到带传动的传动比为 i带=3.21带传动与齿轮传动的总传动比为 i总=13.92, i总2=11.27,i总=8.99设第二级传动 =2.08则第一

13、级传动比 i56=2.08,i56=1.68,i56=1.35(2) 牛头刨床齿轮传动的几何尺寸计算两级齿轮传动采用直齿圆柱齿轮，其模数均按2mm取值，其几何尺寸按照表2-2进行。 表2-2 滑移齿轮变速传动中每对齿轮几何尺寸及重合度的计算滑移齿轮5和齿轮6序号项目代号计算公式及计算结果1齿数齿轮5z513齿轮6z6272模数m23压力角20°4齿顶高系数ha*15顶隙系数c*0.256标准中心距a = (z5+z6)/2=407实际中心距a408啮合角=arccosacosa=20°9变位系数齿轮5x50.300齿轮6x6-0.30010齿顶高齿轮5ha5ha5=mha*

14、+x5-y=2.600mm齿轮6ha6ha6=mha*+x6-y=1.400mm11齿根高齿轮5hf5hf5=mha*+c*-x5=1.900mm齿轮6hf6hf6=mha*+c*-x6=3.100mm12分度圆直径齿轮5d5d5=mz5=26.000mm齿轮6d6d6=mz6=54.000mm13齿顶圆直径齿轮5da5da5=d5+2ha5=31.400mm齿轮6da6da6=d6+2ha6=56.800mm14齿根圆直径齿轮5df5df5=d5-2hf5=22.200mm齿轮6df6df6=d6-2hf6=47.800mm15齿顶圆压力角齿轮5a5a5=arccosd5cosda5=38.

15、914°齿轮6a6a6=arccosd6cosda6=26.700°16重合度=z5tana5-tan+z6tana6-tan /2=1.514滑移齿轮5和齿轮6序号项目代号计算公式及计算结果1齿数齿轮5z515齿轮6z6252模数m23压力角20°4齿顶高系数ha*15顶隙系数c*0.256标准中心距a = (z5'+z6')/2=407实际中心距a408啮合角=arccosacosa=20.000°9变位系数齿轮5x50.200齿轮6x6-0.20010齿顶高齿轮5ha5ha5'=mha*+x5'-y=2.400mm齿

16、轮6ha6ha6'=mha*+x6'-y=1.600mm11齿根高齿轮5hf5hf5'=mha*+c*-x5'=2.100mm齿轮6hf6hf6'=mha*+c*-x6'=2.900mm12分度圆直径齿轮5d5d5'=mz5'=30.000mm齿轮6d6d6'=mz6'=50.000mm13齿顶圆直径齿轮5da5da5'=d5'+2ha5'=34.800mm齿轮6da6da6'=d6'+2ha6'=53.200mm14齿根圆直径齿轮5df5df5'=d5

17、9;-2hf5'=25.800mm齿轮6df6df6'=d6'-2hf6'=44.200mm15齿顶圆压力角齿轮5a5a5'=arccosd5'cosda5'=35.896°齿轮6a6a6'=arccosd6'cosda6'=27.972°16重合度=z5'tana5'-tan+z6'tana6'-tan /2=1.524滑移齿轮和齿轮序号项目代号计算公式及计算结果1齿数齿轮17齿轮z6"232模数m23压力角20°4齿顶高系数ha*15顶隙系

18、数c*0.256标准中心距a = (z5"+z6")/2=407实际中心距a408啮合角=arccosa*cosa=20.000°9变位系数齿轮0.000齿轮x6"0.00010齿顶高齿轮ha5"ha5"=mha*+x5"-y=2.000mm齿轮ha6"ha6"=mha*+x6"-y=2.000mm11齿根高齿轮hf5"hf9=mha*+c*-x5"=2.500mm齿轮hf6"hf6"=mha*+c*-x6"=2.500mm12分度圆直径齿轮d5

19、"d5"=mz5"=34.000mm齿轮d6"d6"=mz6"=46.000mm13齿顶圆直径齿轮da5"da5"=d5"+2ha5"=38.000mm齿轮da6"da6"=d6"+2ha6"=50.000 mm14齿根圆直径齿轮df5"df5"=d5"-2hf5"=29.000mm齿轮df6"df6"=d6"-2hf6"=41.000mm15齿顶圆压力角齿轮a5"a

20、5"=arccosd5"cosda5"=32.778°齿轮a6"a6"=arccosd6"cosda6"=30.172°16重合度=z5"tana5"-tan+z6"tana6"-tan /2=1.553圆柱齿轮7与齿轮8 序号项目代号计算公式及计算结果1齿数齿轮7z713齿轮8z8272模数m23压力角20°4齿顶高系数ha*15顶隙系数c*0.256标准中心距a = (z7+z8)/2=407实际中心距a408啮合角=arccosacosa=20

21、76;9变位系数齿轮7x70.300齿轮8x8-0.30010齿顶高齿轮7ha7ha7=mha*+x7-y=2.600mm齿轮8ha8ha8=mha*+x8-y=1.400mm11齿根高齿轮7hf7hf7=mha*+c*-x7=1.900mm齿轮8hf8hf8=mha*+c*-x8=3.100mm12分度圆直径齿轮7d7d7=mz7=46mm齿轮8d8d8=mz8=54mm13齿顶圆直径齿轮7da7da7=d7+2ha7=31.400mm齿轮8da8da8=d8+2ha8=56.800mm14齿根圆直径齿轮7df7df7=d7-2hf7=22.200mm齿轮12df8df8=d8-2hf8=4

22、7.800mm15齿顶圆压力角齿轮11a7a7=arccosd7cosda7=38.914°齿轮12a8a8=arccosd8cosda8=26.700°16重合度=z7tana7-tan+z8tana8-tan /2=1.514圆锥齿轮32与33序号项目代号计算公式及计算结果1齿数齿轮32z3223齿轮33z33232模数m23压力角20°4齿顶高系数ha*15顶隙系数c*0.26分度圆锥角齿轮323232=arccot(z33/z32)=45.000°齿轮333333=90°-32=45.000°7分度圆直径齿轮32d32d32=

23、mz32=46.000mm齿轮33d33d33=mz33=46.000mm8锥距RR=12d322+d332=32.527mm9齿顶高齿轮32ha32ha32=mha*=2.000mm齿轮33ha33ha33=mha*=2.000mm10齿根高齿轮32hf32hf32=mha*+c*=2.400mm齿轮33hf33hf33=mha*+c*=2.400mm11齿顶圆直径齿轮32da32da32=d32+2ha32cos32=48.828mm齿轮33da33da33=d33+2ha33cos33=48.828mm12齿根圆直径齿轮32df32df32=d32-2hf32cos32=42.606mm

24、齿轮33df33df33=d33-2hf33cos33=42.606mm13当量齿数齿轮32z32z32=z32cos32=32.527齿轮16z33z33=z33cos33=32.52714当量齿轮齿顶圆压力角齿轮15a32a32=arccosmz32cosmz32+2ha32=27.716°齿轮16a33a33=arccosmz33cosmz33+2ha33=27.716°15重合度=z32tana32-tan+z33tana33-tan /2=1.6712.4.3牛头刨床辅传机构运动尺寸的确定1 牛头刨床辅传机构基本参数的确定（1）凸轮运动角的确定凸轮运动角决定着工作

25、台语刨刀运动协调的时序。由图2-68看到，凸轮9与曲柄16固联。由图2-2牛头刨床运动循环图看到，当牛头刨床的刨刀在运动行程时，其工作台静止。当牛头刨床的刨刀空回到行程的一半时，其工作台开始进给运动，当刨刀空回到行程的四分之三时，其工作台停止进给运动。设牛头刨床主运动执行机构的曲柄顺时针转动，如图2-69所示，曲柄23由位置O4A转到O4A时，工作台静止，这意味着驱动工作台运动的凸轮机构处于休止状态，当曲柄16由位置O4A顺时针转到竖直位置（与O4O5重合）时，刨刀空回到行程的一半，工作台仍然静止。此后，工作台才开始进给运动。也就是说，凸轮的升程和回程都在刨刀空回行程的最后二分之一完成。综上所

26、述，凸轮的各个运动角见表2-3. 表2-3 凸轮运动角运动角名称近休止角升程运动角远休止角回程运动角运动角值270°+/2=300°=30°=30°（2）凸轮，棘轮，丝杠，齿轮基本参数的确定A、水平进给方向 工作台驱动丝杠的参数根据牛头刨床的功能描述，其工作台每次进给量为 s1=0.30、0.40、0.50mm (2-21)选取梯形螺纹丝杠，其公称直径为 d1=32mm (2-22)其螺距为 p1=6mm (2-23) 其标记记为Tr32×6。 为了使工作台（螺母）22（见图2-68）每次进给为s，即 (2-24) 由此得丝杠每次所需转角为 1

27、8°、24°、30° (2-25)工作台驱动丝杠前端齿轮与棘轮机构的参数工作台驱动丝杠前段传动齿轮为齿轮14，齿轮15（见图2-68），齿轮14与棘轮13固联齿轮15与丝杠21固联。齿轮15的转角 18°、24°、30° (2-26)齿轮14的转角为 (2-27)棘轮每次转过的转角为 (2-28)式中，-棘轮每次转过的齿数由式（2-27）和式（2-28）得 （2-29）设棘轮每次转过的齿数为 （2-30）并式（2-26）,（2-30）代入（2-29）整理得 （2-31）因为棘轮驱动摆杆12的摆角为 （2-32）根据式（2-31）和（2

28、-32）得表2-4 表2-4 齿轮，棘轮齿数关系z1450353631z1330425462由表2-4看看到齿轮14的齿数Z14越大棘轮13的齿数Z13越小，棘轮驱动摆杆12的摆角则越大。为了使摆角小一点，齿轮14的齿数选取较小的值。考虑到齿轮14和齿轮15啮合时的性能更好一点，两者的齿数互为质数，取z13=z13=z13=54考虑到凸轮的升程不易过大，应使齿轮15的齿数小于齿轮14的 齿数。还考虑到丝杠的直径（齿轮15与丝杠21的轴颈装配），齿轮15的 齿数不易过小，取z15>25,根据式（2-31），（2-24），（2-32）进一步选定并计算水平进给运动变速机构棘轮与各传动齿轮参数如

29、下：Z13z13=z13=z13=53Z14Z14=34Z14=39Z14=43Z15Z15=37Z15=33Z15=2915=2118.73°24.08°30.21°每次水平进给量S10.312mm/次0.401mm/次0.503mm/次把上表数据代入式(2-34)得棘轮驱动摆杆12的摆角为 (2-40)B、 垂直进给方向 工作台驱动丝杠的参数根据牛头刨床的功能描述，其工作台每次进给量为 s2=0.20、0.30、0.40mm (2-41)选取梯形螺纹丝杠，其公称直径为 d2=32mm (2-42)其螺距为 p2=6mm (2-43) 其标记记为Tr32

30、5;6。 为了使工作台（螺母）22（见图2-68）每次进给为s2，即 (2-44) 由此得丝杠每次所需转角为 12°、18°、24° (2-45) 作台驱动丝杠前端齿轮与棘轮机构的参数工作台驱动丝杠前段传动齿轮为齿轮29，齿轮30（见图2-68），齿轮29与棘轮28固联齿轮30与丝杠31固联。齿轮29的转角 12°、18°、24° (2-46)齿轮29的转角为 (2-47)棘轮每次转过的转角为 (2-48)式中，-棘轮每次转过的齿数由式（2-47）和式（2-48）得 （2-49）设棘轮每次转过的齿数为 （2-50）并式（2-46）,（2-50）代入（2-49）整理得 （2-5