毕业论文利用普通车床车削圆弧装置的设计

1、毕业设计（论文）利用普通车床加工球面装置的设计Uses the conventional lathe processing spherical surface installment the design班级 计算机辅助设计与制造 学生姓名 丁小宇 学号830404004 指导教师 许大华 职称高级工程师导师单位机械工程系论文提交日期徐州工业职业技术学院毕业设计（论文）任务书课题名称利用普通车床加工球面装置的设计课题性质工程设计类班 级学生姓名学 号指导教师导师职称一、 选题意义及背景机械加工工艺中，在普通车床上对球面的加工一般采用两种方法，一种是成形刀具加工法，另一种是靠机床的主运动和进给运

2、动来切削球面的。第一种方法对加工半径较小的球面比较方便，而对半径比较大的球面就不易加工。第二种方法要求工人的操作技术较高，加工出来的球面的圆度较差，一般将超过0.5mm，达不到零件的精度要求。设计机械传动机构，以解决在普通车床上对球面进行加工的难题。二、毕业设计（论文）主要内容：主要是设计机械传动机构，通过机械传动使刀尖的运动轨迹成为圆弧，使所加工的工件作旋转运动，以达到加工球面的目的。三、计划进度： 1、第一周：根据毕业设计题目收集有关资料，并确定设计方案，绘制装配草图。 2、第二周：绘制装配图。 3、第三周：绘制相关零件图。 4、第四周：撰写毕业设计论文。5、第五周：修改完善，准备答辩。

3、6、第六周：参加毕业答辩。四、毕业设计（论文）结束应提交的材料：1、毕业设计论文一篇。2、装配图张。3、相关零件图 张。指导教师 教研室主任 年 月 日年 月 日摘 要采用车削方法加工球面其原理是一个旋转的刀具沿着一个旋转的物体运动，两轴线相交，但又不重合，那么刀尖在物体上形成的轨迹则为一球面。车削时，工件中心线应在同一平面上。其加工方法是将普通车床的小溜板卸去，安装上能进行回转运动的专用工具，以车削内外圆弧面。球面加工方法大概有如下几种：双手控制法 对于数量较少或单件成形面工件，可采用双手控制法进行车削，就是用右手握小溜板手柄，左手握中溜板手柄，使车刀运动为纵、横进给的合成运动，从而车出所要

4、求的成形面。双手控制成形法车削成形面，难度较大、生产效率低、表面质量差、精度低，所以只适用于精度要求不高、数量较少或单件产品的生产；成形刀车削法 把切削刀具刃磨成工件成形面的形状，从纵向或横向进给将成形面加工成形的车削方法，称为成形法。这种方法适合车削较大的内外圆弧槽或数量较多的成形面；仿形法 用仿形法车削成形面，劳动强度小、生产效率高、质量好，是一种比较先进的车削方法。仿形法车成形面特别适用于数量大，质量要求较高的大批量生产。用专用工具车削成形面 用专用工具车削内、外圆弧的原理是：车刀刀尖运动轨迹是一个圆弧，圆弧半径和成形面圆弧半径相等。关键词 ：球面 专用工具 运动轨迹AbstractUs

5、es turning method processing spherical surface its principle is a cutting tool along a revolving object movement, its knife point path is take some one as the center of circle circular motion, then the knife point forms on the object the path is a spherical surface.When turning, the work piece middl

6、e line should in the identical plane.Its processing method is removes the conventional lathe small apron, in the installment can carry on the gyroscopic motion the special-purpose tool, by turning in outer annulus cambered surface.The spherical surface processing method probably has the following se

7、veral kinds: Both hands control method are few regarding quantity or the single unit forming surface work piece, may use both hands control method to carry on the turning, is grasps the small apron handle with the right hand, the left hand grasps the apron handle, causes the lathe tool movement for

8、vertical, the infeed resultant motion, thus turns out the formed surface which requests.The two-hand control forming turning forming surface, the difficulty is big, the production efficiency lowly, the surface quality bad, the precision is low, therefore is only suitable for the precision request no

9、t high, quantity are few or the single unit product production; The forming tool turning law sharpens the work piece forming surface shape the cutting tool, will form the surface processing forming from longitudinal or the cross feed the turning method, will be called the forming.This method suits t

10、he turning big inside and outside circular arc trough or quantity many forming surface; The profiling law forms the surface slightly with the profiling law turning, the labor intensity, the production efficiency high, the quality is good, is one quite advanced turning method.The profiling law vehicl

11、e forming surface is suitable specially in quantity is big, quality requirement high mass production.Uses the special-purpose tool turning inside and outside circular arc with the special-purpose tool turning forming surface the principle is: The lathe tool knife point path is a circular arc, the ci

12、rcular arc radius and the formed surface circular arc radius is equal. Key words: Spherical surfaceSpecial-purpose toolPath目 录第一章蜗轮蜗杆概述11.1蜗杆传动的类型11.2蜗杆传动特点11.3蜗杆传动的基本参数和几何尺寸计算方法2蜗轮蜗杆传动的基本参数2第二章蜗轮蜗杆尺寸计算及结构设计82.1蜗杆蜗轮材料82.2蜗杆头数及蜗轮齿数82.3 切削力82.4按蜗轮齿面接触疲劳强度进行设计92.5蜗杆、蜗轮各部分尺寸计算102.6蜗杆传动的润滑112.7 蜗杆、蜗轮的结构设

13、计11第三章设计过程1231加工原理和方法1232确定设计方案123.2.1 靠模法车削圆弧123.2.2 平面连杆机构车削圆弧法13蜗轮蜗杆车削圆弧法13参考文献15致谢16第一章 蜗轮蜗杆概述图1 蜗轮蜗杆结构示意图蜗轮蜗杆传动机构因其具有空间交错轴之间的运动转换特性，被广泛应用在生产生活中。1.1蜗杆传动的类型蜗杆传动由蜗杆和蜗轮组成，用于传递空间两交错轴间的运动和动力。通常两轴交角=90°，一般蜗杆为主动件。根据蜗杆形状可分为圆柱蜗杆传动和圆环面蜗杆传动，见图2-2。圆柱蜗杆加工方便，圆环面蜗杆承载能力强。图2 蜗杆传动类型1.2蜗杆传动特点1）传动比大 在动力传动中，一般传

14、动比为810，在分度机构中可达1000以上。与其他传动形式相比，传动比相同时，机构尺寸小，因而结构紧凑。2）传动平稳 蜗杆齿是连续的螺旋齿，与蜗轮的啮合是连续的，因此传动平稳，噪声低。3)可以自锁 当蜗杆的导程角小于齿轮间的当量摩擦角时，若蜗轮为主动件，机构将自锁。这种蜗杆传动常用于起重装置中。4）效率低 蜗杆传动时，齿面上具有较大的滑动速度，摩擦磨损大，故效率约为0.70.8，具有自锁性的蜗杆传动效率仅为0.4左右。5）制造成本高 为了提高减磨性和耐磨性，蜗轮通常采用价格较为昂贵的有色金属制造。1.3蜗杆传动的基本参数和几何尺寸计算方法图3 蜗杆传动的基本参数与几何尺寸1.3.1蜗轮蜗杆传动

15、的基本参数图3 所示为阿基米德蜗杆传动的啮合图。通过蜗杆曲轴线垂直的水平面称中间平面，在中间平面内，相当于齿条与渐开线齿轮的啮合。因此，蜗杆传动规定以中间平面上的参数为基准，并沿用齿轮传动的计算关系。1模数和压力角 蜗轮蜗杆啮合时，在中间平面上，蜗杆的轴向模数和轴压力角应分别与蜗轮的端面模数和端面压力角相等，亦取标准值，由于两轴线正交，所以蜗杆分度圆上的导程角应与蜗轮分度圆上的螺旋角大小相等旋向相同，即蜗杆传动的正确啮合条件为:=2蜗杆头数蜗轮齿数和传动比蜗杆头数即为蜗杆螺旋线的数目，一般取=16。当传动比大于40或要求自锁时，取=1；当传动功率较大时，为提高传动效率取较大值，且蜗杆头数过多，

16、加工精度难于保证。蜗轮齿数一般取=2780。过少将产生根切；过大，蜗轮直径增大，与之相应的蜗杆长度增加，刚度减小。蜗杆传动的传动比等于蜗杆与蜗轮的转速之比。当蜗杆回转一周时，蜗轮被蜗杆推动转过个齿（或圈），因此，其传动比为 （1.1）式中，、分别为蜗杆和蜗轮的转速（r/min）。在蜗杆传动设计中，传动比的公称值按下列数值选取：5、7.5、10、12.5、15、20、25、30、40、50、60、70、80。其中10、20、40、80为基本传动比，应优先选用。蜗杆头数z1和可根据传动比查表1确定。表1 蜗杆头数i5671615323083z164213蜗杆分度圆直径d1和蜗杆导程角图4 为蜗杆分

17、度圆柱展开图，由图可得 （1.2） 式中，为蜗杆轴向齿距（mm）；为蜗杆分度圆直径(mm)。图 4 为蜗杆分度圆柱展开图蜗杆的螺旋线与螺纹相似，也分左旋和右旋，一般多为右旋。对动力传动，为提高效率应采用较大的值，即采用多头蜗杆；对要求具有自锁性能的传动，应采用<3°30"的蜗杆传动，此时蜗杆的头数为1。由式（1.2）得（1.3）式中，称为蜗杆的直径系数，当一定时，值增大，蜗杆刚度提高。小模数蜗杆一般有较大的值，以使蜗杆有足够的刚度。蜗杆与蜗轮正确啮合，加工蜗轮的滚刀直径和齿形参数必须和相应的蜗杆相同，为限制蜗轮滚刀的数量，亦标准化。与有一定的匹配如表2所示。表2 m、

18、z1、d1配置表m/mmd1/mmz1m²d1/mm³2181,2,47222.412,496281,2,411235.511422.5201,2,4125251,2,4,615631.51,2,41974512814中心距蜗杆传动中，当蜗杆节圆与蜗轮分度圆重合时称为标准传动，其中心距为 （1.4） 蜗杆传动几何尺寸计算方法圆柱蜗杆传动的几何尺寸计算公式见表2表3 圆柱蜗杆传动几何尺寸计算公式名称符号计算公式中心距=0.5m（q+）蜗轮轮缘宽度b根据表2-3选择蜗杆的螺纹部分长度根据表2-3中的公式计算蜗杆轴向模数或蜗轮端面模数m取为标准值蜗杆头数设计时取定蜗轮齿数=i传动

19、比ii=/蜗杆直径系数qq=/m齿顶高系数一般=1蜗杆轴向齿距=*m蜗杆螺旋线导程=蜗杆轴平面的齿形角=20°蜗杆分度圆柱面上的导程角=/q顶隙cc=（0.20.3）m蜗杆齿顶高=m蜗杆的齿根高=m+c蜗杆的全齿高=+=2m+蜗杆分度圆直径=qm蜗杆齿顶圆直径=+2m蜗杆齿根圆直径=-2m-2c蜗轮分度圆直径=蜗轮圆直径（主平面）=蜗轮齿根圆直径（主平面）=-2m-2c蜗轮外圆直径根据表2-3选取蜗轮齿宽建议取=2蜗轮齿宽角蜗轮咽喉母圆半径=表4 蜗轮宽度b、外圆直径以及蜗杆螺纹部分长度的计算公式1磨削的蜗杆需加长<10，加长25mm1016，加长35mm>16，加长50

20、mm24表5工作情况系数工作类型载荷性质均匀、无冲击不均匀、小冲击不均匀、大冲击每小时起动次数<2525-50>50起动载荷小较大大1.01.151.2表6 铝铁青铜及铸铁蜗轮的许用接触应力蜗轮材料蜗杆材料滑动速度0.5193468ZcuAl10Fe3淬火钢25013021018016012090HT150 HT200渗碳钢13011590ZcuSn5Pb5Zn5调质钢1109070注：蜗杆未经淬火时表中值需降低20%。表7 按蜗杆头数估算总效率蜗杆头数1234总效率0.70.80.850.9表8 普通圆柱蜗杆传动的当量摩擦角蜗轮齿圈材料锡青铜无锡青铜灰铸铁蜗轮齿面硬度HRC45H

21、RC<45HRC45HRC45HRC<45滑动速度当量摩擦角0.253°43´4°17´5°43´5°43´6°51´0.53°09´3°43´5°09´5°09´5°43´1.02°35´3°09´4°00´4°00´5°09´1.52°17´2°52&#

22、180;3°43´3°43´4°34´2.02°00´2°35´3°09´3°09´4°00´2.51°43´2°17´2°52´3.01°36´2°00´2°35´4.01°22´1°47´2°17´5.01°16´1°40&#

23、180;2°00´8.01°02´1°29´1°43´100°55´1°22´150°48´1°09´240°45´蜗杆传动的受力分析与斜齿圆柱齿轮的受力分析相似，齿面上的法向力可分解为三个互相垂直的分力：圆周力、轴向力、径向力，如图5所示。蜗杆为主动件，轴向力的方向由左、右手定则确定。图5为右旋螺杆，用右手四指指向蜗杆转向，拇指所指方向就是轴向力的方向。圆周力与主动蜗杆转向相反；径向力指向蜗杆中心。图5 蜗杆受力分

24、析图蜗轮受力方向由与、与、与的作用力与反作用力关系确定（见图5）。各力的大小可按下式计算：式中，、分别为作用在蜗杆和蜗轮上的转矩（N·mm）；为传动比；为蜗杆传动的总效率。第二章 蜗轮蜗杆尺寸计算及结构设计由于要设计的辅助装置是要安装到车床上使用的，所以尺寸必须与车床尺寸匹配才能正常使用。由于CA6140车床中滑板上表面到车床主轴中心的距离为105.5mm，所以所设计的装置尺寸要尽量小。2.1蜗杆蜗轮材料由于蜗杆是手动驱动，转速较低，所以蜗杆材料选用45钢，采用调质处理。蜗轮的转速低于<2m/s，且载荷较轻，所以可选用铸铁制造蜗轮。2.2蜗杆头数及蜗轮齿数 车削圆弧面时，车刀刀

25、尖运行要尽量平稳，所以选用具有自锁功能的单头蜗杆，且单头蜗杆具有大的传动比，比较省力。根据表2-1蜗杆头数选蜗杆头数=1。蜗轮齿数=i为避免蜗轮发生根切以及影响蜗杆刚度，常取=2880。由于车床中滑板表面距离到车床主轴中心高距离小，所以选=30。则i=30。蜗杆和蜗轮啮合时，蜗杆的轴向模数和压力角与蜗轮的端面模数和压力角相等，并把模数和压力角同时规定为标准值。部分标准模数见表2，标准压力角=20°。2.3 切削力切削力是工件材料抵抗刀具所产生的阻力。它影响工艺系统的强度，刚度和加工工件的质量的重要因素。切削力是设计机床 刀具和夹具 计算切削动力消耗的主要依据。在目前自动化生产 精密加

26、工中，常用切削力来检测加工表面质量加工精度和刀具磨损的程度。刀具在切削工件时由于切削与工件内部产生弹性和塑性变形的抗力，切削与工件对刀具产生的摩擦阻力，形成了作用在刀具上的合力F，如图6所示:图6刀具受力分析图在切削时，合力F作用在近切削刃空间某方向，由于大小与方向都不易确定，因此为了便于测量计算和反映实际作用的需要，常将力F分解为三个力。切削力Fc(主切削力Fz)在主动运动方向上分力；背向力Fp（切削抗力Fy）在垂直于工作平面上分力；进给力Ff（进给抗力Fx）在进给方向上的力。背向力Fp与进给力Ff也是推力FD的分力，推力FD是作用在切削层平面上且垂直于主切削刃。合力F和推力和各分力的之间的

27、关系：F2= F2D+F2C=F2C+F2P+F2f （1.3）在切削时候的主切削力是最大的，进给力和背向切削力是比较小的在实际切削的时候一般不考虑，只考虑主切削力。 切削力实验公式FC=CFc(ap)xFc(f)yFc(Vc)nFcKFc （1.4）Fp=CFp(ap)xFp(f)yFp(Vc)nFpKFp (1.5)Ff=CFf(ap)xFf(f)yFf(Vc)nFfKFf (1.6)式中，FC Fp Ff为为切削力（单位为N），ap为背吃到量，f为进给量，Vc为切削速度；各系数由加工条件确定。各指数xf yf值表明各参数对切削力影响，由查新编切削加工速查和金属切削原来与刀具手册表可以得到

28、表9 刀具的切削力参数表主偏角Kr=90°前角ro=15°刃倾角s= -5°进给量f=1.4背吃刀量ap=1mm切削速度Vc=100m/min刀尖的圆弧半径R=0.8mmCFCFC 2795CFP 1940CFf 2880刀具的材料合金钢将上面的公式带入切削实验公式：FC=CFc(ap)xFc(f)yFc(Vc)nFcKFc=1472N;Fp=CFp(ap)xFp(f)yFp(Vc)nFpKFp=487N;Ff=CFf(ap)xFf(f)yFf(Vc)nFfKFf=439N;2.4按蜗轮齿面接触疲劳强度进行设计因为蜗杆是手动驱动，所以功率较小，取KW，蜗杆转速=2

29、400 r/min。（1） 蜗轮上的转矩由表7，按=1，取效率=0.7。=9.55×=9.55×=8356.25 N·mm（2） 载荷系数查表5 ，取=1.0,假设3m/s,=1.1,载荷平稳，=1.0（3） 蜗轮材料的许用应力1） 由表6查得基本许用应力=130MPa2)复合参数=1.1×8356.25×=126.58mm³根据=126.58mm³ ，由表2查得=112时，得mm。（4） 蜗杆导程角=4°（5） 滑移速度=3.5（6）效率 由表2-8查得，= 4° 所以蜗杆传动的啮合效率为=0.49（7

30、）验算蜗轮圆周速度=2.5122.5蜗杆、蜗轮各部分尺寸计算中心距=44蜗轮轮缘宽度 b=32蜗杆的螺纹部分长度=25.6蜗杆轴向模数或蜗轮端面模数m=2蜗杆头数=1蜗轮齿数=30传动比i=30蜗杆直径系数q=14齿顶高系数=1蜗杆轴向齿距=6.28蜗杆螺旋线导程=6.28蜗杆轴平面的齿形角=20°蜗杆分度圆柱面上的导程角=4°顶隙c=0.4蜗杆齿顶高=2蜗杆的齿根高=2.4蜗杆的全齿高=4.4蜗杆分度圆直径=28蜗杆齿顶圆直径=32蜗杆齿根圆直径=23.2蜗轮分度圆直径=60蜗轮圆直径（主平面）=64蜗轮齿根圆直径（主平面）=55.6蜗轮外圆直径=68蜗轮齿宽=17.48

31、蜗轮齿宽角=80°蜗轮咽喉母圆半径=122.6蜗杆传动的润滑润滑对蜗杆传动特别重要，因为润滑不良时，蜗杆传动的效率将显著降低，并会导致剧烈的磨损和胶合。蜗杆机构通常选用粘度较大的润滑油，为提高其抗胶合能力，可加入油性添加剂以提高油膜的刚度，但青铜蜗轮不允许采用活性较大的油性添加剂，以免被腐蚀。闭式蜗杆传动的润滑油的粘度和润滑方法，一般可根据相对速度和载荷类型参考表10选取。开式蜗杆传动常采用粘度较高的齿轮油或润滑脂。表10 蜗杆传动的润滑油粘度及润滑方法滑动速度/(m/s)<1<2.5<5>510>1015>1525>25工作条件重载重载中载

32、粘度（40时）/(mm²/s)100068032022015010068润滑方法油浴油浴或喷油压力喷油润滑及其压力（MPa）0.070.20.3根据滑移速度选油浴润滑。2.7 蜗杆、蜗轮的结构设计蜗杆常和轴做成一体，称为蜗杆轴。只有1.7时，才采用蜗杆齿圈套装在轴上的形式。由于=23.2、=20=1.16<1.7所以蜗杆采用蜗杆轴形式。蜗轮结构分为整体式和组合式两种。整体式蜗轮用于铸铁蜗轮以及直径小于100mm的青铜蜗轮。组合式蜗轮分三种：齿圈式、螺栓式和镶铸式蜗轮。其中齿圈式蜗轮轮心用铸铁或铸钢制造，齿圈用青铜材料，两者采用过盈配合（H7/s6或H7/r6）并沿配合面安装4-

33、6个紧固螺钉，该结构用于中等尺寸而且工作温度变化较小的场合；螺栓式蜗轮齿圈和轮心用普通螺栓或铰制孔螺栓连接，常用于尺寸较大的蜗轮；镶铸式蜗轮将青铜轮缘铸在铸铁轮心上然后切齿，适合中等尺寸批量生产的蜗轮。由于蜗轮直径=64小于100mm，所以蜗轮的结构为整体式蜗轮。第三章 设计过程31加工原理和方法采用车削方法加工球面其原理是一个刀具沿着一个旋转的物体运动，其刀尖的运动轨迹是以某一点为圆心的圆周运动，那么刀尖在物体上形成的轨迹则为一球面。车削时，工件中心线应在同一平面上。其加工方法是将普通车床的小溜板卸去，安装上能进行回转运动的专用工具，以车削内外圆弧面。球面加工方法大概有如下几种：双手控制法

34、对于数量较少或单件成形面工件，可采用双手控制法进行车削，就是用右手握小溜板手柄，左手握中溜板手柄，使车刀运动为纵、横进给的合成运动，从而车出所要求的成形面。双手控制成形法车削成形面，难度较大、生产效率低、表面质量差、精度低，所以只适用于精度要求不高、数量较少或单件产品的生产；成形刀车削法 把切削刀具刃磨成工件成形面的形状，从纵向或横向进给将成形面加工成形的车削方法，称为成形法。这种方法适合车削较大的内外圆弧槽或数量较多的成形面；仿形法 用仿形法车削成形面，劳动强度小、生产效率高、质量好，是一种比较先进的车削方法。仿形法车成形面特别适用于数量大，质量要求较高的大批量生产。用专用工具车削成形面 用

35、专用工具车削内、外圆弧的原理是：车刀刀尖运动轨迹是一个圆弧，圆弧半径和成形面圆弧半径相等。32确定设计方案因为加工圆弧面方法很多，所以在选择时也经历了一个淘汰的过程。由于以前没有接触过此类装置，所以每一项都得仔细观察思考。3.2.1靠模法车削圆弧第一次想用靠模法作为设计方案，因为觉得这种方法很简单，设计起来也应该比较容易，但当仔细看完毕业设计要求以后，发现这个不符合课题要求，因为课题要求要设计一个传动机构，而靠模法中没有传动机构，并且靠模法所车削出的工件外形和模是一样的，因为靠模形状不能改变，所以所加工出的零件形状比较单一，所以不能选用。图3-1 尾座靠模法车削成形面1卡盘 2 工件 3 车刀

36、 4 刀架 5 靠模 6 尾座这种方法车削成形面，实际上是在普通车床上安装与车削的成形面形状相同的靠模板，使固定在中溜板滚柱紧贴靠模板的成形面进行移动，从而使刀具的移动轨迹与靠模板的成形面相同，车出成形面。用靠模法车削成形面时，由于靠模板滚柱与靠模面是切点贴合，所以只有切削刀具的刀圆弧半径等于滚柱的半径，车出的成形面才会合格。另外为使滚柱在靠模板的成形面上顺利滚动，滚柱直径应尽可能小一点。因为靠模法没有传动机构，所以，不能选用。3.2.2平面连杆机构车削圆弧法接下来发现平面连杆机构也比较简单，且满足毕业设计中的传动要求。图3-2 连杆机构1 工件 2 车刀 3 支架 4 刀架 5 连杆 6 连

37、杆支架 7 尾座连杆机构车削圆弧这个车内球面装置按装在车床尾座和刀架之间。把尾座紧锁在车床导轨上，把带有莫氏锥柄的锥杆插入尾座套筒的锥孔中，连杆通过铰链与锥杆连接，滑杆又与连杆铰连接并插入滑座中，滑座压紧在刀架上，滑杆可在滑座中自由滑动，车刀装在滑杆的左端。缓慢横向移动中滑板，从而带动刀架和滑座也横向移动，促使连杆摆动和滑杆在滑座中滑动，滑杆左端的车刀刀尖走出圆弧轨迹，与工件旋转运动合成就可以车出端面内球面，内球面的半径就等于连杆两铰接轴间的长度。这个装置最大的优点就是结构简单，但是如果端面内球面半径变化时，就要更换不同长度的连杆，为了保证做够强度，滑杆装刀从滑座中伸出尽量短，滑座也要紧靠刀架并压紧。更深的球面无法切削，因为滑杆的直径是不变的，随着长度变长长，刚度会变化。尾座的的加工装置和尾座锥柄的要有很高的同轴度，给加工制造带来很