Y3150E滚齿机滚齿刀架设计（可编辑）

目录摘 要3第一章 绪论111滚齿机国内外研究现状现状112 滚齿机研制技术的发展趋势2第二章 滚齿机总体设计421滚齿机总体方案设计422 拟定传动方案设计423 确定详细传动方案624 滚齿机各部件方案设计7com 床身设计7com 主传动箱设计7com 刀架立柱设计8244 滚刀牙箱设计8245 工作台设计8246 外支架设计8第三章 滚刀箱结构设计931滚刀箱的特性932滚刀箱的结构设计9com 滚刀箱的功能结构分析9com 滚刀箱的壁厚933 滚刀箱的设计计算10com 斜齿轮的设计10com 滚刀心轴的结构设计14第四章 刀架底座部件设计1741 工作要求1742窜刀运动与工件轴旋转的联动关系1743刀架底座部件的结构特点1844动力参数设计18com切削力的关系及坐标变换18com 等效负载转矩计算21com 等效转动惯量的计算23com 加速度扭矩的计算2445滚柱丝杠副支承设计技术研究26com 滚动轴承的选择26com 支承形式设计26com预拉伸设计2746 滚刀轴部件锁紧的实现29第五章 滚刀箱形状和尺寸的确定33第六章 结束语34参考文献35致 谢36附 录137附 录238摘 要齿轮加工正朝着环保高效高精度及无屑加工方向发展齿轮加工机床正朝着全数控功能复合柔性自动化安全性及网络化方向发展传统机械式滚齿机传动结构异常复杂传动效率低传动精度差磨损严重切削速度低在各方面都不能满足现代滚齿机的性能要求普通全数控滚齿机虽然具有全数控化柔性好安全的特点但是机械传动环节的存在始终限制其加工速度的提升不能适应干式切削的需要因此国外的部分厂家从最近几年才开始研制零传动齿轮加工机床零传动滚齿机突破了传统齿轮加工机床的结构设计原理采用电主轴和内置力矩电机直接驱动滚刀旋转运动和工件轴旋转运动是齿轮机床设计技术的重大变革但国外零传动机床的售价很高是一般数控机床的 23倍设计原理和技术资料严格保密形成了技术垄断的局面为了打破国外的技术垄断尽快提高我国齿轮加工机床的设计制造水平研究和开发高速高精度零传动滚齿机是十分必要的零传动滚齿机的研制基于零传动功能部件由电主轴直接驱动的零传动刀架部件是研发的核心之一我的课题主要内容是滚齿机刀架系统设计滚刀箱固定在刀架滑板上滚刀心轴插入滚刀主轴并用拉紧螺栓固定在主轴上为了保证主轴与前轴承的适当间隙前轴承是做成外锥并开口调整轴承上的两个螺母可以使前轴承做轴向移动使前轴承孔收缩便可消除主轴和轴承间过大的间隙关键词滚齿机刀架动静态特性ABSTRACTThe gear processing is developed an environment protecting high-efficiencyhigh-precision and chipless machining mode meanwhile the gear machine tools developed the completely-digital-control function-complex flexible automatic secure and network mode Traditional gear hobbing machine can not satisfy performance demand of modern gear hobbing machine because of its disadvantages such as complex drive structure low drive efficiency low drive precision bad abrasion low cutting speed and etc normal NC gear hobbing machine has characteristics of CNCgood flexible and safety but because the mechanical drive limit the cutting speed it also can not fit for the demand of dry cuttingso some overseas companies have started to study zero-chain gear hobbing machine zero-chain gear hobbing machine breaks through structure design principle of traditional gear cutting machine in which motorized spindle and built-in torque motor have been applied to realize rotary of hobbing cutter and workpiece-shaftit is an important technological innovation of the design of gear machine tool But the foreign Nought-Drive machine tools are expensive 2-3 times as much as the common digital-control machine tool the design theory and the pertinent technical data are all kept absolutely secret that formed a situation of monopoly technologyIn order to break the technology monopoly and improve the level of designingmanufacturing rapidly in our countrys gear cutting machine its very necessary to study and develop high-speed and high-precision direct drive gear hobbing machine one key of the research is the direct drive hobheadThe topic main content of topic is hob-cutter frame design as well as the spindle assembly design Rob cutter frame is fixed on the slide of cutter rack the hob shaft is inserted into hob spindle and fixed with the draw-in bolt on the main axle In order to guarantee the spindle and the suitable front bearing gap the front bearing has the outer cone and the aperture Adjusting on the bearing two nuts it causes bearing movement along the front axle when motion and causes contraction of the front bearing hole then to be possible to eliminate the gap between the main axle and the bearing Key words Direct-drive Gear Hobbing Machine hobhead dynamic-static performance第一章 绪论11滚齿机国内外研究现状现状齿轮加工机床是一种技术含量高且结构复杂的机床系统由于齿轮使用的量大面广齿轮加工机床已成为汽车摩托车工程机械船舶等行业的关键设备特别是随着汽车工业的高速发展对齿轮的需求量日益增加对齿轮加工的效率质量及加工成本的要求愈来愈高使齿轮加工机床在汽车摩托车等行业中占有越来越重要的作用滚齿机是齿轮加工机床中的一种其占齿轮加工机床拥有量的4050它主要用来加工圆柱齿轮和蜗轮等随着重型车市场的高速扩张和产销量的迅速增长变速箱和齿轮制造行业的内部竞争必将进一步加剧为齿轮机床行业增加了良性发展的大好机会各生产厂商大规模技改投资齿轮加工机床目前国际上生产滚齿机的强国美国德国和日本也是世界经济强国和汽车生产大国美国Gleason-pfauter公司德国的Liebherr 公司日本的三菱重工公司坚藤清和公司和意大利的SU公司是国外最具实力的滚齿机制造商这些公司目前生产的滚齿机都是全数控式的中小规格滚齿机都在朝着高速方向发展所有高效机床均采用了全密封护罩加油雾分离器及磁力排屑器的方式部分地解决环保问题近年来为更好地满足滚齿加工中的绿色制造德国Liebherr 公司早在十几年前就开始研究高速干式切削滚齿机日本三菱重工则是最早将高速干式切削滚齿机商品化的制造商它们的成功还得益于滚刀制造技术的提高目前LiebherrGleason-pfauter三菱重工SU坚藤和清和均开发了适用于高速干式切削的滚齿机产品在特别重视环保的世界著名齿轮制造商中如德国ZF公司美国Ford汽车公司等使用高速干式滚齿已成为主流在我国上海汽车齿轮公司及陕西发士特公司也已开始采购三菱重工公司生产的干式切削滚齿机近几年我国在滚齿机设计技术方面研究的主要内容经历了从传统机械式滚齿机通过数控改造发展为2-3轴直线运动轴实用型数控高效滚齿机到全新的六轴四联动数控高速滚齿机的开发滚齿机加工钢件全部采用湿式滚齿方式目前国内主要滚齿机制造商重庆机床厂及南京二机床有限责任公司生产的系列数控高效滚齿机已采取全密封护罩加油雾分离器和磁力排屑器的方式部分地解决环保问题世界上滚齿机产量最大的制造商重庆机床厂从2001年开始研究面向绿色制造的高速干切滚齿技术2002年初研制成功既能干切又能湿切的YKS3112六轴四联动数控高速滚齿机2003年初又开始研制面向绿色制造的YE3116CNC7高速干式切削滚齿机即将进入商品化阶段传统滚齿机在加工过程中有以下特点 1 滚削齿轮时应用切削液可提高刀具寿命改善加工表面质量和利于排出切削热而不致引起机床的热变形但是在高速切削过程中切削液的飞溅和形成的油雾对生态环境和人类特别有害变质切削液的排放也会严重污染环境 2 机床漏混油严重 3 加工成本高机床的材料用量能耗油耗及附加费大湿式齿轮加工中消耗的切削液及切削液附加装置的费用占加工成本的20左右 4 生产效率低下加工质量差难以满足现代企业生产的要求12 滚齿机研制技术的发展趋势 高速高效化172434-35综合上面的分析比较我们可以看到具有国际先进水平的滚齿机充分利用了高速切削的原理滚刀最高转速均在3000rmin以上Liebherr的LC80立式滚齿机甚至达到了9000rmin7不仅提高了生产效率而且由于切屑带走了90以上的切削热既能保证工件的精度又省去了冷却工件的切削液避免了环境污染 全数控化11-1824通过对机床各运动轴的 CNC 控制及部分轴间的联动可增加机床功能使滚削小锥度及鼓形齿轮变得简单可缩短传动链提高各轴精度和重复定位精度可省去计算及更换分齿挂轮和差动挂轮进给及主轴换档时间从而减少辅助加工时间增加机床柔性由于机械结构变得简单可在设计时更有利于提高机床的刚性及把热变形降到更低各轴间没有机械联系结构设计变得更加典型有利于实施模块化设计及制造 零传动化及高速干式切削1733国外先进滚齿机已经广泛采用了零传动功能部件最常见的是刀架由电主轴直接驱动部分厂家工作台由力矩电机直接驱动零传动滚齿机滚刀轴速度一般在 3000 转分以上能够达到干式切削的速度要求实现了机床的环保化干式切削滚齿机使齿轮加工彻底摆脱了切削液从根本上解决了环境污染问题还能提高 2 倍以上的加工效率提高刀具 14 倍的寿命大大降低单件齿轮加工的成本 网络化17由于计算机技术的高速发展现在的高档数控系统已具备通讯联网的功能数控机床正朝着网络化方向发展实现远程监控和加工的功能减少工人负担提高加工效率 智能化19由于计算机技术及数控技术的发展智能技术也逐渐应用于高性能数控齿轮机中具体表现在1 完成加工质量与加工过程智能控制根据对工件在线检测的结果和实时采集的机床状态预测工件的加工质量并及时调整加工过程的工艺参数以保证机床的加工精度2 智能诊断故障诊断的智能化表现在两方面一方面是机床会对曾经产生的故障作记录当下次碰到该故障时它会首先提示可能的原因另一方面现场信息经过压缩存贮在机床的黑匣子中一旦机床发生的故障超出其自身的诊断能力就可以通过 Internet 从网上专家系统获得支持进行交互式的远程协同诊断第二章 滚齿机总体设计21滚齿机总体方案设计滚齿加工是依照交错轴螺旋齿轮啮合原理进行的用齿轮滚刀加工的过程就相当于一对螺旋齿轮啮合的过程将其中的一个齿轮的齿数减少到一个或几个螺旋角增大到很大呈螺杆状再开槽并铲背使其具有切削性能就成了齿轮滚刀机床使滚刀和工件保持一对螺旋齿轮副啮合关系作相关旋转运动时就可在工件上滚切出具有渐开线齿廓的齿槽滚齿时切出的齿廓是滚刀切削刃运动轨迹的包络线滚齿时齿廓的成形方法是展成法成形滚刀旋转运动和工件旋转运动组成的复合运动就是展成运动再加上滚刀沿工件轴线垂直方向的进给运动就可切出整个齿长其设计依据如下a 最大切削模数8mmb 铣削圆柱齿轮最大外径500mmc 铣刀最大直径160mmd 铣刀最大垂直行程长度300mme 滚刀转数范围40250rmin22 拟定传动方案设计加工直齿圆柱齿轮时滚刀轴线与齿轮端面倾斜一个角度其值等于滚刀螺旋升角使滚刀螺纹方向与被切齿轮齿向一致它需具有以下三条传动链 a 主运动传动链电动机12iv34滚刀是一条外联系得传动链实现滚刀的旋转运动其中iv为置换机构用以变换滚刀的转速b 展成运动传动链滚刀45ix67工作台是内联系传动链实现渐开线齿廓的复合成形运动对单头滚刀而言滚刀转一转工件应转过一个齿所以要求滚刀与工作台之间必须保持严格的传动比关系其中换置机构为ix用于适应工件齿数和滚刀头数的变化其传动比的要求很精确由于工作台的旋转方向与滚刀螺旋角的旋向有关故在这条传动链中还设有工作台变向机构c 轴向进给运动传动链工件78if910刀架升降丝杠是一条外传动链实现齿宽方向直线形齿形的运动其中换置机构为if用于调整轴向进给量的大小和方向以适应不同加工表面粗糙度的要求轴向进给运动是一个独立的简单运动作为外联系传动链它可以使用独立的运动源来驱动这里所以用工作台作为间接运动源是因为滚齿时的进给量通常以工件每转1转时刀架的位移量来计量且刀架运动速度较低采用这种传动方案不仅满足了工艺上的需要还能简化机床的结构图2-1所示为滚切直齿圆柱齿轮齿轮的传动原理图图2-1 滚切直齿圆柱齿轮的传动原理图斜齿圆柱齿轮在齿长方向为一条螺旋线为了形成螺旋线齿线在滚刀作轴向进给运动的同时工件还应作附加旋转运动B22简称附加运动且这两个运动之间必须保持确定的关系滚刀移动一个螺旋线导程S时工件应准确地附加转过1转因此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实现滚切斜齿轮所需成形运动的传动原理图如图2-2所示其中主运动展成运动以及轴向运动传动链与加工直齿轮时相同只是在刀架与工作台之间增加了一条附加运动链丝杠-12-13-iy-14-15-i合成-6-7-ix-8-9-工件在保证刀架沿工作台轴线方向移动一个螺旋导程s时工件附加转过1转形成螺旋线齿线图2-2 滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理图23 确定详细传动方案本次所设计的Y3150E型滚齿机它主要用于加工直齿和斜齿圆柱齿轮也可用于手动径向进给加工蜗轮因此传动系统中共有6条传动链它们分别是主运动链展成运动链轴向进给运动链附加运动链工作台的水平送进运动链和快速移动刀架的运动链其主要四条传动链的表达式如下a主运动电动机 滚刀主电动机 带轮 滚刀b展成运动滚刀 工作台滚刀 合成机构 工作台c进给运动工作台 刀架工作台 u进 刀架d附加运动刀架 工作台刀架 u合ux 工件Y3150E型机床的传动系统图如图2-3所示图2-3 Y3150E型机床的传动系统图24 滚齿机各部件方案设计com 床身设计 床身为箱型结构与底座铸成一个整体左上部是方形导轨安放工作台右上部固定刀架立柱床身内部安装有差动机构床身后端连出分齿挂轮架背面为主传动箱主电动机及冷却电动机都装在床身上方形导轨中间装一丝杠作移动工作台之用在分度挂轮架处的手柄供铣正齿轮或斜齿轮时操纵使用com 主传动箱设计主传动箱紧固在床身的背面其内装有主传动进给差动机构机件主传动进给与差动挂轮架均在其中主传动箱的第一根轴的端部连接叶片泵主电动机开动后叶片泵被带动输出油供给机床各部位自动润滑点的润滑油及刀架立柱的液压缸压力油com 刀架立柱设计刀架立柱紧固在床身上方其中有主传动的花键轴伞齿轮和垂直进给丝杆另外还有平衡刀架滑板的液压油缸刀架滑板置于V型导轨上前面是操纵板电气按钮另装有手柄供手动升降刀架滑板之用手摇升降刀架时先将手柄搬至开位置将给合子脱开使摇动轻便244 滚刀牙箱设计滚刀牙箱固定在刀架滑板上滚刀主轴孔为莫氏5号锥度滚刀心轴插入此孔用拉紧螺栓将心轴固牢拉紧在主轴上为了保证主轴与前轴承的适当间隙将前轴承做成外锥并开口调整轴承上的两个螺母可以使前轴承座轴向移动使前轴承孔收缩便可消除主轴与轴承间过大的间隙后轴承可与主轴一起沿着轴线移动40毫米以便在滚刀工作部分磨钝时把锋利的部分移到切削部分来工作移动后轴承是利用与后轴承相连的钳在滚刀牙箱壳体上的调整紧锁螺栓进行的因为牙箱上套装后轴承的孔是开口的调整时应首先将拉紧开口的锁紧螺栓松开调整好后并把它拧紧松开压紧螺钉摇动手柄可以使滚刀牙箱转动一定角度245 工作台设计工作台为箱形装在床身的方形导轨上工作台壳体以其环形表面支承工作台并以其锥孔来定工作台中心分度蜗轮与工作台壳体连在一起分度蜗杆与工作台座连在一起内壳体油室可提供润滑油润滑分度蜗轮副246 外支架设计外支架固定在工作台壳体上它上面有燕尾形导轨支承工件心轴的支臂可沿导轨移动支臂上有一专用手柄供支臂夹紧在支架上之用当使用外支架时最大加工直径为450毫米超过450毫米就应取下外支架才可以加工第三章 滚刀箱结构设计31滚刀箱的特性 图31 滚刀箱箱体图32滚刀箱的结构设计滚刀箱的结构形状主要取决于其功能要求以及箱体在床身上的安装连接要求滚刀箱首先应该满足运动方面的要求如滚刀箱的旋转步进等此外还要求具有较高的传动效率保证传动件具有足够的强度或刚度降低噪音提高抗振性和耐磨性操作方便并有良好的工艺性便于检修成本较低防尘防漏外形美观等图31为滚刀箱的结构示意图com 滚刀箱的功能结构分析滚刀箱内装有传动轴和齿轮滚刀箱的绝大多数传动轴上都装有滚动轴承传动轴的轴承以圆锥滚子轴承为主因为圆锥滚子轴承价格较低噪音和发热量较小且装配方便承载能力较大还可以承载部分轴向力滚刀箱作为滚齿机的重要组成部分要求传动精确并且工作稳定滚刀箱为箱形装在刀架立柱上的滚刀滑板上由刀架立柱的丝杠来调节滚刀箱的运动滚刀心轴上装有齿轮滚刀由滚刀的旋转与垂直运动来切削工件而滚刀箱通过螺栓固定在刀架立柱上并由刀架立柱的锥齿轮通过主运动传动链传递过来的力来驱动滚刀心轴的运动com 滚刀箱的壁厚壁厚的大小取决产品需要承受的外力是否作为其他零件的支撑承接数量伸出部的多少以及选用的材料而定一般的从经济角度来看过厚的产品不但增加物料成本延长生产冷却时间增加生产成本从产品设计角度来看过增加产生空穴气孔的可能性大大削弱产品的刚性及强度最理想的壁厚分布是在任何一个地方都是均一的但为满足功能上的需求以致壁厚有所改变总是无可避免的在此情形的地方应尽可能滑太突然的壁厚转变会导致和产生不稳定问题壁厚均一的在转角的地方也同样需要通常会导致部件有缺陷及应力集中应力集中的地方会在受负载或撞击的时候破裂较大的圆角提供了这种缺点的解决方法减低应力集中的建议的最小圆角半径是厚的25适当半径能明显减应力 确定公式中的各参数值取载荷系数 K 193 60已知滚刀的最低转数为475rmin则传动效率为大齿轮传递的转矩则传动比为大小齿轮的弯曲疲劳强度极限查图69得应力循环次数考虑到工作条件工作环境以及总体设计取齿轮寿命为十年每年300个工作日每个工作日安8个小时计算得式中 齿轮的亲由于某些原因没有上传完整的毕业设计完整的应包括毕业设计说明书相关图纸CADPROE中英文文献及翻译等此文档也稍微删除了一部分内容目录及某些关键内容如需要的朋友请联系我的叩扣2215891151数万篇现成设计及另有的高端团队绝对可满足您的需要 此处删除XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX约5000字需完整说明书联系Q2215891151 在进行滚齿机刀架部件的设计时刀架与工件轴的干涉是必须考虑的问题刀架部件的结构应当非常紧凑刀架底座的尺寸特别是其在滚齿机的轴向进给方向的尺寸对干涉的影响是很大的过大的刀架底座尺寸会导致工件轴悬伸量过大降低工件轴的刚度同时限制了刀架的安装角旋转范围降低工件的加工范围使滚齿机的性能受到很大的影响因此采用伺服电机直连丝杠的传动方案结构紧凑能最大可能地压缩刀架底座部件的尺寸导轨选用窄形圆柱滚子导轨既能良好地承受冲击载荷保证足够的刚度又能控制在滚齿机轴向进给方向的尺寸采用 INA 公司的锁紧单元将滚刀轴部件的切向运动置于锁紧状态或者在连续窜刀时给予一定的摩擦力增加阻尼减弱其振动44动力参数设计com切削力的关系及坐标变换 由于滚齿过程复杂分析切削力时需要建立一个与工件坐标轴重合的机床坐标系0 x y z和一个滚刀坐标系0 x y z如图41所示可见 y 轴与 y轴重合将机床坐标系绕 y 轴转动就能得到滚刀坐标系 式中 滚刀安装角工件螺旋角滚刀螺旋升角 图41 切削力的分解众多切削力研究者都是在滚刀坐标系中测量各切削分力的我国学者陈鼎昌在滚刀坐标系中得到下列结果见图41Pt滚刀切向分力由实测扭矩得出Pr径向分力Pr03 PtPy水平分力逆铣时顺铣时Px滚刀轴向分力 要计算 Y 轴电机功率必须求出机床坐标系中的 Px 作用于工件的切向分力Py作用于工件的径向分力 Pz作用于工件的轴向分力因此必须进行坐标变换首先在滚刀坐标系中确定 Pt 与 y轴的夹角如图32所示在逆铣时当时 则 则当时同样可算出81由此可见逆铣时刀齿从切入到切出的过程中由于 Py的幅值在交替变化使 Pt 力的方向也发生变化为简化计算规定65在顺铣时按照同样的方法可算出119 图42 切削力的分解下面进行坐标变换如图 41 所示首先将 PxPtPr 绕 x轴顺时针旋转角再绕 y 轴旋转角求得机床坐标系中的分力 PxPyPz代入数值得出 PxPyPz 与 Pt 的关系如下表逆铣 65顺铣 1190304503045Px009Pt06Pt079Pt009Pt045Pt058PtPy015Pt015Pt015Pt-074Pt-074Pt-074PtPz104Pt085Pt067Pt073Pt058Pt045Pt根据上表以及第 com 节的计算可知课题设计的零传动卧式数控滚齿机在最危险情况下的切向力 Py079Pt429N径向力 Px074Pt402Ncom 等效负载转矩计算 负载转矩的种类零传动滚齿机刀架底座部件系统具有三种性质的转矩驱动转矩负载转矩和动态转矩惯性转矩其中惯性转矩为 43 负载转矩根据其特性可分为工作负载摩擦转矩和制动转矩零传动滚齿机刀架底座部件驱动系统负载转矩有下面几种1 滚刀轴承受的轴向切削力2 滚刀轴承受的径向力和滚动导轨的预压力引起的摩擦力3 滚刀轴部件的重力 等效负载转矩的计算选取最危险的情况即当滚齿机逆铣直齿轮并且由下往上窜刀时的情况进行计算此时电机的负载力为F Py W fg Px 44 式中 Py滚刀轴承受的轴向力Px滚刀轴承受的径向力WB 轴部件的重量Fg导轨预压力滚动导轨摩擦系数此时加在电机轴上的负载力为 45 式中加在电机轴上得扭矩负载F沿着轴向移动活动部分所需要的力L丝杠导程滚珠丝杆或轴承加载在电机轴上的磨擦扭矩在需要输入时驱动系统效率 案例计算题设计的卧式数控滚齿机滚刀轴部件重量 W1280Ncom了最危险条件下的切削力各分量Px402N Py429N选取 INA 公司RUE 系列窄形圆柱滚子导轨的导轨类型查得 fg0113400013400N滚动导轨摩擦系数取 0005代入式 44 得 F1755N设机械效率为 09查阅相应技术资料 Tf010017027Nm代入式45得Tm144Nmcom 等效转动惯量的计算 计算方法工作台换算到电机轴上的等效转动惯量为 46 式中 W直线移动部件的重量kg L丝杠导程cm若丝杠转动惯量为 JS则电机轴转动惯量为 47 丝杠转动惯量一般可由生产商的技术手册上查得精确的数值若不能查得可由下式求得 48 式中 丝杠材料密度D1丝杠外径D2丝杠内径l丝杠长度 案例计算课题设计的卧式数控滚齿机滚刀轴部件重量 W 为 1280N选取的 Y 轴丝杠导程为 5mm根据技术手册查得选择的滚珠丝杠转动惯量为0000028815将数据代入式46和式47得丝杠轴转动惯量com 加速度扭矩的计算 计算方法 图43 49 410式中 Ta加速度扭矩Vm快速进给时的电机速度Ta加速时间JM电机惯量JL负载惯量Vr加速度扭矩开始减少的点Ks伺服位置闭环增益机床效率 案例计算课题设计的卧式数控滚齿机刀架底座部件设定的进给加速度为 1g最大转速为 2000rmin机床效率为 09代入数据计算得45滚柱丝杠副支承设计技术研究com 滚动轴承的选择滚齿机的 Y 轴进给系统是一种高精度高刚度的滚珠丝杠副因此必须重视滚珠丝杠支承的设计滚珠丝杠主要承受轴向载荷其轴向精度和刚度要求较高进给系统要求运动灵活对微小位移丝杠微小转角响应要灵敏因此轴承的摩擦力矩应该尽量小滚珠丝杠转速不高且高转速时间很短因而发热不是主要问题为此应选用运转精度高轴向刚度高摩擦力矩小的滚动轴承目前各制造商均生产有机床用接触角为 60的滚珠丝杠专用推力角接触球轴承是零传动滚齿机刀架底座部件丝杠支承的最好选择com 支承形式设计滚珠丝杠根据不同的应用场合一般有四种典型的支承形式即 一端固定一端自由它的特点是结构简单但是刚度临界转速和压杆稳定性低 一端固定一端游动它的特点是压杆稳定性和临界转速比同长度的一端固定一端自由的支撑形式要高丝杠有热膨胀的余地但是刚度没有明显改善 两端简支它可以进行预拉伸但刚度不高 两端固定它的刚度很高只要轴承无间隙丝杠轴向刚度为一端固定的4 倍丝杠一般不会受压无压杆稳定问题固有频率比一端固定要高可以进行预拉伸但是两端固定的支承方式结构复杂工艺困难成本比较高Y 轴精度要求很高它的误差会 11 完全地反映到工件上需要非常好的刚度和位移精度显然应该选择两端固定的方式前后轴承组均采用背靠背的组合方式com预拉伸设计 预拉伸结构设计及预拉伸力的确定由于刀架和工件轴易干涉的原因刀架底座部件的设计要求结构非常紧凑并且滚齿机的刀架部件工作环境恶劣无论干切还是湿切都会产生切屑或者冷却液的飞溅为了保证 Y轴精度必须采取措施提高丝杠系统的刚度以及消除热位移对其进行预拉伸丝杠的预拉伸量一般为丝杠温度上升 23 度的热位移量其大小可以用以下公式算出 mm 418式中热位移量 热膨胀系数 丝杠平均温度上升值 L丝杠长度典型的丝杠预拉伸结构如图 46 所示通过拧紧螺母 2 来拉动丝杠通过调整螺母1的位置来设定预拉伸量需要注意的是这种预拉伸丝杠的方式同时也对轴承进行了预紧若丝杠螺母系统的刚度很大要产生预定的预拉伸变形预拉伸力有可能会超过轴承能够承受的静载荷极限或者丝杠许用轴向负载造成轴承或丝杠的损坏因此需要进行验算预拉伸力 F 等于丝杠系统的刚度 Ke与变形量的乘积因此必须对丝杠系统的刚度进行计算对于两端固定的支承方式系统刚度计算公式为 图46 丝杆预拉伸结构 419式中 KB轴承接触刚度 KS丝杠本身拉压刚度 KC螺母刚度 KH螺母座刚度 轴承接触刚度丝杠拉压刚度螺母刚度均可根据产品技术手册查得螺母座刚度可用有限元方法进行计算近似计算中一般取 KH1000Nm 丝杠许用负荷验算丝杠许用轴向负荷 Fk表现的是丝杠系统的稳定性它取决于丝杠的直径 螺纹内径 d2mm安装形式和未受支撑的长度 Lkmm计算公式是 420式中 fk为与支承形式相关的系数在两端均由双联背靠背角接触球轴承支撑的情况下 fk取值为 40646 滚刀轴部件锁紧的实现采用滚珠丝杠副作为传动元件具有传动效率高运动平稳定位精度和重复精度高同步性好可靠稳定等等优点但是它不能自锁滚齿机刀架部件是一个典型的垂直升降机构因此必须附加自锁或者制动的装置通常选用的电机带有制动装置可以拉住滚刀轴部件但是由于丝杠系统装配时产生的微小间隙或者某个环节刚度不够强等原因制动装置无法完全抵消振动载荷的影响此时滚刀轴部件可能在 Y 轴方向产生微小的位移振动力很小但是必须采取措施加以消除以保证加工精度传统滚齿机由于不实行连续窜刀它的窜刀机构采用滑动导轨消除振动的措施是在刀架拖板的边缘的多处地方通过螺钉和碟形弹簧以特制的活塞为中间环节将滚刀轴部件压死在滑动导轨上靠摩擦力防止其在窜刀方向上的振动如图 47 所示需要窜刀的时候通过输入液压油将活塞顶起解除压力这种机构虽然比较经济但结构复杂装配困难并且只适用于摩擦系数比较大的滑动导轨对于摩擦系数仅为滑动导轨二十分之一左右的滚动导轨来说显然是不合适的 图47 传统滚齿机防振动装置零传动滚齿机采用专用锁紧单元实现滚刀轴部件在窜刀方向的锁定该产品外形如图 48 所示 图48 德国 INA 公司 RUKS 锁紧单元向锁紧单元通以液压油内部的金属管就会膨胀紧紧的抱住导轨锁紧单元的产生的抱紧力可以查看图 49图49 锁紧单元的抱紧力采用锁紧单元为滚齿机刀架部件的设计带来了非常大的好处首先它的体积小从外观看就相当于一个滑块与碟簧机构相比可以大大减小刀架部件的横向尺寸避免与工件轴部件的干涉其次它与滚刀轴部件的连接方式与滑块完全一样不仅安装方便而且刚性非常高当其通过液压力抱住导轨后就提高了整个刀架部件的刚性再次根据图 46若在连续窜刀的过程中通以低压油产生较小的摩擦力则可以增加丝杠系统的阻尼减弱其振动第五章 滚刀箱形状和尺寸的确定 根据前面所计算出的轴选定的轴承尺寸以及满足功能美观实用等特点确定滚刀箱的形状尺寸为下图图d所示 图d第六章 结束语所设计的机床为Y3150E系列普通型滚齿机机床单件小批成批柱齿为期三个月的毕业设计即将结束回顾整个过程我觉得收获很大毕业设计是检查学生综合设计能力的一个重要环节是对学生独立设计能力的一次考验通过理论与实践相结合找出了我在设计中的不足之处和能力欠缺之处加深了我对所学理论知识的理解和掌握强化了毕业设计中的感性认识提高了独立创新设计的能力通过深入实践我体会到理论联系实际的必要性认识到在学校学过的许多知识与解决实际生产问题还有很大的差距而缩短差距的方法只有到实践中去只有到实践中去才能真正的锻炼自己向生产实践学习了解与课题有关的生产线设备工艺等实际知识使我对机械设计方面的知识有了更深一层的了解参考文献1 吴宗泽 机械设计课程设计手册北京高等教育出版社20062 晏初宏 金属切削机床北京机械工业出版社20073 李洪实用机床设计手册4 濮良贵 机械设计西安高等教育出版社20055 吴良 机床设计图册上海上海科学技术出版社19796 com天津大学出版社20037 赵汝嘉机械设计手册软件版机械工业出版社20038 成大先机械设计手册化学工业出版社 20049 王健石机械加工常用刀具数据速查手册机械工业出版社200510 蔡学熙现代机械设计方法实用手册化学工业出版社200411 手册编委会机械加工工艺装备设计手册机械工业出版社199812 朱孝录机械传动装置选用手册机械工业出版社199913 胡家秀 机械零件设计实用手册M北京 机械工业出版社 1999致 谢本次毕业设计任务已经顺利完成但由于本人理论知识水平有限缺乏实际经验设计成果中难免会留下一些不足在此恳请各位专家老师以及同学批评与指正在毕业设计期间十分感谢XXX指导老师自始至终认真负责的指导督促引导和帮助我克服了种种困难给了我很大的帮助同时还得到了其他老师和同组同学们的帮助也在此深表谢意附 录1序号 图 名 图 号 图幅 张数1 滚齿机刀架装配图 gcj-dj-01 A0 12 刀架体 gcj-dj-02 A1 13 圆锥齿轮 gcj-dj-03 A4 14 轴vii gcj-dj-04 A2 15 直齿圆柱齿轮-20 gcj-dj-05 A4 16 直齿圆柱齿轮-80 gcj-dj-06 A4 17 花键套筒 gcj-dj-07 A4 1 8 主轴 gcj-dj-08 A4 19 轴承座 gcj-dj-09 A4 1 10 滚刀杆 gcj-dj-10 A2 1附 录2齿轮整合的相关不确定性应用事实上相关的不确定性的特点是预期的功能和特性可能不完全相关这种不确定性特征的规范了表达中的歧义并且计量学家所考虑的测量不确定性能很好用GUM来表述测量的不确定性包括所有用来衡量的检验结果的质量变化的原因计量学家的标准和研究活动更多的集中在测量不确定度Srinivassan说相关的不确定性尤其是一个未知的领域不会告诉我们是如何找到标准的本文提出了一种形式来表达和评估相关的不确定性并阐述齿轮合格的评定阐述齿轮的不确定性这部分重点阐述在AGMA 2009-B01中定义的螺距误差Guenther提出了一种新的计量方法可以用下面的例子来解释不确定性的规范AGMA 2009-B01是这样表述的单一螺距的变化螺距变化的总和是根据公差直径的测量指数变化来确定的相对于齿轮基准轴线旋转直径公差与旋转平面相切直径公差DT是平均直径是圆锥与转动深度相交中点的距离此外Rm是从节锥顶点到中心面的宽度但它没有解释如何获取中心面宽度的中间点齿是随机选择的是所有的齿平均数面的中心宽度是如何计算的所以计量的方法是否适合在这种情况下是不明确的规范但它规范了这种不确定性相关的不确定性预期的功能和特性可能与实际特征不完全一致以齿轮为例传输错误车轮转动的瞬时角度的理论和实际之间的差异的几何结构影响的偏差例如螺距误差会导致下一步的传输错误如图3在实际中设计者限制螺距误差的目的是为了限制传输误差事实上即使一个齿轮的速率相对变化很微小的其引起加速度也不可忽略而且必须避免角速度的变化从而降低水平噪声和振动不幸的是传输误差与特定的几何特征如螺距误差偏转形式偏差等之间没有明确的关系在这种情况下存在传输错误或运动特性之间的偏差的相关不确定性3 相关不确度的规范化在GUM中测量的不确定性是一个可计算的数可根据其的概率分布特征来测量在拟定的规范中相关不确定性是可计算的数字CU采取的是置信区间的概率分布特征的预期功能并指定特性之间关系的知识为了规范相关不确定性这是有必要确定预期的功能和产品的规定的特性之间的关系的相关性众所周知SUH公理化设计矩阵的技术可用来处理这些关系事实上人们可以正式使用SUH的设计矩阵来表达FRS的功能要求和设计参数DPS之间的关系这些关系可以用数学中的矩阵方程的相关性来表示其 FR 是一个独立需求功能的向量 DP 是一个设计参数的向量表示的灵敏系数公理设计中功能需求FRS的定义根据一个完全独立需求的特点在产品的功能域中作为功能需求的最小集合一个功能需求是根据其标称值的允许变化或所需的精度设计范围所有可能的值或概率密度函数值的选择系统以满足功能需求被称为系统的范围功能需求只要在设计范围和系统范围内就是合格的有且公有一个共同的区域或范围当系统范围不完全包含设计范围可能不会满足特定不确定性的功能需求在产品合格评定和相关的不确定性的背景下功能需求FRS即是预期的功能设计参数DPS是指定或测量的特征第一种方法是采用正式间隔矩阵来规范每个组件的相关不确定性CUij是Bij模型的系数Bij是相关不确定性的置信区间其中表示一个独立的预定功能的向量 SC P表示指定的特征向量是灵敏度系数数学矩阵B代表和之间的线性关系这种线性化的关系引入一种误差第二种方法是规范测量指定的功能和预期的功能之间的相关性被测的指期的功能并没有通过直接测量获得而是通过估计的预期功能来获得它是由指定特性的功能SC1SC2 SCN的关系决定的其中表示一个独立的被测量的预定功能的载体 SC 表示指定的特征向量函数f表示的不是一个单独的物理定律但功能链如果没有相关不确定性一种产品合格评定是比较麻烦的如果预期的功能与被测值相关性用于定于功能需求则采用一致性就足够了然后预定的功能与其被测量量之间的相关性可以用数学式来表示简化的标识矩阵为在现实中被测量的预定功能始终受相关不确定性影响因此他们没有预期的功能的完美图像预期的功能与其被测量值之间的关系可以用数学中的矩阵方程来表示相关的不确定性是仿照一个区间或一个矩阵的每个组件的概率分布CUij表示Cij相关系数的置信区间它表示模型Cij相关不确定性如果测量结果是接近的规格限制而且Cij的相关系数小于1则存在拒绝一个好产品的风险如果Cij的相关系数大于1存在接受不良产品的风险此外相关的不确定性范围的增加这与检测区的一致性与非一致性均不相符这第二个方法可以模拟线性非预期的功能和指定的特性之间相互关联的不确定性蒙特卡罗方法MCM一种用评价不确定性的完美工具不受任何限制既不是对模型的形式也不输出值的数量 MCM和软件建模与仿真功能链的规范用于计算相关不确定性因此根据这个方案的途径和测量不确定度传播的经典方法能够一致评定它是可能计算的正确或错误的决定图1下部阐述齿轮相关不确定性的评估为了说明相关的不确定性影响的合格评定对比4种规格型号以锥齿轮为例螺距角误差可以定义每个侧面两点之间或两个拟合特征点每个侧面其使用标准最小的面积最小或最大值切比雪夫的定义10两个预期的功能和两个指定的特性应当考虑 IFFi0传输误差的最大范围 IFfi0齿与齿传输误差的最大范围SCcpe累积角螺距误差SCPE角螺距误差图4显示了整个相关的不确定性评价方法1在第一步中将会产生随机偏差替换几何图形替换模型是一个真正的齿轮的轮廓它的几何图形可解析为一种多项式曲面平滑的Bezier曲面2执行一种替代模型的虚拟采集每个Bezier曲面离散成一系列等距点3执行第2步中获得的一系列点组成的虚拟积分计量学过程估计每个配件标准的螺距误差根据计量学创建一个数学模型2和4使用齿面接触分析法TCA来模拟啮合过程和估计引起的传输错误83和5评价运动学特征可用蒙特卡洛步骤6模拟重现1至5的所有步骤并得到由一组特征组成的研究标准在研究报告中所提到的三种质量等级的齿轮已通过测试107和4对于每一类已生成和模拟100种几何结构对于每个标准及每个类计算其所有研究的运动学特征因此获得了预期的功能和预期的功能相关的被测量值对于每一个标准和每个预期的功能下面的关系和数量可用于计算第7步预期功能和预期功能的被测量值之间的线性回归线性回归方程表示了其相关性的趋势估计线性回归斜率的置信区间在调查研究后可以申明在一个区间内的暴露值允许5的风险它能够估计相关不确定性线性相关系数R提供相关的质量信息下面的公式显示在每个标准所获得ISO 10级7级及在4个齿轮上执行的成果点最小的面积输出信号的最小或最大值切比雪夫切比雪夫准则提供了有关功能方面最好的相关性相关性最差的一个点也适合最小二乘准则接近一个标准点的相关性而且在切比雪夫准则后提供第二个最好的最大最小值标准的相关系数较小事实上这个预期功能取决于螺距误差和齿轮侧面的形式偏差但是评估相关的不确定性不考虑形式的偏差作为指定的特征5 结论本文基于一种成熟和综合功能规范验证的角度而提出的方法产品合格评定过程中作出的决定不仅影响测量的不确定性而且影响相关不确定性和规范不确定性基于公理化设计矩阵这种相关不确定性的规范化方法可在预期的功能和特性之间可以模拟它们线性或非线性的关系为了说明规范化方法的效率已经完成对比不同接头标准的螺距误差的定义不确定性的整体视角可以选择最好的规格型号合格的决策从而降低测量不确定性和相关不确定性的累积效应参考文献1 Kunzmann H Pfeifer T Schmitt R Schwenke H Weckenmann A 2005 Productive MetrologyAdding Value to Manufacture Keynote Paper CIRPAnnals 54 2 1551682 ISOTS 17450-2 2002 Geometric Product Specification GPS General Concepts Part 2 Operators and Uncertainties International Organization ofStandardization3 GUM 1995 Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement InternationalOrganization of Standardization4 Srinivassan V 2001 An Integrated View of Geometrical Product Specification and Verification Proceedings of the CIRP Seminar on Computer Aided Tolerancing Cachan France 7175 ANSIAGMA 2009-B01 2005 Bevel Gear Classification Tolerances and Measuring Methods 6 Goch G 2003 Gear Metrology CIRP Annals 52 2 6596957 Guenther A 2006 Evaluation of Runout Deviation at Bevel Gears Based on Pitch Measurements CIRP Annals 55 1 5395428 Bruyere J Dantan JY Bigot R Martin P 2007 Statistical Tolerance Analysis of Bevel Gear by Tooth Contact Analysis and Monte Carlo Simulation Mechanism and Machine Theory 42 10 132613519 Suh NP 2005 Complexity in Engineering keynote paper CIRP Annals 54 2 58159810 Dantan JY Bruyere J Baudouin C Mathieu L 2007 Geometrical Specification for Gear-Expression Metrology and Analysis Annals CIRP 56 1 517520