机械设计制造设计论文一种高压断路器电动操作机构的设计和加工工艺研究

河南农业大学本科生毕业论文（设计） 题 目 一种高压断路器电动操作机构的设计和加工工艺研究学 院 机电工程学院 专业班级 07级机制4班 学生姓名 程少华 指导教师 张秀丽 撰写日期：2011年5月10日64摘 要电动操动机构可以实现高压断路器的“合”、“分”、“接地”三工位动作。弹簧操动机构是一种以弹簧作为储能元件的机械式操动机构。弹簧的储能借助电动机通过减速装置来完成，并经过锁扣系统保持在储能状态。开断时，锁扣借助磁力脱扣，弹簧释放能量，经过机械传递单元使高压断路器实现合分闸运动。设计出一种弹簧操动机构，使其输出扭矩为，输出转速为。为了尽量避免弹簧操动机构存在的手动操作费力、传动不能准确到位等问题，设计出一种手动脱开机构，当搬动手柄轴调至手动位置时，手动合分闸需要的力量适中。本文介绍了高压断路器操动机构的发展历史及各种操动机构的优缺点，并针对一种高压断路器合分闸需要的扭矩，对其进行电动操作机构的设计，并着重介绍了操作机构主要零部件轴、齿轮的强度计算、机构设计和机械加工工艺的制定，以及操作机构箱体的机械加工工艺的研究和箱体钻孔的夹具设计。关键词：电动操作机构；强度计算；结构设计；加工工艺；夹具设计The design and processing technology research of a kind of high voltage circuit breaker electric operatorAbstractElectric operation system can realize of high voltage circuit breaker close, points, ground 3 Labor movements. Spring operation structure is a spring as energy-storage components mechanical operation structure. Springs stored energy completes with the aid of the electric motor through the decelerating device, and maintains at after the lock catch system the stored energy condition. Open circuit, lock using magnetic tripping, spring release energy, after mechanical transmission unit to realize high voltage circuit breaker fits break-brake movement. Designs one kind of spring to hold the drive mechanism, causes its output torque is 90110N.m, the output rotational speed is 5r/min.In order to avoid spring operation manual operation of dynamic organizations are not accurate in place strenuous and transmission, design a kind of manual withdraw institutions, when move handle axis moves to a manual position, manual close break-brake need strength moderate. This paper introduces the high voltage circuit breaker operation structure and history of the advantages and disadvantages of various operation system, and in the light of a kind of high voltage circuit breaker close break-brake need torque, and carry on the electric operator design, and emphatically introduces the major parts of the shaft, operating mechanism of gear strength calculation, mechanism design and machining technology formulation, and operating mechanism of the machining process of the body and the research of fixture design drilling. Keyword：Electric operator; Strength calculation; Structure design; Processing craft; Fixture design目 录1 引言11.1 常见的高压断路器11.2 高压断路器的组成31.3 高压断路器操动系统的简介31.4 现有操动机构存在的主要问题42 课题设计的参数要求及总体设计原则53 课题设计传动方案的设计63.1 传动方案的选择63.2 电动机的选取73.3 微动开关的选择83.4 确定传动装置的总传动比和分配传动比103.5 确定传动装置的运动和动力参数104 主要零部件的设计和工艺制定134.1 齿轮的设计及计算134.2 轴的设计及计算174.3 II轴加工工艺的制定214.4 大齿轮加工工艺的制定235 箱体加工工艺的制定和钻孔夹具的设计255.1 箱体加工工艺的制定255.2 箱体钻孔夹具的设计426 结果分析467 结束语47参考文献48致谢49附录1：外文翻译原文50附录2：外文翻译译文581 引言随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，对电力的需求量越来越多，促使电力事业迅速发展，电网不断扩大，供电质量和供电可靠性的要求也越来越高。在配电和供电系统中，由于高压断路器的特殊作用，对其可靠性和免维护的要求更高，因此世界各国对高压断路器的理论研究和设计开发一直在不断进行着。 3KV及以上的电力系统中使用的断路器称为高压断路器。高压断路器是电力系统中最主要的控制、保护元件，对电网的安全运行起着关键作用。概括地说，高压断路器在电网中主要起两方面的作用：第一，控制作用。即根据电网的运行需要，用高压断路器把一部分电力线路和设备投入或退出运行。第二，保护作用。高压断路器可以在电力线路或设备发生故障时将故障部分从电网中快速切除，保证电网中无故障部分正常运行1。如果它们一旦在运行中发生故障或在故障时不能正常的动作，将会造成严重的后果，小则引起一个地区的停电，给人们的社会生活带来很大的不便；重则导致电网瓦解、系统崩溃，给国家的经济建设和政治生活带来不可弥补的重大损失。因此，高压断路器及其运行的可靠性直接关系到整个电力系统的安全运行和供电质量，在电力系统中起着十分重要的作用。 高压断路器是电力系统中最重要，也是最复杂的电器设备之一。其工作理论和工作原理牵扯面较大，内容庞杂，既有电磁学理论，又有热学和力学理论，所以它的设计计算非常复杂，过去着重研究电磁静态吸力与负载反力的配合，按照能量的方法进行粗略计算，在规定操作电压下吸力特性在全部行程里都高于反力特性，以保证闭合的可靠性。实际上，电磁机构衔铁的运动过程中只存在动态吸力而不存在静态吸力。这就是说，只有动态过程才是表征电磁系统动作时的真实过程，只有进行电磁系统的动态特性的分析和计算才是电磁机构设计的关键。1.1常见的高压断路器油断路器：油断路器是发展最早的一种断路器，它以矿物油或者合成油作为灭弧和绝缘介质。它是一种完全利用电弧本身产生的能量使其灭弧的机构，电弧的能量与电流和电弧压降的大小以机 燃弧时间的长短有关。当电弧能量足够大时，电弧的熄灭较为顺利，燃弧时间短。如果电弧能量不足，则燃弧时间超长，因而燃弧时间与开断电流成反比关系，但是当开断电流甚小时，因弧道去游离化微弱，电弧是不容易燃弧的，所以在开断特性上出现了临界电流值，其燃弧时间达到最长。油断路器的燃弧时间比其它断路器要长一些。油断路器的机构多用弹簧操动机构和液压操动机构，尤其是高压和超高压油断路器的操动机构均为液压操动机构。压缩空气断路器：压气式灭弧室利用压缩空气气流对电弧去游离并建立弧后绝缘的装置。开断电流与压缩空气的压力和流量成正比。这种灭弧室的特点是从燃弧开始，气吹就十分剧烈，电流过零以后，介质绝缘强度的恢复较缓慢，最后则总绝缘强度高。因而，对于开断空载线路极为有利，能给灭弧室并联电阻起到增容的作用。在高压和超高压压缩空气断路器中使用的大多是纵吹灭弧室。其操动机构多用气动机构，但压缩空气断路器现在已很少使用，它以被油断路器和SF6断路器所取代。 六氟化硫（SF6）断路器：SF6断路器目前在高压和超高压中应用最为广泛的是单压式灭弧室机构，灭弧室由压气缸和活塞组成。这里活塞是静止的，而压气缸内与触头固定在一起，是可动的，随着动触头的打开，压气缸SF6气体的流速和密度依压气缸的压强而定，这使灭弧的主导因素，喷嘴的合理设计和断口间的电场分布，决定着电流开断的成败。单气式SF6断路器的灭弧系统消耗能量最大，约为少油、空气和双压式SF6断路器消耗能量的一倍，当单压式SF6断路器刚刚出项的时候，操动机构都采用压缩空气式，采用弹簧操动机构和液压操动机构的很少，到1983年以后，采用液压和弹簧操动机构才占大多数，而压缩空气机构局少数地位，许多制造厂家转而生产液压操动机构是因为它适应能量需要，且具有合分闸缓冲简单、运动质量小及操动机构时间短等优点。真空断路器：真空断路器是通过对接式触头进行合分操作的，由于真空度好的间隙绝缘强度很高，所以，其最大触头开距很小，相对操作功也不大。为更好的开断电流，触头结构设计为带有不同形式的磁场方式。研制初期，还只限于小容量，随着真空断路器技术和理论的不断完善，触头结构和断路器结构的不断发展和深入，真空断路器正向高压、大容量方向发展。影响真空断路器开断能力的因素很多，其中主要有灭弧室内的触头结构及材料、触头直径、真空度、触头开距、外加磁场等。众所周知，对于触头结构而言，产生横向或者纵向磁场的电极结构，其开断能力明显高于平板型电极；对触头材料而言，目前Cu、Cr材料比较理想。真空断路器的极限开断电流与电极直径近似成正比。根据以上特点，加上真空断路器的机械寿命达上万次之多，而且操作功不大，所以最佳操动机构为弹簧操动机构或者电磁操动机构。1.2高压断路器的组成高压断路器按功能可分为以下几个部分：导电部分：断路器导通电流的部分。它允许通过长时间的正常负荷电流和一定时间的异常电流，如负荷电流和短路电流。绝缘部分：保证断路器电器绝缘的部分。它包括三个基本部分，即对地绝缘、相对绝缘和断口绝缘。接触系统和灭弧系统：执行电路开断和关合的部分。它表征断路器的合闸和分闸能力。操作系统：促使触头分断和接通的部分。它赋予断路器以规定程序的动作以及一定的动作时间和速度2。1.3高压断路器操动机构的简介1.3.1操动机构的结构组成和作用通常把独立于断路器本体以外的部分称为操动机构，因此操动机构往往是一个独立的装置，操动机构由做功元件、连杆系统、维持和脱扣部件等几个主要部分组成。操动机构的高压开关的重要组成部分。高压开关采用电动操动机构后，不仅可以减少操动人员的劳动强度，提高操动的安全可靠程度，缩短操作时间，而且还可以实现操作的遥控化.该机构与真空断路器负荷开关配装后,可以实现电动合闸、分闸、接地、遥控分闸及自动重合闸等一系列动作。1.3.2操动机构的可靠性要求操动机构是断路器的重要组成部分，断路器的工作可靠性在很大程度上依赖于操动机构的动作可靠性。断路器事故分析表明，由于操动机构原因而导致的断路器事故占总事故的 60%以上，足见操动机构对断路器工作性能和可靠性起着至关重要的作用。操动机构的动作性能必须满足断路器的工作性能和可靠性的要求，这些要求有：有足够的短路关合能力。操动机构不仅在断路器在正常工作的情况下能顺利合闸，而且当断路器关合到有预伏短路故障的电路时，操动机构必须能克服短路电动力的阻碍，顺利合闸；合理的输出特性以保证断路器动触头的分合闸速度，并在分合闸终了时，其剩余能量不致造成断路器的过分振动和零部件的损伤；能使断路器可靠的保持在合闸位置。操动机构在合闸过程中，合闸信号维持的时间很短，操动机构的操作力也只在短时间内提供，因此，操动机构必须保证在合闸信号和操作力消失以后，使断路器能可靠地保持在合闸位置；操动机构应保证能源（电压、液压、气压）在一定变化范围内可靠动作，如在额定值的 80%或 85%110%的范围内可靠合闸，在额定值的 65%120%的范围内可靠分闸；具有自动脱扣和防跳跃能力；动作快速、机械寿命长和便于维修等3。1.3.3操动机构的工作原理电动操动机构用电动机作为动力源，其功率根据主轴最大输出力矩选择，电动机通电，当该机构电动操作时，电机通电，带动小齿轮转动，小齿轮带动大齿轮转动，由于大齿轮与传动轴通过轴、键、或销相连，所以传动轴随之转动，并通过连接套带动操作开关用的主轴低速转动，实现高压断路器实现“合”、“分”、“接地”等操作4。1.4现有操动机构存在的主要问题目前用于中压等级断路器的操动机构主要有电磁式和弹簧式两种。电磁操动机构在真空断路器发展初期得到了广泛的应用，这是因为电磁操动机构能较好的迎合真空灭弧室的要求：一是行程短(8-25mm)；二是合闸位置需要较大的操作力(2000-4000N/相)。然而电磁操动机构也存在不容忽视的缺点，磁路电感L在合闸过程中变化较快，产生反电动势idL/dt，从而抑制了合闸线圈动态电流的增长，而且这种抑制作用随着合闸速度的增加而增强5。这样，当线圈的稳态电流已经较大时，若想用进一步提高线圈稳态电流的方法来抵消这种抑制作用，常受到合闸电源容量的限制。因此，电磁操动机构合闸时间较长，电源电压波动对合闸速度影响较大。相比之下，弹簧操动机构采用手动或小功率交流电动机储能，其合闸功不受电源电压的影响，相当恒定，既能获得较高的合闸速度，又能实现快速自动重合闸操作，在一定程度上克服了电磁操动机构的缺点。然而弹簧操动机构也存在以下缺点：完全依靠机械传动，零部件总数多，一般弹簧操动机构有上百个零件，且传动机构较为复杂，故障率较高，运动部件多，制造工艺要求较高。另外，弹簧操动机构的结构复杂，滑动摩擦面多，而且多在关键部件。在长期运行过程中，这些零部件的磨损、锈蚀、以及润滑剂的流失、固化等都会导致操作失误。可靠性是考核断路器性能的重要指标，从国际、国内的统计数字来看，在断路器的故障中，机械故障占绝大多数。国际大电网会议组织的国际调查表明，机械故障高达总故障的70.3%。可靠性的高低和零部件数量的多少有直接关系，减少零件的数量将明显提高系统的可靠性。所以，必须对传统的操动机构进行改进，减少零件数量，改善出力特性，提高断路器的可靠性。2 课题设计的数据要求及总体设计原则（1）数据和要求高压断路器要求的输入扭矩为：； 高压断路器主轴转速为：；传动机构的寿命按断路器主轴能够转动计算；电机里齿轮上抹油必须是耐高、低温，不易挥发的；机加件防腐处理、密封处理，电机固定螺丝必须统一。（2）总体设计原则高压断路器电动操作机构的设计包括零部件设计和总体设计两方面。一台机器设计的好坏固然与每个零部件的设计有关，但对整机性能起决定作用的却是总体设计，如果在设计中对整体缺乏全盘考虑，即使各部件的设计是良好的，但组合在一起却不一定获得好的效果，因此，在进行设计时，考虑总体原则是十分必要的。进行总体配置就是要合理地布置各部件的位置，从而进一步确定机器的总体尺寸，确定传动机构的方案，以及手动机构的设置等。总体配置的具体要求可以归纳如下：（1） 工艺过程连续顺畅，便于制造。（2） 在达到设计要求的前提下，尽量使结构紧凑。（3） 降低生产成本。（4） 便于使用，调整和维修。（5） 外形美观。3 课题设计传动方案的设计3.1传动方案的选择由给定的参数和要求可知，操作机构需要传递动力不是很大，所以其传动机构的设计方案大致有四种，即分别采用带传动、链传动，齿轮传动和涡轮蜗杆传动。它们的优缺点见下表：表3-1 四种常见传动形式的优缺点比较传动形式优点缺点带传动结构简单，适用于两轴中心距较大的传动场合传动平稳无噪声，能缓冲、吸振过载时带将会在带轮上打滑，可防止薄弱零部件损坏，起到安全保护作用不能保证精确的传动比滑动损失滞后损失链传动可以在两轴中心距较远的情况下传递运动和动力能在低速，重载和高温条件下及尘土大的情况下工作能够保证准确的传动比，传递效率较高，并且作用在轴上的力较小链条的铰链磨损后，使节距变大造成脱节安装和维护要求较高失效较大,传动精度不高齿轮传动能保证瞬时传动比恒定，平稳性高传递的功率和速度范围较大结构紧凑，工作可靠，可实现较大的传动比传动效率高，使用寿命长制造和安装要求较高工作环境要求高涡轮蜗杆传动具有反向自锁的功能具有较大的速比传动比和承载能力较高振动小、噪音低传动效率较低，传动中容易发生的磨损严重传动精度较低制造成本高在选择传动方案时，首先应该明确的一点是，高压断路器并不经常进行合分闸，所以操作机构也并不经常运作。综合考虑操作机构的尺寸、内部空间大小和生产成本等因素，故而选择齿轮传动。3.2电动机的选取 3.2.1选择电动机类型和结构形式电动机分为交流电动机和直流电动机。由于交流电动机的功率、转速和体积一般都较大，而此电动操作机构并不需要太大的转速和功率，再者，考虑到此电动操作机构不经常运作，根据其结构尺寸、使用寿命和工作要求，选择直流微型电动机。3.2.2确定电动机的容量根据给定的设计数据，可以得到所需电动机的工作功率，查机械设计指导书6得到计算电动机工作功率的公式为 （3-1）其中 所以有 3.2.3 确定电动机转速已知高压断路器主轴转速为，查机械设计指导书6中常用传动机构传动比表可知，齿轮的传动比为。故电动机的转速范围为 （3-2）根据容量和转速，综合考虑电动机和传动装置的尺寸、重量、价格等因素，选定电动机的类型为直流微型电动机，型号为59YZ-CJ002-P.其主要性能为：额定功率70 W，额定电压24 V，额定电流6.8 A，满载转速17 r/min。微电机的三维效果图如下图所示：图3-1 微电机的三维视图3.3微动开关的选择3.3.1微动开关的选择及结构微动开关选择HGW410KV型户外高压隔离开关。HGW410KV型户外高压隔离开关适用于装置在户外高压配电设备线路上，供线路在有电压无负载时，分合操动之用。其使用环境条件：海拔高度不超过1000米；周围介质温度不高于+40，不低于-30（注：海拔高度及周围介质温度不能满足上述条件时，可按GB31164国家标准规定要求使用此种隔离开关）；无大量导电气体和尘埃及去爆炸危险场所；风压不超过700pa（相当于风速34m/s）。HGW410KV型户外隔离开关的结构由底座、支柱瓷绝缘子、导电部分及接地部分组成。每极有两个瓷柱，一个瓷柱装在底座一端轴承上，另一个瓷柱固定在底座的另一端，其导电部分采用闸刀插入式结构分成两半，分别固定在两个瓷柱的顶端，作水平分闸运动。触头接触地方在两个瓷柱的中间，当操动机构操动时，装在底座轴承上一端的瓷柱几导电体转动91，另一端固定，闸刀便向同一侧方向断开或闭合。接地型开关当闸刀断开时，接地连杆可开始联动，合闸动作先把接地开关断开，再闭合开关。3.3.2 控制电路的设计（1）合分闸的指示灯控制电路图3-2 合、分闸的指示灯控制电路（2）合分闸开关的控制电路（1）（2）图3-3 合、分闸开关的控制电路 3.4确定传动装置的总传动比和分配传动比由选定的电动机的满载转速和高压断路器主轴转速,可得传动装置的总传动比，即 （3-3）总传动比为各级传动比的乘积，即 （3-4）所以有 （3-5）初步选取 ，则 3.5确定传动装置的运动和动力参数1各轴转速查机械设计指导书6，由公式算得 （3-6） （3-7）2各轴输入功率、输出功率 （3-8） （3-9） 3各轴输入转矩、输出转矩电动机轴的输出转矩为 （3-10） （3-11） （3-12） 运动和动力参数计算结果整理于下表： 表3-2 各轴运动和动力参数 功率P/W转矩T/转速n输入输出输入输出电动机轴7037.1917I轴61.5760.3432.8632.2017.9II轴59.7357.95113.61111.335根据选择的微电机和计算出来的传动装置的数据参数，对电动操作机构进行预设计，画出预设计的三维效果视图，如下图所示：图3-4 预设计三维效果图4 主要零部件的设计和工艺制定4.1齿轮的设计及计算4.1.1确定齿轮类型、精度等级、材料及齿数（1）由于传递的功率和转矩不是很大，考虑到齿轮加工的难易程度和成本等因素，故而选用直齿圆柱齿轮传动。（2）此负载开关的主轴转速不大，所以齿轮传动的速速不高，故选用7级精度即可满足要求。（3）材料选取45钢，调质处理，硬度为2832HRC，小齿轮齿面硬度略高于大齿轮齿面硬度。（4）初步选取小齿轮齿数，大齿轮齿数。4.1.2按齿面接触强度设计查机械设计7得齿面接触强度设计公式为 （4-1）（1） 确定公式中各计算数值1）由于载荷不大，初步试选载荷系数；2）小齿轮传递的转矩；3）小齿轮做悬臂布置，选取齿宽系数；4）由齿轮的材料，查机械设计得材料的弹性影响系数；5）按齿面硬度，查机械设计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；6）计算应力循环次数 （4-2） （4-3）7）按计算出的应力循环次数，取得接触疲劳寿命系数 ，；8）计算接触疲劳许用应力 取安全系数 ，则 （4-4） （2） 计算1）试算小齿轮分度圆直径 ，代入中较小的值 即 2）计算圆周速度 （4-5） 3）计算齿宽 4）计算齿宽与齿高之比 模数 （4-6） 齿高 （4-7）所以 5）计算载荷系数根据 ，7级精度，查机械设计得动载荷系数 ；由于是直齿轮，所以取 ；此齿轮传动并不经常运作，运作时，载荷也较平稳，故而查机械设计得使用系数 ；由7级精度、小齿轮相对支承非对称布置，用插值法查机械设计，得；由 ， 查机械设计得 ；故，载荷系数 （4-8）6）按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径 （4-9）7）计算模数 （4-10）4.1.3按齿根弯曲强度设计查机械设计得齿根弯曲强度设计公式为 （4-11）（1）确定公式中的各计算数值1）由齿面硬度，查机械设计得小齿轮的弯曲疲劳强度极限，大齿轮的弯曲疲劳强度极限；2）由应力循环次数，查机械设计得弯曲疲劳寿命系数为,； 3）计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数 ，则有 （4-12） 4）计算载荷系数 （4-13）5）查取齿形系数按齿轮齿数，并用插值法查机械设计有，；6）查取应力校正系数按齿轮齿数，并用插值法查机械设计得，；7） 计算大小齿轮得 ，并加以比较 （4-14）小齿轮的数值较大，用小齿轮的数值代入计算。（2） 计算 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径有关，故而可取由弯曲强度算得的模数1.15，并就近圆整为标准值，按接触强度算得得分度圆直径算出小齿轮得齿数。 即 （4-15） 则有 大齿轮齿数 （4-16） 这样设计出的齿轮传动，既满足齿面接触疲劳强度，又满足齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。4.1.4 齿轮几何尺寸的计算（1）计算分度圆直径 （4-17） （2）计算中心距 （4-18）（3）计算齿轮宽度 （4-19） 取大齿轮宽度 ，小齿轮宽度根据算得的数据，画出大齿轮的三维效果图，如下图所示：图4-1 大齿轮的三维视图4.2轴的设计及计算4.2.1 I轴（小齿轮轴）的设计及计算 （1）求出I轴上传递的功率 、转速 和传递的转矩由前面的计算有 , ，（2）初步确定I轴的最小直径选取轴的材料为2Cr13，由于此操作机构中的轴主要承受的是扭矩，故而按扭转强度设计计算，并且许用扭转切应力取较大值，取较小值，查表，取 ， ,弯曲疲劳极限则 （4-20） 所以取I轴（小齿轮轴）的最小直径为。4.2.2 II轴（大齿轮轴）的设计及计算（1）求出II轴上传递的功率 、转速 和传递的转矩由前面的计算有 , ，（2）初步确定II轴的最小直径 则 （4-21） 所以取II轴（大齿轮轴）的最小直径为。4.2.3 II轴（大齿轮轴）的结构设计II轴的一端手柄螺母相连，另一端与连轴套相连，两端都需要传递扭矩，为了在不破坏轴的结构的前提下，使其更好地传递扭矩，故而轴的两端做成方形截面；考虑到操作机构的工作环境问题，操作机构箱体内应保持一定的干燥度，所以箱体要密封处理，在轴与箱体相连的部位要加密封圈，所以在轴的两端与箱体相配合的部位要切削密封圈槽，每端两道；另外，为使轴安装方便，不在轴上加工轴肩，在轴上开卡簧槽，用卡簧保证轴的轴向定位。轴的结构设计如下图所示：图4-2 II轴的结构图4.2.4 II轴（大齿轮轴）的强度校核（1）求出作用在齿轮上的力由前面的计算知大齿轮的分度圆直径为，查机械设计得齿轮的载荷公式为 （4-22） （4-23）（2）作出II轴的力学模型II轴的受力分析图如下图所示：图4-3 II轴的载荷分析图 经计算得： ， ， ， II轴的弯矩图、扭矩图如下图所示：图4-4 II轴的弯矩和扭矩图（3）II轴的强度校核 从II轴的结构图中及弯矩和扭矩图中可以看出，由于大齿轮与II轴间不传递扭矩作用，所以在大齿轮与II轴接触处主要承受弯矩，按弯曲强度校核；在II轴销孔截面上主要承受扭矩，按扭转强度校核。大齿轮与II轴接触处 （4-24）II轴销孔截面的扭转切应力为 （4-25）由前知，轴的材料为2Cr13，其弯曲疲劳极限，许用扭转切应力为 。所以， ， ，故而设计的II轴，安全可用。根据设计出的II轴的数据，画出II轴的三维视图，如下图所示：图4-5 II轴三维视图4.3 II轴加工工艺的制定4.3.1II轴的作用II轴主要用来支撑传动零件（即大齿轮和牙嵌拨叉）和传递扭矩。4.3.2II轴的零件图分析大齿轮轴的零件图如下图所示：图4-6 大齿轮轴零件图从零件图中可以看出，A面尺寸为，其公差为，由设计手册查得精度为，其表面粗糙度为3.2。B面尺寸为，其公差为，由设计手册查得精度为IT7,其表面粗糙度为0.8。A面的轴线应分别位于直径为公差值为，且以理想位置为轴线的圆柱面内。调质处理，HRC28-32。4.3.3II轴的毛坯选择根据零件的需要，各部分的直径相差不大，我们所选的毛坯的材料为45钢，圆钢，调制处理，尺寸大小为。4.3.4加工基本方案的确定1、 先加工粗基准面，再以粗基准面定位加工其他面。2、先加工外圆面，再加工光孔和螺纹孔。3、为了改善材料的切削性能，在切削加工之前，对材料进行正火处理（粗加工前后皆可）。4、粗加工之后，为消除内应力，进行人工时效处理。5、在半精加工之后，对材料进行调质处理，以改善材料的力学性能。6、检查，检验，去毛刺，平衡，清洗。4.3.5加工路线的确定1、热处理，正火。2、粗车：夹一端车端面，见平即可，钻中心孔，粗车外圆，保证其直径为，留加工余量.3、精车：精车外圆，保证其直径为.4、切槽。5、钻孔，车螺纹孔，然后在保证总长为的前提下切断轴。6、掉头另一端，车螺纹。7、铣两端四方，夹具采用三爪卡盘定位。4.3.6工艺规程的制定工艺规程的制定如下表：表4-1 II轴加工的工艺规程工序号工序名称工序内容车间工段设备工艺装备下料选基本外形为20.5mmx192mm的圆钢热处理正火粗车端面夹一端车端面见平即可钻中心孔机加工车车床车刀，钻头，切削液粗车外圆粗车外圆保证其直径20.1mm，留加工余量0.1mm机加工车车床车刀，切削液精车精车外圆，保证其直径为20mm机加工车车床车刀，切削液切槽将图中槽切完后，在保证总长为191.5mm的前提下切断轴机加工车车床车刀，切削液钻孔钻一端调头车另一端机加工钻钻床钻头，切削液车螺纹孔车一端调头车另一端机加工车车床车刀，钻头，切削液铣两端四方夹具用三爪卡盘定位机加工铣铣床铣刀，切削液4.4大齿轮加工工艺的制定4.4.1大齿轮的零件图样分析大齿轮的零件图如下图所示：图4-7 大齿轮零件图从零件图中可以看出：（1）齿轮上下端面对称度为。（2）整体调质处理,齿圈高频淬火.（3）齿轮精度等级为8级。4.4.2工艺分析（1）齿轮根据其结构，精度等级及生产批量的不同，机械加工工艺过程也不相同，但基本工艺路线大致相同，即:毛坯制造及热处理-齿坯加工-齿形加工-齿部淬火-精基准修正-齿形精加工。（2）齿轮精度等级为8级，滚齿加工应留有加工余量，进行精加工。（3）根据齿轮的精度等级进行滚齿加工。4.4.3工艺规程的制定大齿轮机械加工工艺规程如下表：表4-2 大齿轮加工工艺规程工序号工序名称工序内容工艺装备下料锯锻毛坯锻造空气锤热处理调质处理车夹外圆找正工件（照顾各部加工余量），车一端面，钻孔车床车掉头，夹外圆，按内表面找正，车另一端面保证总长,车内孔尺寸至车床铰以外圆和端面定位，铰孔、车床磨磨2端面，保证尺寸磨床精车以内孔及端面装夹，精车外圆至图样尺寸，倒角车床滚齿以内孔及一端面定位装夹，滚齿，滚齿机热处理高频淬火台转Z4006A组合夹具剃齿剃齿剃齿机5 箱体加工工艺的制定和钻孔夹具的设计5.1箱体加工工艺的制定5.1.1零件的分析（1）零件的作用本设计所设计的零件是负载开关电动操作机构的箱体部分，它的作用是：（1）与负载开关相固连在一起，起到支撑固定操作机构的作用；（2）给操作机构一个相对封闭的空间，使其与周围工作环境隔离开，以保证操作机构的正常运作和其使用寿命；（3）与操作机构的传动零件相配合，并起到固定支撑定位的作用，使传动机构能够正常工作，精确传递动力。箱体各部分尺寸详细标注如下图：图-51 箱体零件图（2）零件图的审核在加工中，以轴套的内表面为A基准面，以箱体的低面和左侧面分别为B基准面和C基准面；轴套内表面的表面粗糙度为3.2，其余为6.3；箱体的四个侧面对基准B的垂直度公差为0.15mm，其公差值是垂直于基准轴线的距离为公差值0.15mm的两个平行平面内；两个相对侧面对基准C的垂直度公差为0.15mm，两个相对侧面的平行度差为0.15mm；20的轴线对基准A的同轴度公差为0.05mm；其公差带是与基准A同轴，直径为公差值0.05mm的圆柱面；轴套内表面的精度等级为T7级，其余孔的内表面精度等级为T9级；28的孔采用基轴制配合，10H8/h7采用基轴制配合，其余各要求和尺寸精度如图所示。（3）零件的工艺分析分析零件图纸，图纸的各视图清晰，尺寸标注完整，能够表达清楚零件的各个部分，技术条件标注合理，表面粗糙度标注合理，尺寸公差标注完整，能够完整表述加工要求。该零件的加工主要是孔的加工。现将主要加工部分表述如下：该箱体有10个直孔和5个螺纹孔要加工，其中、和孔加工要求较高，两个孔有同轴度要求，侧壁上的孔中心与底平面之间有垂直度要求，其它的孔和螺纹孔可直接加工出来。由以上分析知，该零件的孔加工应以底面为基准，保证孔中心与底平面的距离、垂直度。5.1.2 工艺规程的设计（1）确定毛坯1）毛坯的制造形式箱体材料为，由于此零件为箱体，用铸造或锻造的方法不太好加工，而且生产批量也较大，故而本零件的毛坯用焊接的方法制造，即将切割好、符合尺寸要求的钢板用电焊焊接而成。2）毛坯的设计将材料为、厚度为的钢板按尺寸要求切割成左右板、前后板和底板，然后在保证垂直度的前提下，用电焊将其焊接成箱体毛坯。毛坯的轮廓尺寸为长、宽、高，壁厚。（2）基面的选择 基面选择是工艺规程设计中的重要工作之一，基面选择的正确与合理，可以使加工质量得到保证，生产率得到提高。否则，不但使加工工艺过程中的问题百出，更有甚者，还会造成零件大批报废，使生产无法正常进行。 粗基准选择：粗基准的选择应在保证个加工面余量的前提下，保证重要表面的余量均匀；考虑箱体内运动部件的空间位置；保证外形尺寸的正确。因此一般选择主轴孔为粗基准。在大批量生产时，毛坯精度较高，可直接以主轴孔的粗基准在专用夹具上定位。精基准选择：精基准按基准重合原则和基准统一原则选择，通常优先考虑基准统一原则，选取箱体的低面作为基准。（3）工艺路线的拟定拟订工艺路线的内容除选择定位基准外，还要选择各加工表面的加工方法，安排工序的先后顺序，确定加工设备，工艺装备等。工艺路线的的拟定要考虑使工件的几何形状精度，尺寸精度及位置精度等技术要求得到合理保证，成批生产还应考虑采用组合机床，专用夹具，工序集中，以提高效率，还应考虑加工的经济性。1）选择加工方法选择加工方法应该考虑各种加工方法的特点、加工精度、表面粗糙度及各种加工方法的经济性。 分析该零件，该零件要加工的内容主要是孔的加工，零件为非回转体零件。孔的加工：、和孔粗糙度要求为3.2，加工要求较高，两个孔有同轴度要求，采用钻扩铰孔即可满足要求。侧壁上的孔中心与底平面之间有垂直度要求，粗糙度要求为6.3，采用钻扩孔即可。螺纹孔粗糙度要求为6.3，采用攻丝加工。 2）加工顺序的拟定O ：焊接箱体毛坯：抛光箱体毛坯焊缝。 ：钻孔至，钻孔至，钻孔、；扩孔至，扩孔至；铰孔、，保证孔与孔孔心距为，孔与孔孔心距为，孔中心在孔中心连线的中垂线上，并且与孔、中心距分别为、。 ：钻孔、，保证孔中心距为。 ：钻孔至，钻孔至，钻孔；扩孔至，扩孔至；铰孔、，保证两孔中心距为。 ：钻螺纹孔、分别为、孔。 ：攻螺纹孔，保证与孔中心距分别为、；攻螺纹孔，保证中心距为；攻螺纹孔。 ：镗“十”字孔，8个角倒圆角。 ：锪深；锪、深。 ：将箱口结合件与箱体焊接在一起。：去锐边、毛刺。 ：喷漆。 ：终检。分析以上工艺路线内容，基本合理，根据以上工艺路线，确定工序内容：O ：焊接箱体毛坯。：抛光箱体毛坯焊缝。：以底平面和侧面定位，钻孔、，钻扩铰孔、，保证孔与孔孔心距为，孔与孔孔心距为，孔中心在孔中心连线的中垂线上，并且与孔、中心距分别为、。：以底平面和侧面定位，钻孔、，保证孔中心距为。：以底平面和侧面定位，钻孔，钻扩铰孔、，保证两孔中心距为。：以底平面和侧面定位，钻螺纹孔、分别为、孔。：以底平面和侧面定位，攻螺纹孔，保证与孔中心距分别为、；攻螺纹孔，保证中心距为；攻螺纹孔。：以底平面和侧面定位，镗“十”字孔，8个角倒圆角。：以底平面和侧面定位，锪深；锪、深。：将箱口结合件与箱体焊接在一起。：去锐边、毛刺。：喷漆。：终检。3）机械加工余量孔加工余量：孔钻扩铰余量：钻孔：扩孔：至 铰孔： 孔钻扩铰余量：钻孔：扩孔：至 铰孔： 孔钻扩铰余量：钻孔：扩孔：至 铰孔： 孔、“十”字孔、直接钻出。螺纹孔加工余量：钻孔：攻丝：螺纹孔加工余量：钻孔：攻丝：螺纹孔加工余量：钻孔：攻丝：锪加工余量锪余量： 锪余量： 锪余量： 4）选择加工设备及刀、夹、量具由于生产类型为大批量生产，故加工设备宜以通用机床为主。其生产方式为以通用机床加专用夹具为主的流水生产线。工件在机床上的装卸及各机床间的传送均由人工完成。孔加工 钻削各表面孔系时，选用摇臂钻床Z3025，选用锥柄麻花钻、锥柄扩孔钻、铰刀、专用夹具、快换夹头、游标卡尺和塞规。螺纹孔攻丝 螺纹孔攻螺纹选用摇臂钻床Z3025，采用机用丝锥、丝锥夹头、专用夹具和螺纹塞规。镗“十”字孔采用卧式镗床T611，选择镗通孔刀径为的镗刀、专用夹具、游标卡尺。锪加工锪、平面分别选用直径为、的带可换导柱锥柄平底锪钻、专用夹具、游标卡尺。5）工序尺寸确定确定工序尺寸的一般方法是由表面加工最后往前推。最后工序的尺寸按零件图上要求标注，当没有基准转换时，同一加工表面的工序尺寸只与工序或工步的加工余量有关。当工序基准不重合时，工序尺寸用尺寸链计算。6）确定切削用量及基本工时工序切削用量及时间定额钻孔 查表3-38（实用机械制造工艺设计手册），取 ，查表3-42（实用机械制造工艺设计手册），取 ，由公式 （5-1）查表4.2-15（实用机械制造工艺设计手册），机床为Z3025，选择转速实际切削速度 （5-2）切削工时： ，代入公式： （5-3）钻孔 查表3-38（实用机械制造工艺设计手册），取 ，查表3-42（实用机械制造工艺设计手册），取 ， 由公式 查表4.2-15（实用机械制造工艺设计手册），机床为Z3025，选择转速 实际切削速度 切削工时： 代入公式：钻扩铰孔 钻孔至 ：查表3-38（实用机械制造工艺设计手册），取查表3-42（实用机械制造工艺设计手册），取 带入公式 查表4.2-12（实用机械制造工艺设计手册），机床为Z3025，选择转速则实际切削速度 扩孔至 ： ，（表2.4-52实用机械制造工艺设计手册） ，（表2.4-53实用机械制造工艺设计手册）代入公式 查表4.2-12（实用机械制造工艺设计手册），机床为Z3025，选择转速实际切削速度 铰孔 ： 查表3-50（实用机械制造工艺设计手册）， 带入公式 查表4.2-12（实用机械制造工艺设计手册），机床为Z3025，选择转速 实际切削速度 切削工时： 钻扩铰孔 钻孔至 ：查表3-38（实用机械制造工艺设计手册），取 查表3-42（实用机械制造工艺设计手册），取 带入公式 取机床实际转速 ，则实际切削速度 扩孔至 ：，（表2.4-52实用机械制造工艺设计手册），（表2.4-53实用机械制造工艺设计手册） 带入公式 取机床实际转速 ，则实际切削速度 铰孔 ： 查表3-50（实用机械制造工艺设计手册）， 带入公式 取机床实际转速 ，则实际速度 切削工时： 工序总切削工时 工序切削用量及时间定额钻孔查表3-38（实用机械制造工艺设计手册），取 查表3-42（实用机械制造工艺设计手册），取 带入公式 取机床实际转速 则实际切削速度 切削工时： 钻孔 查表3-38（实用机械制造工艺设计手册），取 查表3-42（实用机械制造工艺设计手册），取 代入公式 取机床实际转速 则实际切削速度 切削工时： 工序总切削工时 工序切削用量及时间定额钻孔 查表3-38（实用机械制造工艺设计手册），取 查表3-42（实用机械制造工艺设计手册），取 带入公式 取机床实际转速 则实际切削速度 切削工时： 钻扩铰孔这一工步跟工序中第三工步钻扩铰孔的切削用量、切削工时一样，这里不再详述。钻扩铰孔钻孔至 ： 查表3-38（实用机械制造工艺设计手册），取 查表3-42（实用机械制造工艺设计手册），取带入公式 取机床实际转速 则实际切削速度 扩孔至 ：，（表2.4-52实用机械制造工艺设计手册），（表2.4-53实用机械制造工艺设计手册）带入公式 取机床实际转速 则实际切削速度 铰孔 ：查表3-50（实用机械制造工艺设计手册），带入公式 取机床实际转速 ，则实际速度 切削工时： 工序总切削工时 工序切削用量及时间定额