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目錄
摘 要 3
第一章 緒論 1
1.1滾齒機國內外研究現(xiàn)狀現(xiàn)狀 1
1.2 滾齒機研制技術的發(fā)展趨勢 2
第二章 滾齒機總體設計 4
2.1滾齒機總體方案設計 4
2.2 擬定傳動方案設計 4
2.3 確定詳細傳動方案 6
2.4 滾齒機各部件方案設計 7
2.4.1 床身設計 7
2.4.2 主傳動箱設計 7
2.4.3 刀架立柱設計 8
2..4.4 滾刀牙箱設計 8
2..4.5 工作臺設計 8
2..4.6 外支架設計 8
第三章 滾刀箱結構設計 9
3.1滾刀箱的特性 9
3.2滾刀箱的結構設計 9
3.2.1 滾刀箱的功能結構分析 9
3.2.2 滾刀箱的壁厚 9
3.3 滾刀箱的設計計算 10
3.3.1 斜齒輪的設計 10
3.3.2 滾刀心軸的結構設計 14
第四章 刀架底座部件設計 17
4.1 工作要求 17
4.2竄刀運動與工件軸旋轉的聯(lián)動關系 17
4.3刀架底座部件的結構特點 18
4.4動力參數(shù)設計 18
4.4.1滾齒機切削力的關系及坐標變換 18
4.4.2 等效負載轉矩計算 21
4.4.3 等效轉動慣量的計算 23
4.4.4 加速度扭矩的計算 24
4.5滾柱絲杠副支承設計技術研究 26
4.5.1 滾動軸承的選擇 26
4.5.2 支承形式設計 26
4.5.3絲杠的預拉伸設計 27
4.6 滾刀軸部件鎖緊的實現(xiàn) 29
第五章 滾刀箱形狀和尺寸的確定 33
第六章 結束語 34
參考文獻 35
致 謝 36
附 錄1 37
附 錄2 38
摘 要
齒輪加工正朝著環(huán)保、高效、高精度及無屑加工方向發(fā)展，齒輪加工機床正朝著全數(shù)控、功能復合、柔性、自動化、安全性及網絡化方向發(fā)展。傳統(tǒng)機械式滾齒機傳動結構異常復雜、傳動效率低、傳動精度差、磨損嚴重、切削速度低，在各方面都不能滿足現(xiàn)代滾齒機的性能要求；普通全數(shù)控滾齒機雖然具有全數(shù)控化、柔性好、安全的特點，但是機械傳動環(huán)節(jié)的存在始終限制其加工速度的提升，不能適應干式切削的需要。因此，國外的部分廠家從最近幾年才開始研制“零傳動”齒輪加工機床。零傳動滾齒機突破了傳統(tǒng)齒輪加工機床的結構設計原理，采用電主軸和內置力矩電機直接驅動滾刀旋轉運動和工件軸旋轉運動，是齒輪機床設計技術的重大變革。但國外零傳動機床的售價很高（是一般數(shù)控機床的 2～3倍），設計原理和技術資料嚴格保密，形成了技術壟斷的局面。
為了打破國外的技術壟斷，盡快提高我國齒輪加工機床的設計/制造水平，研究和開發(fā)高速、高精度零傳動滾齒機是十分必要的。零傳動滾齒機的研制基于零傳動功能部件，由電主軸直接驅動的零傳動刀架部件是研發(fā)的核心之一。
我的課題主要內容是滾齒機刀架系統(tǒng)設計。滾刀箱固定在刀架滑板上，滾刀心軸插入滾刀主軸并用拉緊螺栓固定在主軸上。為了保證主軸與前軸承的適當間隙，前軸承是做成外錐并開口。調整軸承上的兩個螺母，可以使前軸承做軸向移動，使前軸承孔收縮便可消除主軸和軸承間過大的間隙。
關鍵詞：滾齒機、刀架、動靜態(tài)特性
ABSTRACT
The gear processing is developed an environment protecting, high-efficiency,high-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 CNC,good flexible and safety, but because the mechanical drive limit the cutting speed , it also can not fit for the demand of dry cutting.so ,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-shaft.it 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 technology.
In order to break the technology monopoly and improve the level of designing/manufacturing rapidly in our country’s gear cutting machine, it's 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 hobhead.
The 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 緒論
1.1滾齒機國內外研究現(xiàn)狀現(xiàn)狀
齒輪加工機床是一種技術含量高且結構復雜的機床系統(tǒng)，由于齒輪使用的量大面廣，齒輪加工機床已成為汽車、摩托車、工程機械、船舶等行業(yè)的關鍵設備。特別是，隨著汽車工業(yè)的高速發(fā)展，對齒輪的需求量日益增加，對齒輪加工的效率、質量及加工成本的要求愈來愈高，使齒輪加工機床在汽車、摩托車等行業(yè)中占有越來越重要的作用。滾齒機是齒輪加工機床中的一種，其占齒輪加工機床擁有量的40%～50%。它主要用來加工圓柱齒輪和蝸輪等。
隨著重型車市場的高速擴張和產銷量的迅速增長，變速箱和齒輪制造行業(yè)的內部競爭必將進一步加劇，為齒輪機床行業(yè)增加了良性發(fā)展的大好機會，各生產廠商大規(guī)模技改投資齒輪加工機床。
目前國際上生產滾齒機的強國———美國、德國和日本，也是世界經濟強國和汽車生產大國。美國Gleason-pfauter公司，德國的Liebherr 公司，日本的三菱重工公司、堅藤、清和公司和意大利的SU公司是國外最具實力的滾齒機制造商。這些公司目前生產的滾齒機都是全數(shù)控式的，中小規(guī)格滾齒機都在朝著高速方向發(fā)展，所有高效機床均采用了全密封護罩加油霧分離器及磁力排屑器的方式部分地解決環(huán)保問題。近年來，為更好地滿足滾齒加工中的綠色制造，德國Liebherr 公司早在十幾年前就開始研究高速干式切削滾齒機。日本三菱重工則是最早將高速干式切削滾齒機商品化的制造商，它們的成功還得益于滾刀制造技術的提高。目前，Liebherr、Gleason-pfauter、三菱重工、SU、堅藤和清和均開發(fā)了適用于高速干式切削的滾齒機產品。在特別重視環(huán)保的世界著名齒輪制造商中，如德國ZF公司、美國Ford汽車公司等使用高速干式滾齒已成為主流。在我國上海汽車齒輪公司及陜西發(fā)士特公司也已開始采購三菱重工公司生產的干式切削滾齒機。
近幾年，我國在滾齒機設計技術方面研究的主要內容經歷了從傳統(tǒng)機械式滾齒機通過數(shù)控改造發(fā)展為2-3軸（直線運動軸）實用型數(shù)控高效滾齒機，到全新的六軸四聯(lián)動數(shù)控高速滾齒機的開發(fā)。滾齒機加工（鋼件）全部采用濕式滾齒方式。目前，國內主要滾齒機制造商重慶機床廠及南京二機床有限責任公司生產的系列數(shù)控高效滾齒機已采取全密封護罩加油霧分離器和磁力排屑器的方式部分地解決環(huán)保問題。世界上滾齒機產量最大的制造商——重慶機床廠從2001年開始研究面向綠色制造的高速干切滾齒技術，2002年初研制成功既能干切又能濕切的YKS3112六軸四聯(lián)動數(shù)控高速滾齒機，2003年初又開始研制面向綠色制造的YE3116CNC7高速干式切削滾齒機，即將進入商品化階段。
傳統(tǒng)滾齒機在加工過程中有以下特點：(1)滾削齒輪時，應用切削液可提高刀具壽命，改善加工表面質量和利于排出切削熱而不致引起機床的熱變形。但是，在高速切削過程中切削液的飛濺和形成的油霧對生態(tài)環(huán)境和人類特別有害，變質切削液的排放也會嚴重污染環(huán)境。(2)機床漏、混油嚴重。(3)加工成本高。機床的材料用量、能耗、油耗及附加費大，濕式齒輪加工中消耗的切削液及切削液附加裝置的費用占加工成本的20%左右。(4)生產效率低下，加工質量差，難以滿足現(xiàn)代企業(yè)生產的要求。開發(fā)研制新的滾齒機可以使公司擁有更大的市場份額，創(chuàng)造更好的經濟效益和社會效益，同時在技術上達到一個新的高度。
1.2 滾齒機研制技術的發(fā)展趨勢
① 高速、高效化[17,24,34-35]
綜合上面的分析比較，我們可以看到，具有國際先進水平的滾齒機充分利用了高速切削的原理，滾刀最高轉速均在3000r/min以上，Liebherr的LC80立式滾齒機甚至達到了9000r/min[7]，不僅提高了生產效率，而且由于切屑帶走了90%以上的切削熱，既能保證工件的精度又省去了冷卻工件的切削液，避免了環(huán)境污染。
② 全數(shù)控化[11-18,24]
通過對機床各運動軸的 CNC 控制及部分軸間的聯(lián)動，可增加機床功能，使?jié)L削小錐度及鼓形齒輪變得簡單；可縮短傳動鏈，提高各軸精度和重復定位精度；可省去計算及更換分齒掛輪和差動掛輪、進給及主軸換檔時間，從而減少輔助加工時間，增加機床柔性；由于機械結構變得簡單，可在設計時更有利于提高機床的剛性及把熱變形降到更低。各軸間沒有機械聯(lián)系，結構設計變得更加典型，有利于實施模塊化設計及制造。
③ 零傳動化及高速干式切削[17,33]
國外先進滾齒機已經廣泛采用了零傳動功能部件，最常見的是刀架由電主軸直接驅動，部分廠家工作臺由力矩電機直接驅動。零傳動滾齒機滾刀軸速度一般在 3000 轉/分以上，能夠達到干式切削的速度要求，實現(xiàn)了機床的環(huán)?；?。干式切削滾齒機使齒輪加工徹底擺脫了切削液，從根本上解決了環(huán)境污染問題，還能提高 2 倍以上的加工效率，提高刀具 1～4 倍的壽命，大大降低單件齒輪加工的成本。
④ 網絡化[17]
由于計算機技術的高速發(fā)展，現(xiàn)在的高檔數(shù)控系統(tǒng)已具備通訊聯(lián)網的功能，數(shù)控機床正朝著網絡化方向發(fā)展，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和加工的功能，減少工人負擔，提高加工效率。
⑤ 智能化[19]
由于計算機技術及數(shù)控技術的發(fā)展，智能技術也逐漸應用于高性能數(shù)控齒輪機中，具體表現(xiàn)在：
1) 完成加工質量與加工過程智能控制。根據對工件在線檢測的結果和實時采集的機床狀態(tài)，預測工件的加工質量，并及時調整加工過程的工藝參數(shù)，以保證機床的加工精度。
2) 智能診斷。故障診斷的智能化表現(xiàn)在兩方面：一方面是機床會對曾經產生的故障作記錄，當下次碰到該故障時，它會首先提示可能的原因；另一方面，現(xiàn)場信息經過壓縮，存貯在機床的“黑匣子”中，一旦機床發(fā)生的故障超出其自身的診斷能力，就可以通過 Internet 從網上專家系統(tǒng)獲得支持，進行交互式的遠程協(xié)同診斷。
第二章 滾齒機總體設計
2.1滾齒機總體方案設計
滾齒加工是依照交錯軸螺旋齒輪嚙合原理進行的。用齒輪滾刀加工的過程，就相當于一對螺旋齒輪嚙合的過程。將其中的一個齒輪的齒數(shù)減少到一個或幾個，螺旋角增大到很大，呈螺桿狀，再開槽并鏟背，使其具有切削性能，就成了齒輪滾刀。機床使?jié)L刀和工件保持一對螺旋齒輪副嚙合關系作相關旋轉運動時，就可在工件上滾切出具有漸開線齒廓的齒槽。滾齒時，切出的齒廓是滾刀切削刃運動軌跡的包絡線。滾齒時齒廓的成形方法是展成法，成形滾刀旋轉運動和工件旋轉運動組成的復合運動就是展成運動，再加上滾刀沿工件軸線垂直方向的進給運動，就可切出整個齒長。
其設計依據如下：
a) 最大切削模數(shù)8mm；
b) 銑削圓柱齒輪最大外徑500mm；
c) 銑刀最大直徑160mm；
d) 銑刀最大垂直行程長度300mm；
e) 滾刀轉數(shù)范圍40~250r/min。
2.2 擬定傳動方案設計
加工直齒圓柱齒輪時，滾刀軸線與齒輪端面傾斜一個角度，其值等于滾刀螺旋升角，使?jié)L刀螺紋方向與被切齒輪齒向一致。它需具有以下三條傳動鏈：
a) 主運動傳動鏈：電動機—1—2—iv—3—4—滾刀，是一條外聯(lián)系得傳動鏈，實現(xiàn)滾刀的旋轉運動。其中，iv為置換機構，用以變換滾刀的轉速。
b) 展成運動傳動鏈：滾刀—4—5—ix—6—7—工作臺，是內聯(lián)系傳動鏈，實現(xiàn)漸開線齒廓的復合成形運動。對單頭滾刀而言，滾刀轉一轉，工件應轉過一個齒，所以要求滾刀與工作臺之間必須保持嚴格的傳動比關系。其中換置機構為ix，用于適應工件齒數(shù)和滾刀頭數(shù)的變化，其傳動比的要求很精確。由于工作臺的旋轉方向與滾刀螺旋角的旋向有關，故在這條傳動鏈中，還設有工作臺變向機構。
c) 軸向進給運動傳動鏈：工件—7—8—if—9—10—刀架升降絲杠，是一條外傳動鏈，實現(xiàn)齒寬方向直線形齒形的運動。其中，換置機構為if，用于調整軸向進給量的大小和方向，以適應不同加工表面粗糙度的要求，軸向進給運動是一個獨立的簡單運動，作為外聯(lián)系傳動鏈它可以使用獨立的運動源來驅動，這里所以用工作臺作為間接運動源，是因為滾齒時的進給量通常以工件每轉1轉時，刀架的位移量來計量，且刀架運動速度較低，采用這種傳動方案，不僅滿足了工藝上的需要，還能簡化機床的結構。
圖2-1所示為滾切直齒圓柱齒輪齒輪的傳動原理圖。
圖2-1 滾切直齒圓柱齒輪的傳動原理圖
斜齒圓柱齒輪在齒長方向為一條螺旋線，為了形成螺旋線齒線，在滾刀作軸向進給運動的同時，工件還應作附加旋轉運動B22（簡稱附加運動），且這兩個運動之間必須保持確定的關系：滾刀移動一個螺旋線導程S時工件應準確地附加轉過1轉，因此，加工斜齒輪時的進給運動是一個螺旋運動，是一個復合運動。實現(xiàn)滾切斜齒輪所需成形運動的傳動原理圖如圖2-2所示。其中，主運動、展成運動以及軸向運動傳動鏈與加工直齒輪時相同，只是在刀架與工作臺之間增加了一條附加運動鏈：絲杠 -12-13-iy-14-15-i合成-6-7-ix-8-9-工件。
在保證刀架沿工作臺軸線方向移動一個螺旋導程s時，工件附加轉過±1轉，形成螺旋線齒線。
圖2-2 滾切斜齒圓柱齒輪的傳動原理圖
2.3 確定詳細傳動方案
本次所設計的Y3150E型滾齒機，它主要用于加工直齒和斜齒圓柱齒輪，也可用于手動徑向進給加工蝸輪。因此，傳動系統(tǒng)中共有6條傳動鏈，它們分別是主運動鏈、展成運動鏈、軸向進給運動鏈、附加運動鏈、工作臺的水平送進運動鏈和快速移動刀架的運動鏈。
其主要四條傳動鏈的表達式如下：
a．主運動：電動機 → 滾刀
主電動機 →（帶輪）→→→ → → → → → 滾刀
b．展成運動：滾刀 → 工作臺
滾刀 → → → → → → 合成機構 → → → → 工作臺
c．進給運動：工作臺 → 刀架
工作臺 → → → → → →u進→ → 刀架
d．附加運動：刀架 → 工作臺
刀架→ → → → → → →u合→→ux →→工件
Y3150E型機床的傳動系統(tǒng)圖如圖2-3所示。
圖2-3 Y3150E型機床的傳動系統(tǒng)圖
2.4 滾齒機各部件方案設計
2.4.1 床身設計
床身為箱型結構，與底座鑄成一個整體，左上部是方形導軌安放工作臺，右上部固定刀架立柱，床身內部安裝有差動機構，床身后端連出分齒掛輪架背面為主傳動箱，主電動機及冷卻電動機都裝在床身上，方形導軌中間裝一絲杠作移動工作臺之用，在分度掛輪架處的手柄，供銑正齒輪或斜齒輪時操縱使用。
2.4.2 主傳動箱設計
主傳動箱緊固在床身的背面，其內裝有主傳動進給差動機構機件，主傳動進給與差動掛輪架均在其中。主傳動箱的第一根軸的端部連接葉片泵，主電動機開動后，葉片泵被帶動輸出油，供給機床各部位自動潤滑點的潤滑油及刀架立柱的液壓缸壓力油。
2.4.3 刀架立柱設計
刀架立柱緊固在床身上方，其中有主傳動的花鍵軸、傘齒輪和垂直進給絲桿，另外還有平衡刀架滑板的液壓油缸。刀架滑板置于V型導軌上，前面是操縱板（電氣按鈕）。另裝有手柄供手動升降刀架滑板之用。手搖升降刀架時，先將手柄搬至“開”位置將給合子脫開，使搖動輕便。
2..4.4 滾刀牙箱設計
滾刀牙箱固定在刀架滑板上，滾刀主軸孔為莫氏5號錐度，滾刀心軸插入此孔，用拉緊螺栓將心軸固牢拉緊在主軸上。為了保證主軸與前軸承的適當間隙，將前軸承做成外錐并開口。調整軸承上的兩個螺母，可以使前軸承座軸向移動，使前軸承孔收縮便可消除主軸與軸承間過大的間隙。
后軸承可與主軸一起沿著軸線移動40毫米，以便在滾刀工作部分磨鈍時，把鋒利的部分移到切削部分來工作。移動后軸承是利用與后軸承相連的鉗在滾刀牙箱殼體上的調整緊鎖螺栓進行的，因為牙箱上套裝后軸承的孔是開口的。調整時應首先將拉緊開口的鎖緊螺栓松開，調整好后并把它擰緊。松開壓緊螺釘，搖動手柄，可以使?jié)L刀牙箱轉動一定角度。
2..4.5 工作臺設計
工作臺為箱形，裝在床身的方形導軌上，工作臺殼體以其環(huán)形表面支承工作臺，并以其錐孔來定工作臺中心。分度蝸輪與工作臺殼體連在一起，分度蝸桿與工作臺座連在一起。內殼體油室可提供潤滑油潤滑分度蝸輪副。
2..4.6 外支架設計
外支架固定在工作臺殼體上，它上面有燕尾形導軌。支承工件心軸的支臂，可沿導軌移動。支臂上有一專用手柄，供支臂夾緊在支架上之用。當使用外支架時，最大加工直徑為450毫米。超過450毫米，就應取下外支架，才可以加工。
第三章 滾刀箱結構設計
3.1滾刀箱的特性
圖3－1 滾刀箱箱體圖
3.2滾刀箱的結構設計
滾刀箱的結構形狀主要取決于其功能要求，以及箱體在床身上的安裝連接要求。滾刀箱首先應該滿足運動方面的要求，如滾刀箱的旋轉、步進等。此外，還要求具有較高的傳動效率，保證傳動件具有足夠的強度或剛度，降低噪音，提高抗振性和耐磨性，操作方便，并有良好的工藝性，便于檢修，成本較低，防塵、防漏，外形美觀等。
圖3－1為滾刀箱的結構示意圖。
3.2.1 滾刀箱的功能結構分析
滾刀箱內裝有傳動軸和齒輪，滾刀箱的絕大多數(shù)傳動軸上都裝有滾動軸承。傳動軸的軸承以圓錐滾子軸承為主。因為圓錐滾子軸承價格較低，噪音和發(fā)熱量較小，且裝配方便，承載能力較大，還可以承載部分軸向力。
滾刀箱作為滾齒機的重要組成部分，要求傳動精確，并且工作穩(wěn)定。滾刀箱為箱形，裝在刀架立柱上的滾刀滑板上，由刀架立柱的絲杠來調節(jié)滾刀箱的運動。滾刀心軸上裝有齒輪滾刀，由滾刀的旋轉與垂直運動來切削工件。而滾刀箱通過螺栓固定在刀架立柱上，并由刀架立柱的錐齒輪通過主運動傳動鏈傳遞過來的力來驅動滾刀心軸的運動。
3.2.2 滾刀箱的壁厚
壁厚的大小取決于產品需要承受的外力、是否作為其他零件的支撐、承接數(shù)量、伸出部分的多少以及選用的材料而定。一般的鑄鐵材料以10到15毫米為準。滾刀箱的箱體主要是定位軸以及固定零件之用。從經濟角度來看，過厚的產品不但增加物料成本，延長生產過程的冷卻時間，增加生產成本；從產品設計角度來看，過大的壁厚將增加產生空穴和氣孔的可能性，大大削弱產品的剛性及強度。
最理想的壁厚分布是在任何一個地方都是均勻一致的，但為了滿足功能上的需求以致壁厚有所改變總是無可避免的。在此情形，有大的轉角的地方應盡可能平滑。因為太突然的壁厚轉變會導致應力集中和產生不穩(wěn)定問題。
壁厚均一的原則在轉角的地方也同樣需要，在有大的轉角的地方應盡量運用倒角和圓角。因為在大轉角處通常會導致部件有缺陷及應力集中，應力集中的地方會在受負載或撞擊的時候破裂。較大的圓角提供了這種缺點的解決方法，減低了應力集中的程度。建議的最小圓角半徑是壁厚的25%，適當?shù)卦龃髨A角半徑?能明顯地減少應力集中現(xiàn)象的發(fā)生。
3.3 滾刀箱的設計計算
由于齒輪在轉速最小的時候可以求得它們的最大扭矩，所以要選用適當?shù)奈佪喓臀仐U就必須求出齒輪的最小轉速。
3.3.1 斜齒輪的設計
根據齒根彎曲疲勞疲勞強度的設計：
確定公式中的各參數(shù)值，取載荷系數(shù) K=1.93，=60，已知滾刀的最低轉數(shù)為47.5r/min。則：
傳動效率為，
大齒輪傳遞的轉矩
則
傳動比為
大小齒輪的彎曲疲勞強度極限
查圖6.9得：
應力循環(huán)次數(shù)
考慮到工作條件工作環(huán)境以及總體設計取齒輪壽命為十年，每年300個工作日，每個工作日安8個小時計算得
式中 ：齒輪的轉速，單位為；
：齒輪每轉一圈時同一齒面的嚙合的次數(shù)；
：齒輪的工作壽命，單位為。
再由傳動比得：
查表6.6得彎曲疲勞壽命系數(shù)：
計算許用彎曲應力
取彎曲疲勞安全系數(shù)
應力修正系數(shù)則
=
同理 =/＝385.7
查取齒形系數(shù)和應力校正系數(shù)
根據當量齒輪
計算大小齒輪的并加以比較
由表6.4查取齒形系數(shù)和應力校正系數(shù)
因為 ，故取進行齒根彎曲疲勞強度計算。
重合度系數(shù)， 。
設計計算如下：
A．試計算齒輪模數(shù)
B．設計圓周速度
C．計算載荷系數(shù)
查表6.2得=1.0。
根據，7級精度，查圖6.10，得。
D．斜齒輪傳動取;查圖6.13得。則載荷系數(shù)
式中：為使用系數(shù)；為動載系數(shù)；為齒間載荷分配系數(shù)；為齒向載荷分布系數(shù)。
mm
則取
計算齒輪傳動得幾何尺寸
a．中心距
mm
則取中心距為127mm
b．螺旋角
c．兩分度圓直徑
d．齒寬 mm
下面校核齒面接觸疲勞強度。
其中，大小齒輪得接觸疲勞強度極限
查圖6.6，得接觸疲勞壽命系數(shù)＝1.15 ， ＝0.95。
計算許用接觸應力
取安全系數(shù) 則
MPa
MPa
查圖6.19，得節(jié)點區(qū)域系數(shù)＝2.44。
重合度系數(shù)
螺旋角系數(shù)
材料系數(shù)
校核計算得接觸疲勞強度滿足要求。
3.3.2 滾刀心軸的結構設計
圖3－2 滾刀心軸裝配圖
心軸是只承受彎矩而不受扭矩，其失效形式主要有：
a．因疲勞強度不足而產生疲勞斷裂；
b．因靜強度不足而產生塑性變形或脆性斷裂 ；
c．因剛度不足而產生過大彎曲及扭轉變形；
d．高速時發(fā)生共振破壞等。
選擇軸的材料為45號調質鋼。
材料的安全彎曲應力為
彎曲應力
式中，為彎矩，為抗彎截面系數(shù)。
其中，。
圖3－3 心軸受彎曲應力作用時簡圖
圖3－4 心軸結構示意圖
由于在工作中心軸外面裝有齒輪滾刀，齒輪滾刀是加工直齒和斜齒的最常用的展成法刀具，利用螺旋齒輪嚙合原理來加工齒輪。它加工范圍廣，模數(shù)從到的齒輪均可使用滾齒加工。
滾刀一般常用的是齒輪滾刀，其外形相當與一個蝸桿。為了能使這個蝸桿能起到切削作用，需要在其圓周上開出幾個容屑槽，形成很短的刀齒。
在工作過程中滾刀受到切削力的作用。根據總體設計中求出的切削力和所取的最小直徑，再由下列近似關系：
查[10]，取 ，
得出 ，
根據公式
其中：為切削力；為背向力；為進給力。
求出合力。
根據心軸的固定位置，取心軸的中點作為受力點，則
由公式， 得
。
。
則
強度足夠。
第四章 刀架底座部件設計
4.1 工作要求
刀架底座部件在功能上主要實現(xiàn)竄刀運動，調整滾刀軸（B 軸）與工件軸（C軸）在滾刀軸軸向的相對位置，避免滾刀在同一部位過分磨損。在干切削加工的時候，滾刀軸部件需要在滾刀長度范圍內連續(xù)運動，保證滾刀的均勻磨損。竄刀運動加入到聯(lián)動軸系中相當于一個附加的展成運動,它使 C 軸必須增加一個附加轉動與之相協(xié)調。滾齒機的切削過程是典型的斷續(xù)切削，滾刀軸要承受很大的沖擊載荷，使整個 B 軸部件產生振動，零傳動滾齒機在進行干式切削的時候，由于轉速提高，振動問題更加不能小視，必須采取措施控制滾刀軸部件的振動，這也是對刀架底座部件的要求之一。
4.2竄刀運動與工件軸旋轉的聯(lián)動關系
當滾齒機進行干式切削時，其竄刀運動加入到了聯(lián)動軸系中，相當于一個附加的展成運動，工件軸必須有附加的旋轉與之匹配。兩軸之間的耦合關系是滾刀的切向速度在工件軸切向方向上的速度分量與工件軸附加旋轉產生的工件線速度相同。即：
(4.1)
(4.2)
式中：
——工件軸的附加轉動速度（轉/分）；
——刀架切向竄刀速度（mm/分）；
——刀架安裝角；
——工件模數(shù)。
4.3刀架底座部件的結構特點
在進行滾齒機刀架部件的設計時，刀架與工件軸的干涉是必須考慮的問題，刀架部件的結構應當非常緊湊。刀架底座的尺寸，特別是其在滾齒機的軸向進給方向的尺寸對干涉的影響是很大的，過大的刀架底座尺寸會導致工件軸懸伸量過大，降低工件軸的剛度，同時限制了刀架的安裝角旋轉范圍，降低工件的加工范圍，使?jié)L齒機的性能受到很大的影響。因此，采用伺服電機直連絲杠的傳動方案，結構緊湊，能最大可能地壓縮刀架底座部件的尺寸。導軌選用窄形圓柱滾子導軌，既能良好地承受沖擊載荷，保證足夠的剛度，又能控制在滾齒機軸向進給方向的尺寸。采用 INA 公司的鎖緊單元將滾刀軸部件的切向運動置于鎖緊狀態(tài)，或者在連續(xù)竄刀時給予一定的摩擦力，增加阻尼，減弱其振動。
4.4動力參數(shù)設計
4.4.1滾齒機切削力的關系及坐標變換
由于滾齒過程復雜，分析切削力時需要建立一個與工件坐標軸重合的機床坐標系（0, x, y, z）和一個滾刀坐標系（0, x’, y’, z’）,如圖4.1所示?？梢?y 軸與 y’軸重合。將機床坐標系繞 y 軸轉動ω，就能得到滾刀坐標系。
ω ＝β＋λ
式中 ω——滾刀安裝角；
β——工件螺旋角；
λ——滾刀螺旋升角。
圖4.1 切削力的分解
眾多切削力研究者都是在滾刀坐標系中測量各切削分力的。我國學者陳鼎昌在滾刀坐標系中得到下列結果（見圖4.1）。
Pt——滾刀切向分力，由實測扭矩得出
Pr——徑向分力，Pr＝0.3 Pt
Py——水平分力，逆銑時，順銑時
Px——滾刀軸向分力，
要計算 Y 軸電機功率，必須求出機床坐標系中的 Px －作用于工件的切向分力，Py－作用于工件的徑向分力， Pz－作用于工件的軸向分力。因此，必須進行坐標變換。首先，在滾刀坐標系中確定 Pt 與 y’軸的夾角，如圖3.2所示，在逆銑時，當時
則
則
當時，同樣可算出θ≈81°。由此可見，逆銑時刀齒從切入到切出的過程中，由于 Py’的幅值在交替變化，使 Pt 力的方向也發(fā)生變化。為簡化計算，規(guī)定θ＝65°。在順銑時，，按照同樣的方法可算出θ＝119°。
圖4.2 切削力的分解
下面進行坐標變換，如圖 4.1 所示，首先將 Px’、Pt、Pr 繞 x’軸順時針旋轉θ角，再繞 y 軸旋轉ω角，求得機床坐標系中的分力 Px、Py、Pz。
代入數(shù)值，得出 Px、Py、Pz 與 Pt 的關系如下表
逆銑 θ=65°
順銑 θ＝119°
β
0°
30°
45°
0°
30°
45°
Px
0.09Pt
0.6Pt
0.79Pt
0.09Pt
0.45Pt
0.58Pt
Py
0.15Pt
0.15Pt
0.15Pt
-0.74Pt
-0.74Pt
-0.74Pt
Pz
1.04Pt
0.85Pt
0.67Pt
0.73Pt
0.58Pt
0.45Pt
根據上表以及第 3.2.3 節(jié)的計算，可知課題設計的零傳動臥式數(shù)控滾齒機在最危險情況下的切向力 Py＝0.79Pt＝429N,徑向力 Px＝0.74Pt＝402N。
4.4.2 等效負載轉矩計算
① 負載轉矩的種類
零傳動滾齒機刀架底座部件系統(tǒng)具有三種性質的轉矩：驅動轉矩、負載轉矩和動態(tài)轉矩（慣性轉矩）。其中慣性轉矩為：
(4.3)
負載轉矩根據其特性可分為工作負載、摩擦轉矩和制動轉矩。零傳動滾齒機刀架底座部件驅動系統(tǒng)負載轉矩有下面幾種：
1) 滾刀軸承受的軸向切削力。
2) 滾刀軸承受的徑向力和滾動導軌的預壓力引起的摩擦力。
3) 滾刀軸部件的重力。
② 等效負載轉矩的計算
選取最危險的情況，即當滾齒機逆銑直齒輪，并且由下往上竄刀時的情況進行計算。此時電機的負載力為：
F = Py + W＋μ(fg + Px) (4.4)
式中 Py——滾刀軸承受的軸向力
Px——滾刀軸承受的徑向力
W——B 軸部件的重量
Fg——導軌預壓力
μ——滾動導軌摩擦系數(shù)
此時加在電機軸上的負載力為：
(4.5)
式中
——加在電機軸上得扭矩負載
F——沿著軸向移動活動部分所需要的力
L——絲杠導程
——滾珠絲桿或軸承加載在電機軸上的磨擦扭矩（在需要輸入時）
η——驅動系統(tǒng)效率
③ 案例計算
題設計的臥式數(shù)控滾齒機滾刀軸部件重量 W＝1280N；4.3.1節(jié)計算了最危險條件下的切削力各分量，Px＝402N, Py＝429N；選取 INA 公司RUE 系列窄形圓柱滾子導軌的導軌類型，查得 fg＝0.1×134000＝13400N；滾動導軌摩擦系數(shù)取 0.005。代入式(4.4) 得 F＝1755N；設機械效率為 0.9，查閱相應技術資料， Tf＝0.10+0.17＝0.27Nm，代入式（4.5）得：Tm＝1.44Nm。
4.4.3 等效轉動慣量的計算
① 計算方法
工作臺換算到電機軸上的等效轉動慣量為：
(4.6)
式中 W——直線移動部件的重量（kg）
L——絲杠導程（cm）
若絲杠轉動慣量為 JS,則電機軸轉動慣量為：
(4.7)
絲杠轉動慣量一般可由生產商的技術手冊上查得精確的數(shù)值。若不能查得，可由下式求得：
(4.8)
式中 ρ ——絲杠材料密度；
D1——絲杠外徑；
D2——絲杠內徑；
l——絲杠長度。
② 案例計算
課題設計的臥式數(shù)控滾齒機滾刀軸部件重量 W 為 1280N選取的 Y 軸絲杠導程為 5mm，根據技術手冊，查得選擇的滾珠絲杠轉動慣量為0.000028815。將數(shù)據代入式（4.6）和式（4.7）得絲杠軸轉動慣量。
4.4.4 加速度扭矩的計算
① 計算方法
圖4.3
（4.9）
（4.10）
式中 Ta——加速度扭矩；
Vm——快速進給時的電機速度；
Ta——加速時間；
JM——電機慣量；
JL——負載慣量；
Vr——加速度扭矩開始減少的點；
Ks——伺服位置閉環(huán)增益；
Η——機床效率。
② 案例計算
課題設計的臥式數(shù)控滾齒機刀架底座部件設定的進給加速度為 1g，最大轉速為 2000r/min,機床效率為 0.9。代入數(shù)據計算得：
4.5滾柱絲杠副支承設計技術研究
4.5.1 滾動軸承的選擇
滾齒機的 Y 軸進給系統(tǒng)是一種高精度、高剛度的滾珠絲杠副，因此必須重視滾珠絲杠支承的設計。滾珠絲杠主要承受軸向載荷，其軸向精度和剛度要求較高。進給系統(tǒng)要求運動靈活，對微小位移（絲杠微小轉角）響應要靈敏，因此，軸承的摩擦力矩應該盡量小。滾珠絲杠轉速不高，且高轉速時間很短，因而發(fā)熱不是主要問題。為此，應選用運轉精度高、軸向剛度高、摩擦力矩小的滾動軸承。
目前，各制造商均生產有機床用接觸角為 60°的滾珠絲杠專用推力角接觸球軸承，是零傳動滾齒機刀架底座部件絲杠支承的最好選擇。
4.5.2 支承形式設計
滾珠絲杠根據不同的應用場合，一般有四種典型的支承形式。即：
① 一端固定一端自由，它的特點是結構簡單，但是剛度、臨界轉速和壓桿穩(wěn)定性低。
② 一端固定一端游動，它的特點是壓桿穩(wěn)定性和臨界轉速比同長度的一端固定一端自由的支撐形式要高，絲杠有熱膨脹的余地，但是剛度沒有明顯改善。
③ 兩端簡支，它可以進行預拉伸，但剛度不高。
④ 兩端固定，它的剛度很高，只要軸承無間隙，絲杠軸向剛度為一端固定的4 倍；絲杠一般不會受壓，無壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高；可以進行預拉伸；但是兩端固定的支承方式結構復雜，工藝困難，成本比較高。
Y 軸精度要求很高，它的誤差會 1：1 完全地反映到工件上，需要非常好的剛度和位移精度。顯然應該選擇兩端固定的方式，前后軸承組均采用背靠背的組合方式。
4.5.3絲杠的預拉伸設計
① 預拉伸結構設計及預拉伸力的確定
由于刀架和工件軸易干涉的原因，刀架底座部件的設計要求結構非常緊湊，并且滾齒機的刀架部件工作環(huán)境惡劣，無論干切還是濕切，都會產生切屑或者冷卻液的飛濺。為了保證 Y軸精度，必須采取措施提高絲杠系統(tǒng)的剛度以及消除熱位移，對其進行預拉伸。絲杠的預拉伸量一般為絲杠溫度上升 2～3 度的熱位移量。其大小可以用以下公式算出。
（mm） （4.18）
式中——熱位移量；
ρ ——熱膨脹系數(shù)；
θ ——絲杠平均溫度上升值；
L——絲杠長度。
典型的絲杠預拉伸結構如圖 4.6 所示，通過擰緊螺母 2 來拉動絲杠，通過調整螺母1的位置來設定預拉伸量。
需要注意的是，這種預拉伸絲杠的方式同時也對軸承進行了預緊，若絲杠螺母系統(tǒng)的剛度很大，要產生預定的預拉伸變形，預拉伸力有可能會超過軸承能夠承受的靜載荷極限或者絲杠許用軸向負載，造成軸承或絲杠的損壞，因此需要進行驗算。
預拉伸力 F 等于絲杠系統(tǒng)的剛度 Ke與變形量δ的乘積，因此必須對絲杠系統(tǒng)的剛度進行計算。對于兩端固定的支承方式，系統(tǒng)剛度計算公式為
圖4.6 絲桿預拉伸結構
（4.19）
式中 KB——軸承接觸剛度；
KS——絲杠本身拉壓剛度；
KC——螺母剛度；
KH——螺母座剛度。
軸承接觸剛度、絲杠拉壓剛度、螺母剛度均可根據產品技術手冊查得，螺母座剛度可用有限元方法進行計算，近似計算中一般取 KH＝1000N/μm。
② 絲杠許用負荷驗算
絲杠許用軸向負荷 Fk表現(xiàn)的是絲杠系統(tǒng)的穩(wěn)定性，它取決于絲杠的直徑(螺紋內徑)d2（mm）、安裝形式、和未受支撐的長度 Lk（mm）。計算公式是：
（4.20）
式中 fk為與支承形式相關的系數(shù)，在兩端均由雙聯(lián)背靠背角接觸球軸承支撐的情況下 fk取值為 40.6。
4.6 滾刀軸部件鎖緊的實現(xiàn)
采用滾珠絲杠副作為傳動元件具有傳動效率高、運動平穩(wěn)、定位精度和重復精度高、同步性好、可靠穩(wěn)定等等優(yōu)點，但是它不能自鎖。滾齒機刀架部件是一個典型的垂直升降機構，因此必須附加自鎖或者制動的裝置。通常選用的電機帶有制動裝置可以拉住滾刀軸部件，但是由于絲杠系統(tǒng)裝配時產生的微小間隙或者某個環(huán)節(jié)剛度不夠強等原因，制動裝置無法完全抵消振動載荷的影響，此時滾刀軸部件可能在 Y 軸方向產生微小的位移。振動力很小，但是必須采取措施加以消除以保證加工精度。
傳統(tǒng)滾齒機由于不實行連續(xù)竄刀，它的竄刀機構采用滑動導軌。消除振動的措施是在刀架拖板的邊緣的多處地方，通過螺釘和碟形彈簧，以特制的活塞為中間環(huán)節(jié)，將滾刀軸部件壓死在滑動導軌上，靠摩擦力防止其在竄刀方向上的振動，如圖 4.7 所示。需要竄刀的時候通過輸入液壓油，將活塞頂起，解除壓力。這種機構雖然比較經濟，但結構復雜，裝配困難，并且只適用于摩擦系數(shù)比較大的滑動導軌，對于摩擦系數(shù)僅為滑動導軌二十分之一左右的滾動導軌來說，顯然是不合適的。
圖4.7 傳統(tǒng)滾齒機防振動裝置
零傳動滾齒機采用專用鎖緊單元實現(xiàn)滾刀軸部件在竄刀方向的鎖定。該產品外形如圖 4.8 所示。
圖4.8 德國 INA 公司 RUKS 鎖緊單元
向鎖緊單元通以液壓油，內部的金屬管就會膨脹，緊緊的抱住導軌。鎖緊單元的產生的抱緊力可以查看圖 4.9.
圖4.9 鎖緊單元的抱緊力
采用鎖緊單元為滾齒機刀架部件的設計帶來了非常大的好處。首先它的體積小，從外觀看就相當于一個滑塊，與碟簧機構相比，可以大大減小刀架部件的橫向尺寸，避免與工件軸部件的干涉。其次，它與滾刀軸部件的連接方式與滑塊完全一樣，不僅安裝方便，而且剛性非常高，當其通過液壓力抱住導軌后，就提高了整個刀架部件的剛性。再次，根據圖 4.6，若在連續(xù)竄刀的過程中通以低壓油，產生較小的摩擦力，則可以增加絲杠系統(tǒng)的阻尼，減弱其振動。
第五章 滾刀箱形狀和尺寸的確定
根據前面所計算出的軸，選定的軸承尺寸，以及滿足功能，美觀，實用等特點。確定滾刀箱的形狀尺寸為下圖圖（d）所示：
圖（d）
第六章 結束語
所設計的機床為Y3150E系列普通型滾齒機，機床主要用于單件、小批和成批圓柱齒輪的加工，滾齒機的主傳動箱傳動級數(shù)少 ，結構簡單緊湊，主傳動箱中的零件絕大多數(shù)采用標準件，使制造成本大大降低。能實現(xiàn)的轉速范圍為40～250r/min, 銑刀的最大垂直行程長度為300mm。在主傳動箱的設計中，為了保證結構緊湊，對主傳動鏈中的傳動比做了適當?shù)恼{整。設計出的主傳動箱能使機床滿足強度、剛度、壽命、工藝性與經濟性等方面的要求，滿足加工要求，保證加工精度，并使機床運行平穩(wěn)，工作可靠，結構合理，裝卸方便，便于維修與調整。
為期三個月的畢業(yè)設計即將結束，回顧整個過程，我覺得收獲很大。畢業(yè)設計是檢查學生綜合設計能力的一個重要環(huán)節(jié)，是對學生獨立設計能力的一次考驗。通過理論與實踐相結合，找出了我在設計中的不足之處和能力欠缺之處，加深了我對所學理論知識的理解和掌握，強化了畢業(yè)設計中的感性認識，提高了獨立創(chuàng)新設計的能力。通過深入實踐，我體會到理論聯(lián)系實際的必要性，認識到在學校學過的許多知識與解決實際生產問題還有很大的差距，而縮短差距的方法只有到實踐中去。只有到實踐中去才能真正的鍛煉自己。向生產實踐學習，了解與課題有關的生產線、設備、工藝等實際知識，使我對機械設計方面的知識有了更深一層的了解。
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致 謝
本次畢業(yè)設計任務已經順利完成，但由于本人理論知識水平有限，缺乏實際經驗，設計成果中難免會留下一些不足，在此懇請各位專家、老師以及同學批評與指正。
在畢業(yè)設計期間，十分感謝XXX指導老師自始至終認真負責的指導、督促，引導和幫助我克服了種種困難，給了我很大的幫助，同時還得到了其他老師和同組同學們的幫助，也在此深表謝意！
附 錄1
序號 圖 名 圖 號 圖幅 張數(shù)
1 滾齒機刀架裝配圖 gcj-dj-01 A0 1
2 刀架體 gcj-dj-02 A1 1
3 圓錐齒輪 gcj-dj-03 A4 1
4 軸vii gcj-dj-04 A2 1
5 直齒圓柱齒輪-20 gcj-dj-05 A4 1
6 直齒圓柱齒輪-80 gcj-dj-06 A4 1
7 花鍵套筒 gcj-dj-07 A4 1
8 主軸 gcj-dj-08 A4 1
9 軸承座 gcj-dj-09 A4 1
10 滾刀桿 gcj-dj-10 A2 1
附 錄2
齒輪整合的相關不確定性的應用
摘要：計量學總的目的是在一個合格評定的決定的基礎上提供可靠的信息。這些決定受到測量不確定度的影響（測量不確定度表達指南介紹了測量不確定度評定）和相關的不確定性，它刻畫了預期的功能和特性，可能不完全相關的事實。關于合格評定相關的不確定性由于一個錯誤的決定，以評估風險，這方面的貢獻，提出了基于公理化設計矩陣和蒙特卡羅模擬的相關不確定性的表達和評價方法的模型。
1 引言
公差工藝是由幾何產品變化管理涉及的所有活動所決定的：公差設計，制造公差分析，公差核定。公差核定允許關閉工藝循環(huán)過程，檢查產品的合格性，驗證由設計者作出的假設。
計量學總的目的是在一個合格評定的決定的基礎上提供可靠的信息。這些決定受到測量不確定度的影響，從而導致工業(yè)企業(yè)存在技術和經濟風險。通過評估風險和連接的決定的后果（符合核查），對測量結果的意義進行評估。功能鏈的合格評定模擬生成的測量，在測量的不確定性和不確定性的其他類型的依賴意義的估計。