滚齿机差动机构、分度轴及走刀挂轮架设计毕业论文.doc

目 录
1 前 言...............................................................1
2 总体设计.............................................................3
2.1 滚齿机工作原理.....................................................3
2.2 拟定选择传动方案...................................................3
2.3 主切削力的估算及电动机的选择.......................................7
3 差动机构设计........................................................9
3.1 总传动比的计算.....................................................9
3.2 传动比的分配.......................................................9
3.3 设计计算..........................................................10
3.3.1 螺旋伞齿轮的设计................................................10
3.3.2 运动合成机构设计................................................11
3.3.3 差动蜗轮设计....................................................12
3.3.4 圆柱直齿轮的设计................................................16
4 分度轴及走刀挂轮架的设计...........................................21
4.1 轴的设计..........................................................21
4.2 确定分度轴的材料及热处理方法......................................21
4.3 分度轴的结构设计..................................................21
4.4 分度轴强度的校核..................................................23
4.5 走刀挂轮架的设计..................................................24
5 结束语.............................................................26
参考文献..............................................................27
致 谢...............................................................28
附件清单..............................................................29

1 前 言
齿轮加工机床指用齿轮切削工具加工齿轮齿面或齿条齿面的机床及其配套辅机。齿轮加工按加工原理分为两类，仿形法和范成法(或称展成法)。仿形法是用刀具的刀刃形状来保证齿轮齿形的准确性，用单分齿来保证分齿的均匀。范成法是按照齿轮啮合原理进行加工，假想刀具为齿轮的牙形，它在切削被加工齿轮时好似一对齿轮啮合传动，被加工齿轮就是在类似啮合传动的过程中被范成成形的，范成法具有加工精度高，粗糙度值低，生产率高等特点，因而得到广泛应用，范成法按其加工方法和加工对象分为：
a) 插齿机：多用于粗、精加工内外啮合的直齿圆柱齿轮，特别适用于双联、多联齿轮，当机床上装有专用装置后，可以加工斜齿圆柱齿轮及齿条。
b) 滚齿机：可进行滚铣圆柱直齿轮、斜齿轮、蜗轮及花键轴等加工。
c) 剃齿机：按螺旋齿轮啮合原理，用剃齿刀带动工件(或工件带动刀具)旋转，剃削圆柱齿轮齿面的齿轮再加工机床。
d) 刨齿机：用于外啮合直齿锥齿轮加工。
e) 铣齿机：用于加工正交、非正交(轴交角不等于90°)的弧齿锥齿轮、双曲线锥齿轮加工。
f) 磨齿机：用于热处理后各种高精度齿轮再加工。
随着齿轮加工刀具性能的提高，齿轮加工机床的高速、高效切削得到了飞速发展和成熟，齿轮滚齿切削速度由m/min，发展到m/min，切削走刀速度由mm/r发展mm/r，滚齿机主轴的最高转速可达r/min，工作台最高转速可m/min， 机床部件移动速度也高达m/min；大功率主轴系统使机床可运用直径和长度均较大的砂轮进行切削，有利于增加砂轮寿命，也有利于操作者选择最优的参数来完成滚齿加工。
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。
而现今国际上生产滚齿机的强国为美国、德国和日本。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。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。
我所设计的课题来源于生产实践，是滚齿机差动机构､分度轴及走刀挂轮架的设计。分度挂轮架处的手柄供铣正齿轮或者斜齿轮时操纵使用。通过市场调查，对国内现有机型进行对比分析。选择适合于我国目前的生产水平使用的机型作为参考，改进其不足，以达到各方面的要求。床身结构的静、动态特性与机床产品的整体性能有着密切的关系，提高床身的机械特性，对于提高机床产品质量，保证机车的动态加工精度具有重要意义。传统的结构大件设计方法，往往仅注重床身件静态性能、制造工艺性以及外形美观协调等方面的要求，而忽略了它对产品动态性能的影响。结构件的动态特性与其尺寸、形状、材料等有着密切关系。我所设计的滚齿机床身，其技术要求如下：
a．机床能满足强度、刚度、寿命、工艺性与经济性等方面的要求；
b．机床要求运行平稳、工件可靠、结构合理、装卸方便、便于维修与调整；
c．机床应能满足加工要求，保证加工精度。
本次设计的滚齿机床身的预期效果是：
a．能满足机床的基本要求，如强度、刚度、寿命、工艺性与经济性等；
b．运行可靠，便于维修和装卸；
c．保证加工质量和精度要求。
由于我国的工业水平发展与发达国家相比还有一定的差距，齿轮加工生产在质量、精度等方面还需要进行提高。因此必须对现有机床进行优化改造。当前，齿轮加工行业对制造精度、生产效率、质量及清洁等都有着非常高的要求，所以我们必须集思广益，通过学习、研究来进行机床的设计。
从毕业设计布置任务开始，就必须投入全部精力，因为整个设计过程中必须考虑各方面的问题。首先，对滚齿机的形状和工作原理都很陌生，必须要到工厂参观实习；其次，所学的理论知识只是一些最基本的机械常识，根本不能达到设计的要求。因此，还要查阅大量的资料、图纸、说明书等信息来补充自己的不足之处。要顺利完成这次设计，对我们提出了以下要求。
扎实的专业知识是设计的基本条件，并且要做到开拓创新、举一反三。整个设计也就是不断复习和学习的过程。其次要有丰富的实践经验，因为只靠资料是不够的，通过指导老师的带领，我们到盐城市机床厂进行参观实习，并且向企业的技术人员询问相关的原理。只有这样，设计的成果在合理性、经济性、工艺性、实用性等方面才能满足要求。

2 总体设计
2.1滚齿机工作原理
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几个或一个，螺旋角增大到很大，成螺杆状，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。所以，滚齿时齿廓的成形方法是展成法，即成形运动是滚刀旋转运动和工件旋转运动组成的复合运动，这个复合运动称为展成运动。再加上滚刀沿工件轴线垂直进给运动就可切出一个齿长。
2.1.1加工直齿轮时机床的运动和传动原理
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。图2-1所示为滚切直齿圆柱齿轮齿轮的传动原理图。为了完成滚切直齿圆柱齿轮，它需要三条传动链：
a．主运动传动链 电动机（M）—1—2——3—滚刀（），是一条将运动源（电动机）与滚刀相联系的外联系传动链。
b．展成运动传动链 滚刀（）—3—4—5--—6—工作台（），是一条内联系传动链，实现渐开线齿廓的复合成形运动。
c．轴向进给运动传动链 工作台（）—6—12—uf—11—M1—10—8—7—刀架（），是一条外联系传动链，实现齿廓方向直线齿形的运动。
2.1.2加工斜齿圆柱齿轮时的运动和传动原理
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B2（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。实现滚齿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：刀架-8-9-10-11-12-uy-13-14--5-ux-6-7-工作台。
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。
2.2拟定选择传动方案
本次所设计的Y38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及加工蜗轮。因此，传动系统中有主运动、展成运动、轴向进给运动和附加运动4条传动链。为了明确各部件之间的传动关系，绘制了机床的传动系统图，如图2-3所示。

图2-1 滚切直齿圆柱齿轮的传动原理图

图2-2 滚切斜齿圆柱齿轮的传动原理图
图2-3 y38型机床的传动系统图
其传动路线如下：
a．主运动：由电动机经过三角皮带轮传到轴Ⅰ--轴Ⅱ—轴Ⅳ（或者由轴Ⅲ—轴Ⅳ）中间经过变速挂轮，由轴Ⅳ—轴Ⅴ—轴Ⅵ—轴Ⅶ—轴Ⅷ到滚刀。
b．展成运动：滚刀主轴传至分齿蜗轮和工作台的动力来源则由轴Ⅴ—轴Ⅸ经过差动机构再经轴Ⅹ—轴Ⅺ—分齿挂轮—轴Ⅻ—轴ⅩⅢ而到工作台。
c．进给运动：是由轴ⅩⅢ—轴ⅪⅤ经进给挂轮—轴ⅩⅤ—轴ⅪⅩ—轴ⅩⅩ—轴ⅩⅪ—到轴ⅩⅫ的丝杆使刀架滑板上下运动。
d．差动运动：是由轴ⅩⅤ—轴ⅩⅥ—轴ⅩⅦ经过差动挂轮架—轴ⅩⅧ而传动差动蜗轮副。
e．工作台的水平进给：在工作台下面的床身中间安有一根水平丝杆ⅩⅪⅤ通过手柄用方头扳手来移动工作台，可作水平进给。
f．快速移动刀架的运动线：机床的快速移动刀架，是由主传动电动机来拖动的，将位在操作一方床身上手柄搬到快速位置，则传动路线由马达经三角皮带轴Ⅰ—轴Ⅱ—轴ⅩⅩⅢ—轴ⅩⅥ—轴ⅩⅤ—轴ⅪⅩ—轴ⅩⅩ—轴ⅩⅪ—轴ⅩⅫ—丝杆旋转快速移动，电气系统的说明书说过只将按向上或者向下的按钮就可以完成快速的工作。
各运动传动路线的安排如下：
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
分度挂轮 工作台
c．进给运动：工作台 刀架
进刀挂轮
刀架
d．附加运动：刀架 工作台
刀架
差动机构 合成
分度挂轮 工作台
转速图的拟定对整台滚齿机设计的质量，如结构、性能、尺寸、效率、维修等都有较大的影响。转速图如图2-5：

图2-5 滚齿机转速图
2.3 主切削力的估算及电动机的选择
滚齿切削的最大扭矩（用铸铁齿轮计算）
（2-1）
（2-2）
式中：——切削深度系数是切削深度a和齿高的比值，；
Z——所要加工齿轮的齿数；
——工件材料修正系数；
——齿轮螺距角修正系数；
——为硬度修正系数。
其中，模数m=8mm，进给量取，切削深度取270mm，所以，，切削速度，，查得，，，代入式(2-1)可得：

（3-4）
式中： d——齿轮分度圆直径
——载荷系数
——转矩
——材料系数
u——传动比
——齿轮的接触疲劳强度极限
A．确定公式中各参数：
a．载荷系数，试选=1.5
b．齿轮传递的转矩：
=9.55
=1.7
c．材料系数：查 P表6.3取=189.8
d．齿轮的接触疲劳强度极限，查 P图6.8取
e．应力循环次数N
N
f．接触疲劳寿命系数，查 P图6.6取
g．确定许用接触应力，取安全系数
=
B．设计计算
a．试算齿轮分度圆直径

=93.23
b．计算圆周速度
=(m/s)
c．计算载荷系数K，取使用系数，根据=0.811m/s，7级精度可查得动载系数，得。则
K=
d．校正分度圆直径

C．计算齿轮传动几何尺寸
a．计算模数m

按标准取模数m=3
下面来计算齿轮y38-11210的有关参数和尺寸：
b．分度圆直径d
d=mZ=342=126
c．齿顶高
==13=3
d．齿根高
=（+）m=（1+0.25）3=3.75
e．齿全高h

f．齿顶圆直径
=d+2=126+23=132
g．齿根圆直径
=d-2=126-23.75=118.5
h．基圆直径
=dcos=126cos=118.40
i．齿距p
P=m=9.42
j．齿厚S
S=4.71
k．齿槽宽e
e=4.71
l．顶隙c
c==3.75
D．下面是两齿轮之间的参数关系：
a．两轮分度圆直径：

b．中心距a
a=
c．齿宽b
b=
取
d．齿高h
h=2.25m=2.25

校核齿根弯曲疲劳强度
（3-5）
式中： ——齿轮的弯曲疲劳强度极限；
K——载荷系数；
T——转矩；
Y——应力修正系数；
Y——齿形系数；
m——齿轮模数。
A．确定公式中的各参数值
a．齿轮的弯曲疲劳强度极限，查 P图6.9取
b．弯曲疲劳寿命系数，查 P图6.7取
c．许用弯曲应力，取定弯曲疲劳安全系数得：

d．齿形系数：取，
计算齿轮的代入公式计算
B．校核计算：

所以弯曲疲劳强度足够。

4 分度轴及走刀挂轮架的设计
4.1 轴的设计
轴的设计包括结构设计和工作能力计算两方面的内容。合理的结构和足够的强度是轴在设计过程中必须满足的基本要求。轴的结构设计是根据轴上零件的安装、定位以及轴的制造工艺等方面的要求，合理的确定轴的结构形式和尺寸。轴的工作能力计算包括轴的强度、刚度和振动稳定性等方面的计算。
4.2 确定分度轴的材料及热处理方法
轴的常用材料是碳素钢、合金钢及球墨铸铁。碳钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性低，热处理及化学处理可得到较高的综合力学性能（尤其在耐磨性和抗疲劳强度两个方面），应用最多。滚齿机上的分度轴要有好的耐磨性和抗疲劳强度，所以，选用碳钢，分度轴的材料采用45优质碳素钢。先进行调质HB220～250，再部分采用高频淬火。使抗拉强度极限，屈服极限，弯曲疲劳强度，剪切疲劳强度，许用弯曲应力。
4.3 分度轴的结构设计
轴的结构主要取决于轴在机器中的安装位置及形式；轴的毛坯种类；轴上作用力的大小和分布情况；轴上零件的布置及固定方式；轴承类型及位置；轴的加工工艺及其它要求。不论具体情况如何，轴的结构一般满足以下几个方面的要求：（1）轴和轴上的零件要有准确的工作位置；（2）轴上零件应便于装拆和调整；（3）轴应具有良好的制造工艺性；（4）轴的受力合理，有利于提高强度和刚度；（5）节省材料，减轻重量；（6）形状及尺寸有利于减小应力集中。
a.轴上零件的布置和装配
轴上零件布置得是否合理，直接关系到轴的外形、结构、尺寸及受力状况以及材料的选择。拟定轴上零件的装配方案是进行轴的结构设计的前提。装配方案是指轴上零件的装配方向、顺序和相互关系。轴上零件可以从轴的左端、右端或从轴的两端依次装配。在此选择从左端开始装配。轴的左端固定是通过锁紧螺帽和圆螺母固定的。然后套在工件心轴底座上，工件心轴底座通过六角螺钉和内螺纹孔锥销与工作台圆盘固定在一起，蜗杆和蜗轮的旋转带动了工作台圆盘的转动，这样工件心轴底座和心轴一起旋转。工件套在工件心轴上，通过六角螺帽和两个垫圈进行固定。具体结构如上图所示。工件的安装和固定有一定的要求。工件本身的准确性及安装的正确性直接影响着铣出的齿轮的好坏，因此，要提高工件的固定精度。此外，应当使工件与工作台中心同心，在夹紧力的作用下不会产生变形，可用千分表紧固在刀架上来检查工件安装的情况。
b.轴的最小直径的估算
由材料力学可知，轴的扭转强度条件为：

式中, ——轴的扭转切应力；
T——轴传递的功率；
P——轴传递的功率；
n——轴的转速；
——轴的抗扭截面系数；
——许用扭转切应力。
由此推得实心圆柱的最小直径
式中 C——计算常数，，取决于轴的材料和受载情况。
查表11.3得 C=126～103；
把各参数带入公式可求得结果。
c.各阶梯轴轴段直径和长度的确定
阶梯轴各轴段直径的变化：要求配合性质不同的表面，直径应有所不同；加工精度、粗糙度不同的表面，一般直径应有所不同；还应便于轴上零件的装拆。通常从轴端最小直径开始考虑轴上配合零部件的标准尺寸、结构特点和定位、固定、装拆、受力情况对轴结构的要求，依次确定各轴段的直径。
d.轴上零件的轴向定位与固定
为了保证轴和轴上零件具有准确而可靠的工作位置，防止轴上零件受力时发生沿轴向或周向的相对运动，轴上零件和轴本身都必须做到定位准确，固定可靠。
在轴的最左端用圆螺母固定，因为它固定可靠，可承受较大轴向力，能实现轴上零件的间隙调整。为减小对轴的强度的削弱及提高锁紧效果，采用细牙螺纹；为了防松，加了锁紧螺母。
此外，轴的直径变化尽可能少，应尽量限制轴的最大直径及各轴段的间的直径差，这样不仅能简化结构，节省材料，又能减少切削量。各轴段的轴端应制成45°的倒角。在这里心轴要紧定工件，装有六角螺母，所以需要切削螺纹，轴段就应留有退刀槽。
根据以上规则设计出其结构，示意图如下：

图4-1 分度轴示意图
其详细结构见附件5里的分度轴。
4.4 分度轴强度的校核
对分度轴进行受力分析，由于分度轴除了受到本身重力的作用，在x,y,z
三个方向上没受到其他力的作用，因而不承载弯矩，只受扭矩的作用。可将其力学模型简化如下：

图4-2 分度轴简化的力学模型图
此力学模型为圆轴扭转，横截面上每个点都处于纯剪切状态，切应力沿径向线性分布，横截面上最大切应力位于圆轴表面。
查[12]表11.2轴的常用材料及其主要力学性能，得。
轴的最大许用弯矩: (4-2)
根据材料力学可知：实心圆截面的抗扭截面模量为 (4-3)
空心圆截面的抗扭截面模量为 (4-4)
式中为轴的外径，（为截面的内径）。
对应其结构可知，危险截面可能在两个位置，即在装齿轮和蜗杆的两处，他们的外径分别为，。
将数据代入式5-1，得1截面处，2截面处。
分度轴在工作时传递的最大转矩:
=
轴在工作时传递的最大转矩小于截面1和2处的许用弯矩。
若1截面处看作空心截面，且，则

得，可知当1截面为空心截面的时候也满足强度要求。分度轴满足强度的要求。
4.5 走刀挂轮架的设计
走刀挂轮架的材料采用HT200，正火处理。其结构示意图如下：

图4-3 走刀挂轮结构示意图
分度轴与走刀挂轮架为一个部件，走刀挂轮与分度轴的装配结构关系见附件3分度轴及走刀挂轮架装配图。

5 结束语
本次毕业设计的是Y38系列普通型滚齿机，主要用于单件、小批和成批圆柱齿轮与蜗轮的铣削加工。我的主要设计内容为机床的总体设计、机床传动系统设计、差动机构的设计以及分度轴及走刀挂轮架设计。在总体设计及床身零件的结构设计方面，根据机床的工艺要求，刚度及精度要求，对机床的总体布局、床身结构进行优化设计，提高了机床的性能和技术经济指标，在强度、刚度、寿命等方面能满足要求。传动系统的设计参考了很多设计手册及设计指导书，从机床的性能结构、工作需要出发，对照传动方案和总体布局，确定了较优的传动系统。
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。

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致 谢
不知不觉三个月过去了，本次毕业设计也接近尾声。回顾整个毕业设计，这是一个不断修正，不断改进，不断提高的历程。整个大学四年所学的知识在这短短的三个月内进行了一次全面的检验，使我的知识结构得到了一次质的飞跃。使我能够在毕业前将理论与实践更加融会贯通，加深了我对理论知识的理解，强化了实际生产中的感性认识。
经过这次毕业设计，我在基础知识的运用及实际问题的解决等方面得到了一次良好的锻炼，独立思考问题、解决问题以及创新设计的能力得到了提高，这为以后的工作打下一个良好的基础。
本次设计任务业已顺利完成，但由于自己水平有限，缺乏经验，难免会留下一些遗憾，在此恳请各位专家、老师及同学不吝赐教。
此次毕业设计是在指导老师邢青松老师的带领下进行的。他时常召集，为我们解答疑难问题，在整个设计过程中不断提醒，指出、改正我们的错误，使我们整个设计过程相对比较顺利。另外，同组的同学对我的帮助也很大，在此期间他们对我的督促，提醒，以及给我的修改，解答，让我十分感激。在此，我衷心地向他们表示感谢！
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