滚齿机床身部件结构设计.doc

目 录
1 前 言 1
2 总体设计 3
2.1滚齿机工作原理 3
2.1.1加工直齿轮时机床的运动和传动原理 3
2.1.2加工斜齿圆柱齿轮时的运动和传动原理 3
2.2拟定选择传动方案 4
2.3 主切削力的估算及电动机的选择 8
3 机床床身装配结构设计 9
3.1 滚齿机床身的特性 9
3.2 滚齿机床身的结构分析 9
3.3 床身材料的选择 10
3.4 床身导轨及机床的润滑 11
4 差动机构设计 13
4.1 总传动比的计算 13
4.2 传动比的分配 13
4.3 设计计算 14
4.3.1 螺旋伞齿轮的设计 14
4.3.2 运动合成机构设计 15
4.3.3差动蜗轮设计 16
4.3.4圆柱直齿轮的设计 20
5 结束语 25
参考文献 26
致 谢 27
附件清单 28

1 前 言
齿轮加工机床是一种技术含量高而且机构复杂的机床系统，由于齿轮使用的量大面广，齿轮加工机床已成为机械等行业的关键设备。特别是，随着汽车行业的高速发展，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40%~50%。它主要用来加工圆柱齿轮和蜗轮等传统滚齿机在加工过程中有以下特点：
a．滚削钢齿轮时，应用切削液可提高刀具寿命，改善加工表面的质量和利于排出切削热而不致引起机床的热变形；
b．机床漏、混油严重；
c．加工成本高；
d．生产效率低下，加工质量差，难以满足现代企业生产的要求。
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。
在提高生产效率、降低制造成本的同时，做到环境保护、清洁加工是当前国外先进发达国家对机床研究的最前沿技术。如美国、德国及日本，他们的部分公司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。面向绿色制造的先进滚齿机主要有带有全密封护罩和油雾分离器的湿切滚齿机、低温冷风切削滚齿机、高速干式切削滚齿机等类别，其中高速干式切削滚齿机以其高速、高效、不使用切削液、单件生产成本低等优势将成为面向绿色制造的滚齿机今后发展的主要趋势。
随着工业的发展，先进技术的不断更新进步，对加工设备的要求也不断提高，在机床的设计中，需要对其组成部件进行严密的分析和计算。机床床身等支承件的重量要占机床总重量的80%-85%，因此对支承件的单位重量、刚度提出了较高的要求。在重量轻的条件下，需要保证支承件具有足够的静刚度。所以对支承件材料的选择、分布、支承件壁厚和开孔位置的合理性提出了要求，必须进行分析计算。
我所设计的课题来源于生产实践，是滚齿机床身部件结构设计。该床身为箱形结构，与底座铸成一个整体，左上部是方形导轨，留安放工作台之用；右上部是用来固定刀架、立柱；床身内部安装差动机构；床身后端连出分齿挂轮架；背面为主传动牙箱；左面底盘为冷却箱；右面底盘为润滑油箱；主电动机和冷却电动机都安装在床身上，方形导轨中间装一丝杆供移动工作台之用，分度挂轮架处的手柄供铣正齿轮或者斜齿轮时操纵使用。床身结构的静、动态特性对床身的机械特性、机床产品质量、机床的动态加工精度具有重要意义。
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。

合成机构的有关参数和尺寸：
分度圆直径：
齿数比：
所以：
锥 距：R=mm
取齿宽系数，齿宽b=59.39mm
齿宽中点分度圆直径：
mm
齿顶高： mm
齿全高： mm
齿 厚：=6.284mm
4.3.3差动蜗轮设计
蜗杆蜗轮传动是用来传递空间交错轴之间运动和动力的，由蜗杆、蜗轮、机架组成。主要优点有以下几点：
a．传动比大，机构紧凑
b．蜗杆传动相当于螺旋传动，为多齿啮合传动，故传动平稳、振动小、噪声低；
c．当蜗杆的导程角小于当量摩擦角时，可实现反向自锁，即有自锁性。
经过差动挂轮，传递轴ⅩⅦ和轴ⅩⅧ之间的动力，从而实现附加运动链的联系，实现加工斜齿圆柱齿轮的目的。下面我们来对其相关尺寸和参数进行计算：
由差动传动链的传动比分配计算可得，分配到差动蜗轮副的传动比i=15，查[20]表7.2，选择取Z=2，Z=Zi=30，那么下面我们来设计蜗轮、蜗杆的有关参数和尺寸。已知，。
按蜗轮蜗杆的接触疲劳强度设计
（4-3）
式中：
m——齿轮模数；
d——蜗轮的分度圆直径；
K——载荷系数；
T——转矩；
——材料系数；
——许用接触应力。
A．确定公式中各参数的值：
a．选Z、Z
查表取Z=2，Z=Zi=30
b．蜗轮转矩
初估传动效率，则

=
c．载荷系数，取=1。
d．查 P表7.2取材料系数：
e．许用接触应力：查 P表7.9取

==147.9MPa
f．计算

=1820.9　mm3
初选m、d
查表7.1取m=4mm、d=120mm

g．导程角

h．滑动速度
=(m/s)
=15.7(m/s)
i．啮合效率
由=15.7m/s查表7.5得
=
j．传动效率
取轴承效率搅油效率

k．检验的值

=147658.28N.mm
=
=
=1903.3
B．确定传动主要尺寸
已知,
a．中心距a
a=
(蜗杆尺寸)
b．分度圆直径
=120mm
c．齿顶圆直径
=+2
d．齿根圆直径
=-2=110.4mm
e．导程角
=
f．轴向齿距
=
g．轮齿部分长度

取=55mm。
(蜗轮尺寸)
h．分度圆直径
=
i．齿顶高
=
j．齿根高
=（）m=
k．齿顶圆直径
=+2=120+2=128mm
l．齿根圆直径
=
=110.4mm
m．蜗轮齿宽，取
n．蜗轮齿宽角，，
o．蜗轮咽喉母圆半径
=
4.3.4圆柱直齿轮的设计
齿轮传动是现代机械中应用最广泛的一种传动形式。齿轮传动的主要优点有以下几种：
a．瞬时传动比恒定，工作平稳，传动准确可靠，可传递空间任意两轴之间的运动和动力；
b．适用的功率和速度范围广，功率从接近于零的微小值到数万千瓦，圆周速度从很低到300m/s；
c．传动效率高，=0.92-0.98，在常用的机械传动中，齿轮传动的效率高；
工作可靠，使用寿命长；
d．外廓尺寸小，机构紧凑。
轴ⅹ与轴Ⅺ之间为一对圆柱齿轮传动，且为等速传动，即i=1，已知n=166.3r/min。
初选。
考虑到该对齿轮的工作环境及载荷情况。故两齿轮都用45钢调质处理，齿面硬度分别为220HBS、220HBS。属软齿面闭式传动，载荷平稳，初选7级精度，齿轮齿数为，按软齿面齿轮非对称安装，查[20]表6.5，取齿宽系数。
按齿轮的齿面接触疲劳强度设计：
（4-4）
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=3mm
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=126mm
c．齿顶高
==13=3mm
d．齿根高
=（+）m=（1+0.25）3=3.75mm
e．齿全高h
mm
f．齿顶圆直径
=d+2=126+23=132mm
g．齿根圆直径
=d-2=126-23.75=118.5mm
h．基圆直径
=dcos=126cos=118.40mm
i．齿距p
P=m=9.42mm
j．齿厚S
S=4.71mm
k．齿槽宽e
e=4.71mm
l．顶隙c
c==3.75mm
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
（4-5）
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。

5 结束语
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40%~50%。它主要用来加工圆柱齿轮和蜗轮等。传统的滚齿机床的主要特点在于加工成本高，生产效率低下，加工质量差，难以满足现代企业生产的要求。我所设计的滚齿机为y38-1型，课题是床身部件结构设计，床身结构的静、动态特性与机床产品的整体性能有着密切关系。提高床身件的机械特性，对于提高机床产品质量、保证机床的动态加工精度具有重要意义。传统的结构大件设计方法，往往仅注意床身件静态性能、制造工艺性以及外形美观协调等方面的要求。在传统的设计思路基础上，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。
通过认真分析、计算，选择材料等方面的设计，所设计的滚齿机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，且运行可靠，便于维修和装卸，保证加工质量和精度要求。
本机床设计合理，符合实际应用，满足加工要求，且较大部分采用通用件和标准件，制造成本合理，设备维修方便。

参考文献
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致 谢
为期三个月的毕业设计已经结束。回顾整个毕业设计过程，虽然充满了困难与曲折，但我感到受益匪浅。本设计是学完所有大学期间本专业应修的课程以后所进行的，是对我所学知识的一次大检验。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。
本次毕业设计课题是滚齿机床身部件结构设计。通过这次毕业设计，我基本上掌握了机床设计的方法和步骤，以及设计时应注意的问题，另外更加熟悉、运用和查阅各种相关手册。
总的来说，这次设计，使我在基本理论的综合运用以及正确解决实际问题等方面得到了一次较好的锻练，提高了我独立思考问题、解决问题以及创新设计的能力，缩短了我与工厂工程技术人员之间的差距，为我以后从事实际工程技术工作奠定了一个坚实的基础。
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的认真指导下进行的。他经常为我解答一系列的疑难问题，以及指导我的思想，引导我的设计思路。并且为我解决很多实际问题亲自为我查找相关的文献资料，在历经三个多月的设计过程中，一直对我精心辅导和督促。另外，我还得到了很多专业老师以及同学的热心帮助与指导。在此，我忠心地向他们表示诚挚的感谢和敬意！

附件清单
序号　　 图 名 图 号 图幅 张数
1 Y38滚齿机总图 Y38-11001 A0 1
2 滚齿机床身装配图 Y38-11002/1 A0 1
3 滚齿机床身装配图 Y38-11002/2 A0 1
4 滚齿机床身装配图 Y38-11002/3 A0 1
5 差动机构装配图 Y38-11003 A0 1
6 差动蜗轮 Y38-11016 A3 1
7 马达座 Y38-11030 A3 1
8 轴 Y38-11205 A3 1
9 盖板 Y38-11028 A4 1
10 皮带轮 Y38-11027 A4 1
11 圆柱直齿轮 Y38-11210 A4 1
12 轴 Y38-11212 A4 1
13 滚齿机传动系统图 Y38-10000 A3 1

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