毕业设计-论文12刀位星型伺服刀塔设计论文设计论文.doc

陕西理工学院毕业论文（设计）
目 录
前言 1
1 绪论 3
1.1 数控机床发展历程以及国内外发展现状的思考 3
1.2 数控机床的发展趋势 4
1.3 研究方法 5
1.4 设计内容 5
2 运动学与动力学计算 9
2.1 伺服电机的选择计算 9
2.1.1选择电动机的类型 9
2.1.2选择电动机的功率 9
2.2 计算总传动比及分配各级传动比 10
2.3 计算传动装置的运动和动力参数 11
2.3.1计算各齿轮的转速 11

2.3.2计算各齿轮的功率 12
2.3.3计算各齿轮的转矩 12
3 传动零件的设计计算 13
3.1 齿轮的设计计算 13
3.1.1电机到刀盘的传动链的设计计算 13
3.1.2电机到刀具的传动链的设计计算 20
3.2 轴的设计计算 30
3.2.1轴1的设计计算 30
3.2.2轴2的设计计算 33
3.2.3轴3的设计计算 34
3.3 刀盘的设计 36
4液压系统的设计与计算 38
4.1 液压油泵的选择 38
4.2 液压缸的设计 38
4.2.1 选择液压缸类型 38
4.2.2液压缸主要尺寸的计算 38
4.3 拟定液压系统图 40
5箱体的设计与计算 41
5.1 确定箱体内传动件轮廓及其相对位置 41
5.2 箱体内壁位置的确定 42
5.3 箱体主要结构尺寸的确定 42
总 结 44
致 谢 45
参考文献 46

第 2 页 共 2页
陕西理工学院毕业论文（设计）
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

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前 言
现代工业发展其实就是制造工艺的发展，而这其中一个非常重要的因素就是制造工具——机床的发展。现代机床的发展都趋向于自动化、复合化以及高速化。而作为制造业主力军的数控机床来说，它的发展更是日新月异。自从20世纪60年代世界上第一台数控机床问世以来，随着计算机技术、微电子技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术和机械制造技术等各相关领域的发展，数控技术已成为现代先进制造系统(FMS，CIMS等)中不可缺少的基础技术。由于机床数控系统技术复杂，种类繁多。现在数控机床的“使用难、维修难”问题，已经是影响数控机床有效利用的首要问题。
当前，数控机床发展迅猛，一方面向高速、高效、高精度方面发展，同时，在制造行业中广泛存在原有设备的数控改造和系统升级问题。作为关键附件，高性能的刀塔对于提高机床整体运行的可靠性、稳定性和效率有着重要意义，数控刀塔是由数控系统来控制的，因此，在刀塔本身性能提高的情况下，如何实现控制任务就显得十分重要了。国内数控车床转塔刀架的设计和生产都是依赖先进国家的，而且产品的性能方面跟国外还有一定的差距，期待开发设计一种性能最优，最有实用价值的转塔刀架，来适应市场，替代进口产品低价位的数控车床用转塔刀架，占领国内市场，并达到国际领先水平，为国产机床工业的发展作出贡献。数控车床今后将向中高当发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，预计近年来对数控刀架需求量将大大增加，随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展，因此对刀塔的设计以及它本身性能的研究就显得十分重要。
本次的课题是12刀位星型伺服刀塔设计，该机构可以一次装夹12把动力刀，可以在加工过程中一次性的进行多道工序的加工，大大提高了加工精度和生产效率。本次设计的主要内容是：对刀塔的结构，刀塔的传动形式以及驱动方式的设计；刀塔与刀座的连接形式、刀座的选择；刀具的交换动作设计、交换时间以及定位锁紧计算；刀塔其他辅助部件的设计其结构尺寸进行选择设计，根据课题所要求的刀塔的驱动方式，对其进行设计进而加以优化。总之，本课题的意义在于:
1根据设计要求，在最短的时间内设计出最优的12位星型刀塔结构，并对其进行伺服驱动；
2.减少物质的浪费，用最少的材料设计出满足其设计要求及加工精度的刀塔结构；
3.为解决同类问题即关于刀塔的结构形式、刀塔的驱动方式，提供一种研究方法；
4.培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力；
5.强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；
6.，使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；
7.培养正确的设计思想和工程经济观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。

1 绪论
刀塔目前主要应用于数控车床、数控铣床以及车铣复合加工中心，所以与刀塔发展最相关的领域就是数控车床、数控铣床以及车铣复合加工中心的发展。
1.1 数控机床发展历程以及国内外发展现状的思考
1949年帕森公司正式接受美国空军委托，在麻省理工学院伺服机构试验室的协助下，开 始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，于1952年试制成功世界第一台数控机床试验性样机，这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床，这便是数控机床的第一代。
1953年，美国空军与麻省理工学院协作，开始从事计算机自动编程的研究，这就是创制APT(Automatically Programmed Tools )自动编程系统的开始。
1955年，美国空军花费巨额经费订购了大约100台数控机床,此后两年，数控机床在美国进入迅速发展阶段,市场上出现了商品化数控机床。1958年，美国克耐杜列克公司(Keaney &Trecker Co.)在世界上首先研制成功带自动换刀装置的数控机床，称为”加工中心”。
1959年，计算机行业研制出晶体管元器件，因而数控装置中广泛采用晶体管和印制电路板，从而跨入第二代数控时代。同时美国航空工业协会(AIA)和麻省理工学院发展了APT程序语言。
1960年以后，点位控制机床在美国得到迅速发展,数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到冲压机、绕线机、焊接机、火焰切割机、包装机和坐标测量机等，在程序编制方面，已由手工编程逐步发展到采用计算机自动编程。除了APT数控语言外，又发展了许多自动骗程语言。
从1960年开始，德国，日本等先进工业国家都陆续开发，生产及使用了数控机床， 1965年，出现了小规模集成电路。由于它体积小，功耗低，使用数控系统的可靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代。
1967年，英国首先把几台数控机床联接成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS(Flexible Manufacturing System，柔性制造系统)。之后，美，欧，日也相继进行开发与应用。
1970年前后，美国英特尔公司开发和使用了微处理器。1974年美，日等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。近20年来，微处理机数控系统的搂控机床得到飞速发展和广泛应用，这就是第五代数控系统(MNC)。20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元FMC(Fleibie—Manufacturing Cell) 。
通过以上介绍，我们了解了数控机床的发展历程，而目前我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，1998～2004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%、34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，但进出口逆差严重，国产机床市场占有率连年下降，1999年是33.6%，2003年仅占27.7%。1999年机床进口额为8.78亿美元（7624台），2003年达27.1亿美元（23320台），相当于同年国内数控机床产值的2.7倍。国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。
总的来说“我国的数控系统在中、高档领域还基本上是靠进口。现阶段我国的机床行业在高精尖数控技术方面还处于模仿阶段, 基础研究远跟不上世界先进水平的发展”[2]，因此我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距。
1.2 数控机床的发展趋势
目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新与人才培训力度，提高企业综合服务能力，努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日实现数控机床产品从低端到高端、从初级产品加工到高精尖产品制造的转变，实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变。
1.3 研究方法
一般在机加工过程中，一个零件的加工往往需要多道工序才能完成，因此数控机床研究的一个重要领域就是如何在这一方面提高效率，压缩非切削时间以提高生产效率同时也为了尽量减少由于多次安装工件所引起的加工误差，一次数控加工过程中一般对工件只进行一次装夹，然后在加工过程中通过自动换刀完成多道工序或全部工序的加工，所以对数控木工机床的自动换刀方式的研究就成为了目前研究的一个重要领域。“自动换刀方式主要有更换主轴头换刀方式和带刀库的自动换刀方式两种形式， 更换主轴头换刀方式应用于数控镂铣机，而带刀库的自动换刀方式应用于数控加工中心”“在具有多根主轴的数控镂铣铣床上， 通过更换主轴头进行换刀是一种简单的换刀方式，由于在换刀过程中并不拆卸刀具，而是将刀具和主轴一起更换，所以省去了自动松夹’卸刀’装刀’夹紧以及刀具搬运等一系列复杂的操作， 从而显著减少了换刀时间。所以这种换刀方式的换刀速度很快，同时也提高了换刀的可靠性。根据主轴头布置方式不同， 通常有平行刀轴式换刀和回转刀架式换刀两种方式”“ 数控加工中心的一个显著结构特征是配置有带刀库的自动换刀系统， 刀库可以存放较多的刀具，能满足复杂零件的多工序加工需要，可明显提高机床的适应性和加工效率，应用广泛。换刀系统的整个换刀过程较为复杂：首先&应把加工过程中需要使用的全部刀具分别安装在标准刀柄上，在机外进行尺寸调整之后&按一定的方式放入刀库，换刀的时候，按一定的选择方法进行选刀，并由刀具交换装置实现刀具在刀库和主轴之间的传递和装卸。刀具的交换方式通常分为无机械手换刀和有机械手换刀两大类”。
总的来说为了提高机加工的效率以及机加工的精度，换刀装置无可厚非的成了其研究的一个重要领域。
1.4 设计内容
本次设计所选择的题目是：12刀位星型伺服刀塔设计。图1.1为德国米迈提克━加工中心/CNC 车床的两种形式的刀塔。课题涉及到的有关知识包括：数控机床结构、车削加工中心、自动换刀装置等等方面；其次还包括一些机械设计、机械传动、液压、分度机构等方面的知识，在校图书馆借阅了一些关于本次设计有关的资料，而且还在网上搜索了一些相关资料：1）现代实用机床设计手册；2）实用机床设计手册；3）机械设计手册；4）数控车床设计；5）数控机床结构与维修等等；6）机械原理。而主要的资料则是现在已有的各种刀塔及其参数，比如肖特的动力刀座，迪普马等。详细资料见本说明书最后的参考资料。图1.2刀塔外观图：

图 1.1

图 1.2 刀塔外观图
本课题主要研究数控车床（车削中心、车铣复合中心）的刀具交换系统（ATC）的主要部件——刀塔。刀塔的使用可以有效扩大机床的工艺范围，提高机床的加工效率。本次选题的目的是对刀塔的结构，刀塔的传动形式以及驱动方式的设计；刀塔与刀座的连接形式、刀座的选择；刀具的交换动作设计、交换时间以及定位锁紧计算；刀塔其他辅助部件的设计。通过对本课题的设计，达到对数控机床中换刀机构的充分了解，以便于以后应用。
本次课题为12刀位星型伺服刀塔设计，简单的来说就是对刀塔进行伺服驱动设计。机械系统的伺服驱动设计大的来说分为两部分：机械系统的设计和电子部分的设计。机械系统是对刀塔的外形尺寸进行设计及选择；而电子部分的设计首先要选择伺服类型：液压伺服驱动或电机伺服驱动。对于电机伺服驱动来说，在选定这种类型以后，还要考虑是用交流伺服驱动还是直流伺服驱动，之后在进行伺服驱动系统以及伺服电机进行选择。最后对两大部分进行综合的考虑，将其合理的组装在一起以达到做佳的效果。所以本次设计的大概思路如图1.3所示：
12位星型伺服刀塔

电气部分
机械部分

伺服类型及驱动方式
结构尺寸设计
刀位选择
形状选择

电机伺服驱动

交直流伺服驱动
驱动器选择
伺服电机选择
12位
星型

图 1.3

由上图我们可以看出设计的大概过程，机械部分主要是对刀塔的结构外形尺寸设计，在设计过程中所设计的参数要与现有的标准刀架的参数相匹配，不能脱离标准参数的限制，否则最终所设计的刀塔将无法与标准件刀架进行匹配。电气部分的两个重点问题是伺服方式、伺服驱动器选择及伺服电机选择。在方案选择中，我们可以写出以交流伺服驱动与直流伺服驱动的双重方案，然后再进行对比，筛选出较为合理，更加实用以及实惠的方案。对于伺服驱动器的选择，可以进行多种选择再对比筛选。而对伺服电机来说，电机的尺寸最终要与刀塔的外形结构尺寸进行匹配，在选择过程中这一点要引起注意。
根据设计思路设计的系统传动原理图如图1.4所示：

图1.4

2 运动学与动力学计算
2.1 伺服电机的选择计算
电动机的选择内容包括电动机的类型、结构形式、功率、额定转速、额定电压等。
2.1.1选择电动机的类型
由于本次设计的题目为12刀位星型伺服刀塔的设计，所以选用同步伺服电动机驱动。
2.1.2选择电动机的功率
标准电动机的功率由额定功率表示，所选电动机的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率。
刀具的切削功率计算公式为：

切削力计算公式：

式中：B：切削宽度（mm）；
D：铣刀直径（mm）；
：刀具前角对切削力的影响系数；
：切削速度对切削力的影响系数；
：加工材料的影响系数；
：吃刀量（mm）
切削速度计算公式：

取铣刀直径D=60mm,前角为零度，刀具转速n=750r/min, =0.05mm/z , =4mm, B=40mm, z=8

查《简明金属切削计算手册》，工件材料为钢，圆柱铣刀，查得工件材料对切削利的影响系数=68；
刀具前角为零度，查《简明金属切削计算手册》，查得刀具前角对切削力的影响系数=1.2；
切削速度=141.3m/min, 查《简明金属切削计算手册》,查得切削速度对切削力的影响系数=0.92,则：

=2550N

经查阅《同步伺服电机选型手册》，选用DSM200T0378S15H型电机，该电机的额定转速为=1500r/min，额定转矩T=37.8N.m，额定功率P=6.445KW。
2.2 计算总传动比及分配各级传动比
设取刀塔到盘的转位时间t=0.0125s，刀位为12把，则

则从电机到刀盘的总传动比为

从电机到刀盘的各级传动比的分配：=1.5 =2.5
由于前面在计算电机功率时已选刀具的转速n=750r/min，则从电机到刀具的总传动比为：

齿轮2为惰轮，则=2。
2.3 计算传动装置的运动和动力参数
2.3.1计算各齿轮的转速
齿轮1的转速：
齿轮3的转速：
齿轮4的转速：
齿轮5的转速：
齿轮6的转速：
齿轮7的转速：
齿轮8的转速：
齿轮9的转速：
2.3.2计算各齿轮的功率
查《机械课程设计手册》，取电动机的传动效率为=0.95，齿轮的传动效率为=0.99
齿轮1的功率：
齿轮3的功率：
齿轮4的功率：
齿轮5的功率：
齿轮6的功率：
齿轮7的功率：
齿轮8的功率：
齿轮9的功率：
2.3.3计算各齿轮的转矩
齿轮1的转矩：
齿轮3的转矩：
齿轮4的转矩：
齿轮5、6的转矩：
齿轮7的转矩：
齿轮8、9的转矩：

3 传动零件的设计计算
3.1 齿轮的设计计算
齿轮传动有两条传动链:从电机出来经齿轮1、4、5、6、7到刀盘和从电机出来经齿轮1、2、3、8、9到刀具。
3.1.1电机到刀盘的传动链的设计计算
（1）齿轮4、5的设计计算：
1） 选定齿轮的类型、精度等级、材料及齿数
选用直齿圆柱齿轮传动，7级精度，材料的选择，齿轮4的材料为40Cr(调质)，
齿轮5的材料为45钢(调质)硬度为240HBS，二者材料硬度相查40HBS。
选齿轮4的齿数=22 ，齿轮5的齿数。
2） 按齿面接触强度设计
由设计计算公式进行试算，即

试选载荷系数。
齿轮4的转矩： 。
由《机械设计》表10-6查得材料的弹性影响系数。
由《机械设计》图10-21d按齿面硬度查得齿轮4的接触疲劳强度极限=600MPa, 齿轮5的接触疲劳强度极限=550MPa。
由公式计算应力循环次数：

由《机械设计》图10-19取接触疲劳寿命系数；。
计算接触疲劳许用应力：
取失效概率为1%，安全系数S=1，得:

试计算齿轮4分度圆直径，代入中较小的值:

计算圆周速度:

计算齿宽b:

计算齿宽与齿高之比：

计算载荷系数：
根据，7级精度，由《机械设计》图10-8查得动载系数；
直齿轮，；
由《机械设计》表10-2查得使用系数；
由《机械设计》表10-4用插值法查得。
由，由《机械设计》查图10-13得；
故载荷系数：

按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径：

计算模数：

3按齿根弯曲强度设计
弯曲强度设计公式：

由《机械设计》查图10-20c查得齿轮4的弯曲疲劳极限，齿轮5的弯曲疲劳极限；
由《机械设计》查图10-18取弯曲疲劳寿命系数，；
计算弯曲疲劳许用应力；
取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得

计算载荷系数K：

查取齿形系数，由《机械设计》表10-5查得，；
查取应力校正系数，由《机械设计》表10-5查得，。
计算齿轮的并加以比较：

设计计算：

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m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疲劳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，可取由弯曲疲劳强度算得的模数1.6并就近圆整为标准值m=2mm，按接触强度算得的分度圆直径，算出齿轮4的齿数
，取

4） 几何尺寸计算
计算分度圆直径

计算中心距

计算齿轮宽度

取，。如图3.1a、3.1b所示分别为齿轮4、5：

图 3.1a 图 3.1b
（2）齿轮6、7的设计计算：
1） 选定齿轮的类型、精度等级、材料及齿数
选用直齿圆柱齿轮传动，7级精度，材料的选择，齿轮6的材料为40Cr(调质)，
齿轮7的材料为45钢(调质)硬度为240HBS，二者材料硬度相查40HBS。
选齿轮6的齿数=20 ，齿轮7的齿数
2)按齿面接触强度设计
由设计计算公式进行试算，即

试选载荷系数。
齿轮6的转矩：。
由《机械设计》表10-6查得材料的弹性影响系数。
由《机械设计》图10-21d按齿面硬度查得齿轮6的接触疲劳强度极限=600MPa,齿轮7的接触疲劳强度极限=550MPa。
由公式计算应力循环次数：

由《机械设计》图10-19取接触疲劳寿命系数,。
计算接触疲劳许用应力：
取失效概率为1%，安全系数S=1，得:

试计算齿轮6分度圆直径，代入中较小的值:

计算圆周速度:

计算齿宽b:

计算齿宽与齿高之比：

计算载荷系数：
根据，7级精度，由《机械设计》图10-8查得动载系数；
直齿轮，；
由《机械设计》表10-2查得使用系数；
由《机械设计》表10-4用插值法查得。
由，由《机械设计》查图10-13得；
故载荷系数：

按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径：

计算模数：
3）按齿根弯曲强度设计
弯曲强度设计公式：

由《机械设计》查图10-20c查得齿轮6的弯曲疲劳极限，齿轮7的弯曲疲劳极限；
由《机械设计》查图10-18取弯曲疲劳寿命系数，；
计算弯曲疲劳许用应力；
取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得

计算载荷系数K：

查取齿形系数，由《机械设计》表10-5查得，；
查取应力校正系数，由《机械设计》表10-5查得，。
计算齿轮的并加以比较：

设计计算：

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m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疲劳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，可取由弯曲疲劳强度算得的模数并圆整为标准值m=2.5mm，按接触强度算得的分度圆直径，算出齿轮6的齿数
，取

4）几何尺寸计算
计算分度圆直径

计算中心距

计算齿轮宽度

取，。
3.1.2电机到刀具的传动链的设计计算
（1）齿轮1、3的设计计算：
1）选定齿轮的类型、精度等级、材料及齿数
选用直齿圆柱齿轮传动，7级精度，材料的选择，齿轮1的材料为40Cr(调质)，
齿轮3的材料为45钢(调质)硬度为240HBS，二者材料硬度相查40HBS。
选齿轮1的齿数=25 ，齿轮3的齿数
2）按齿面接触强度设计
由设计计算公式进行试算，即

试选载荷系数。
齿轮1的转矩：
由《机械设计》表10-6查得材料的弹性影响系数。
由《机械设计》图10-21d按齿面硬度查得齿轮1的接触疲劳强度极限=600MPa, 齿轮3的接触疲劳强度极限=550MPa。
由公式计算应力循环次数：

由《机械设计》图10-19取接触疲劳寿命系数；。
计算接触疲劳许用应力：
取失效概率为1%，安全系数S=1，得:

试计算齿轮1分度圆直径，代入中较小的值:

计算圆周速度:

计算齿宽b:

计算齿宽与齿高之比：

计算载荷系数：
根据，7级精度，由《机械设计》图10-8查得动载系数；
直齿轮，；
由《机械设计》表10-2查得使用系数；
由《机械设计》表10-4用插值法查得；
由，由《机械设计》查图10-13得；
故载荷系数：

按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径：

计算模数：

3）按齿根弯曲强度设计
弯曲强度设计公式：

由《机械设计》查图10-20c查得齿轮1的弯曲疲劳极限，齿轮3的弯曲疲劳极限；
由《机械设计》查图10-18取弯曲疲劳寿命系数，；
计算弯曲疲劳许用应力：
取弯曲疲劳安全系数S=1.4，得

计算载荷系数K：

查取齿形系数，由《机械设计》表10-5查得，；
查取应力校正系数，由《机械设计》表10-5查得，。
计算齿轮的并加以比较：

设计计算：

对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m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疲劳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，可取由弯曲疲劳强度算得的模数并圆整为标准值m=2mm，按接触强度算得的分度圆直径，算出齿轮1的齿数
，取

4）几何尺寸计算
计算分度圆直径

计算中心距

计算齿轮宽度

取，。
（2）齿轮8、9的设计计算
1）选择齿轮的类型、精度等级、材料
选用直齿锥齿轮传动，精度等级6级，材料选择均采用20Cr渗碳、淬火，齿面硬度58~63HRC。
2）初步计算
设计计算公式

选取载荷系数K=1.3。
查《机械设计手册单行本齿轮传动》图16.2-17h，齿轮的接触疲劳强度极限，估算时的安全系数，则估算时的齿轮许用接触应力：

估算结果
3）几何计算
取齿数 ，；
分锥角： ， ：
大端模数：

查《机械设计手册单行本齿轮传动》表16.2-3，取；
大端分度圆直径：

外锥距：

齿宽系数：；
齿宽： ，取；
实际齿宽系数：；
中点模数：；
中点分度圆直径：；
；
切向变位系数：，；
高变位系数：，；
顶隙：；
大端齿顶高：，
大端齿根高：；
；
全齿高：；
齿根角：，；
齿顶角：，；
顶锥角：，；
根锥角：，；
大端齿顶圆：，；
大端分度圆弧齿厚：；
；
大端分度圆弦齿厚：；
；
大端分度圆弦齿高：；
；
当量齿数：，；
当量齿轮分度圆直径： ；

当量齿轮根圆直径： ；
；
当量齿轮顶圆直径： ；
；
当量齿轮传动中心距：；
当量齿轮基圆齿距：；
啮合线长度：

端面重合度：；
齿中部接触线长度：；
齿中部接触线的投影长度：。
4）齿面接触疲劳强度校核
设计计算公式：

中点分度圆上的切向力：

查《机械设计手册》表16.2-36，查得；
由6级精度和中点节线速度：

查《机械设计手册》图16.4-28查得；
由《机械设计手册》表16.4-28查得，有效工作齿宽，则

由，查《机械设计手册》表16.2-29，查得；
查《机械设计手册》图16.4-29，查得节点区域系数；
中点区域系数的计算：
参数、按《机械设计手册》表16.4-30计算；
，；

由《机械设计手册》表16.4-43查得；
直齿轮，；
查《机械设计手册》查得，；
计算接触应力：

许用接触应力：

查《机械设计手册》图16.2-17h，查得齿轮的接触疲劳极限；
寿命系数：；
润滑油影响系数：；
工作硬化系数：；
尺寸系数；；
最小安全系数：；
许用接触应力值：

齿面接触强度校核结果：，通过。
5）齿根抗弯疲劳强度校核
计算公式：
，；
按，查《机械设计手册》图16.4-25，查得复合齿形系数；
重合度系数：

锥齿轮系数：

载荷分配系数：；
齿根弯曲应力计算：

齿根许用弯曲应力的计算公式；

查《机械设计手册》图16.2-26，查得齿根弯曲疲劳强度基本值；
寿命系数：；
相对齿根圆角敏感系数：；
相对齿根表面状况系数：；
查《机械设计手册》图16.2-28，查得尺寸系数：；
最小安全系数：；
许用弯曲应力：
齿根弯曲强度校核结果：
，通过。图3.2所示为计算所得的锥齿轮示意图：

图 3.2
3.2 轴的设计计算
3.2.1轴1的设计计算
电机出来与轴1通过联轴器相连，把电机的动力传递到轴1，通过齿轮传动链最后传递给刀盘或刀具。
（1）先求出轴1的传递功率P、转速n和转距T

（2）初步确定轴的最小直径
由公式
可初步估算设计轴的最小直径。
式中：为系数，轴的材料不同，则的值会不同；
为轴传递的功率，单位为；
为计算截面处轴的直径，单位为mm；
为轴的转速，单位为；
选取轴的材料为45钢，调质处理。查《机械设计师手册》根据表21—23，取，于是得

从而取轴的最小直径=18mm。
（3）联轴器的选择
输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径。为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应，故需同时选取联轴器的型号，工作平稳振动不大，选用凸缘联轴器；
载荷的计算：
公称转矩
查《机械设计》表14-1查得，故由公式得计算转矩为
；
型号的选择：
从GB/T5843-2003中查得GY2型凸缘联轴器的许用转矩为63N.mm，许用的最大转速为10000r/min，轴径为16、18、19mm，故合用。
（4）轴的结构设计
1）拟定轴上零件的装配方案
轴1的装配方案经过分析，现采用图3.3所示的装配方案。
2)根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
图3.1a与图3.1b通过内花键相连，内花键与拨叉相连由液压系统控制。当刀具转动时活塞向左移动两段轴断开；当刀盘转位时活塞向右移动两段轴连接，电机到刀盘的传动链接通。

图 3.3a

图 3.3b
图3.3a轴从右到左分别为1、2、3、4、5轴，1轴与联轴器相连；2轴主要是为了满足空间要求而做的一段轴肩，轴长为55mm；3轴段是齿轮1，轴长与齿宽相等为54mm；4轴为一段轴肩，轴长为6mm；5轴为一段外花键，查《机械设计课程设计手册》表4-3查得花键规格为，轴长为30mm。
图3.3b轴从右到左分别为1、2、3、4、5轴，1轴与内花键相连规格为，轴长为30mm；2轴是齿轮4长为56mm；3轴段是一段轴肩为了满足空间要求避免干涉，长为74mm；4轴段装轴承，长为11mm；5轴装有螺母用于轴向定位轴承。
3.2.2轴2的设计计算
（1）先求出轴2的传递功率P、转速n和转距T

（2）初步确定轴的最小直径
由公式
可初步估算设计轴的最小直径。
式中：为系数，轴的材料不同，则的值会不同；
为轴传递的功率，单位为；
为计算截面处轴的直径，单位为mm；
为轴的转速，单位为；
选取轴的材料为45钢，调质处理。查《机械设计师手册》根据表21—23，取，于是得

取，轴的最小直径。
（3）轴的结构设计
1）拟定轴上零件的装配方案
轴2的装配方案经过分析，现采用图3.4所示的装配方案。

图 3.4
2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度
轴2是一个齿轮轴，最右端齿轮为齿轮6齿宽为60mm；轴肩直径为35mm,长为6mm；带键槽轴的直径为30mm,长为59mm，查《机械设计课程设计手册》表4-1所选的键为键（A型）；轴上装有套筒和轴承，直径为25mm,长为17mm。
3）轴承的选择
选用深沟球轴承，查《机械设计课程设计手册》表6-1，选取深沟球球轴承6004,
d=20mm,D=42mm,B=12mm。
3.2.3轴3的设计计算
（1）先求出轴3的传递功率P、转速n和转距T

（2）初步确定轴的最小直径
由公式
可初步估算设计轴的最小直径。
式中：为系数，轴的材料不同，则的值会不同；
为轴传递的功率，单位为；
为计算截面处轴的直径，单位为mm；
为轴的转速，单位为；
选取轴的材料为45钢，调质处理。查《机械设计师手册》根据表21—23，取，于是得

取轴的最小直径为20mm。
(3)轴的结构设计
拟订轴上零件的装配方案,图3.5所示：

图 3.5
为了满足齿轮能