2202 Y3150E滾齒機(jī)滾齒刀架設(shè)計(jì),y3150e,滾齒機(jī)滾齒,刀架,設(shè)計(jì) 齒輪整合的相關(guān)不確定性的應(yīng)用摘要：計(jì)量學(xué)總的目的是在一個(gè)合格評(píng)定的決定的基礎(chǔ)上提供可靠的信息。這些決定受到測(cè)量不確定度的影響（測(cè)量不確定度表達(dá)指南介紹了測(cè)量不確定度評(píng)定）和相關(guān)的不確定性，它刻畫(huà)了預(yù)期的功能和特性，可能不完全相關(guān)的事實(shí)。關(guān)于合格評(píng)定相關(guān)的不確定性由于一個(gè)錯(cuò)誤的決定，以評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)，這方面的貢獻(xiàn)，提出了基于公理化設(shè)計(jì)矩陣和蒙特卡羅模擬的相關(guān)不確定性的表達(dá)和評(píng)價(jià)方法的模型。1 引言公差工藝是由幾何產(chǎn)品變化管理涉及的所有活動(dòng)所決定的：公差設(shè)計(jì)，制造公差分析，公差核定。公差核定允許關(guān)閉工藝循環(huán)過(guò)程，檢查產(chǎn)品的合格性，驗(yàn)證由設(shè)計(jì)者作出的假設(shè)。計(jì)量學(xué)總的目的是在一個(gè)合格評(píng)定的決定的基礎(chǔ)上提供可靠的信息。這些決定受到測(cè)量不確定度的影響，從而導(dǎo)致工業(yè)企業(yè)存在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)和連接的決定的后果（符合核查） ，對(duì)測(cè)量結(jié)果的意義進(jìn)行評(píng)估。功能鏈的合格評(píng)定模擬生成的測(cè)量，在測(cè)量的不確定性和不確定性的其他類(lèi)型的依賴意義的估計(jì)。事實(shí)上，不確定性是目前在所在的設(shè)計(jì)，制造和計(jì)量領(lǐng)域。目前不確定性的概念能較好的由計(jì)量學(xué)來(lái)確定。在 ISO TS17450-2 中表達(dá)的規(guī)范和驗(yàn)證是廣義的不確定性概念。通過(guò)產(chǎn)品生命周期的跨度從設(shè)計(jì)意圖至檢驗(yàn)實(shí)踐。不確定性可分為相關(guān)的不確定性，規(guī)范的不確定性和測(cè)量不確定度的不確定性。 （圖 1 上面部分）事實(shí)上，相關(guān)的不確定性的特點(diǎn)是預(yù)期的功能和特性可能不完全相關(guān)。這種不確定性特征的規(guī)范了表達(dá)中的歧義。并且計(jì)量學(xué)家所考慮的測(cè)量不確定性能很好用 GUM 來(lái)表述。測(cè)量的不確定性，包括所有用來(lái)衡量的檢驗(yàn)結(jié)果的質(zhì)量變化的原因。計(jì)量學(xué)家的標(biāo)準(zhǔn)和研究活動(dòng)，更多的集中在測(cè)量不確定度。Srinivassan 說(shuō)：“相關(guān)的不確定性，尤其是一個(gè)未知的領(lǐng)域，不會(huì)告訴我們是如何找到標(biāo)準(zhǔn)的。本文提出了一種形式來(lái)表達(dá)和評(píng)估相關(guān)的不確定性，并闡述齒輪合格的評(píng)定。2 闡述齒輪的不確定性這部分重點(diǎn)闡述在 AGMA 2009-B01 中定義的螺距誤差。為了解釋測(cè)量的不確定性，可以以螺距誤差的定義來(lái)作為一個(gè)例子：錐齒輪的螺距被定義為一個(gè)一個(gè)齒輪所有連續(xù)的左側(cè)面或右側(cè)面的之間的弧長(zhǎng)，在螺桿的直徑 d 通過(guò)測(cè)量參考錐頂點(diǎn)之間的距離 R。提出了一些計(jì)量策略來(lái)估計(jì)這些偏差，包括通過(guò)使用一個(gè)探測(cè)裝置或兩個(gè)探頭設(shè)備探測(cè)所有側(cè)面的一個(gè)特定點(diǎn)。這些策略提供質(zhì)量檢驗(yàn)時(shí)間短，但對(duì)測(cè)量不確定度非常敏感。事實(shí)上，實(shí)際檢驗(yàn)的周長(zhǎng)與理論上周長(zhǎng)之間的螺距，是與測(cè)量基準(zhǔn)圓的螺距會(huì)有所不同。為了計(jì)算螺距誤差，在測(cè)量的基礎(chǔ)上，需要建立一些數(shù)學(xué)模型和計(jì)算步驟。為了減少這些測(cè)量的不確定性，Guenther 提出了一種新的計(jì)量方法?？梢杂孟旅娴睦觼?lái)解釋不確定性的規(guī)范：AGMA 2009-B01 是這樣表述的：“單一螺距的變化，螺距變化的總和是根據(jù)公差直徑的測(cè)量指數(shù)變化來(lái)確定的，相對(duì)于齒輪基準(zhǔn)軸線旋轉(zhuǎn)，直徑公差與旋轉(zhuǎn)平面相切。直徑公差（DT） ，是 “平均直徑是圓錐與轉(zhuǎn)動(dòng)深度相交中點(diǎn)的距離'' 。此外， “Rm 是從節(jié)錐頂點(diǎn)到中心面的寬度 ”。但它沒(méi)有解釋如何獲取中心面寬度的中間點(diǎn)：齒是隨機(jī)選擇的，是所有的齒平均數(shù)，面的中心寬度是如何計(jì)算的，所以計(jì)量的方法是否適合？在這種情況下是不明確的規(guī)范。但它規(guī)范了這種不確定性。相關(guān)的不確定性預(yù)期的功能和特性，可能與實(shí)際特征不完全一致。以齒輪為例，傳輸錯(cuò)誤（車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的瞬時(shí)角度的理論和實(shí)際之間的差異）的幾何結(jié)構(gòu)影響的偏差。例如，螺距誤差會(huì)導(dǎo)致下一步的傳輸錯(cuò)誤[如圖 3]。在實(shí)際中，設(shè)計(jì)者限制螺距誤差的目的是為了限制傳輸誤差。事實(shí)上，即使一個(gè)齒輪的速率相對(duì)變化很微小的，其引起加速度也不可忽略，而且必須避免角速度的變化，從而降低水平噪聲和振動(dòng)。不幸的是，傳輸誤差與特定的幾何特征（如螺距誤差，偏轉(zhuǎn)，形式偏差等）之間沒(méi)有明確的關(guān)系。在這種情況下存在傳輸錯(cuò)誤或運(yùn)動(dòng)特性之間的偏差的相關(guān)不確定性。3 相關(guān)不確度的規(guī)范化在 GUM 中，測(cè)量的不確定性是一個(gè)可計(jì)算的數(shù)，可根據(jù)其的概率分布特征來(lái)測(cè)量。在擬定的規(guī)范中，相關(guān)不確定性是可計(jì)算的數(shù)字：CU 采取的是置信區(qū)間的概率分布特征的預(yù)期功能，并指定特性之間關(guān)系的知識(shí)。為了規(guī)范相關(guān)不確定性，這是有必要確定預(yù)期的功能和產(chǎn)品的規(guī)定的特性之間的關(guān)系的相關(guān)性。眾所周知，SUH 公理化設(shè)計(jì)矩陣的技術(shù)可用來(lái)處理這些關(guān)系。事實(shí)上，人們可以正式使用 SUH 的設(shè)計(jì)矩陣來(lái)表達(dá)（FRS ）的功能要求和設(shè)計(jì)參數(shù)（DPS）之間的關(guān)系。這些關(guān)系可以用數(shù)學(xué)中的矩陣方程的相關(guān)性來(lái)表示：其{FR}是一個(gè)獨(dú)立需求功能的向量，{DP}是一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)的向量。 表示的靈敏系數(shù)。公理設(shè)計(jì)中功能需求（FRS）的定義，根據(jù)一個(gè)完全獨(dú)立需求的特點(diǎn)，在產(chǎn)品的功能域中作為功能需求的最小集合。一個(gè)功能需求是根據(jù)其標(biāo)稱值的允許變化或所需的精度（設(shè)計(jì)范圍） 。所有可能的值（或概率密度函數(shù)值）的選擇系統(tǒng)，以滿足功能需求被稱為系統(tǒng)的范圍。功能需求只要在設(shè)計(jì)范圍和系統(tǒng)范圍內(nèi)就是合格的，有且公有一個(gè)共同的區(qū)域或范圍。當(dāng)系統(tǒng)范圍不完全包含設(shè)計(jì)范圍，可能不會(huì)滿足特定不確定性的功能需求。在產(chǎn)品合格評(píng)定和相關(guān)的不確定性的背景下，功能需求（FRS）即是預(yù)期的功能；設(shè)計(jì)參數(shù)（DPS）是指定或測(cè)量的特征。第一種方法是采用正式間隔矩陣來(lái)規(guī)范每個(gè)組件的相關(guān)不確定性：CU ij 是 Bij 模型的系數(shù)，B ij 是相關(guān)不確定性的置信區(qū)間。其中 表示一個(gè)獨(dú)立的預(yù)定功能的向量，{SC} P 表示指定的特征向量， 是靈敏度系數(shù)。數(shù)學(xué)矩陣 B 代表 和 之間的線性關(guān)系。這種線性化的關(guān)系引入一種誤差。第二種方法是規(guī)范測(cè)量指定的功能和預(yù)期的功能之間的相關(guān)性。被測(cè)的指期的功能并沒(méi)有通過(guò)直接測(cè)量獲得，而是通過(guò)估計(jì)的預(yù)期功能來(lái)獲得。它是由指定特性的功能SC1，SC2。。。 SCN 的關(guān)系決定的。其中 表示一個(gè)獨(dú)立的被測(cè)量的預(yù)定功能的載體，{SC}表示指定的特征向量，函數(shù) f 表示的不是一個(gè)單獨(dú)的物理定律，但功能鏈。如果沒(méi)有相關(guān)不確定性，一種產(chǎn)品合格評(píng)定是比較麻煩的。如果預(yù)期的功能與被測(cè)值相關(guān)性用于定于功能需求，則采用一致性就足夠了。然后，預(yù)定的功能與其被測(cè)量量之間的相關(guān)性可以用數(shù)學(xué)式來(lái)表示，簡(jiǎn)化的標(biāo)識(shí)矩陣為：在現(xiàn)實(shí)中，被測(cè)量的預(yù)定功能始終受相關(guān)不確定性影響。因此，他們沒(méi)有預(yù)期的功能的完美圖像。預(yù)期的功能與其被測(cè)量值之間的關(guān)系可以用數(shù)學(xué)中的矩陣方程來(lái)表示：相關(guān)的不確定性是仿照一個(gè)區(qū)間或一個(gè)矩陣的每個(gè)組件的概率分布。CU ij 表示 Cij 相關(guān)系數(shù)的置信區(qū)間，它表示模型 Cij 相關(guān)不確定性。如果測(cè)量結(jié)果是接近的規(guī)格限制而且 Cij 的相關(guān)系數(shù)小于 1，則存在拒絕一個(gè)好產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)，如果 Cij 的相關(guān)系數(shù)大于 1，存在接受不良產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)。此外，相關(guān)的不確定性范圍的增加，這與檢測(cè)區(qū)的一致性與非一致性均不相符。這第二個(gè)方法，可以模擬線性非預(yù)期的功能和指定的特性之間相互關(guān)聯(lián)的不確定性。蒙特卡羅方法（MCM）一種用評(píng)價(jià)不確定性的完美工具，不受任何限制。既不是對(duì)模型的形式，也不輸出值的數(shù)量。 MCM 和軟件建模與仿真功能鏈的規(guī)范用于計(jì)算相關(guān)不確定性。因此，根據(jù)這個(gè)方案的途徑和測(cè)量不確定度傳播的經(jīng)典方法能夠一致評(píng)定，它是可能計(jì)算的正確或錯(cuò)誤的決定（圖 1，下部） 。4 闡述齒輪相關(guān)不確定性的評(píng)估為了說(shuō)明相關(guān)的不確定性影響的合格評(píng)定，對(duì)比 4 種規(guī)格型號(hào)：以錐齒輪為例，螺距角誤差可以定義每個(gè)側(cè)面兩點(diǎn)之間或兩個(gè)擬合特征點(diǎn)（每個(gè)側(cè)面） ，其使用標(biāo)準(zhǔn)（最小的面積，最小或最大值，切比雪夫）的定義 [10]。兩個(gè)預(yù)期的功能和兩個(gè)指定的特性應(yīng)當(dāng)考慮：IFFi0：傳輸誤差的最大范圍，IFfi0：齒與齒傳輸誤差的最大范圍，SCcpe：累積角螺距誤差，SCPE：角螺距誤差。圖 4 顯示了整個(gè)相關(guān)的不確定性評(píng)價(jià)方法：1、在第一步中，將會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)偏差替換幾何圖形。替換模型是一個(gè)真正的齒輪的輪廓。它的幾何圖形可解析為一種多項(xiàng)式曲面：平滑的 Bezier 曲面。2、執(zhí)行一種替代模型的虛擬采集。每個(gè) Bezier 曲面離散成一系列等距點(diǎn)。3、執(zhí)行第 2 步中獲得的一系列點(diǎn)組成的虛擬積分計(jì)量學(xué)過(guò)程。估計(jì)每個(gè)配件標(biāo)準(zhǔn)的螺距誤差。根據(jù)計(jì)量學(xué)創(chuàng)建一個(gè)數(shù)學(xué)模型， 。2’和 4、使用齒面接觸分析法（TCA）來(lái)模擬嚙合過(guò)程和估計(jì)引起的傳輸錯(cuò)誤 [8]。3’和 5、評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)學(xué)特征?？捎妹商乜澹ú襟E 6）模擬重現(xiàn) 1 至 5 的所有步驟，并得到由一組特征組成的研究標(biāo)準(zhǔn)。在研究報(bào)告中所提到的三種質(zhì)量等級(jí)的齒輪已通過(guò)測(cè)試：10，7 和 4。對(duì)于每一類(lèi)，已生成和模擬 100 種幾何結(jié)構(gòu)：對(duì)于每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)及每個(gè)類(lèi)，計(jì)算其所有研究的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征。因此，獲得了預(yù)期的功能和預(yù)期的功能相關(guān)的被測(cè)量值。對(duì)于每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和每個(gè)預(yù)期的功能，下面的關(guān)系和數(shù)量可用于計(jì)算（第 7 步）：預(yù)期功能和預(yù)期功能的被測(cè)量值之間的線性回歸：線性回歸方程表示了其相關(guān)性的趨勢(shì)，估計(jì)線性回歸斜率的置信區(qū)間：，在調(diào)查研究后，可以申明在一個(gè)區(qū)間內(nèi)的暴露值允許 5％的風(fēng)險(xiǎn)。它能夠估計(jì)相關(guān)不確定性，線性相關(guān)系數(shù) R 提供相關(guān)的質(zhì)量信息。下面的公式顯示在每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)所獲得 ISO 10 級(jí)，7 級(jí)及在 4 個(gè)齒輪上執(zhí)行的成果1、 點(diǎn)2、 最小的面積3、 輸出信號(hào)的最小或最大值切比雪夫切比雪夫準(zhǔn)則提供了有關(guān)功能方面最好的相關(guān)性。相關(guān)性最差的一個(gè)點(diǎn)也適合。最小二乘準(zhǔn)則接近一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的相關(guān)性，而且在切比雪夫準(zhǔn)則后提供第二個(gè)最好的最大最小值標(biāo)準(zhǔn)。的相關(guān)系數(shù)較小。事實(shí)上，這個(gè)預(yù)期功能取決于螺距誤差和齒輪側(cè)面的形式偏差。但是，評(píng)估相關(guān)的不確定性不考慮形式的偏差作為指定的特征。5 結(jié)論本文基于一種成熟和綜合功能、規(guī)范、驗(yàn)證的角度而提出的方法。產(chǎn)品合格評(píng)定過(guò)程中作出的決定不僅影響測(cè)量的不確定性，而且影響相關(guān)不確定性和規(guī)范不確定性?；诠砘O(shè)計(jì)矩陣，這種相關(guān)不確定性的規(guī)范化方法，可在預(yù)期的功能和特性之間可以模擬它們線性或非線性的關(guān)系。為了說(shuō)明規(guī)范化方法的效率，已經(jīng)完成對(duì)比不同接頭標(biāo)準(zhǔn)的螺距誤差的定義。不確定性的整體視角，可以選擇最好的規(guī)格型號(hào)，合格的決策，從而降低測(cè)量不確定性和相關(guān)不確定性的累積效應(yīng)。參考文獻(xiàn)[1] Kunzmann H, Pfeifer T, Schmitt R, Schwenke H, Weckenmann A (2005)Productive Metrology—Adding Value to Manufacture, Keynote Paper. 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Annals CIRP 56(1):517–520.0目錄摘 要 .........................................................................................................................................3第一章 緒論 .............................................................................................................................11.1 滾齒機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)狀 ......................................................................................11.2 滾齒機(jī)研制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) .....................................................................................2第二章 滾齒機(jī)總體設(shè)計(jì) .........................................................................................................42.1 滾齒機(jī)總體方案設(shè)計(jì) ..................................................................................................42.2 擬定傳動(dòng)方案設(shè)計(jì) .....................................................................................................42.3 確定詳細(xì)傳動(dòng)方案 .....................................................................................................62.4 滾齒機(jī)各部件方案設(shè)計(jì) .............................................................................................72.4.1 床身設(shè)計(jì) ..........................................................................................................72.4.2 主傳動(dòng)箱設(shè)計(jì) ..................................................................................................72.4.3 刀架立柱設(shè)計(jì) ..................................................................................................82..4.4 滾刀牙箱設(shè)計(jì) .................................................................................................82..4.5 工作臺(tái)設(shè)計(jì) .....................................................................................................82..4.6 外支架設(shè)計(jì) .....................................................................................................8第三章 滾刀箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .........................................................................................................93.1 滾刀箱的特性 ..............................................................................................................93.2 滾刀箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ......................................................................................................93.2.1 滾刀箱的功能結(jié)構(gòu)分析 ..................................................................................93.2.2 滾刀箱的壁厚 ..................................................................................................93.3 滾刀箱的設(shè)計(jì)計(jì)算 ...................................................................................................103.3.1 斜齒輪的設(shè)計(jì) ................................................................................................103.3.2 滾刀心軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ....................................................................................14第四章 刀架底座部件設(shè)計(jì) ...................................................................................................174.1 工作要求 ...................................................................................................................174.2 竄刀運(yùn)動(dòng)與工件軸旋轉(zhuǎn)的聯(lián)動(dòng)關(guān)系 ........................................................................174.3 刀架底座部件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) ........................................................................................184.4 動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì) ............................................................................................................184.4.1 滾齒機(jī)切削力的關(guān)系及坐標(biāo)變換 .................................................................184.4.2 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 ........................................................................................214.4.3 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 ..................................................................................234.4.4 加速度扭矩的計(jì)算 ......................................................................................244.5 滾柱絲杠副支承設(shè)計(jì)技術(shù)研究 ................................................................................264.5.1 滾動(dòng)軸承的選擇 ............................................................................................264.5.2 支承形式設(shè)計(jì) ................................................................................................264.5.3 絲杠的預(yù)拉伸設(shè)計(jì) .........................................................................................274.6 滾刀軸部件鎖緊的實(shí)現(xiàn) .........................................................................................29第五章 滾刀箱形狀和尺寸的確定 ........................................................................................33第六章 結(jié)束語(yǔ) .......................................................................................................................34參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................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(wú)屑加工方向發(fā)展，齒輪加工機(jī)床正朝著全數(shù)控、功能復(fù)合、柔性、自動(dòng)化、安全性及網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。傳統(tǒng)機(jī)械式滾齒機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)異常復(fù)雜、傳動(dòng)效率低、傳動(dòng)精度差、磨損嚴(yán)重、切削速度低，在各方面都不能滿足現(xiàn)代滾齒機(jī)的性能要求；普通全數(shù)控滾齒機(jī)雖然具有全數(shù)控化、柔性好、安全的特點(diǎn)，但是機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)的存在始終限制其加工速度的提升，不能適應(yīng)干式切削的需要。因此，國(guó)外的部分廠家從最近幾年才開(kāi)始研制“零傳動(dòng)”齒輪加工機(jī)床。零傳動(dòng)滾齒機(jī)突破了傳統(tǒng)齒輪加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，采用電主軸和內(nèi)置力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)滾刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和工件軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，是齒輪機(jī)床設(shè)計(jì)技術(shù)的重大變革。但國(guó)外零傳動(dòng)機(jī)床的售價(jià)很高（是一般數(shù)控機(jī)床的 2～ 3 倍） ，設(shè)計(jì)原理和技術(shù)資料嚴(yán)格保密，形成了技術(shù)壟斷的局面。為了打破國(guó)外的技術(shù)壟斷，盡快提高我國(guó)齒輪加工機(jī)床的設(shè)計(jì)/制造水平，研究和開(kāi)發(fā)高速、高精度零傳動(dòng)滾齒機(jī)是十分必要的。零傳動(dòng)滾齒機(jī)的研制基于零傳動(dòng)功能部件，由電主軸直接驅(qū)動(dòng)的零傳動(dòng)刀架部件是研發(fā)的核心之一。我的課題主要內(nèi)容是滾齒機(jī)刀架系統(tǒng)設(shè)計(jì)。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(dāng)間隙，前軸承是做成外錐并開(kāi)口。調(diào)整軸承上的兩個(gè)螺母，可以使前軸承做軸向移動(dòng)，使前軸承孔收縮便可消除主軸和軸承間過(guò)大的間隙。關(guān)鍵詞：滾齒機(jī)、刀架、動(dòng)靜態(tài)特性ABSTRACTThe 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 performance0第一章 緒論1.1 滾齒機(jī)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀現(xiàn)狀齒輪加工機(jī)床是一種技術(shù)含量高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的機(jī)床系統(tǒng)，由于齒輪使用的量大面廣，齒輪加工機(jī)床已成為汽車(chē)、摩托車(chē)、工程機(jī)械、船舶等行業(yè)的關(guān)鍵設(shè)備。特別是，隨著汽車(chē)工業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)齒輪的需求量日益增加，對(duì)齒輪加工的效率、質(zhì)量及加工成本的要求愈來(lái)愈高，使齒輪加工機(jī)床在汽車(chē)、摩托車(chē)等行業(yè)中占有越來(lái)越重要的作用。滾齒機(jī)是齒輪加工機(jī)床中的一種，其占齒輪加工機(jī)床擁有量的40%～50%。它主要用來(lái)加工圓柱齒輪和蝸輪等。隨著重型車(chē)市場(chǎng)的高速擴(kuò)張和產(chǎn)銷(xiāo)量的迅速增長(zhǎng)，變速箱和齒輪制造行業(yè)的內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)必將進(jìn)一步加劇，為齒輪機(jī)床行業(yè)增加了良性發(fā)展的大好機(jī)會(huì)，各生產(chǎn)廠商大規(guī)模技改投資齒輪加工機(jī)床。目前國(guó)際上生產(chǎn)滾齒機(jī)的強(qiáng)國(guó)———美國(guó)、德國(guó)和日本，也是世界經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)和汽車(chē)生產(chǎn)大國(guó)。美國(guó)Gleason-pfauter公司，德國(guó)的Liebherr 公司，日本的三菱重工公司、堅(jiān)藤、清和公司和意大利的SU公司是國(guó)外最具實(shí)力的滾齒機(jī)制造商。這些公司目前生產(chǎn)的滾齒機(jī)都是全數(shù)控式的，中小規(guī)格滾齒機(jī)都在朝著高速方向發(fā)展，所有高效機(jī)床均采用了全密封護(hù)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(wèn)題。近年來(lái)，為更好地滿足滾齒加工中的綠色制造，德國(guó)Liebherr 公司早在十幾年前就開(kāi)始研究高速干式切削滾齒機(jī)。日本三菱重工則是最早將高速干式切削滾齒機(jī)商品化的制造商，它們的成功還得益于滾刀制造技術(shù)的提高。目前，Liebherr、Gleason-pfauter、三菱重工、SU 、堅(jiān)藤和清和均開(kāi)發(fā)了適用于高速干式切削的滾齒機(jī)產(chǎn)品。在特別重視環(huán)保的世界著名齒輪制造商中，如德國(guó)ZF公司、美國(guó)Ford汽車(chē)公司等使用高速干式滾齒已成為主流。在我國(guó)上海汽車(chē)齒輪公司及陜西發(fā)士特公司也已開(kāi)始采購(gòu)三菱重工公司生產(chǎn)的干式切削滾齒機(jī)。近幾年，我國(guó)在滾齒機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)方面研究的主要內(nèi)容經(jīng)歷了從傳統(tǒng)機(jī)械式滾齒機(jī)通過(guò)數(shù)控改造發(fā)展為2-3軸（直線運(yùn)動(dòng)軸）實(shí)用型數(shù)控高效滾齒機(jī)，到全新的六軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控高速滾齒機(jī)的開(kāi)發(fā)。滾齒機(jī)加工（鋼件）全部采用濕式滾齒方式。目前，國(guó)內(nèi)主要滾齒機(jī)制造商重慶機(jī)床廠及南京二機(jī)床有限責(zé)任公司生產(chǎn)的系列數(shù)控高效滾齒機(jī)已采取全密封護(hù)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(wèn)題。世界上滾齒機(jī)產(chǎn)量最大的制造商——重慶機(jī)床廠從2001年開(kāi)始研究面向綠色制造的高速干切滾齒技術(shù)，2002年初研制成功既能干切又能濕切的YKS3112六軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控高速滾齒機(jī)，2003年初又開(kāi)始研制面向綠色制造的YE3116CNC7高速干式切削滾齒機(jī)，即將進(jìn)入商品化階段。傳統(tǒng)滾齒機(jī)在加工過(guò)程中有以下特點(diǎn)：(1)滾削齒輪時(shí)，應(yīng)用切削液可提高刀具壽命，改善加工表面質(zhì)量和利于排出切削熱而不致引起機(jī)床的熱變形。但是，在高速切削過(guò)程中切削液的飛濺和形成的油霧對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類(lèi)特別有害，1變質(zhì)切削液的排放也會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境。(2)機(jī)床漏、混油嚴(yán)重。(3)加工成本高。機(jī)床的材料用量、能耗、油耗及附加費(fèi)大，濕式齒輪加工中消耗的切削液及切削液附加裝置的費(fèi)用占加工成本的 20%左右。(4)生產(chǎn)效率低下，加工質(zhì)量差，難以滿足現(xiàn)代企業(yè)生產(chǎn)的要求。開(kāi)發(fā)研制新的滾齒機(jī)可以使公司擁有更大的市場(chǎng)份額，創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，同時(shí)在技術(shù)上達(dá)到一個(gè)新的高度。1.2 滾齒機(jī)研制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)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(guó)際先進(jìn)水平的滾齒機(jī)充分利用了高速切削的原理，滾刀最高轉(zhuǎn)速均在 3000r/min 以上，Liebherr 的 LC80立式滾齒機(jī)甚至達(dá)到了 9000r/min[7]，不僅提高了生產(chǎn)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(guò)對(duì)機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的 CNC 控制及部分軸間的聯(lián)動(dòng)，可增加機(jī)床功能，使?jié)L削小錐度及鼓形齒輪變得簡(jiǎn)單；可縮短傳動(dòng)鏈，提高各軸精度和重復(fù)定位精度；可省去計(jì)算及更換分齒掛輪和差動(dòng)掛輪、進(jìn)給及主軸換檔時(shí)間，從而減少輔助加工時(shí)間，增加機(jī)床柔性；由于機(jī)械結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，可在設(shè)計(jì)時(shí)更有利于提高機(jī)床的剛性及把熱變形降到更低。各軸間沒(méi)有機(jī)械聯(lián)系，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更加典型，有利于實(shí)施模塊化設(shè)計(jì)及制造。③ 零傳動(dòng)化及高速干式切削 [17,33]國(guó)外先進(jìn)滾齒機(jī)已經(jīng)廣泛采用了零傳動(dòng)功能部件，最常見(jiàn)的是刀架由電主軸直接驅(qū)動(dòng)，部分廠家工作臺(tái)由力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)。零傳動(dòng)滾齒機(jī)滾刀軸速度一般在 3000 轉(zhuǎn)/分以上，能夠達(dá)到干式切削的速度要求，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的環(huán)?；?。干式切削滾齒機(jī)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(wèn)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(wǎng)絡(luò)化 [17]由于計(jì)算機(jī)技術(shù)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(wǎng)的功能，數(shù)控機(jī)床正朝著網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和加工的功能，減少工人負(fù)擔(dān)，提高加工效率。⑤ 智能化 [19]由于計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，智能技術(shù)也逐漸應(yīng)用于高性能數(shù)控齒輪機(jī)中，具體表現(xiàn)在：1) 完成加工質(zhì)量與加工過(guò)程智能控制。根據(jù)對(duì)工件在線檢測(cè)的結(jié)果和實(shí)時(shí)采集的機(jī)床狀態(tài)，預(yù)測(cè)工件的加工質(zhì)量，并及時(shí)調(diào)整加工過(guò)程的工藝參數(shù)，以保證機(jī)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(jī)床會(huì)對(duì)曾經(jīng)產(chǎn)2生的故障作記錄，當(dāng)下次碰到該故障時(shí)，它會(huì)首先提示可能的原因；另一方面，現(xiàn)場(chǎng)信息經(jīng)過(guò)壓縮，存貯在機(jī)床的“黑匣子”中，一旦機(jī)床發(fā)生的故障超出其自身的診斷能力，就可以通過(guò) Internet 從網(wǎng)上專(zhuān)家系統(tǒng)獲得支持，進(jìn)行交互式的遠(yuǎn)程協(xié)同診斷。3第二章 滾齒機(jī)總體設(shè)計(jì)2.1 滾齒機(jī)總體方案設(shè)計(jì)滾齒加工是依照交錯(cuò)軸螺旋齒輪嚙合原理進(jìn)行的。用齒輪滾刀加工的過(guò)程，就相當(dāng)于一對(duì)螺旋齒輪嚙合的過(guò)程。將其中的一個(gè)齒輪的齒數(shù)減少到一個(gè)或幾個(gè)，螺旋角增大到很大，呈螺桿狀，再開(kāi)槽并鏟背，使其具有切削性能，就成了齒輪滾刀。機(jī)床使?jié)L刀和工件保持一對(duì)螺旋齒輪副嚙合關(guān)系作相關(guān)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可在工件上滾切出具有漸開(kāi)線齒廓的齒槽。滾齒時(shí)，切出的齒廓是滾刀切削刃運(yùn)動(dòng)軌跡的包絡(luò)線。滾齒時(shí)齒廓的成形方法是展成法，成形滾刀旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和工件旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)組成的復(fù)合運(yùn)動(dòng)就是展成運(yùn)動(dòng)，再加上滾刀沿工件軸線垂直方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，就可切出整個(gè)齒長(zhǎng)。其設(shè)計(jì)依據(jù)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(zhǎng)度 300mm；e) 滾刀轉(zhuǎn)數(shù)范圍 40~250r/min。2.2 擬定傳動(dòng)方案設(shè)計(jì)加工直齒圓柱齒輪時(shí)，滾刀軸線與齒輪端面傾斜一個(gè)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(dòng)鏈： a) 主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈：電動(dòng)機(jī)—1—2—iv—3—4—滾刀，是一條外聯(lián)系得傳動(dòng)鏈，實(shí)現(xiàn)滾刀的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中，iv 為置換機(jī)構(gòu)，用以變換滾刀的轉(zhuǎn)速。b) 展成運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈：滾刀—4—5—ix—6—7—工作臺(tái)，是內(nèi)聯(lián)系傳動(dòng)鏈，實(shí)現(xiàn)漸開(kāi)線齒廓的復(fù)合成形運(yùn)動(dòng)。對(duì)單頭滾刀而言，滾刀轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，工件應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，所以要求滾刀與工作臺(tái)之間必須保持嚴(yán)格的傳動(dòng)比關(guān)系。其中換置機(jī)構(gòu)為 ix，用于適應(yīng)工件齒數(shù)和滾刀頭數(shù)的變化，其傳動(dòng)比的要求很精確。由于工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)方向與滾刀螺旋角的旋向有關(guān)，故在這條傳動(dòng)鏈中，還設(shè)有工作臺(tái)變向機(jī)構(gòu)。c) 軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈：工件—7—8—if—9—10—刀架升降絲杠，是一條外傳動(dòng)鏈，實(shí)現(xiàn)齒寬方向直線形齒形的運(yùn)動(dòng)。其中，換置機(jī)構(gòu)為 if，用于調(diào)整軸向進(jìn)給量的大小和方向，以適應(yīng)不同加工表面粗糙度的要求，軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是一個(gè)獨(dú)立的簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)，作為外聯(lián)系傳動(dòng)鏈它可以使用獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)源來(lái)驅(qū)動(dòng)，這里所以用工作臺(tái)作為間接運(yùn)動(dòng)源，是因?yàn)闈L齒時(shí)的進(jìn)給量通常以工件每轉(zhuǎn) 1轉(zhuǎn)時(shí)，刀架的位移量來(lái)計(jì)量，且刀架運(yùn)動(dòng)速度較低，采用這種傳動(dòng)方案，不僅滿足了工藝上的需要，還能簡(jiǎn)化機(jī)床的結(jié)構(gòu)。圖 2-1 所示為滾切直齒圓柱齒輪齒輪的傳動(dòng)原理圖。4圖 2-1 滾切直齒圓柱齒輪的傳動(dòng)原理圖斜齒圓柱齒輪在齒長(zhǎng)方向?yàn)橐粭l螺旋線，為了形成螺旋線齒線，在滾刀作軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，工件還應(yīng)作附加旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) B22（簡(jiǎn)稱附加運(yùn)動(dòng)） ，且這兩個(gè)運(yùn)動(dòng)之間必須保持確定的關(guān)系：滾刀移動(dòng)一個(gè)螺旋線導(dǎo)程 S 時(shí)工件應(yīng)準(zhǔn)確地附加轉(zhuǎn)過(guò) 1 轉(zhuǎn)，因此，加工斜齒輪時(shí)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是一個(gè)螺旋運(yùn)動(dòng)，是一個(gè)復(fù)合運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)滾切斜齒輪所需成形運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)原理圖如圖 2-2 所示。其中，主運(yùn)動(dòng)、展成運(yùn)動(dòng)以及軸向運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈與加工直齒輪時(shí)相同，只是在刀架與工作臺(tái)之間增加了一條附加運(yùn)動(dòng)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(tái)軸線方向移動(dòng)一個(gè)螺旋導(dǎo)程 s 時(shí)，工件附加轉(zhuǎn)過(guò)±1轉(zhuǎn)，形成螺旋線齒線。5圖 2-2 滾切斜齒圓柱齒輪的傳動(dòng)原理圖2.3 確定詳細(xì)傳動(dòng)方案本次所設(shè)計(jì)的 Y3150E 型滾齒機(jī)，它主要用于加工直齒和斜齒圓柱齒輪，也可用于手動(dòng)徑向進(jìn)給加工蝸輪。因此，傳動(dòng)系統(tǒng)中共有 6 條傳動(dòng)鏈，它們分別是主運(yùn)動(dòng)鏈、展成運(yùn)動(dòng)鏈、軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)鏈、附加運(yùn)動(dòng)鏈、工作臺(tái)的水平送進(jìn)運(yùn)動(dòng)鏈和快速移動(dòng)刀架的運(yùn)動(dòng)鏈。其主要四條傳動(dòng)鏈的表達(dá)式如下：a．主運(yùn)動(dòng)：電動(dòng)機(jī) → 滾刀主電動(dòng)機(jī) → （帶輪）→ → → → → → → 16542137548282→ 滾刀208b．展成運(yùn)動(dòng)：滾刀 → 工作臺(tái)滾刀 → → → → → → 合成機(jī)構(gòu) → → 208285642FEdcba?→ → 工作臺(tái)71c．進(jìn)給運(yùn)動(dòng)：工作臺(tái) → 刀架工作臺(tái) → → → → → →u 進(jìn)→ → 刀架1725391ba692325d．附加運(yùn)動(dòng)：刀架 → 工作臺(tái)6刀架→ → → → → → →u 合→ →ux ?3T252badc7236FE→ →工件721Y3150E 型機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)圖如圖 2-3 所示。圖 2-3 Y3150E 型機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)圖2.4 滾齒機(jī)各部件方案設(shè)計(jì)2.4.1 床身設(shè)計(jì)床身為箱型結(jié)構(gòu)，與底座鑄成一個(gè)整體，左上部是方形導(dǎo)軌安放工作臺(tái)，右上部固定刀架立柱，床身內(nèi)部安裝有差動(dòng)機(jī)構(gòu)，床身后端連出分齒掛輪架背面為主傳動(dòng)箱，主電動(dòng)機(jī)及冷卻電動(dòng)機(jī)都裝在床身上，方形導(dǎo)軌中間裝一絲杠作移動(dòng)工作臺(tái)之用，在分度掛輪架處的手柄，供銑正齒輪或斜齒輪時(shí)操縱使用。2.4.2 主傳動(dòng)箱設(shè)計(jì)主傳動(dòng)箱緊固在床身的背面，其內(nèi)裝有主傳動(dòng)進(jìn)給差動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)件，主傳動(dòng)進(jìn)給與差動(dòng)掛輪架均在其中。主傳動(dòng)箱的第一根軸的端部連接葉片泵，主電動(dòng)7機(jī)開(kāi)動(dòng)后，葉片泵被帶動(dòng)輸出油，供給機(jī)床各部位自動(dòng)潤(rùn)滑點(diǎn)的潤(rùn)滑油及刀架立柱的液壓缸壓力油。2.4.3 刀架立柱設(shè)計(jì)刀架立柱緊固在床身上方，其中有主傳動(dòng)的花鍵軸、傘齒輪和垂直進(jìn)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(dǎo)軌上，前面是操縱板（電氣按鈕） 。另裝有手柄供手動(dòng)升降刀架滑板之用。手搖升降刀架時(shí)，先將手柄搬至“開(kāi)”位置將給合子脫開(kāi)，使搖動(dòng)輕便。2..4.4 滾刀牙箱設(shè)計(jì)滾刀牙箱固定在刀架滑板上，滾刀主軸孔為莫氏 5 號(hào)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(dāng)間隙，將前軸承做成外錐并開(kāi)口。調(diào)整軸承上的兩個(gè)螺母，可以使前軸承座軸向移動(dòng)，使前軸承孔收縮便可消除主軸與軸承間過(guò)大的間隙。后軸承可與主軸一起沿著軸線移動(dòng) 40 毫米，以便在滾刀工作部分磨鈍時(shí)，把鋒利的部分移到切削部分來(lái)工作。移動(dòng)后軸承是利用與后軸承相連的鉗在滾刀牙箱殼體上的調(diào)整緊鎖螺栓進(jìn)行的，因?yàn)檠老渖咸籽b后軸承的孔是開(kāi)口的。調(diào)整時(shí)應(yīng)首先將拉緊開(kāi)口的鎖緊螺栓松開(kāi)，調(diào)整好后并把它擰緊。松開(kāi)壓緊螺釘，搖動(dòng)手柄，可以使?jié)L刀牙箱轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度。2..4.5 工作臺(tái)設(shè)計(jì)工作臺(tái)為箱形，裝在床身的方形導(dǎo)軌上，工作臺(tái)殼體以其環(huán)形表面支承工作臺(tái)，并以其錐孔來(lái)定工作臺(tái)中心。分度蝸輪與工作臺(tái)殼體連在一起，分度蝸桿與工作臺(tái)座連在一起。內(nèi)殼體油室可提供潤(rùn)滑油潤(rùn)滑分度蝸輪副。2..4.6 外支架設(shè)計(jì)外支架固定在工作臺(tái)殼體上，它上面有燕尾形導(dǎo)軌。支承工件心軸的支臂，可沿導(dǎo)軌移動(dòng)。支臂上有一專(zhuān)用手柄，供支臂夾緊在支架上之用。當(dāng)使用外支架時(shí)，最大加工直徑為 450 毫米。超過(guò) 450 毫米，就應(yīng)取下外支架，才可以加工。8第三章 滾刀箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1 滾刀箱的特性 圖 3－1 滾刀箱箱體圖3.2 滾刀箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滾刀箱的結(jié)構(gòu)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(yīng)該滿足運(yùn)動(dòng)方面的要求，如滾刀箱的旋轉(zhuǎn)、步進(jìn)等。此外，還要求具有較高的傳動(dòng)效率，保證傳動(dòng)件具有足夠的強(qiáng)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(jié)構(gòu)示意圖。3.2.1 滾刀箱的功能結(jié)構(gòu)分析滾刀箱內(nèi)裝有傳動(dòng)軸和齒輪，滾刀箱的絕大多數(shù)傳動(dòng)軸上都裝有滾動(dòng)軸承。傳動(dòng)軸的軸承以圓錐滾子軸承為主。因?yàn)閳A錐滾子軸承價(jià)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(jī)的重要組成部分，要求傳動(dòng)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(lái)調(diào)節(jié)滾刀箱的運(yùn)動(dòng)。滾刀心軸上裝有齒輪滾刀，由滾刀的旋轉(zhuǎn)與垂直運(yùn)動(dòng)來(lái)切削工件。而滾刀箱通過(guò)螺栓固定在刀架立柱上，并由刀架立柱的錐齒輪通過(guò)主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)鏈傳遞過(guò)來(lái)的力來(lái)驅(qū)動(dòng)滾刀心軸的運(yùn)動(dòng)。3.2.2 滾刀箱的壁厚壁厚的大小取決于產(chǎn)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9為準(zhǔn)。滾刀箱的箱體主要是定位軸以及固定零件之用。從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，過(guò)厚的產(chǎn)品不但增加物料成本，延長(zhǎng)生產(chǎn)過(guò)程的冷卻時(shí)間，增加生產(chǎn)成本；從產(chǎn)品設(shè)計(jì)角度來(lái)看，過(guò)大的壁厚將增加產(chǎn)生空穴和氣孔的可能性，大大削弱產(chǎn)品的剛性及強(qiáng)度。最理想的壁厚分布是在任何一個(gè)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(wú)可避免的。在此情形，有大的轉(zhuǎn)角的地方應(yīng)盡可能平滑。因?yàn)樘蝗坏谋诤褶D(zhuǎn)變會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力集中和產(chǎn)生不穩(wěn)定問(wèn)題。壁厚均一的原則在轉(zhuǎn)角的地方也同樣需要，在有大的轉(zhuǎn)角的地方應(yīng)盡量運(yùn)用倒角和圓角。因?yàn)樵诖筠D(zhuǎn)角處通常會(huì)導(dǎo)致部件有缺陷及應(yīng)力集中，應(yīng)力集中的地方會(huì)在受負(fù)載或撞擊的時(shí)候破裂。較大的圓角提供了這種缺點(diǎn)的解決方法，減低了應(yīng)力集中的程度。建議的最小圓角半徑是壁厚的 25%，適當(dāng)?shù)卦龃髨A角半徑 能明顯地減少應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。3.3 滾刀箱的設(shè)計(jì)計(jì)算由于齒輪在轉(zhuǎn)速最小的時(shí)候可以求得它們的最大扭矩，所以要選用適當(dāng)?shù)奈佪喓臀仐U就必須求出齒輪的最小轉(zhuǎn)速。3.3.1 斜齒輪的設(shè)計(jì)根據(jù)齒根彎曲疲勞疲勞強(qiáng)度的設(shè)計(jì)： ??321cos4FSadnt YZKTm????????13?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(zhuǎn)1數(shù)為 47.5r/min。則：傳動(dòng)效率為 ，72.0＝總?大齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩總????npT6105.9??23?則 mN104.72103.6551 ????＝T傳動(dòng)比為 ?大小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限10查圖 6.9 得： MPa302lim1li?F?應(yīng)力循環(huán)次數(shù)考慮到工作條件工作環(huán)境以及總體設(shè)計(jì)取齒輪壽命為十年，每年 300 個(gè)工作日，每個(gè)工作日安 8 個(gè)小時(shí)計(jì)算得njLN160? ??3?式中 ：齒輪的轉(zhuǎn)速，單位為 ；nmir：齒輪每轉(zhuǎn)一圈時(shí)同一齒面的嚙合的次數(shù)；j：齒輪的工作壽命，單位為 。hLh71 1084.63015.4760????N再由傳動(dòng)比 得：3?81074.2?N查表 6.6 得彎曲疲勞壽命系數(shù)： .1?FNk9.2FNk計(jì)算許用彎曲應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù) 4.?Fs應(yīng)力修正系數(shù) 則2STY= ??1F?FSTNYk1lim???43???aFMP4.1230???a6.8?同理 = / ＝385.7??2F?2limSTNYk9P查取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù)根據(jù)當(dāng)量齒輪43.716.9cos/0cs/331 ????Zv??5?8.2.cs/2cs/32 ?v11??63?計(jì)算大小齒輪的 并加以比較??FSaY?24.1?a75.1?SaY69FY由表 6.4 查取齒形系數(shù)和應(yīng)力校正系數(shù) ??0915.6.42871??FSa?8..3592?FSaY因?yàn)? ，故取 進(jìn)行齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算。??2FSaY??1FSa2Z重合度系數(shù) ， 。7.0??86.?Y設(shè)計(jì)計(jì)算如下：A．試計(jì)算齒輪模數(shù) ntm??3 252 0198.07.4.869456.12 ?????ntnt5.4B．設(shè)計(jì)圓周速度 vs/m74.095.10628.cos1061 ?????????nzmt ??3?C．計(jì)算載荷系數(shù)查表 6.2 得 =1.0。AK根據(jù) ，7 級(jí)精度，查圖 6.10，得 。smv/4.0? 08.1?VKD．斜齒輪傳動(dòng)取 ;查圖 6.13 得 。則載荷系數(shù)2.1??24?1293.124.3.10??????KVA ??8?式中： 為使用系數(shù)； 為動(dòng)載系數(shù)； 為齒間載荷分配系數(shù)； 為AKVKa ?K齒向載荷分布系數(shù)。mm 02.86.1593.3 ????ttnkm??93?則取 m3?n計(jì)算齒輪傳動(dòng)得幾何尺寸a．中心距 mm ????9.1260945.23cos21 ??????Zn? ??103?則取中心距為 127mmab．螺旋角 ''1509cosar?????Zmn ??13?c．兩分度圓直徑m4.1905.6cos11????Zmdn??23?5.694.0cos22????Zdn??13?d．齒寬 mm51?b下面校核齒面接觸疲勞強(qiáng)度。??HEHubdKTZ????????12??43?其中，大小齒輪得接觸疲勞強(qiáng)度極限 　 MPa1702lim1li?H?13??153?查圖 6.6，得接觸疲勞壽命系數(shù) ＝1.15 ， ＝0.95 。1HNK2HN計(jì)算許用接觸應(yīng)力取安全系數(shù) 則1?HSMPa ?? 5.134705.1/1lim??HNS? ??163?MPa 92li2HK 7??????MPa.8/1??查圖 6.19，得節(jié)點(diǎn)區(qū)域系數(shù) ＝2.44。HZ重合度系數(shù)　 8.0?Z螺旋角系數(shù) 　　　 972.045.cos??????183?材料系數(shù) MPa8.19EZ校核計(jì)算得接觸疲勞強(qiáng)度滿足要求。3.3.2 滾刀心軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(qiáng)度不足而產(chǎn)生疲勞斷裂；b．因靜強(qiáng)度不足而產(chǎn)生塑性變形或脆性斷裂 ；c．因剛度不足而產(chǎn)生過(guò)大彎曲及扭轉(zhuǎn)變形；d．高速時(shí)發(fā)生共振破壞等。選擇軸的材料為 45 號(hào)調(diào)質(zhì)鋼。 14材料的安全彎曲應(yīng)力為 ??MPa301???彎曲應(yīng)力 Wb????9式中， 為彎矩， 為抗彎截面系數(shù)。MW其中， 。31.0d?圖 3－3 心軸受彎曲應(yīng)力作用時(shí)簡(jiǎn)圖圖 3－4 心軸結(jié)構(gòu)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(lái)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。m1.04滾刀一般常用的是齒輪滾刀，其外形相當(dāng)與一個(gè)蝸桿。為了能使這個(gè)蝸桿能起到切削作用，需要在其圓周上開(kāi)出幾個(gè)容屑槽，形成很短的刀齒。在工作過(guò)程中滾刀受到切削力的作用。根據(jù)總體設(shè)計(jì)中求出的切削力和所取的最小直徑 ，再由下列近似關(guān)系：kNFc17.2?m27??cf F5.04～? ??203?p~3 1查[10]，取 ， cfF2.0c6.得出 ， kN914.?fFk78?p根據(jù)公式 　　　　　　　　 22fc?15??23?其中： 為切削力； 為背向力； 為進(jìn)給力。CFpfF求出合力 。kN5.2?根據(jù)心軸的固定位置，取心軸的中點(diǎn)作為受力點(diǎn)，則由公式 ， 得lFM?。m491250.6250?????l。MPa71.493acaW?則 ??1???ca強(qiáng)度足夠。.139Ll16第四章 刀架底座部件設(shè)計(jì)4.1 工作要求刀架底座部件在功能上主要實(shí)現(xiàn)竄刀運(yùn)動(dòng)，調(diào)整滾刀軸（B 軸）與工件軸（C 軸）在滾刀軸軸向的相對(duì)位置，避免滾刀在同一部位過(guò)分磨損。在干切削加工的時(shí)候，滾刀軸部件需要在滾刀長(zhǎng)度范圍內(nèi)連續(xù)運(yùn)動(dòng)，保證滾刀的均勻磨損。竄刀運(yùn)動(dòng)加入到聯(lián)動(dòng)軸系中相當(dāng)于一個(gè)附加的展成運(yùn)動(dòng),它使 C 軸必須增加一個(gè)附加轉(zhuǎn)動(dòng)與之相協(xié)調(diào)。滾齒機(jī)的切削過(guò)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(gè) B 軸部件產(chǎn)生振動(dòng)，零傳動(dòng)滾齒機(jī)在進(jìn)行干式切削的時(shí)候，由于轉(zhuǎn)速提高，振動(dòng)問(wèn)題更加不能小視，必須采取措施控制滾刀軸部件的振動(dòng)，這也是對(duì)刀架底座部件的要求之一。4.2 竄刀運(yùn)動(dòng)與工件軸旋轉(zhuǎn)的聯(lián)動(dòng)關(guān)系當(dāng)滾齒機(jī)進(jìn)行干式切削時(shí)，其竄刀運(yùn)動(dòng)加入到了聯(lián)動(dòng)軸系中，相當(dāng)于一個(gè)附加的展成運(yùn)動(dòng)，工件軸必須有附加的旋轉(zhuǎn)與之匹配。兩軸之間的耦合關(guān)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(zhuǎn)產(chǎn)生的工件線速度相同。即：(4.1)(4.2)式中：17——工件軸的附加轉(zhuǎn)動(dòng)速度（轉(zhuǎn)/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(jié)構(gòu)特點(diǎn)在進(jìn)行滾齒機(jī)刀架部件的設(shè)計(jì)時(shí)，刀架與工件軸的干涉是必須考慮的問(wèn)題，刀架部件的結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)非常緊湊。刀架底座的尺寸，特別是其在滾齒機(jī)的軸向進(jìn)給方向的尺寸對(duì)干涉的影響是很大的，過(guò)大的刀架底座尺寸會(huì)導(dǎo)致工件軸懸伸量過(guò)大，降低工件軸的剛度，同時(shí)限制了刀架的安裝角旋轉(zhuǎn)范圍，降低工件的加工范圍，使?jié)L齒機(jī)的性能受到很大的影響。因此，采用伺服電機(jī)直連絲杠的傳動(dòng)方案，結(jié)構(gòu)緊湊，能最大可能地壓縮刀架底座部件的尺寸。導(dǎo)軌選用窄形圓柱滾子導(dǎo)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(jī)軸向進(jìn)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(yùn)動(dòng)置于鎖緊狀態(tài)，或者在連續(xù)竄刀時(shí)給予一定的摩擦力，增加阻尼，減弱其振動(dòng)。4.4 動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)4.4.1 滾齒機(jī)切削力的關(guān)系及坐標(biāo)變換由于滾齒過(guò)程復(fù)雜，分析切削力時(shí)需要建立一個(gè)與工件坐標(biāo)軸18重合的機(jī)床坐標(biāo)系（0, x, y, z）和一個(gè)滾刀坐標(biāo)系（ 0, x’, y’, z’）,如圖 4.1 所示?？梢?jiàn) y 軸與 y’軸重合。將機(jī)床坐標(biāo)系繞 y 軸轉(zhuǎn)動(dòng)ω，就能得到滾刀坐標(biāo)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(biāo)系中測(cè)量各切削分力的。我國(guó)學(xué)者陳鼎昌在滾刀坐標(biāo)系中得到下列結(jié)果（見(jiàn)圖 4.1） 。Pt——滾刀切向分力，由實(shí)測(cè)扭矩得出Pr——徑向分力，Pr＝0.3 PtPy——水平分力，逆銑時(shí) ，順銑時(shí)Px——滾刀軸向分力，19要計(jì)算 Y 軸電機(jī)功率，必須求出機(jī)床坐標(biāo)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(jìn)行坐標(biāo)變換。首先，在滾刀坐標(biāo)系中確定 Pt 與 y’軸的夾角，如圖 3.2 所示，在逆銑時(shí)，當(dāng) 時(shí)則則當(dāng) 時(shí)，同樣可算出 θ≈81°。由此可見(jiàn)，逆銑時(shí)刀齒從切入到切出的過(guò)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(jiǎn)化計(jì)算，規(guī)定 θ＝65°。在順銑時(shí)，，按照同樣的方法可算出 θ＝119 °。20圖 4.2 切削力的分解下面進(jìn)行坐標(biāo)變換，如圖 4.1 所示，首先將 Px’、Pt、Pr 繞 x’軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn) θ 角，再繞 y 軸旋轉(zhuǎn) ω 角，求得機(jī)床坐標(biāo)系中的分力 Px、 Py、Pz。代入數(shù)值，得出 Px、 Py、Pz 與 Pt 的關(guān)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 0.58PtPy 0.15Pt 0.15Pt 0.15Pt -0.74Pt -0.74Pt -0.74PtPz 1.04Pt 0.85Pt 0.67Pt 0.73Pt 0.58Pt 0.45Pt根據(jù)上表以及第 3.2.3 節(jié)的計(jì)算，可知課題設(shè)計(jì)的零傳動(dòng)臥式數(shù)控滾齒機(jī)在最危險(xiǎn)情況下的切向力 Py＝0.79Pt ＝429N, 徑向力 Px＝0.74Pt＝402N。4.4.2 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算① 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的種類(lèi)零傳動(dòng)滾齒機(jī)刀架底座部件系統(tǒng)具有三種性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩：驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)21矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩和動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩（慣性轉(zhuǎn)矩） 。其中慣性轉(zhuǎn)矩為：(4.3)負(fù)載轉(zhuǎn)矩根據(jù)其特性可分為工作負(fù)載、摩擦轉(zhuǎn)矩和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。零傳動(dòng)滾齒機(jī)刀架底座部件驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)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(dòng)導(dǎo)軌的預(yù)壓力引起的摩擦力。3) 滾刀軸部件的重力。② 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算選取最危險(xiǎn)的情況，即當(dāng)滾齒機(jī)逆銑直齒輪，并且由下往上竄刀時(shí)的情況進(jìn)行計(jì)算。此時(shí)電機(jī)的負(fù)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(dǎo)軌預(yù)壓力μ——滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)此時(shí)加在電機(jī)軸上的負(fù)載力為：(4.5)式中——加在電機(jī)軸上得扭矩負(fù)載F——沿著軸向移動(dòng)活動(dòng)部分所需要的力22L——絲杠導(dǎo)程——滾珠絲桿或軸承加載在電機(jī)軸上的磨擦扭矩（在需要輸入時(shí)）η——驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率③ 案例計(jì)算題設(shè)計(jì)的臥式數(shù)控滾齒機(jī)滾刀軸部件重量 W＝1280N；4.3.1 節(jié)計(jì)算了最危險(xiǎn)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(dǎo)軌的導(dǎo)軌類(lèi)型，查得 fg＝0.1 ×134000＝13400N ；滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)取 0.005。代入式(4.4) 得 F＝1755N；設(shè)機(jī)械效率為 0.9，查閱相應(yīng)技術(shù)資料， Tf＝ 0.10+0.17＝0.27Nm，代入式（4.5）得：Tm＝1.44Nm。4.4.3 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算① 計(jì)算方法工作臺(tái)換算到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：(4.6)式中 W——直線移動(dòng)部件的重量（kg）L——絲杠導(dǎo)程（cm）若絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 JS,則電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：(4.7)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一般可由生產(chǎn)商的技術(shù)手冊(cè)上查得精確的數(shù)值。23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(nèi)徑；l——絲杠長(zhǎng)度。② 案例計(jì)算課題設(shè)計(jì)的臥式數(shù)控滾齒機(jī)滾刀軸部件重量 W 為 1280N 選取的 Y 軸絲杠導(dǎo)程為 5mm，根據(jù)技術(shù)手冊(cè)，查得選擇的滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 0.000028815 。將數(shù)據(jù)代入式（4.6）和式（4.7 ）得絲杠軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 。4.4.4 加速度扭矩的計(jì)算① 計(jì)算方法24圖 4.3 （4.9）（4.10）式中 Ta——加速度扭矩；Vm——快速進(jìn)給時(shí)的電機(jī)速度；Ta——加速時(shí)間；JM——電機(jī)慣量；JL——負(fù)載慣量；Vr——加速度扭矩開(kāi)始減少的點(diǎn)；Ks——伺服位置閉環(huán)增益；Η——機(jī)床效率。② 案例計(jì)算課題設(shè)計(jì)的臥式數(shù)控滾齒機(jī)刀架底座部件設(shè)定的進(jìn)給加速度為 1g，最大轉(zhuǎn)速為 2000r/min,機(jī)床效率為 0.9。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：254.5 滾柱絲杠副支承設(shè)計(jì)技術(shù)研究4.5.1 滾動(dòng)軸承的選擇滾齒機(jī)的 Y 軸進(jìn)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(shè)計(jì)。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(jìn)給系統(tǒng)要求運(yùn)動(dòng)靈活，對(duì)微小位移（絲杠微小轉(zhuǎn)角）響應(yīng)要靈敏，因此，軸承的摩擦力矩應(yīng)該盡量小。滾珠絲杠轉(zhuǎn)速不高，且高轉(zhuǎn)速時(shí)間很短，因而發(fā)熱不是主要問(wèn)題。為此，應(yīng)選用運(yùn)轉(zhuǎn)精度高、軸向剛度高、摩擦力矩小的滾動(dòng)軸承。目前，各制造商均生產(chǎn)有機(jī)床用接觸角為 60°的滾珠絲杠專(zhuān)用推力角接觸球軸承，是零傳動(dòng)滾齒機(jī)刀架底座部件絲杠支承的最好選擇。4.5.2 支承形式設(shè)計(jì)滾珠絲杠根據(jù)不同的應(yīng)用場(chǎng)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(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是剛度、臨界轉(zhuǎn)速和壓桿穩(wěn)定性低。② 一端固定一端游動(dòng)，它的特點(diǎn)是壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長(zhǎng)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(méi)有明顯改善。26③ 兩端簡(jiǎn)支，它可以進(jìn)行預(yù)拉伸，但剛度不高。④ 兩端固定，它的剛度很高，只要軸承無(wú)間隙，絲杠軸向剛度為一端固定的 4 倍；絲杠一般不會(huì)受壓，無(wú)壓桿穩(wěn)定問(wèn)題，固有頻率比一端固定要高；可以進(jìn)行預(yù)拉伸；但是兩端固定的支承方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝?yán)щy，成本比較高。Y 軸精度要求很高，它的誤差會(huì) 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(yīng)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(yù)拉伸設(shè)計(jì)① 預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及預(yù)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(shè)計(jì)要求結(jié)構(gòu)