插齿机模型实验平台设计【SW三维】

插齿机模型实验平台设计【SW三维】,SW三维,插齿机,模型,实验,平台,设计,SW,三维 插齿机模型实验平台设计 目录 摘要 插齿机是一种金属切削机床，是使用插齿刀按照展成法加工内、外直齿和斜齿圆柱齿轮以及其它齿形件的齿轮加工机床。插齿机用来加工内、外啮合圆柱齿轮的轮齿齿面，尤其适合加工内齿轮和多联齿轮中的小齿轮，这是滚齿机无法加工的。它综合了精密机械制造、电机拖动、数字控制等多门学科。针对它在机械设计中遇到的确定尺寸参数、合理布局、降低成本、实用耐用等问题,本设计进行了针对性的思考与改造。 本课题以机械工程实验教学中心的插齿机模型为基础，通过对典型空间机构进行研究分析，设计一台能够加工不同参数齿轮的插齿机模型。此插齿机传动链，属于历史插齿机传动链，本课题借鉴吸收了机械工程实验教学中心插齿机实验平台的一些技术和结构性能，力求做到本结构的简单合理，性能稳定。论文就课题的来源提出做了详细描述，基于需加工零件的工艺范围、机床的精度、机床改造经济性等因素而提出了较合理的方案，详细论述了机械改造部分设计与计算，包括部件的选择，各零件的选择、设计、计算和校核。改造后的插齿机与原来的相比提高了加工精度及加工效率，更好地保证了零件加工的一致性和产品质量，减轻了劳动强度，有效提高了插齿机的生产效率和切割质量。其主要工作内容如下: 1.插齿机实验平台方案的设计； 2.运用SOLIDWORKS三维设计软件进行机构建模和运动仿真； 3.对插齿机模型关键零件进行尺寸计算; 4.绘制非标准零件的工程图和装配图。 关键词:插齿机；实验平台；三维设计；链传动；齿轮 ABSTRACT 第一章 绪论 1.1引言 齿轮是最常用的传动件，在现代各种工业部门得到广泛的应用。在科学技术不断发展的现代社会，对齿轮的精度要求也越来越高。齿轮的需求量也日益增加。这就要求机床制造业生产出高精度、高效率和高自动化程度的齿轮加工设备，以满足生产发展的需要。 插齿机是用来加工内、外啮合圆柱齿轮的轮齿齿面，尤其适合于加工内齿轮和多联齿轮中的小齿轮，这是滚齿机无法加工的。插齿机广泛应用于机床制造、 造船、 压力容器、 工程机械、 矿山机械、 电力、 桥梁建筑、 钢结构等行业中的齿轮制造。具有很高的效率和切割精度，而且它的操作方便,极大地改善劳动强度和劳动环境 ,广泛适用于各大、 中型企业的齿轮加工。 插齿机主要加工内外直齿圆柱齿轮及各种形状的直齿非圆齿轮和凸轮。插齿机在加工过程中从执行部件的动作分解，主要有以下五个运动：插齿川往复运动(主运动)、插齿刀回转运动、工作台主轴回转运动、工作台部件径向迸给运动、刀架部件让刀运动。机床系三轴数控插齿机，即：工作台部件径向迸给运动、工作台主轴回转运动、插齿刀回转运动均可实现数控轴控制，这三个运动形成齿轮的渐开线齿廓。另外，插齿刀往复运动产生齿轮齿面，刀架部件让刀运动不参与齿廓、齿面的形成，但是让刀归位的误差对齿面的加工精度产生影响。图l.1及图l.2所示为插齿机及运动简图。 1.1插齿机简图 图1.2 插齿机运动简图 1.2课题研究的目的意义 近些年来，国内外机床工业及其相关技术的发展十分迅速，以计算机数控（CNC）为特征的现代化机床在生产中广泛应用。在现代机械制造工业中加工机器零件的方法有很多种，如铸造、锻造、焊接、切削加工和各种特种加工等，但切削加工是将金属毛胚加工成具有一定形状、尺寸和表面质量的零件的主要加工方法，在加工精密零件时，目前主要是靠切削加工来达到所需要的加工精度和表面质量。所以金属切削机床是完成加工零件的主要设备，它的工作量能够约占机器的总制造工作量的45%-65%，机床的加工工艺技术和精度直接影响到机械制造行业中的产品的质量保证和劳动生产率保证。 我国的机床工业的发展是在新中国成立后开始发展起来的。新中国成立后的50十多年来，经过改革开放的努力，我国机床工业在众多学者的帮助下吸收外国的先进技术前提下获得了迅速的发展。目前我国的机床工业布局还是很合理、还是很完整的机床工业体系,我国自从对外贸易开放以来以来，很多企业从国外引进先进设备和生产线进行改造。在借鉴引进技术的基础上发挥主管能动性，形成自己的风格，这些项目中，大部分项目对我国的经济建设有着相当重要的作用。我国的机床工业已经取得了巨大的成就，但与世界先进水平相比还相差很大一段距离在技术水平和性能方面差距差距也很明显，国内的产品质量与可靠性也不够稳定，机床理论和应用技术研究明显落后，人员技术素质还跟不上机床飞速发展的需要。因此，我们机床工业面临着光荣而艰巨的任务，作为当代的大学生，我们是祖国未来的花朵，我们身上肩负着祖国的重任，我们必须发奋图强、努力工作，不断的壮大我们的队伍和提高人员的工作能力，学习国外的先进科学技术转换为自己所有，以便我们能早日赶上世界先进水平。 齿轮是最常用的传动件，在现代各种工业部门得到广泛的应用。在科学技术不断发展的现代社会，对齿轮的精度要求也越来越高。齿轮的需求量也日益增加。这就要求机床制造业生产出高精度、高效率和高自动化程度的齿轮加工设备，以满足生产发展的需要。 插齿机是用来加工内、外啮合圆柱齿轮的轮齿齿面，尤其适合于加工内齿轮和多联齿轮中的小齿轮，这是滚齿机无法加工的。插齿机广泛应用于机床制造、 造船、 压力容器、 工程机械、 矿山机械、 电力、 桥梁建筑、 钢结构等行业中的齿轮制造。具有很高的效率和切割精度，而且它的操作方便,极大地改善劳动强度和劳动环境 ,广泛适用于各大、 中型企业的齿轮加工。 本课题以机械工程实验教学中心的插齿机模型为基础，通过对典型空间机构进行研究分析，设计一台能够加工不同参数齿轮的插齿机模型。此插齿机传动链，属于历史插齿机传动链，本课题借鉴吸收了机械工程实验教学中心插齿机实验平台的一些技术和结构性能，力求做到本结构的简单合理，性能稳定。 1.3齿轮加工机床的发展现状及其趋势 1.3.1齿轮加工的方法 制造齿轮的方法有很多种，虽然可以热轧、铸造或者冲压，但目前这些方法的加工精度还不够高。精密齿轮现在仍主要靠切削法。按照齿形的原理分类，切削齿轮的方法可分为两大类：成形法和展成法。成形法加工齿轮有一个缺点-那就是精度低。成形法采用单分齿法，就是指加工完一个齿后退回，工件用余量分配盘进行分度，再加工下一齿。因此生产率不高。但是这种加工方法简单，不需要专用的机床，所以适用于单间小批量生产和加工精度要求不高的修配行业中。现在，圆柱齿轮和圆锥齿轮，蜗轮以及应用很少的非圆形齿轮的齿面加工已经成为现代工业生产中的一个重要的工序。齿轮加工工艺已经广泛应用于国民经济的许多领域。 最近几年，我国的机械工业飞速发展，我们已经引进很多国外的先进技术，我国切割技术开发了很多新的工艺，甚至也利用了新能源。切割技术的发展早已实现了半自动化和自动化，使得切割技术可以代替许多机械加工，大大节省了劳动力，提高了生产率。还可以提高金属材料的利用率。 插齿机加工齿轮的方法是展成法。展成法加工齿轮，只要是相同模数的齿轮，不管齿数有多少都能加工，而且只用一把刀具。生产率和加工精度都比较高，可以将齿查到近轴肩处。在齿轮加工中，展成法应用最广泛。加工方法是刨削法和插削法。本论文介绍的插齿机传动链是在早期齿轮加工机床传动链的基础上结合近年来齿轮加工机床高速发展的技术特点，特别是插齿机传动链的特点所设计出的一种插齿机传动链。 1.3.2插齿机的现状 国外的先进国家中，齿轮越来越小，转速越来越高.现在已经开始研发特殊齿轮，还有安装齿轮的装置已经越来越先进，震动减小了，噪声也减小了.通过提高渐开线齿轮的承载力，可以使齿轮装置变得越来越小。这些国家采用硬齿面技术，通过提高硬度减小了装置的尺寸值；也可以用特殊齿形，例如圆弧齿轮。现在船舶动力已采用中速柴油机，在许多大型船上采用大功率行星齿轮装置有很高的效率；在大型机械的大型传动装置中，都采用行星齿轮。 精度等级与生产效率的提高很大程度上促进了齿轮制造工艺的发展。从1960年到现在，齿轮的制造精度已经提高了2级左右，最高的达到了 3级。低速齿轮的精度过去是7级，现在达到了9级。机床传动系统中的齿轮以前是5级，现在提高到6级. 由于高性能滚齿机的出现和刀具的发展，大大提高了小模数中小规格齿轮的滚齿效率。如果用多头的滚齿刀，能够提高窃谑速度到100m/s。假如采用超硬的滚齿刀加工模数3的调质钢齿轮，切削速度甚至可以达到度可达200m／s，由于受到插齿机刀具往复运动机构的限制，降低了插齿机的效率。近年来使用了静压轴承，刀架和立柱等新结构刚性得到提高后，提高了插齿机的插翅效率。新型插齿机呢，冲程数已经达到了2000多次／min。 齿轮用钢的发展趋势：一、用含Ni、Cr的低合金钢加工齿轮；二是硼钢；三、碳氮共渗用钢；四、易切削的钢。我国呢，很少见到Ni、Cr，所以用20CrMnTi渗碳钢和含硼加稀土的钢代替。大型机械就会用18CrMnNiMo渗碳钢和中碳合金钢。在机床这一行还是用40Cr，38CrMoAl等钢；速度高的齿轮用氮化了的25Cr2MoV钢。 插齿机分立式和卧式两种﹐前者使用最普遍。立式插齿机又有刀具让刀和工件让刀两种形式。高速和大型插齿机用刀具让刀﹐中小型插齿机一般用工件让刀。在立式插齿机上﹐插齿刀装在刀具主轴上﹐同时作旋转运动和上下往复插削运动﹔工件装在工作台上﹐作旋转运动﹐工作台(或刀架)可横向移动实现径向切入运动。刀具回程时﹐刀架向后稍作摆动实现让刀运动(图1.3立式插齿机(刀具让刀))﹐或工作台作让刀运动。加工斜齿轮时﹐通过装在主轴上的附件(螺旋导轨)使插齿刀随上下运动而作相应的附加转动。20世纪60年代出现高速插齿机﹐其主要特点是采用硬质合金插齿刀﹐刀具主轴的冲程数高达2000次/分﹔采用静压轴承(见液体静压轴承)和静压滑块﹔由刀架摆动让刀﹐以减少冲击。卧式插齿机具有两个独立的刀具主轴﹐水平布置作交错往复运动﹐主要用来加工无空刀槽人字齿轮和各种轴齿轮等。此外﹐还有使用梳齿刀的插齿机﹐工作时梳齿刀作往复切削运动和让刀运动﹐工件作相应的转动﹐并在平行于梳齿刀节线方向上作直线运动﹐两者构成展成运动(见齿轮加工)﹐工件的分齿是间歇的。 图1.3 立式插齿机 1.3.3各种类型的齿轮加工机床的特点及其应用情况 1、插齿机 插齿机由于它的传动系统的特殊性，加工内外啮合的直尺圆柱齿轮会比较方便，而且精度高。对于双联、多联齿轮加工更为方便，如果在插齿机的机床上装用一些特殊的专用装置以后，它也可以加工斜齿圆柱齿轮和齿条等特殊的齿轮。这是目前较为普及的一种齿轮加工机器。 2、滚齿机 滚齿机(gear hobbing machine)是齿轮加工机床中应用最广泛的一种机床，在滚齿机上可切削直齿、斜齿圆柱齿轮，还可加工蜗轮、链轮等。滚齿机的加工方法是展成法，它可以加工直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、人字齿圆柱齿轮和蜗轮的齿轮加工机床。当使用特制的滚刀时，它也可以用来加工花键、链轮等许多具有特殊形状齿的工件。普通滚齿机的加工精度为7～6级(JB179-83),高精度滚齿机为4～3级。它的最大加工直径为15.0m。 特点： （1）适用于成批，小批及单件生产圆柱斜齿轮和蜗轮，尚可滚切一定参数范围的花健轴. （2）调整方便，具有自动停车机构 （3）具有可靠的安全装置以及自动润滑滚齿机(gear hobbing machine)是齿轮加工机床中应用最广泛的一种机床，在滚齿机上可切削直齿、斜齿圆柱齿轮，还可加工蜗轮、链轮等。 在汽车、拖拉机、机床、工程机械、矿山机械、冶金机械、石油、仪表、飞机航天器等各种机械制造业中，都有插齿机的身影。 齿轮加工机床，顾名思义是加工齿轮的机床，包括圆柱齿轮、圆锥齿轮和有齿的工件。由于加工方法有很多种，从而机床也有很多种，有加工几毫米直径的齿轮的小型机床，也有加工十几米直径的齿轮的大型机床，还有批量生产的、用高效机床加工精密齿轮的高精度的机床。 3、磨齿机 磨齿机常用来对淬硬的齿轮进行齿廓的精加工，但也有直接在齿坏上磨出轮齿的。由于磨齿能纠正齿轮预加工的各项误差，因而加工精度较高。磨齿后，精度一般可以达到8级以上。磨齿机通常分为成型砂轮法磨齿和展成法磨齿两大类。成形发磨齿机应用的较少，多说类型的磨齿机均以展成法磨齿。按成形法加工的成形砂轮磨齿机的砂轮由成形砂轮修整器在轴向剖面内修成齿形，砂轮架可作垂直方向进给。可修整成与工件齿间的齿廓形状相同。因此这种磨齿机的工作精度相当高的。但是这种磨齿机通常用来磨削大模数齿轮。此机床的运动比较简单。用展成法原理工作的磨齿机，根据工作方法的不同可分为连续磨削和单齿分度两大类。连续磨削型磨齿机称为蜗杆砂轮型磨齿机。它的工作原理和加工过程与滚齿机相似。这种磨齿机由于砂轮转速很高，因此砂轮与工件间的展成传动链各传动件的转速也很高，采用机械方式传动，则要求传动元件必须有很高的精度，因此，目前采用两个同步电动机分别传动砂轮和工件，不但简化了传动链，也提高了传动精度。因为这种机床连续磨削，在各类磨齿机中它的生产率最高。这种机床的缺点是，砂轮修整成蜗杆较困难，且不易得到很高的精度。单齿分度磨齿机根据砂轮的形状又可以分为蝶形砂轮型、大平面砂轮型和锥形砂轮型三种。它们的基本工作原理相同，都是利用齿条和齿轮的啮合原理来磨削齿轮的。 4、锥齿轮加工机床 有两种方法可以加工圆锥齿轮：成形法和展成法。我们把利用单片铣刀或者指状铣刀在卧式铣床上加工圆锥齿轮的方法称为成形法。锥齿轮的基圆直径是变化的，沿着齿线不断变小，从而法向齿形沿着齿线方向的不同位置是不同的，刀具形状是固定的从而导致加工齿形的精度变低。粗加工或精度要求要求高的场合成形法不实用。展成法广泛应用于锥齿轮加工机床中。这种方法可以看作一对啮合的锥齿轮其中一个齿轮当作成平面齿轮。 1.4本文主要内容 从各种齿轮加工机床的应用情况来看，国内生产的齿轮加工机床的技术水平、整体性能等整体水平都逐渐与世界上先进水平之间的距离越来越小，已经逐步满足的国内用户的需求，甚至部分先进水平的齿轮加工机床已经开始向国外进行出口，从而进一步提高了市场的竞争力度。国内的一些齿轮加工机床在许多方面已经形成了自身独有的特点，实现了自动化、多功能和高可靠性。在某些方面产品的技术性能甚至已经超过了国外的技术水平，达到了世界上一流的水准。 从发展趋势上来看，齿轮加工机床的市场上插齿机将保持起独有的基本市场，数控齿轮加工机床市场将会在一定程度上增加。而数控滚齿机、数控插齿机、数控磨齿机、数控锥齿轮加工机床将会成为齿轮加工市场的主要力量。整个齿轮加工机床市场将会不断的扩大。提高齿轮加工机床操作系统的易用性；提高齿轮加工机床的生产效率和产品质量；降低生产使用成本；提高齿轮加工机床的整机自动化水平及系统稳定性成为其技术发展的方向。 本课题以机械工程实验教学中心的插齿机模型为基础，通过对典型空间机构进行研究分析，设计一台能够加工不同参数齿轮的插齿机模型。此插齿机传动链，属于历史插齿机传动链，本课题借鉴吸收了机械工程实验教学中心插齿机实验平台的一些技术和结构性能，力求做到本结构的简单合理，性能稳定。论文就课题的来源提出做了详细描述，基于需加工零件的工艺范围、机床的精度、机床改造经济性等因素而提出了较合理的方案，详细论述了机械改造部分设计与计算，包括部件的选择，各零件的选择、设计、计算和校核。改造后的插齿机与原来的相比提高了加工精度及加工效率，更好地保证了零件加工的一致性和产品质量，减轻了劳动强度，有效提高了插齿机的生产效率和切割质量。其主要工作内容如下: 1.插齿机实验平台方案的设计； 2.运用SOLIDWORKS三维设计软件进行机构建模和运动仿真； 3.对插齿机模型关键零件进行尺寸计算; 4.绘制非标准零件的工程图和装配图。 第二章 插齿机模型机械部分结构设计 a) b) 图2.1 插齿原理及插齿机传动原理图 a) 插齿原理 b) 插齿机传动原理图 2.1插齿机的传动原理图 插齿机的加工原理类似一对啮合的圆柱直齿轮，一个是齿坯，另一个是插齿刀（端面具有切削刃的齿轮形刀具），按照展成法加工。插齿原理及插齿机传动原理图即下图所示。插齿刀的沿齿坯齿向的往复运动A2为主运动，由偏心轮的曲柄驱动，通过调整曲柄偏心距改变插齿刀的插齿行程；插齿刀往复运动A2为间接动力源，驱动插齿刀旋转运动B11的传动链为圆周进给链，圆周进给量为A2；插齿刀的旋转运动B11为间接动力源，驱动齿坯旋转的传动链为展成运动链，展成运动链为内联系传动链，其传动联系为 式中:——插齿刀、齿坯的齿数。 2.2插齿机传动系统 本课题所设计的插齿机是在以机械工程实验教学中心的插齿机模型为基础，通过对典型空间机构进行研究分析，设计一台能够加工不同参数齿轮的插齿机模型。通过提高关键零部件的制造精度而成的。主要用于加工内、外齿的直齿圆柱齿轮、多联齿轮、轴齿轮。传动系统如图所示。 2.2.1 插齿机主运动链 本课题设计的插齿机主电动机为Y112M-4，额定功率，额定转速，运动经同步带传递到离合器YL1，经主运动链变速机构至曲柄盘，带动插齿刀轴向运动；由粗加工变为精加工时，离合器YL1使插齿刀轴向运动速度自动提高倍。主运动链传动路线为 插齿刀每分钟的上下往复次数，即冲程数为 大径向进给量粗加工时，离合器YL1的传动比，插齿刀每分钟的冲程数列为 小径向进给量精加工时，离合器YL1的传动比，插齿刀每分钟的冲程数列为 即主运动链的变速机构共有两个变速组，形成六级插齿刀的轴向往复运动等比数列。 2.2.2 插齿机的圆周进给链 圆周进给链为外联系传动链，间接动力源是插齿刀的轴向往复运动，经圆周进给传动链变速组，链传动，交换挂轮E、F等，至蜗杆蜗轮副（传动比），蜗杆驱动蜗轮转动，实现插齿刀圆周进给。圆周进给传动链变速组可使插齿刀双向转动。圆周进给链传动路线为 曲柄盘每转一圈，驱动插齿刀轴向往复一次，因而可认为曲柄盘为圆周进给链的间接动力源。则圆周进给量为 式中 ——插齿刀双冲程。 当插齿刀的分度圆直径为时，圆周进给量为 插齿机的圆周进给量为（）。用于粗加工，用于精加工，粗、精加工圆周进给量转换由液压摩擦离合器YL2自动控制，圆周进给量缩小倍。 2.3 本课题设计的插齿机的展成运动链 插齿机展成运动链的间接动力源是插齿刀，末端件是齿坯。两端件的传动联系为 插齿刀 齿坯 本课题设计的插齿机展成运动链的传动路线为 本课题设计的插齿机展成运动链变速机构的传动比为 2.4 本课题设计的插齿机的快速展成运动链 本课题设计的插齿机的快速展成运动链的动力源为M3，电动机型号为Y90S-4,额定功率，额定转速，快速展成运动时，YL2、YL4离合器处于分离状态。本课题设计的插齿机的快速展成运动链的传动路线为 齿坯转速为 插齿刀转速为 2.5 本课题所设计的插齿机的径向进给运动链 插齿机的径向进给传动链是外联系传动链，传动链的动力源为M2，电动机型号Y802-4，额定功率，额定转速。运动经两级蜗杆蜗轮副减速后驱动径向进给凸轮慢速旋转，径向进给凸轮推动丝杠带动固定于工作台下方的螺母，使工作台沿水平方向移动。径向进给凸轮由阿基米德螺线组成，每隔升程，径向进给凸轮每转的总升程为，本课题设计的插齿机加工齿轮模数为，全齿高为，则径向进给齿轮凸轮最多旋转，就加工一个齿轮。传动路线为 径向进给速度为 根据机械工程手册推荐的插削用量（《机械工程手册》第二版机械制造工艺及设备（二）P2-308），径向进给量为 本课题设计的插齿机的径向进给量为。 径向进给也可采用步进式，每次进给终止，齿坯转一圈后，再进行第二次径向进给；本课题设计的插齿机有径向进给余量分配盘，在径向进给余量分配盘上固定行程挡铁，在起始位置设置原位、一次进给、二次进给等行程开关，在起始位置，原位行程开关动作；由于径向进给余量分配盘与径向进给凸轮同步转动，每转径向进给，当一次进给行程挡铁压下一次进给行程开关时，电动机M2断电，径向进给停止；齿坯转一圈后，电动机M2再次通电，第二次进给开始。最后进给终了且齿坯转一圈后，电动机M2通电，双向摩擦离合器YL3换向接通齿数为21、42齿的齿轮副，径向进给凸轮快速反转，其转速为 当原位行程挡铁压下原位行程开关时，电动机M2断电，双向摩擦离合器YL3分离；然后工作台快速退回。 本课题设计的插齿机能任意预选和分配切入深度以及实现1-9次自动进给工作循环，工作循环由可编程控制器控制。 2.6 本课题设计的插齿机工作台的快速移动链和手动径向进给链 为节省辅助时间，减轻劳动强度，提高加工效率，插齿机应有工作台快速移动功能；为使径向进给量精确，插齿前工作台应能微量调整。 本课题设计的插齿机插齿机工作台快速移动由缸体固定在工作台下方的液压油缸M4驱动，活塞杆前端为螺纹孔，而径向进给凸轮推杆的端部为外螺纹，二者构成螺纹副；液压油缸上设有导向装置，使活塞杆只能轴向移动而不能转动；液压油缸的有杆腔进油时，由于凸轮推杆始终与凸轮接触、活塞杆与凸轮推杆的长度不变，液压油缸缸体带动工作台快速靠近齿坯，工作台前下方的的支架与活塞杆前端相对滑移；液压油缸的无杆腔进油时，工作台快速退回。本课题设计的插齿机工作台的最大移动行程为。 本课题设计的插齿机的工作台一侧设置有手柄轴，转动手柄轴时，运动经锥齿轮副至圆柱齿轮副（从动齿轮轴向固定于工作台的支架中，可绕支架孔轴线转动）传递到凸轮推杆的螺杆上，螺杆上设置有导向键槽，齿轮中心孔直径与凸轮推杆的螺纹大径相等，且设置有传动键，这样齿轮可驱动凸轮推杆转动，齿轮可相对于凸轮推杆移动；当转动手柄轴时，圆柱齿轮驱动凸轮推杆转动，凸轮推杆端部的螺纹副的配合长度改变，进而改变活塞杆与凸轮推杆的总长度，在液压油进出油口封闭（液压油缸换向阀滑阀机能为M型，油泵卸载，两油腔封闭）时，工作台微量移动，即活塞杆端部内螺纹带动工作台微量移动；此时工作台也带动圆柱齿轮副在凸轮推杆上微量移动。手柄旋转一圈，工作台的移动距离为 式中 ——凸轮推杆螺纹导程。 为便于工作台靠近齿坯，插齿主运动链中也设有手动机构，在此不再赘述。 2.7 让刀运动 曲柄轴的旋转运动经齿形带传递到让刀凸轮轴，使让刀凸轮轴与曲柄轴同步旋转，在插齿刀位于向上的冲程时，让刀凸轮推压滚轮推动让刀轴压缩弹簧上下移动，经连杆使插齿刀轴摆动，实现让刀运动。 如本课题设计的插齿机刀架结构简图所示。插齿机中最复杂的部件是插齿机刀架，插齿刀的往复冲程运动、展成运动以及让刀运动是靠它实现的。曲柄盘传动轴带动曲柄盘转动，曲柄经球头拉杆机构带动插齿刀轴沿蜗轮中的滑动导轨往复冲程运动；调节曲柄至曲柄盘轴心线的距离，可改变往复冲程的大小；调节球头上端螺杆，可调节往复冲程的位置。精度较高的蜗杆蜗轮副带动插齿刀轴转动，实现展成运动。曲柄盘传动轴驱动插齿刀往复冲程的同时，将旋转运动经同步齿形带传递到让刀凸轮上，让刀凸轮又将运动传递到滚轮上，当插齿刀为工作冲程时，让刀凸轮旋转，让刀凸轮对应的半圆上为凸轮升程，让刀凸轮推压滚轮使让刀轴下移，让刀轴经连杆推动插齿刀轴靠紧齿坯；插齿刀为返回冲程时，让刀凸轮同样旋转，此时让刀凸轮对应的半圆上为凸轮回程，这样让刀轴下方的压缩弹簧推动让刀轴上移，让刀轴经连杆拉动蜗杆蜗轮副及插齿刀轴离开齿坯，实现让刀。当插削内齿轮时，让刀运动方向与铣削外圆柱齿轮相反，应将曲柄滑块向曲柄盘的反方向调节，使插齿刀为工作冲程时，让刀轴上移。 2.8 本课题设计的插齿机工作台 工作台是展成运动的末端件，也是径向进给运动及快速运动的末端件。在插削过程中，承受断续的冲击负荷。如本课题设计的插齿机工作台结构示意图所示。工作台的轴向支承为环形滑动导轨，径向承载轴承为锥度为的滑动轴承，内锥孔滑动轴承与工作台转轴的径向间隙靠修磨环形道轨面调节。蜗杆蜗轮副实现工作台的展成运动。最后确定 插齿机模型实验平台设计方案如图2.9所示。 图 2.9 插齿机模型实验平台设计方案简图 图2.10 插齿机传动线路图 第三章 插齿机模型主要传动元件的选择与计算 3.1电机的选择与校核 电机的选择原则： 1） 考虑电动机的主要性能（启动、过载及调速等）、额定功率的大小、额定转速及结构形式等方面要满足生产机械的要求。 2） 结构简单、运行可靠、维护方便又价格合理。 3） 插齿机所需要的工作场合的环境中，考虑必要的保护方式，选择电动机的结构形式。 4） 电动机的电压等级和类型，根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求而定。 5） 电动机的额定转速，我们根据机械的最高转速、电力传动调速系统过渡过程性能的要求以及减速机构的复杂程度而确定。 不仅仅如此，我们还要考虑到能源的节约，考虑运行可靠性，考虑设备供货情况，考虑备品备件的通用性，考虑装修的难易程度、产品的价格、建造的费用、运行和维修费用、前后期电动机功率变化关系等各种因素。 根据机械设备的负载性质选择电动机类型：一般调速要求不高的生产机械应优先选用交流电动机。负载平稳、长期稳定工作的设备，应采用一般笼型三相异步电动机。 1、电机 2、V带传动 3、直齿齿轮副(m=2,z1=20,z2=60) 4、锥齿轮副(z1=30, z2=30,m=2) 5、蜗杆副(z=30,z1=1) 6、螺旋齿轮副(z1=20, z2=20,m=2) 7、进给系统棘轮机构 8、进给系统凸轮机构 9、工件转动链传动 10、插刀移动链传动 11、连杆 12、齿轮插刀 14、插刀转动蜗杆副 13、进给系统连杆机构 15、工件转动蜗杆副 16、传动链(z1=12,z2=12)  插齿机模型实验平台设计 目录 摘要 4 ABSTRACT 5 第一章 绪论 6 1.1引言 6 1.2课题研究的目的意义 7 1.3齿轮加工机床的发展现状及其趋势 8 1.3.1齿轮加工的方法 8 1.3.2插齿机的现状 9 1.3.3各种类型的齿轮加工机床的特点及其应用情况 10 1.4本文主要内容 12 第二章 插齿机模型机械部分结构设计 14 2.1插齿机的传动原理图 14 2.2插齿机传动系统 14 2.2.1 插齿机主运动链 15 2.2.2 插齿机的圆周进给链 15 2.3 本课题设计的插齿机的展成运动链 16 2.4 本课题设计的插齿机的快速展成运动链 17 2.5 本课题所设计的插齿机的径向进给运动链 17 2.6 本课题设计的插齿机工作台的快速移动链和手动径向进给链 18 2.7 让刀运动 19 2.8 本课题设计的插齿机工作台 19 第三章 插齿机模型主要传动元件的选择与计算 22 3.1电机的选择与校核 22 3.2同步带的传动设计 23 3.3齿轮传动 24 3.4轴的选用与校核 28 3.5滚动轴承 33 3.6键连接 35 3.7销联接 35 3.8螺纹联接 36 3.9圆锥齿轮的设计 37 3.9.1锥齿轮设计输入参数 37 3.9.2材料及热处理 37 3.9.3齿轮基本参数 38 3.9.4接触强度、弯曲强度校核结果和参数 39 3.10 传动比i=25.5蜗轮蜗杆的设计 40 3.10.1普通蜗杆设计输入参数 40 3.10.2材料及热处理 41 3.10.3蜗杆蜗轮基本参数(mm) 41 3.10.4强度刚度校核结果和参数： 42 3.11传动比i=19蜗轮蜗杆的设计 43 3.11.1普通蜗杆设计输入参数 43 3.11.2材料及热处理 43 3.11.3蜗杆蜗轮基本参数(mm) 44 3.11.4强度刚度校核结果和参数 45 3.12 链传动设计 46 致 谢 52 参考文献 53 摘要 插齿机是一种金属切削机床，是使用插齿刀按照展成法加工内、外直齿和斜齿圆柱齿轮以及其它齿形件的齿轮加工机床。插齿机用来加工内、外啮合圆柱齿轮的轮齿齿面，尤其适合加工内齿轮和多联齿轮中的小齿轮，这是滚齿机无法加工的。它综合了精密机械制造、电机拖动、数字控制等多门学科。针对它在机械设计中遇到的确定尺寸参数、合理布局、降低成本、实用耐用等问题,本设计进行了针对性的思考与改造。 本课题以机械工程实验教学中心的插齿机模型为基础，通过对典型空间机构进行研究分析，设计一台能够加工不同参数齿轮的插齿机模型。此插齿机传动链，属于历史插齿机传动链，本课题借鉴吸收了机械工程实验教学中心插齿机实验平台的一些技术和结构性能，力求做到本结构的简单合理，性能稳定。论文就课题的来源提出做了详细描述，基于需加工零件的工艺范围、机床的精度、机床改造经济性等因素而提出了较合理的方案，详细论述了机械改造部分设计与计算，包括部件的选择，各零件的选择、设计、计算和校核。改造后的插齿机与原来的相比提高了加工精度及加工效率，更好地保证了零件加工的一致性和产品质量，减轻了劳动强度，有效提高了插齿机的生产效率和切割质量。其主要工作内容如下: 1.插齿机实验平台方案的设计； 2.运用SOLIDWORKS三维设计软件进行机构建模和运动仿真； 3.对插齿机模型关键零件进行尺寸计算; 4.绘制非标准零件的工程图和装配图。 关键词:插齿机；实验平台；三维设计；链传动；齿轮 ABSTRACT 第一章 绪论 1.1引言 齿轮是最常用的传动件，在现代各种工业部门得到广泛的应用。在科学技术不断发展的现代社会，对齿轮的精度要求也越来越高。齿轮的需求量也日益增加。这就要求机床制造业生产出高精度、高效率和高自动化程度的齿轮加工设备，以满足生产发展的需要。 插齿机是用来加工内、外啮合圆柱齿轮的轮齿齿面，尤其适合于加工内齿轮和多联齿轮中的小齿轮，这是滚齿机无法加工的。插齿机广泛应用于机床制造、 造船、 压力容器、 工程机械、 矿山机械、 电力、 桥梁建筑、 钢结构等行业中的齿轮制造。具有很高的效率和切割精度，而且它的操作方便,极大地改善劳动强度和劳动环境 ,广泛适用于各大、 中型企业的齿轮加工。 插齿机主要加工内外直齿圆柱齿轮及各种形状的直齿非圆齿轮和凸轮。插齿机在加工过程中从执行部件的动作分解，主要有以下五个运动：插齿川往复运动(主运动)、插齿刀回转运动、工作台主轴回转运动、工作台部件径向迸给运动、刀架部件让刀运动。机床系三轴数控插齿机，即：工作台部件径向迸给运动、工作台主轴回转运动、插齿刀回转运动均可实现数控轴控制，这三个运动形成齿轮的渐开线齿廓。另外，插齿刀往复运动产生齿轮齿面，刀架部件让刀运动不参与齿廓、齿面的形成，但是让刀归位的误差对齿面的加工精度产生影响。图l.1及图l.2所示为插齿机及运动简图。 1.1插齿机简图 图1.2 插齿机运动简图 1.2课题研究的目的意义 近些年来，国内外机床工业及其相关技术的发展十分迅速，以计算机数控（CNC）为特征的现代化机床在生产中广泛应用。在现代机械制造工业中加工机器零件的方法有很多种，如铸造、锻造、焊接、切削加工和各种特种加工等，但切削加工是将金属毛胚加工成具有一定形状、尺寸和表面质量的零件的主要加工方法，在加工精密零件时，目前主要是靠切削加工来达到所需要的加工精度和表面质量。所以金属切削机床是完成加工零件的主要设备，它的工作量能够约占机器的总制造工作量的45%-65%，机床的加工工艺技术和精度直接影响到机械制造行业中的产品的质量保证和劳动生产率保证。 我国的机床工业的发展是在新中国成立后开始发展起来的。新中国成立后的50十多年来，经过改革开放的努力，我国机床工业在众多学者的帮助下吸收外国的先进技术前提下获得了迅速的发展。目前我国的机床工业布局还是很合理、还是很完整的机床工业体系,我国自从对外贸易开放以来以来，很多企业从国外引进先进设备和生产线进行改造。在借鉴引进技术的基础上发挥主管能动性，形成自己的风格，这些项目中，大部分项目对我国的经济建设有着相当重要的作用。我国的机床工业已经取得了巨大的成就，但与世界先进水平相比还相差很大一段距离在技术水平和性能方面差距差距也很明显，国内的产品质量与可靠性也不够稳定，机床理论和应用技术研究明显落后，人员技术素质还跟不上机床飞速发展的需要。因此，我们机床工业面临着光荣而艰巨的任务，作为当代的大学生，我们是祖国未来的花朵，我们身上肩负着祖国的重任，我们必须发奋图强、努力工作，不断的壮大我们的队伍和提高人员的工作能力，学习国外的先进科学技术转换为自己所有，以便我们能早日赶上世界先进水平。 齿轮是最常用的传动件，在现代各种工业部门得到广泛的应用。在科学技术不断发展的现代社会，对齿轮的精度要求也越来越高。齿轮的需求量也日益增加。这就要求机床制造业生产出高精度、高效率和高自动化程度的齿轮加工设备，以满足生产发展的需要。 插齿机是用来加工内、外啮合圆柱齿轮的轮齿齿面，尤其适合于加工内齿轮和多联齿轮中的小齿轮，这是滚齿机无法加工的。插齿机广泛应用于机床制造、 造船、 压力容器、 工程机械、 矿山机械、 电力、 桥梁建筑、 钢结构等行业中的齿轮制造。具有很高的效率和切割精度，而且它的操作方便,极大地改善劳动强度和劳动环境 ,广泛适用于各大、 中型企业的齿轮加工。 本课题以机械工程实验教学中心的插齿机模型为基础，通过对典型空间机构进行研究分析，设计一台能够加工不同参数齿轮的插齿机模型。此插齿机传动链，属于历史插齿机传动链，本课题借鉴吸收了机械工程实验教学中心插齿机实验平台的一些技术和结构性能，力求做到本结构的简单合理，性能稳定。 1.3齿轮加工机床的发展现状及其趋势 1.3.1齿轮加工的方法 制造齿轮的方法有很多种，虽然可以热轧、铸造或者冲压，但目前这些方法的加工精度还不够高。精密齿轮现在仍主要靠切削法。按照齿形的原理分类，切削齿轮的方法可分为两大类：成形法和展成法。成形法加工齿轮有一个缺点-那就是精度低。成形法采用单分齿法，就是指加工完一个齿后退回，工件用余量分配盘进行分度，再加工下一齿。因此生产率不高。但是这种加工方法简单，不需要专用的机床，所以适用于单间小批量生产和加工精度要求不高的修配行业中。现在，圆柱齿轮和圆锥齿轮，蜗轮以及应用很少的非圆形齿轮的齿面加工已经成为现代工业生产中的一个重要的工序。齿轮加工工艺已经广泛应用于国民经济的许多领域。 最近几年，我国的机械工业飞速发展，我们已经引进很多国外的先进技术，我国切割技术开发了很多新的工艺，甚至也利用了新能源。切割技术的发展早已实现了半自动化和自动化，使得切割技术可以代替许多机械加工，大大节省了劳动力，提高了生产率。还可以提高金属材料的利用率。 插齿机加工齿轮的方法是展成法。展成法加工齿轮，只要是相同模数的齿轮，不管齿数有多少都能加工，而且只用一把刀具。生产率和加工精度都比较高，可以将齿查到近轴肩处。在齿轮加工中，展成法应用最广泛。加工方法是刨削法和插削法。本论文介绍的插齿机传动链是在早期齿轮加工机床传动链的基础上结合近年来齿轮加工机床高速发展的技术特点，特别是插齿机传动链的特点所设计出的一种插齿机传动链。 1.3.2插齿机的现状 国外的先进国家中，齿轮越来越小，转速越来越高.现在已经开始研发特殊齿轮，还有安装齿轮的装置已经越来越先进，震动减小了，噪声也减小了.通过提高渐开线齿轮的承载力，可以使齿轮装置变得越来越小。这些国家采用硬齿面技术，通过提高硬度减小了装置的尺寸值；也可以用特殊齿形，例如圆弧齿轮。现在船舶动力已采用中速柴油机，在许多大型船上采用大功率行星齿轮装置有很高的效率；在大型机械的大型传动装置中，都采用行星齿轮。 精度等级与生产效率的提高很大程度上促进了齿轮制造工艺的发展。从1960年到现在，齿轮的制造精度已经提高了2级左右，最高的达到了 3级。低速齿轮的精度过去是7级，现在达到了9级。机床传动系统中的齿轮以前是5级，现在提高到6级. 由于高性能滚齿机的出现和刀具的发展，大大提高了小模数中小规格齿轮的滚齿效率。如果用多头的滚齿刀，能够提高窃谑速度到100m/s。假如采用超硬的滚齿刀加工模数3的调质钢齿轮，切削速度甚至可以达到度可达200m／s，由于受到插齿机刀具往复运动机构的限制，降低了插齿机的效率。近年来使用了静压轴承，刀架和立柱等新结构刚性得到提高后，提高了插齿机的插翅效率。新型插齿机呢，冲程数已经达到了2000多次／min。 齿轮用钢的发展趋势：一、用含Ni、Cr的低合金钢加工齿轮；二是硼钢；三、碳氮共渗用钢；四、易切削的钢。我国呢，很少见到Ni、Cr，所以用20CrMnTi渗碳钢和含硼加稀土的钢代替。大型机械就会用18CrMnNiMo渗碳钢和中碳合金钢。在机床这一行还是用40Cr，38CrMoAl等钢；速度高的齿轮用氮化了的25Cr2MoV钢。 插齿机分立式和卧式两种﹐前者使用最普遍。立式插齿机又有刀具让刀和工件让刀两种形式。高速和大型插齿机用刀具让刀﹐中小型插齿机一般用工件让刀。在立式插齿机上﹐插齿刀装在刀具主轴上﹐同时作旋转运动和上下往复插削运动﹔工件装在工作台上﹐作旋转运动﹐工作台(或刀架)可横向移动实现径向切入运动。刀具回程时﹐刀架向后稍作摆动实现让刀运动(图1.3立式插齿机(刀具让刀))﹐或工作台作让刀运动。加工斜齿轮时﹐通过装在主轴上的附件(螺旋导轨)使插齿刀随上下运动而作相应的附加转动。20世纪60年代出现高速插齿机﹐其主要特点是采用硬质合金插齿刀﹐刀具主轴的冲程数高达2000次/分﹔采用静压轴承(见液体静压轴承)和静压滑块﹔由刀架摆动让刀﹐以减少冲击。卧式插齿机具有两个独立的刀具主轴﹐水平布置作交错往复运动﹐主要用来加工无空刀槽人字齿轮和各种轴齿轮等。此外﹐还有使用梳齿刀的插齿机﹐工作时梳齿刀作往复切削运动和让刀运动﹐工件作相应的转动﹐并在平行于梳齿刀节线方向上作直线运动﹐两者构成展成运动(见齿轮加工)﹐工件的分齿是间歇的。 图1.3 立式插齿机 1.3.3各种类型的齿轮加工机床的特点及其应用情况 1、插齿机 插齿机由于它的传动系统的特殊性，加工内外啮合的直尺圆柱齿轮会比较方便，而且精度高。对于双联、多联齿轮加工更为方便，如果在插齿机的机床上装用一些特殊的专用装置以后，它也可以加工斜齿圆柱齿轮和齿条等特殊的齿轮。这是目前较为普及的一种齿轮加工机器。 2、滚齿机 滚齿机(gear hobbing machine)是齿轮加工机床中应用最广泛的一种机床，在滚齿机上可切削直齿、斜齿圆柱齿轮，还可加工蜗轮、链轮等。滚齿机的加工方法是展成法，它可以加工直齿圆柱齿轮、斜齿圆柱齿轮、人字齿圆柱齿轮和蜗轮的齿轮加工机床。当使用特制的滚刀时，它也可以用来加工花键、链轮等许多具有特殊形状齿的工件。普通滚齿机的加工精度为7～6级(JB179-83),高精度滚齿机为4～3级。它的最大加工直径为15.0m。 特点： （1）适用于成批，小批及单件生产圆柱斜齿轮和蜗轮，尚可滚切一定参数范围的花健轴. （2）调整方便，具有自动停车机构 （3）具有可靠的安全装置以及自动润滑滚齿机(gear hobbing machine)是齿轮加工机床中应用最广泛的一种机床，在滚齿机上可切削直齿、斜齿圆柱齿轮，还可加工蜗轮、链轮等。 在汽车、拖拉机、机床、工程机械、矿山机械、冶金机械、石油、仪表、飞机航天器等各种机械制造业中，都有插齿机的身影。 齿轮加工机床，顾名思义是加工齿轮的机床，包括圆柱齿轮、圆锥齿轮和有齿的工件。由于加工方法有很多种，从而机床也有很多种，有加工几毫米直径的齿轮的小型机床，也有加工十几米直径的齿轮的大型机床，还有批量生产的、用高效机床加工精密齿轮的高精度的机床。 3、磨齿机 磨齿机常用来对淬硬的齿轮进行齿廓的精加工，但也有直接在齿坏上磨出轮齿的。由于磨齿能纠正齿轮预加工的各项误差，因而加工精度较高。磨齿后，精度一般可以达到8级以上。磨齿机通常分为成型砂轮法磨齿和展成法磨齿两大类。成形发磨齿机应用的较少，多说类型的磨齿机均以展成法磨齿。按成形法加工的成形砂轮磨齿机的砂轮由成形砂轮修整器在轴向剖面内修成齿形，砂轮架可作垂直方向进给。可修整成与工件齿间的齿廓形状相同。因此这种磨齿机的工作精度相当高的。但是这种磨齿机通常用来磨削大模数齿轮。此机床的运动比较简单。用展成法原理工作的磨齿机，根据工作方法的不同可分为连续磨削和单齿分度两大类。连续磨削型磨齿机称为蜗杆砂轮型磨齿机。它的工作原理和加工过程与滚齿机相似。这种磨齿机由于砂轮转速很高，因此砂轮与工件间的展成传动链各传动件的转速也很高，采用机械方式传动，则要求传动元件必须有很高的精度，因此，目前采用两个同步电动机分别传动砂轮和工件，不但简化了传动链，也提高了传动精度。因为这种机床连续磨削，在各类磨齿机中它的生产率最高。这种机床的缺点是，砂轮修整成蜗杆较困难，且不易得到很高的精度。单齿分度磨齿机根据砂轮的形状又可以分为蝶形砂轮型、大平面砂轮型和锥形砂轮型三种。它们的基本工作原理相同，都是利用齿条和齿轮的啮合原理来磨削齿轮的。 4、锥齿轮加工机床 有两种方法可以加工圆锥齿轮：成形法和展成法。我们把利用单片铣刀或者指状铣刀在卧式铣床上加工圆锥齿轮的方法称为成形法。锥齿轮的基圆直径是变化的，沿着齿线不断变小，从而法向齿形沿着齿线方向的不同位置是不同的，刀具形状是固定的从而导致加工齿形的精度变低。粗加工或精度要求要求高的场合成形法不实用。展成法广泛应用于锥齿轮加工机床中。这种方法可以看作一对啮合的锥齿轮其中一个齿轮当作成平面齿轮。 1.4本文主要内容 从各种齿轮加工机床的应用情况来看，国内生产的齿轮加工机床的技术水平、整体性能等整体水平都逐渐与世界上先进水平之间的距离越来越小，已经逐步满足的国内用户的需求，甚至部分先进水平的齿轮加工机床已经开始向国外进行出口，从而进一步提高了市场的竞争力度。国内的一些齿轮加工机床在许多方面已经形成了自身独有的特点，实现了自动化、多功能和高可靠性。在某些方面产品的技术性能甚至已经超过了国外的技术水平，达到了世界上一流的水准。 从发展趋势上来看，齿轮加工机床的市场上插齿机将保持起独有的基本市场，数控齿轮加工机床市场将会在一定程度上增加。而数控滚齿机、数控插齿机、数控磨齿机、数控锥齿轮加工机床将会成为齿轮加工市场的主要力量。整个齿轮加工机床市场将会不断的扩大。提高齿轮加工机床操作系统的易用性；提高齿轮加工机床的生产效率和产品质量；降低生产使用成本；提高齿轮加工机床的整机自动化水平及系统稳定性成为其技术发展的方向。 本课题以机械工程实验教学中心的插齿机模型为基础，通过对典型空间机构进行研究分析，设计一台能够加工不同参数齿轮的插齿机模型。此插齿机传动链，属于历史插齿机传动链，本课题借鉴吸收了机械工程实验教学中心插齿机实验平台的一些技术和结构性能，力求做到本结构的简单合理，性能稳定。论文就课题的来源提出做了详细描述，基于需加工零件的工艺范围、机床的精度、机床改造经济性等因素而提出了较合理的方案，详细论述了机械改造部分设计与计算，包括部件的选择，各零件的选择、设计、计算和校核。改造后的插齿机与原来的相比提高了加工精度及加工效率，更好地保证了零件加工的一致性和产品质量，减轻了劳动强度，有效提高了插齿机的生产效率和切割质量。其主要工作内容如下: 1.插齿机实验平台方案的设计； 2.运用SOLIDWORKS三维设计软件进行机构建模和运动仿真； 3.对插齿机模型关键零件进行尺寸计算; 4.绘制非标准零件的工程图和装配图。 第二章 插齿机模型机械部分结构设计 a) b) 图2.1 插齿原理及插齿机传动原理图 a) 插齿原理 b) 插齿机传动原理图 2.1插齿机的传动原理图 插齿机的加工原理类似一对啮合的圆柱直齿轮，一个是齿坯，另一个是插齿刀（端面具有切削刃的齿轮形刀具），按照展成法加工。插齿原理及插齿机传动原理图即下图所示。插齿刀的沿齿坯齿向的往复运动A2为主运动，由偏心轮的曲柄驱动，通过调整曲柄偏心距改变插齿刀的插齿行程；插齿刀往复运动A2为间接动力源，驱动插齿刀旋转运动B11的传动链为圆周进给链，圆周进给量为A2；插齿刀的旋转运动B11为间接动力源，驱动齿坯旋转的传动链为展成运动链，展成运动链为内联系传动链，其传动联系为 式中:——插齿刀、齿坯的齿数。 2.2插齿机传动系统 本课题所设计的插齿机是在以机械工程实验教学中心的插齿机模型为基础，通过对典型空间机构进行研究分析，设计一台能够加工不同参数齿轮的插齿机模型。通过提高关键零部件的制造精度而成的。主要用于加工内、外齿的直齿圆柱齿轮、多联齿轮、轴齿轮。传动系统如图所示。 2.2.1 插齿机主运动链 本课题设计的插齿机主电动机为Y112M-4，额定功率，额定转速，运动经同步带传递到离合器YL1，经主运动链变速机构至曲柄盘，带动插齿刀轴向运动；由粗加工变为精加工时，离合器YL1使插齿刀轴向运动速度自动提高倍。主运动链传动路线为 插齿刀每分钟的上下往复次数，即冲程数为 大径向进给量粗加工时，离合器YL1的传动比，插齿刀每分钟的冲程数列为 小径向进给量精加工时，离合器YL1的传动比，插齿刀每分钟的冲程数列为 即主运动链的变速机构共有两个变速组，形成六级插齿刀的轴向往复运动等比数列。 2.2.2 插齿机的圆周进给链 圆周进给链为外联系传动链，间接动力源是插齿刀的轴向往复运动，经圆周进给传动链变速组，链传动，交换挂轮E、F等，至蜗杆蜗轮副（传动比），蜗杆驱动蜗轮转动，实现插齿刀圆周进给。圆周进给传动链变速组可使插齿刀双向转动。圆周进给链传动路线为 曲柄盘每转一圈，驱动插齿刀轴向往复一次，因而可认为曲柄盘为圆周进给链的间接动力源。则圆周进给量为 式中 ——插齿刀双冲程。 当插齿刀的分度圆直径为时，圆周进给量为 插齿机的圆周进给量为（）。用于粗加工，用于精加工，粗、精加工圆周进给量转换由液压摩擦离合器YL2自动控制，圆周进给量缩小倍。 2.3 本课题设计的插齿机的展成运动链 插齿机展成运动链的间接动力源是插齿刀，末端件是齿坯。两端件的传动联系为 插齿刀 齿坯 本课题设计的插齿机展成运动链的传动路线为 本课题设计的插齿机展成运动链变速机构的传动比为 2.4 本课题设计的插齿机的快速展成运动链 本课题设计的插齿机的快速展成运动链的动力源为M3，电动机型号为Y90S-4,额定功率，额定转速，快速展成运动时，YL2、YL4离合器处于分离状态。本课题设计的插齿机的快速展成运动链的传动路线为 齿坯转速为 插齿刀转速为 2.5 本课题所设计的插齿机的径向进给运动链 插齿机的径向进给传动链是外联系传动链，传动链的动力源为M2，电动机型号Y802-4，额定功率，额定转速。运动经两级蜗杆蜗轮副减速后驱动径向进给凸轮慢速旋转，径向进给凸轮推动丝杠带动固定于工作台下方的螺母，使工作台沿水平方向移动。径向进给凸轮由阿基米德螺线组成，每隔升程，径向进给凸轮每转的总升程为，本课题设计的插齿机加工齿轮模数为，全齿高为，则径向进给齿轮凸轮最多旋转，就加工一个齿轮。传动路线为 径向进给速度为 根据机械工程手册推荐的插削用量（《机械工程手册》第二版机械制造工艺及设备（二）P2-308），径向进给量为 本课题设计的插齿机的径向进给量为。 径向进给也可采用步进式，每次进给终止，齿坯转一圈后，再进行第二次径向进给；本课题设计的插齿机有径向进给余量分配盘，在径向进给余量分配盘上固定行程挡铁，在起始位置设置原位、一次进给、二次进给等行程开关，在起始位置，原位行程开关动作；由于径向进给余量分配盘与径向进给凸轮同步转动，每转径向进给，当一次进给行程挡铁压下一次进给行程开关时，电动机M2断电，径向进给停止；齿坯转一圈后，电动机M2再次通电，第二次进给开始。最后进给终了且齿坯转一圈后，电动机M2通电，双向摩擦离合器YL3换向接通齿数为21、42齿的齿轮副，径向进给凸轮快速反转，其转速为 当原位行程挡铁压下原位行程开关时，电动机M2断电，双向摩擦离合器YL3分离；然后工作台快速退回。 本课题设计的插齿机能任意预选和分配切入深度以及实现1-9次自动进给工作循环，工作循环由可编程控制器控制。 2.6 本课题设计的插齿机工作台的快速移动链和手动径向进给链 为节省辅助时间，减轻劳动强度，提高加工效率，插齿机应有工作台快速移动功能；为使径向进给量精确，插齿前工作台应能微量调整。 本课题设计的插齿机插齿机工作台快速移动由缸体固定在工作台下方的液压油缸M4驱动，活塞杆前端为螺纹孔，而径向进给凸轮推杆的端部为外螺纹，二者构成螺纹副；液压油缸上设有导向装置，使活塞杆只能轴向移动而不能转动；液压油缸的有杆腔进油时，由于凸轮推杆始终与凸轮接触、活塞杆与凸轮推杆的长度不变，液压油缸缸体带动工作台快速靠近齿坯，工作台前下方的的支架与活塞杆前端相对滑移；液压油缸的无杆腔进油时，工作台快速退回。本课题设计的插齿机工作台的最大移动行程为。 本课题设计的插齿机的工作台一侧设置有手柄轴，转动手柄轴时，运动经锥齿轮副至圆柱齿轮副（从动齿轮轴向固定于工作台的支架中，可绕支架孔轴线转动）传递到凸轮推杆的螺杆上，螺杆上设置有导向键槽，齿轮中心孔直径与凸轮推杆的螺纹大径相等，且设置有传动键，这样齿轮可驱动凸轮推杆转动，齿轮可相对于凸轮推杆移动；当转动手柄轴时，圆柱齿轮驱动凸轮推杆转动，凸轮推杆端部的螺纹副的配合长度改变，进而改变活塞杆与凸轮推杆的总长度，在液压油进出油口封闭（液压油缸换向阀滑阀机能为M型，油泵卸载，两油腔封闭）时，工作台微量移动，即活塞杆端部内螺纹带动工作台微量移动；此时工作台也带动圆柱齿轮副在凸轮推杆上微量移动。手柄旋转一圈，工作台的移动距离为 式中 ——凸轮推杆螺纹导程。 为便于工作台靠近齿坯，插齿主运动链中也设有手动机构，在此不再赘述。 2.7 让刀运动 曲柄轴的旋转运动经齿形带传递到让刀凸轮轴，使让刀凸轮轴与曲柄轴同步旋转，在插齿刀位于向上的冲程时，让刀凸轮推压滚轮推动让刀轴压缩弹簧上下移动，经连杆使插齿刀轴摆动，实现让刀运动。 如本课题设计的插齿机刀架结构简图所示。插齿机中最复杂的部件是插齿机刀架，插齿刀的往复冲程运动、展成运动以及让刀运动是靠它实现的。曲柄盘传动轴带动曲柄盘转动，曲柄经球头拉杆机构带动插齿刀轴沿蜗轮中的滑动导轨往复冲程运动；调节曲柄至曲柄盘轴心线的距离，可改变往复冲程的大小；调节球头上端螺杆，可调节往复冲程的位置。精度较高的蜗杆蜗轮副带动插齿刀轴转动，实现展成运动。曲柄盘传动轴驱动插齿刀往复冲程的同时，将旋转运动经同步齿形带传递到让刀凸轮上，让刀凸轮又将运动传递到滚轮上，当插齿刀为工作冲程时，让刀凸轮旋转，让刀凸轮对应的半圆上为凸轮升程，让刀凸轮推压滚轮使让刀轴下移，让刀轴经连杆推动插齿刀轴靠紧齿坯；插齿刀为返回冲程时，让刀凸轮同样旋转，此时让刀凸轮对应的半圆上为凸轮回程，这样让刀轴下方的压缩弹簧推动让刀轴上移，让刀轴经连杆拉动蜗杆蜗轮副及插齿刀轴离开齿坯，实现让刀。当插削内齿轮时，让刀运动方向与铣削外圆柱齿轮相反，应将曲柄滑块向曲柄盘的反方向调节，使插齿刀为工作冲程时，让刀轴上移。 2.8 本课题设计的插齿机工作台 工作台是展成运动的末端件，也是径向进给运动及快速运动的末端件。在插削过程中，承受断续的冲击负荷。如本课题设计的插齿机工作台结构示意图所示。工作台的轴向支承为环形滑动导轨，径向承载轴承为锥度为的滑动轴承，内锥孔滑动轴承与工作台转轴的径向间隙靠修磨环形道轨面调节。蜗杆蜗轮副实现工作台的展成运动。最后确定 插齿机模型实验平台设计方案如图2.9所示。 图 2.9 插齿机模型实验平台设计方案简图 图2.10 插齿机传动线路图 第三章 插齿机模型主要传动元件的选择与计算 3.1电机的选择与校核 电机的选择原则： 1） 考虑电动机的主要性能（启动、过载及调速等）、额定功率的大小、额定转速及结构形式等方面要满足生产机械的要求。 2） 结构简单、运行可靠、维护方便又价格合理。 3） 插齿机所需要的工作场合的环境中，考虑必要的保护方式，选择电动机的结构形式。 4） 电动机的电压等级和类型，根据企业的电网电压标准和对功率因数的要求而定。 5） 电动机的额定转速，我们根据机械的最高转速、电力传动调速系统过渡过程性能的要求以及减速机构的复杂程度而确定。 不仅仅如此，我们还要考虑到能源的节约，考虑运行可靠性，考虑设备供货情况，考虑备品备件的通用性，考虑装修的难易程度、产品的价格、建造的费用、运行和维修费用、前后期电动机功率变化关系等各种因素。 根据机械设备的负载性质选择电动机类型：一般调速要求不高的生产机械应优先选用交流电动机。负载平稳、长期稳定工作的设备，应采用一般笼型三相异步电动机。 额定电压的选择：电动机额定电压一般选择与供电电压一致。普通工厂的供电电压为380V或220V，因此中小型交流电动机的额定电压大部都是380V或220V。本课题插齿机选择380v的供电电压。 电动机容量的选择： 电动机所需要的工作功率 Pd = kW PW= kW 因此Pd= kW 由电动机至输送链的传动总效率为 ηa=η1 η23η3式中：η1、η2、、η3分别为带传动、闭式圆柱齿轮传动、联轴器的传动效率。 式中η1=0.98，η2=0.975，η3=0.96则 ηa=0.98*0.9753*0.96=0.87 所以 pd==Fv/1000*0.87 =3.81Kw 确定电动机转速: 本课题设计的插齿机所规定的插齿刀冲程为80-520次每分钟，主运动链传动路线为 电动机—100/300— 从而确定电动机转速为1440r/min，本课题设计的插齿机为连续工作制，根据相关手册查出符合要求的电动机型号为Y112M-4，额定功率为4kw，额定转速为1440r/min。 3.2同步带的传动设计 在两个或多个带轮之间用带进行传动，而带作为挠性拉拽工件作用，这就是带传动。工作时带与零件之间靠摩擦或啮合来传递转速或动力。工作面有齿的是同步带，戴伦的轮缘表面也制有相应的齿槽，同步带传动和齿轮传动一样具有一样的传动比。同步带承载层是钢丝绳或玻璃纤维绳，基底是氯丁橡胶或聚氨酯。由于又薄又轻，故这种带可用于较高速度。转速和传动比可达到50多m/s和10.而且效率很高，可达98%，同步带用的越来越多了。他也是有缺点的，他的缺点是安装很难，中心距要求较严格。以下是同步带的设计过程： 计算项目 设计公式 计算功率Pc Pc=Ka*P=1.5* 4KW=6 KW 选择带型和节距 查手册得：选择重型带H型，节距p为12.700mm 小带轮齿数Z1 Z1≥Zmin=18，取值为52 大带轮齿数Z2 Z2=i*Z1=3*20=80，取值为156 带轮节圆直径 D1=Z1*Pc/3.14=52*6/3.14=100mm D2=Z2*Pc/3.14=156*6/3.14=300mm 带速V V=3.14*D1*n1/（60*1000） 所以V《Vmax=40m/s 初定中心距 0.7（D1+D2）[a[2（D1+D2），即280[a[800， 暂选a为500mm 带长及齿数 L=3.1 4*（D1+D2）/2+(D1+D2）*γ/2+2a*cos(γ/2) ，γ=（D2-D1)/a=0.4，因此L=1648mm 标准节线长度Lp=4445mm，齿数为200 实际中心距a 由公式得a=551.5mm 小齿轮啮合齿数Zm Zm=Z1/2-P*Z1*（Z2-Z1）/（20a）=18.75，圆整后为18 基本额定功率Po Po=（Fa-qv2）*v/1000=4.45KW 带宽b 由公式得b=73mm 轴上载荷Fq Fq=1000Pc/v=800N 3.3齿轮传动 齿轮传动的应用范围很广，传动功率很高，和其他机械传动比较，齿轮传动的主要优点是：瞬时的传动比为常数，使用寿命长且十分可靠；传动效率高；结构紧凑；功率和速度适用范围很广等。缺点是：制造齿轮的设备，成本较高；不高精度的噪声震动较高；轴之间距离大的传动不适合。 由于本课题设计的插齿机的运动是由两个直线方向上的运动和转动构成，而且齿轮传动精度较高，配合准确；传递动力不大，故采用齿轮、齿条想啮合的方式传动。同时齿轮齿条传动平稳，瞬时传动比不变，冲击震动和噪音都较小；承载能力较高，在尺寸小、重量轻的前提下，轮齿的强度高、耐磨性好。 齿轮传动的时间很长后，会导致齿轮齿面的损伤甚至齿的折断。齿面损伤也有很多种：齿面接触疲劳磨损即点蚀、齿面胶合、齿面磨粒磨损和塑性流动等。封闭起来传动的齿轮，时间长了会有接触疲劳磨损、疲劳折断和胶合。对齿轮要进行接触疲劳强度和弯曲疲劳强度的计算。暴露在外面传动的齿轮，时间长了会失效，形式是弯曲疲劳折断和磨粒磨损，进行弯曲疲劳强度的计算，考虑磨粒磨损的影响要适当加大模数。 普通灰铸铁的铸造性能和切削性能好，价廉、抗点蚀和抗胶合能力强，但弯曲强度低、冲击韧性差，常用于低速、无冲击和大尺寸的场合。铸铁中的石墨有自润滑作用，尤其适用于开始传动。铸铁性脆，为避免载荷集中引起齿端折断，齿宽宜较窄。常用牌号为HT200~HT350。此处的齿轮齿条以及减速器中的齿轮采用45钢，经过调质处理。 以下是曲柄轴上外啮合齿轮的校核： 计算项目 计算内容 计算结果 3.3.1 齿面接触疲劳强度计算 1、 初步计算 转矩T1 T1=9.55*1000000*P/n1 T1=73462N.mm =9.55*1000000*4/520 齿宽系数jd 由手册可取jd=1.0 jd=1.0 接触疲劳 由手册可得 σhlim1=710MPa 极限σhlim σhlim2=580MPa 初步计算的许用 【σh1】=0.9σhlim1 【σh1】=639MPa 接触应力【σh】 =0.9*710 【σh2】=0.9σhlim2 【σh2】=522MPa Ad值 由手册可得Ad=85 初步计算的 由公示可得 小齿轮直径d1 d1≥60mm 取d1=86mm 初步齿宽b b=jd *d1=1*80 b=86mm 2、 校核计算 圆周速度 v v=3.14*d1*n1/60000 v=2.34m/s 精度等级 由手册可得 选8级精度 齿数z和模数m 初选齿数z1=43； z2=47 m=d1/z1=86/43 取m为2 则z1=d1/m=86/2 取z1=43 z2=43 z2=43 使用系数Ka 由手册可得 Ka=1.5 动载系数Kv 由手册可得 Kv=1.2 齿间载荷分配系数Kha 先求Ft=2T1/d1 =2*73462/86=1708.4N Ka*Ft/b=1.5*1708.4/86=29.8N/mm<100N/mm εa=[1.88-3.2(1/z1+1/z2)]*cosß=0.39 Zε=1.1 由此可得Kha=0.826 Kha=0.826 齿向载荷分布系数Khß 由手册可得 Khß=1.38 载荷系数K K=Ka*Kv*Kha*Khß K=2.05 弹性系数Ze 由手册可得 Ze=189.8MPa 节点区域系数Zh 由手册可得 Zh=2.5 接触最小安全系数Shmin 由手册可得 Shmin=1.05 总工作时间Th Th=10*300*8*0.2 Th=4800h 应力循环次数Nl 由手册可得 Nl1=5.79*107 Nl2=1.93*107 接触寿命系数Zn 由手册可得 Zn1=1.18 Zn2=1.25 许用接触应力【σh】 【σh1】=710*1.18/1.05 【σh1】=798MPa 【σh2】=580*1.25/1.05 【σh2】=690MPa 验算 由公式可得 σh=328MPa《【σh2】 计算结果表明，接触疲劳强度较 为合适，齿轮尺寸无序调整。 3、 确定传动主要尺寸 实际分度圆直径D 因模数取标准值时，齿数已重新确定， 但并未圆整，故分度圆直径不会改变，即 d1=m*z1=2*43=86mm d1=86mm d2=m*z2=2*47=94mm d2=94mm 中心距a a=m（Z1+Z2）=2*（43+47）=180mm a=180mm 齿宽b b=jd *d1=1*86 取b1=86mm， b2=94mm 3.3.2齿根弯曲疲劳强度验算 重合度系数Yε Yε=0.25+0.75/ƹa Yε=2.173 齿间载荷分配系数Kfa 由手册可得 Kfa=0.46 齿向载荷分布系数Kfß b/h=86/(2*2.25)=19.1 由手册可得 Kfß=1.38 载荷系数K K=Ka*Kv*Kfa*Kfß K=1.14 齿形系数Yf 由手册可得 Yfa1=2.46 Yfa2=2.19 应力修正系数Ysa 由手册可得 Ysa1=1.65 Ysa2=1.8 弯曲疲劳极限σflim 由手册可得 σflim1=600MPa σflim2=450MPa 弯曲最小安全系数Sflim 由手册可得 Sflim=1.25 应力循环次数Nl 估计3*10 6〈Nl[10 10则指数 m=49.91 NLl=Nv NL1=5.76*10 7 原估计应力循环次数正确 NL2=NL1/i NL2=6.30*10 7 弯曲寿命系数Yn 由手册可得 Yn1=0.95 Yn2=0.97 尺寸系数Yx 由手册可得 Yx =1.0 许用弯曲应力【σf】 【σf1】=600*0.95*1/1.25 【σf1】=456MPa 【σf2】=450*0.97*1/1.25 【σf2】=349MPa 验算 σf1=2K*T1*Yfa1*Ysa1*Yƹ=180MPa 〈 【σf1】 σf2=σf1*Yfa2*Ysa2/(Yfa1*Ysa1)=175MPa 〈 【σf2】 传动无严重过载，故不作静强度校核 3.4轴的选用与校核 轴的材料主要采用碳素钢和合金钢，碳素钢比合金钢价廉，对应力集中的敏感性小，所以应用较为广泛。常用的碳素钢有30~50钢，最常用的为45钢。为保证其力学性能，应进行调质或正火处理。此处轴的材料为45钢，进行调质处理。 在一般情况下，轴的工作能力约定于它的强度和刚度，对于机床主轴，后者尤为重要。高速转轴则还决定于它的震动稳定性。在设计轴时，除应按工作能力准则进行设计计算或校核计算外，在结构设计上还须满足其他一系列的要求，例如：1）多数轴上零件不允许在轴上作轴向移动，需要轴向固定的方法使它们在轴上有确定的位置；2）为传递转矩，轴上零件还应作周向固定；3)对轴与其他零件间有相对滑动的表面应有耐磨性的要求；4）轴的加工、热处理装配、检验、维修等都应有良好的工艺性；5）对重型轴还须考虑毛坯制造、探伤、起重等问题。 轴的强度校核主要有三种方法：许用切应力计算、许用弯曲应力计算；安全系数校核计算。此处用安全系数计算法来校核轴： a) 轴结构图 b) 垂直面受力图 d)水平面受力图 e)垂直面弯矩图 f) 水平面弯矩图 g) h) i）当量弯矩图N.mm 校核过程： 计算项目 计算内容 计算结果 判断危险截面 初步分析Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 四个 截面有较大的应力和应力集中，下 面校核截面Ⅰ进行安全系数校核。 对称循环疲劳极限 轴材料选用45钢调质，σb=650MPa， σs=360MPa，由手册可求得疲劳极限： σ-1b=0.44σb=0.44*650 σ-1b=286MPa τ-1=0.30σb=0.30*650 τ-1=312MPa 脉动循环疲劳极限 σob=1.7σ-1b=1.7*286 σob=486MPa τo=1.6 τ-1=1.6*1.95 τo=312MPa 等效系数 ψσ=（2*286-486）/486 ψσ=0.18 ψτ=（2*195-312）/312 ψτ=