滚齿机工作原理-功能分析-介绍.doc

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1、. 功能原理设计随着现代设计方法的发展与应用越来越广泛，人们对系统原理设计时常采用一种“抽象化”的方法-“黑箱法”。之所以称为“黑箱法”是因为对于待设计产品来说，在求解之前，犹如一个看不见部结构的“黑箱子”。这种“黑箱”只能用来描述系统的功能目标，“黑箱”的部结构需要设计人员进一步构思的设计。由此可知，“黑箱法”是根据系统的输入、输出关系来研究实现系统功能目标的一种方法，即根据系统的某输入与要求获得某种输出要求，从中寻找某种原理来实现输入-输出之间的转化，得到相应的解决方法，从而推求出“黑箱”的功能结构，使“黑箱”变成“白箱”的一种方法。1、 黑箱法寻找总功能的转化关系物料流包括材料、毛坯半成

2、品、成品，液体、气体等各物体；能量流包括电能、光能、机械能、热能、核能等；信号流包括数据、测量值、控制信号、波形等。通过对Y38滚齿机的综合分析，可得以下“黑箱”示意图 通过黑箱法分析，滚齿机是将轮坯通过一定的加工过程，最终得到所需产品齿轮的机器。该过程有各种能量的交换、损失，同时还与外界的环境密切相关。2、滚齿加工原理齿轮是现代机械传动中的重要组成部分。从国防机械到民用机械，从重工业机械到轻工业机械，无不广泛的采用齿轮传动。随着汽车、机械、航天等工业领域的高速发展，对齿轮的需求量日益增加，对齿轮加工的效率、质量与加工成本的要求愈来愈高，滚齿机是齿轮加工加床中的一种，由于滚齿机既适合高效率的齿

3、形粗加工，又适合中等精度齿轮的精加工，因此受到广泛的应用。为此滚齿机的研究仍是大家努力的方向齿轮加工机床的种类繁多，构造各异，加工方法也不相同，齿形加工可按在加工中有无切屑而区分为无屑加工和切削加工两大类。无屑加工包括热轧、冷轧、压铸和粉末冶金等，无屑加工生产率高，材料消耗少，故成本低，但加工精度不高。（1） 冷轧冷轧是能在圆柱形零件上生产出齿轮的齿、花键、细齿、油槽或螺纹的一种很简单的方法。生产率很高，用此方法扎制一个齿轮仅需35秒钟，但它受轧制形状和材料的限制较大。密西根RoTo-Flo冷轧机是应用较早的齿轮冷轧机之一。它用齿条作轧制工具。其原理如2-1所示。其中俩轧辊齿条被弄成斜面，最开

4、始的轧制量小，当齿条运动时，轧制量逐渐增加，金属开始流动。这种轧制方法，齿轮受到的弯曲负荷大，因而仅适用于轧制压力角大和齿形短的齿轮。（压力角25度或25度以上）。因此，RoTo-Flo设备通常用于轧制SAE型压力角30度的齿深50%的和渐开线花键型的零件。 图2-1 密西根齿条轧制原理（2） 热轧所谓热轧是在轧制之前将毛坯加热，使之较易轧制，是冷轧的补充。对加工要求精度要求不高以与要求表面质量光洁度为68级的齿轮，可以用热轧法而不再经过机械加工。热轧加工出来的齿轮与铣削出来的比较，除加工方法简易外，齿形的金属材质未被切断，质量较好，硬度较高，沿齿形有一层0.50.6公厘的压实金属层，硬度较高

5、，疲劳极限也较高，寿命较长，此外，还大大节约了被铣削掉的金属。图2-2为热轧齿轮示意图。图2-3热轧与铣削所的齿轮比较。图2-2 热轧示意图 图2-3热轧齿轮与铣削齿轮材质比较（3） 粉末冶金粉末冶金齿轮是各种汽车发动机中普遍使用的粉末冶金零件，通过一次成形和精整工艺，需要其他后处理工艺，可以完全达到尺寸精度要求，尤其是齿形精度。因此，与用传统机械加工方法制造相比，在材料投入和制造上都大大减少，它是表达粉末冶金特点的典型产品。粉末冶金齿轮在整个粉末冶金零件中难以单独统计，但无论是按重量还是按零件数量，粉末冶金齿轮在汽车、摩托车中所占的比例都远远大于其他领域中的粉末冶金零件。因此，从汽车、摩托车

6、在整个粉末冶金零件中所占比例的上升可以看出，粉末冶金齿轮在整个粉末冶金零件中处于飞速发展的地位。图2-4为粉末冶金齿轮加工。图2-4 粉末冶金齿轮加工(4)电火花加工齿轮下面介绍用电火花线切割加工直齿锥齿轮机床的基本结构和机床参数首先将机械加工齿轮毛坯安装在数控转台回转中心。倾斜调整回转中心轴（大型机床调整丝线），使丝线与数控转台轴线夹角为直齿锥齿轮锥度角。调整丝线位置，使丝线（钼丝或铜丝）一端以直齿锥齿轮的顶尖为定点（即锥齿轮回转球心），另一端以直齿锥齿轮齿面大端上基圆为进给基点，这时丝线在两水咀间跨度为直齿锥齿轮回转球心半径，启动伺服电机将回转台和丝线进给丝杠锁定。启动数控系统，使数控转台

7、转动角度与直齿锥齿轮齿面大端丝线进退，按直齿锥齿轮设计当量模数编制程序执行旋转与进退联动。当电极丝处在齿顶时，数控转台转动，电极丝线不动，这是加工出的轨迹是直齿锥齿轮的齿顶；转过齿顶圆心角后，大端处电极丝线随工件转动进行相应进给即加工齿型部分，当到达齿根时电极丝线停止进给，工件继续转动，此时加工的是齿根部分；当转过齿根圆心角时电极丝线回退加工同齿的另半个齿型，到达齿顶时完成一个齿的加工。下面依次加工出全部齿。在数控系统的控制下电极丝线按大端当量齿轮的标准渐开线生成齿型。丝线经高频放电产生电火花蚀除工件生成缝隙，加工出标准直齿锥齿轮。当丝线与数控转台中心线平行即夹角为零度时，电极丝线沿齿轮中心方

8、向平行进退，数控合成加工出的齿轮为标准直齿轮。以下图为电火花加工加床。 图2-5 电火花加工齿轮数控机床齿形切削加工按其加工原理可分为仿形法和展成法加工。（1）成形法成形法加工齿轮所采用的刀具为成形刀具，其切削刃形状与被切齿轮齿槽的截面形状相同。成形刀具有单齿廓和多齿廓两种。成形法加工齿轮齿形的原理是利用与被加工齿轮齿槽法向截面形状相符的成形刀具，在齿坯上加工出齿形的方法。成形法加工齿轮的方法有铣齿、拉齿、插齿与磨齿等，其中最常用的方法是在普通铣床上用成形铣刀铣削齿形。当齿轮模数m8时，一般在卧式铣床上用盘状铣刀铣削，见图2-1a；当齿轮模数m8时，在立式铣床上用指状铣刀铣削，见图2-1b(2

9、)展成法展成法加工齿轮齿形是利用一对齿轮啮合的原理来实现的。即把其中一个转化为具有切削能力的齿轮刀具，另一个转化为被切工件，通过专用齿轮加工机床，强制刀具和工件作严格的啮合运动（展成运动），在运动过程中，刀具切削刃的运动轨迹逐渐包络出工件的齿形（图2-2）。展成法加工齿轮，一种模数和压力角的刀具，可以加工出相同模数和压力角而齿数不同的齿轮，其加工过程是连续的，具有较高的加工精度和生产效率，是齿轮齿形主要的加工方法。滚齿和插齿是展成法中最常见的两种加工方法。图2-2展成法滚齿加工成形法与展成法的差异成形法适用于单件小批生产，加工精度和生产效率低。用展成法加工齿轮，可以用一把刀具加工同一模数不同齿

10、数的齿轮，且加工精度和生产率也较高，因此各种齿轮加工机床广泛应用这种加工方法，如滚齿机、插齿机、剃齿机等。此外，多数磨齿机与锥齿轮加工机床也是按展成法原理进行加工的。本次设计的Y38滚齿机采用展成原理加工。常见齿形加工的一些方法如下表一表一 齿轮加工的方法3、功能分解图：（针对机械传动的滚齿机作功能分解）2、功能元求解方案1方案2方案3方案4方案5备 注主传动齿轮传动蜗杆传动带传动链传动螺旋传动机械无级变速器、液力偶合器、液力变矩器等也可实现分齿数控挂轮蜗轮蜗杆平行四边形机构行星轮减速器进给齿轮齿条凸轮机构曲柄滑块机构液压缸螺旋机构差动齿轮齿条直线差动双螺母丝杠螺母差动机构2K-H差动机构锥齿

11、轮差动机构动力液压马达气动马达电动机燃机三相交流异步电动机电机3、各功能元求解方案分析1）主传动：方 案 简 图方 案 说 明方案1齿轮传动齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠、效率高、寿命长，使用的功率、速度和尺寸围大。例如传递功率可以从很小至几十万千瓦；速度最高可达300m/s；齿轮直径可以从几毫米至二十多米。但是制造齿轮需要有专门的设备，啮合传动会产生噪声。方案2蜗杆传动交错轴传动的主要形式，轴线交错角一般为90。蜗杆传动可获得很大的传动比，通常单级为880,用于传递运动时可达1500；传递功率可达4500千瓦;蜗杆的转速可到3万转/分；圆周速度可到70米/秒。蜗杆传动工作平稳，传动比准确

12、，可以自锁，但自锁时传动效率低于0.5。蜗杆传动齿面间滑动较大,发热量较多，传动效率低，通常为0.450.97。方案3带传动优点：传动平稳、结构简单、成本低、使用维护方便、 有良好的挠性和弹性、过载打滑。 缺点：传动比不准确、带寿命低、轴上载荷较大、传动装置外部尺寸大、效率低。因此，带传动常适用于大中心距、中小功率、带速v =525m/s， i7的情况。方案4链传动链传动有许多优点，与带传动相比，无弹性滑动和打滑现象，平均传动比准确，工作可靠，效率高；传递功率大，过载能力强，相同工况下的传动尺寸小；所需紧力小，作用于轴上的压力小；能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。 链传动的缺点主要

13、有：仅能用于两平行轴间的传动；成本高，易磨损，易伸长，传动平稳性差，运转时会产生附加动载荷、振动、冲击和噪声，不宜用在急速反向的传动中。方案5螺旋传动用于交错间的传动，传动比可到5，承载能力较低，磨损严重，应用很少2）进给：方 案 简 图方 案 说 明方案1齿轮齿条传动特点：传递动力大、效率高；寿命长，工作平稳，可靠性高；能保证恒定的传动比，能传递任意夹角倆轴间的运动；但是制造、安装精度要求要求较高因而成本也较高，且不易做远距离传动方案2凸轮机构原理：由凸轮的回转运动或往复运动推动从动件作规定往复移动或摆动的机构。特点：结构简单、紧凑、设计方便，可实现从动件任意预期运动点、线接触易磨损；但凸轮

14、轮廓加工困难；行程不大方案3曲柄滑块机构运动机构简单，制造方便、可实现较远距离的传送，属于面接触低副，压强小，便于润滑，磨损轻，寿命长，传递功力大方案4液压缸液压缸结构简单，工作可靠，实现往复运动时，可免去去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳。方案5螺旋机构该机构用于传递运动，它常要求具有高的运动精度或工作速度，且能在较长时间连续工作。3）差动： 方 案 简 图方 案 说 明方案1齿轮齿条直线差动该图示为一个双联齿轮和两个齿条组成的直线差动机构，假设齿条1为固定齿条，齿条2为从动齿条，双联齿轮一的分度圆直径D1大于齿轮2的分度圆直径D2，当滚动的双联齿轮的齿轮1沿着固定齿条1滚动时，有双联齿

15、轮2驱动的从动齿条2将以双联齿轮的中心运动相反的方向水平移动方案2螺旋差动机构一般机床工作台的直线进给运动采用丝杠、螺母副传动来实现。工作台的进给直线运动方案3丝杠螺母差动机构丝杠螺母差动传动机构仅用俩对圆柱直齿轮和一对丝杠螺母就可获得较大传动比。且受力情况好使用寿命长，传动效率也高，且比用蜗轮蜗杆副要简单紧凑得多。方案4 2K-H差动机构双排齿轮啮合，机构轴向尺寸小，但是需保证相同的传动比与中心距，齿轮齿数选择不灵活方案5锥齿轮差动机构结构简单，传动比准确，受力状状好，回转惯性小，但是其啮合有轴向力。锥齿轮制造精度低，成本高。4）： 分齿方 案 简 图方 案 说 明方案1数控对高精度齿轮加工

16、设备的传动原理进行了分析，可使用在高精度数控分度时计算分度指令脉冲数所采用的均匀分配脉冲数的方法来实现分齿。方案2挂轮Y38滚齿机在我国是使用较多的一种齿轮加工机床，其分度运动是靠调整分齿挂轮来实现的。方案3蜗轮蜗杆蜗杆类似于螺杆上面有螺旋线的齿，涡轮一圈的齿类似斜齿，两个空间直交布置，蜗杆是主动轮，靠螺杆的旋转推动涡轮旋转达到降低转速增大扭矩的作用，优点：传动比大、结构紧凑，空间直交布置、平稳、噪音小、有自锁性；缺点：发热量大、输入轴轴向力大、易磨损、效率低。大部分自动扶梯上的减速机用这个传动方案4平行四边形机构这种机构的特点之一是相对杆始终保持平行且两连杆的角位移角速度和角加速度也始终相等

17、，它既能帮助渡过运动不确定位置又能增加最大启动牵引力方案5行星轮减速器行星齿轮传动的主要特点是体积小承载能力大工作平稳但大功率高速行星齿轮传动结构较复杂要求制造精度高动力从其中一个太阳轮输入，从另外一个太阳轮输出，行星架通过刹车机构刹死；动力从其中一个太阳轮输入，从行星架输出，另外一个太阳轮刹死；动力从行星架输入，从其中一个太阳轮输出，另外一个太阳轮刹死；两股动力分别从两个太阳轮输入，合成后从行星架输出；5）动力： 方案简图方 案 说 明方案1液压马达齿轮液压马达由干密封性差，容租效率较低，输入油压力不能过高，不能产生较大转矩。并且瞬间转速和转矩随着啮合点的位置变化而变化，因此齿轮液压马达仅适

18、合于高速小转矩的场合。一般用干工程机械、农业机械以与对转矩均匀性要求不高的机械设备上方案2气动马达气动马达与和它起同样作用的电动机相比，其特点是壳体轻，输送方便；又因为其工作介质是空气，就不必担心引起火灾；气动马达过载时能自动停转，而与供给压力保持平衡状态。由于上述特点，因而气动马达广泛应用于矿山机械与气动工具等场合。方案3柴油机柴油发动机的工作过程与汽油发动机有许多相同的地方，每个工作循环也经历进气、压缩、做功、排气四个行程。传统柴油发动机的特点：热效率。柴油机是一种压缩发火的往复式燃机。它使用挥发性较差的柴油或劣质燃料油做燃料。采用部混合法（燃油与空气的混合发生在气缸部）形成可燃混合气；缸

19、燃烧采用压缩式（靠缸空气压缩形成的高温自行发火）。这种工作特点使柴油机在热机领域具有最高的热效率（已达到 55左右），而且允许作为船用发动机使用。因而，柴油机在工程界应用十分广泛。尤其在船用发动机中，柴油机已经取得了绝对领先地位。方案4汽油机汽油发动机（Gasoline Engine ），是以汽油作为燃料的发动机。由于汽油粘性小，蒸发快，可以用汽油喷射系统将汽油喷入气缸，经过压缩达到一定的温度和压力后，用火花塞点燃，使气体膨胀做功。汽油机的特点是转速高，结构简单，质量轻，造价低廉， 运转平稳，使用维修方便。汽油机在汽车上，特别是小型汽车上大量使用，至今不衰。方案5三相交流异步电动机它主要由定子

20、、转子和它们之间的气隙构成。对定子绕组通往三相交流电源后，产生旋转磁场并切割转子，获得转矩。三相交流异步电动机具有结构简单、运行可靠、价格便宜、过载能力强与使用、安装、维护方便等优点,被广泛应用于各个领域。4、排列组合系统方案解 1）各总体方案简图与方案简单说明方案总体方案图方案1方案说明： 这一方案使用结构简单，运行可靠的电动机作为动力源，它具有运行可靠和维修方便的特点；主传动链采用了平行四边形机构，结构简单，重量轻，对制造和安装要求低，但是用平行四边形机构调速时，调整时间较长；分齿传动链采用齿轮传动，其高传动精度的优点满足了分齿运动的定传动比要求；进给传动链也使用了平行四边形机构、和螺旋传

21、动，比齿轮传动成本低，但螺旋传动的效率较低，螺旋副易磨损，此时可用滚珠丝杠来解决传动效率低的问题；差动传动链采用锥齿轮差速器和齿轮传动，传动准确效率高，结构紧凑，但锥齿轮不易加工，成本较高。这一方案的效率比较高，加工准确，适用围广，成本适中，操作比较简单。方案总体方案图方案2方案说明： 这一方案使用结构简单，运行可靠的电动机作为动力源，它具有运行可靠和维修方便的特点；主传动链采用了齿轮传动，齿轮传动的传动比准确，结构紧凑性好，通过更换挂轮来改变主轴转速比较方便结构简单，重量轻，对制造和安装要求低；分齿传动链采用齿轮传动，其高传动精度的优点满足了分齿运动的定传动比要求；进给传动链也使用了平行四边

22、形机构、和螺旋传动，比齿轮传动成本低，但螺旋传动的效率较低，螺旋副易磨损，此时可用滚珠丝杠来解决传动效率低的问题；差动传动链采用锥齿轮差速器和齿轮传动，传动准确效率高，结构紧凑，但锥齿轮不易加工，成本较高。这一方案的效率比很高，加工准确，适用围广，成本较高，操作比较简单。方案总体方案图方案3方案说明： 这一方案使用结构简单，运行可靠的电动机作为动力源，它具有运行可靠和维修方便的特点；主传动链采用了齿轮传动，齿轮传动的传动比准确，结构紧凑性好，通过更换挂轮来改变主轴转速比较方便结构简单，重量轻，对制造和安装要求低；分齿传动链采用齿轮传动，其高传动精度的优点满足了分齿运动的定传动比要求；进给传动链

23、使螺旋传动和齿轮传动，但螺旋传动的效率较低，螺旋副易磨损，此时可用滚珠丝杠来解决传动效率低的问题；差动传动链采用直齿轮差速器和齿轮传动，传动准确效率高，结构紧凑。这一方案的效率比很高，加工准确，适用围广，成本较高，操作比较简单。 2）最正确系统方案的评价与决策 评价一个方案是否为最正确方案，可通过系统方案的评价与决策来实现。本滚齿机选择了加工准确性、加工围、效率、结构紧凑，操作简易和成本来作为评价依据。各评价目标的的加权系数如下表所示：表4-1 加权系数的判别表比较目标评价目标准确性加工围效率结构紧凑操作简便成本准确性33443170.28加工围12332110.18效率 12332110.1

24、8结构紧凑0112370.12操作简便0122370.12成本1221170.12其中：-各评价目标的总分；-评价目标数；-加权系数；表4-2 三种系统方案各个项目标评分表 评价 目标方案号 准确性加工围效率结构紧凑操作简便成本方案1767678方案2999887方案3877887 表4-3 三种系统方案的总分计分 总分计分方案号分值相加法分值连乘法有效值法方案141987846.82方案2503265928.52方案3451756167.52有效值法计算如下：加权系数矩阵G=（0.28,0.18,0.18,0.12,0.12,0.12）评分矩阵P=有效值矩阵N=GPT=其中N1 =GP1T

25、=0.287+0.186+0.187+0.126+0.127+0.128=6.82N2 =GP2T =0.289+0.189+0.189+0.128+0.128+0.127=8.52N3 =GP3T =0.288+0.187+0.187+0.128+0.128+0.127=7.52由上面的分析，可知方案2为最正确方案。3)绘制传动系统图5、执行机构的速度和功率计算，电动机的选择滚刀的速度和功率表2.4125加工材料模数加工性质切削速度/功率耐用度45钢1.56粗加工/21600灰铸铁1.58粗加工/596001)滚刀速度查参考文献1表2.4125使用条件变化时切削用量修正系数，当采用单头齿轮滚

26、刀粗加工模数为1.56mm的钢材时，取使用条件不变时的值，可得切削速度为（m/s） （5-1）即切削速度围为，滚刀最大直径,由滚刀转速公式算出滚刀转速(5-2)当采用单头齿轮滚刀粗加工模数为1.58mm的铸铁时，取使用条件不变时的值，可得切削速度为（m/s） （5-3）即切削速度为，滚刀最大直径,由滚刀转速公式算出滚刀转速（5-4）综合考虑滚刀速度取68238r/s2）滚刀功率采用单头齿轮滚刀加工钢材时， (参考文献1表2.4125)；f=1.5mm/r; m=4mm;根据参考文献1表4.74齿轮滚刀的基本型式和尺寸，按模数m=4mm取I型滚刀,其外径d0=120mm;其切削功率为（kw）kw

27、 （5-5）加工铸铁时，切削功率为（kw）kw (5-6)综合考虑取电动机选择1）电动机功率根据参考文献2表21取传动的效率；锥齿轮的传动效率；圆柱齿轮的传动效率，滚动轴承的效率，则主传动链的效率为 （5-7）则总功率为0.72kw根据参考文献2第1130页知，由于进给功率较小，进给传动和主传动共用一个电动机的机床所以不单独计算进给功率，而在计算主传动工率时引进一个系数,对于齿轮加工机床K取0.8，因而 (5-8)故主电动机的功率为(5-9)2）电动机转由主传动传动链的运动平衡式来转化电机与滚刀转速，从而求出电机的转速围 （5-10）则已知滚刀的转速围，Y38滚齿机滚刀主轴的变速级为级6，为使速度主传动的变速挂轮传动平稳，且变速挂轮尺寸不应过大，取。那么 根据参考文献3第1469页，考虑到电网电压的波动以与工况的变化，选择Y10012-4型三相异步电动机，其参数如下表所示：5.1 电机参数表型号额定功率/KW额定转速/(r/min)电流/A效率/%功率因数/堵转电流/额定转矩堵转转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩重量/kgY100L2-4314306.8282.50.8172.22.33526 / 26