弧齿锥齿轮铣齿机毕业论文

弧齿锥齿轮数控铣齿机刀轴箱的设计

摘要

弧齿锥齿轮以其良好的动态性能，在机械行业中占有相当重要的地位，

在航空、航海、汽车和各种精密机床等行业应用广泛。弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮具有重迭系数大，承载能力高，传动平稳，噪音低，对安装误差敏感性低等优点，被广泛应用于飞机、车辆、机床和各种机械产品中。而准双曲面齿轮普遍应用于汽车的驱动桥主减速传动。因而弧齿锥齿轮和准双曲面齿轮的设计与制造在机械行业中占有相当重要的地位。

但是弧齿锥齿轮的设计加工相当复杂，而且当前拥有该技术的Gleason

公司等搞技术垄断，促使许多国家对该项技术进行研究和探讨，因而对弧齿锥齿轮传动的设计、制造和检测技术的研究一直是齿轮制造中非常活跃的领域。尽管国内有多家企业研制开发了不同系列的弧齿锥齿轮数控加工机床，但是其控制系统都是采用SIEMENS、FANUC 等国外高档数控系统，使得国内在弧齿锥齿轮设计、加工等方面仍然受制于国外少数垄断企业，严重制约着我国制造业水平的提高。

本文通过对弧齿锥齿轮的齿面特征的研究，结合国内外可以了解的铣齿

机的机构特征，通过对现有机床的钻研和齿面加工方法的探究，按照齿轮啮合的原理，完成了弧齿锥齿轮铣齿机刀轴箱部分的运动简化设计，以及对传统的数控弧齿锥齿轮铣齿机机构作出了一些改进。

关 键 词：弧齿锥齿轮,铣齿机,滚珠丝杠,刀轴箱

THE DESIGN OF CUTTER SPINDLE CASE OF SPIRAL

BEVEL GEAR CNC MILLING MACHINE-TOOL

ABSTRACT

Because of the excellent dynamic performances, spiral bevel gears play a

very important role in machinery industry, and are primarily applied to aviation, marine,automobile, precision machine tools and other projects. Spiral bevel and hypoid gears have many advantages in transmission as high contact ration and

load capacity, smooth transmitting, lower sensitivity to errors of installation,

low-noisy and so on; they are widely used in airplanes, automotive

vehicles,machine tools and a lot of kinds of machines. Also hypoid gears are

used in the trunk transmission of automobiles. As a result, the design and

manufacturing of spiral bevel and hypoid gears occupy an important position in the machinery manufacturing area.

The processing design of spiral bevel gears is comparatively complicated,

and meanwhile, the owners of the technology, such as Gleason corporation, are engaged in a technological monopolization Therefore, many countries are

prompted to the technology research and exploration, and the spiral bevel gear

drive in the design, manufacture and testing technology has been very active in the field of gear manufacturing. While domestic enterprises have developed

several different series of spiral bevel gear NC Machines, the control kernel is

the foreign NC systems, such as SIEMENS, FANUC and so on. It makes that the domestic spiral bevel gear design, manufacturing and other areas is still subject to few number of foreign monopolies, seriously hindering our manufacturing

development.

Combined with the home and abroad study of the spiral bevel gear tooth

surface characteristics to milling machine can understand the mechanism

characteristics. through the study of existing machine tools and the tooth surface processing methods to explore, in accordance with the principle of meshing gears, I completed to simplify the design part of the movemen of spiral bevel gear

milling machine cutter axlet, as well as make some improvements of the

traditional CNC spiral bevel gear milling machine body.

KEY WORDS: spiral bevel gear，milling machine，ballscrew，cutter spindle case

目录

前言 .................................................................................................... 1

第1章 绪论 ...................................................................................... 2

§1.1国内外的发展状况 ................................ 2

§1.1.1国内数控弧齿锥齿轮铣齿机发展现状 ............ 2

§1.1.2国外数控弧齿锥齿轮铣齿机发展现状 ............ 2

§1.2 研究的目的与意义 ............................... 3

§1.3 机械式与数控弧齿锥齿轮铣齿机加工原理 ........... 4

§1.4弧齿锥齿轮的切齿方法 ........................... 5

§1.4.1成形法 ...................................... 5

§1.4.2 展成法(滚切法) ............................. 7

第2章 数控机床的总体结构 ........................................................... 8

§2.1各种铣齿机总体布局 ............................... 8

§2.1.1数控机床机械结构的组成 ...................... 9

§ 2.2机械结构要求 .................................. 10

第3章 设计校核 ............................................................................. 11

§3.1刀盘轴系的设计校核 ............................. 11

§3.2轴承的选择与校核： ............................. 14

§3.3 伺服电机选择 .................................. 17

§3.3.1 伺服电机选型依据 ........................... 17

§3.3.2 摇台伺服电机选择 ........................... 17

§3.3.3 刀盘轴伺服电机选择 ......................... 17

§3.4 丝杠 .......................................... 18

§3.4.1 滑台丝杠的选择及校核 ...................... 18

§3.4.2 丝杠安装注意事项 .......................... 23

§3.4.3 滚珠丝杠使用的注意事项 .................... 24

结论 .................................................................................................. 25

参考文献 .......................................................................................... 26

致 谢 ................................................................................................ 28

前言

弧齿锥齿轮因其良好的动态性能，在机械行业中占有相当重要的地位，

但其设计制造技术从问世以来一直是制造业的难点和热点。弧齿锥齿轮用于传递相交轴的传动，与直齿锥齿轮传动相比，弧齿锥齿轮传动具有重合度大、承载能力高、传动效率高、传动平稳、对安装误差的敏感性小以及噪声小等优点，因此弧齿锥齿轮传动越来越受到工程技术人员的重视和青睐，在航空、航海、汽车和各种精密机床等行业，得到越来越广泛的应用。弧齿锥齿轮在汽车上的需求非常大，仅我国每年需求量就在上千万对以上。但是我国的高精度弧齿锥齿轮铣齿机主要依靠进口，不仅价格昂贵，而且维修保养困难，一般的生产厂家无力购置使用。而国产铣齿机的加工精度低、适应性差，加工出来的弧齿锥齿轮无法满足高速、低噪的使用要求，所以高精度的弧齿锥齿轮仍完全依赖进口，年进口量近千万只。鉴于上述情况，研制开发具有自主知识产权的高精度弧齿锥齿轮数控铣齿机不仅是我国缝制设备和电动工具产业的迫切需要，也是我国机械工业发展的必然要求。

毕业设计不仅能检验我们大学四年所学习知识是否系统连贯的应用，也

为我们提供了一个将理论运用到实际的平台。对于选题的依据，首先，弧齿锥齿轮在机械领域的各个方面重要性从上述文献可以看出。其次，希望通过这次毕业设计能够对齿轮加工的高精领域能够有个初步的了解，为以后的工作奠定基础。在经过实际比较和综合个人喜好之后，我选择了这个课题。

这次设计是在魏冰阳老师的指导下与何旸同学共同完成，在此我负责机

床刀轴箱部分的设计。由于我们知识浅薄、所知有限，设计中难免有错误和不妥之处，希望老师能够指正和谅解，我们在以后一定会继续努力提高。

第1章 绪论

§1.1国内外的发展状况

§1.1.1国内数控弧齿锥齿轮铣齿机发展现状

加工能力最大直径为1250mm、最大加工模数为20mm的数控弧齿锥齿

轮铣齿机 由天津精诚机床制造有限公司（原天昊几点开发有限公司）研制成功。它是为了满足国内重型机械装备制造的需求并根据弧齿锥齿轮啮合理论和加工原理而研制开发的全新型坐标式数控弧齿锥齿轮铣齿机，取代了传统铣齿机复杂的摇台偏心鼓轮结构。通过数控系统直接控制并驱动的四个坐标轴取代了传统铣齿机的多个手动调整轴，使机床的结构得到极大的简化。且机床具有精度高、钢性好、可靠、易维护等优点，它是未来柔性化、全数字化控制及智能化铣齿机的一个雏形。其既可满足多品种小批量产品的试制生产又可以适应成批大规模生产需求。该机床运用的数控技术使机床的调整操作简单方便，生产效率比机械式机床提高了2-3倍。该产品填补了国内空白，达到了国际先进水平。另外小模数、小直径的弧齿锥齿轮数控铣齿机基本上实现了与国际水平相当。长沙铁道学院研制成功的YK2212数控螺旋锥齿轮铣齿机，适合于加工小规格（最大模数3mm，最大工件直径125mm，最大齿面宽15mm）螺旋锥齿轮，最大铣刀盘直径3.5英寸（89mm）。秦川机床集团公司与西安交通大学联合研制的YH2240数控螺旋锥齿轮铣齿机，通过6轴联动数字控制器实现自由成形加工，能加工出各种齿制的空间任意齿面，取代了传统机械型螺旋锥齿轮铣齿机复杂的传动链和繁琐费时的调整试切。该机床的特点是引入了加工中心概念，3个铣刀盘安装在一个旋转刀库上，工件在一次装夹中就可以完成粗精加工。因此这种铣齿机也可称之为锥齿轮加工中心。

§1.1.2国外数控弧齿锥齿轮铣齿机发展现状

美国GLEASON公司率先推出凤凰系列数控螺旋锥齿轮铣齿机，开始了

螺旋锥齿轮加工机床的重大革新。GLEASON公司的这类数控铣齿机取消了传统机床所有的机械传动链和调整环节，大大简化了机床结构，而机床刚性

却显著提高。这类全数控螺旋锥齿轮加工机床实际上是一种5轴联动的万能机床，可加工各种齿制的螺旋锥齿轮齿面，除了更换刀盘和夹具、工件外，整个加工过程都是自动的，加工精度比传统机床可提高1～2级，而且重复精度好。瑞士OERLIKON（奥立康）新开发出来一台数控螺旋锥齿轮铣齿机C28，6轴5联动。这种铣齿机的最大特点是可实现干切削。刀盘主轴箱滑鞍安装在倾斜床身导轨上，切屑可自由落入其下方的排屑槽由排屑器及时排除. C28的加工精度相当高，达5～6级（DIN标准）。

§1.2 研究的目的与意义

弧齿锥齿轮是机械上的关键零件，因其重合度高、传动平稳、噪声低广

泛应用于汽车、拖拉机、工程机械、工业缝纫机、电动工具、机床等机械设备中。因此提高弧齿锥齿轮的制造技术有利于提高我国机械装备技术水平，其发展好坏密切关系着我国机械工业的发展。如果能有先进的弧齿锥齿轮制造技术，我国的机械工业将快速发展。长期以来，国际上首先研发出来的美国格里森公司在技术上对我国封锁，而且严禁向我国出口此类机床，进入九十年代国内市场又被美国、瑞士、德国垄断。因此，我国把弧齿锥齿轮数控铣齿机科研开发做为重要的项目实施科研开发。

数控弧齿锥齿轮铣齿机是一种涉及多学科（自动控制、计算机技术、数

学、齿轮啮合原理、机械设计与制造技术等）的高科技产品。不管是“格里森”齿制还是“奥利康”齿制弧齿锥齿轮，其齿面轮廓都是复杂的空间曲面，要通过刀具于工件的相对运动加工出复杂的曲面是相当困难的。机械型弧齿锥齿轮铣齿机是通过复杂的传动系统来实现刀具于工件的空间运动关系，由于传动链太长，增加了系统的不稳定性，齿轮的精度也就不容易保证。而数控型是依赖计算机技术能使软硬件相结合来实现刀具与工件的空间运动关系，可以减少传动系统复杂带来的误差，再加上现代计算机技术的高度发展可以实现很精确的空间运动。另外，市场对齿轮规格的多样化需求越来越大，而数控铣齿机的柔性更好。所以，数控弧齿锥齿轮铣齿机的研究是有利于我国机械工业的发展，也是机械精密加工的代表。作为即将毕业的一名大学生，应该以提高我们对该行业的认识，增加我们在这方面的知识，从而更好的为社会服务，更好地提高我们在这一领域的竞争力。

§1.3 机械式与数控弧齿锥齿轮铣齿机加工原理

不论数控式还是机械式机床，它们要实现的功能是一样的，就是加工出

弧齿锥齿轮。下面以机械式为例介绍弧齿锥齿轮的加工原理：

对于收缩齿弧齿锥齿轮的加工，通常采用平顶齿轮原理进行加工。就是在切齿的过程中，假想有一个平顶齿轮与机床摇台同心，它通过机床摇台的转动而与被切齿轮做无隙的啮合。这个假想平顶齿轮的轮齿表面，是由安装在机床摇台上的铣刀盘刀片切削刃的相对于摇台运动的轨迹表面所代替。在这个运动过程中，代表假想平顶齿轮轮齿的刀片切削刃就在被切齿轮的轮坯上逐渐地切出齿形。数控式也一样要完成这样的功能。加工原理图如图1.1：

图1.3.1

数控式与机械式的区别在于实现上述功能的过程方法不同，机械式是通

复杂的传动系统控制摇台来实现模拟假想齿轮的运动。而数控式则不同，是通过数字技术控制几个轴一起联动实现模拟假想齿轮的运动。机械式由于传

动链长而复杂，增加了制造时保证精度的困难、也是加工过程中误差的保证

过于困难，还使系统的不稳定性增加了许多。数控式以数控技术代替复杂的传动系统，使用简单的传动就可以实现应有的功能，主要通过滚珠丝杠和滑台的使用实现几个轴的联动。其传动链短，使系统减少了传动过程中的误差积累，同时也相应地增加了系统的刚度，使系统的制造装配更加简单、系统更加稳、相对加工出来的齿轮精度更高。

§1.4弧齿锥齿轮的切齿方法

弧齿锥齿轮的单齿切削方法分为成形法和展成法两大类。

§1.4.1成形法

用成形法加工的大齿轮齿廓与刀具切削刃的形状一样。

渐开线齿廓的曲率和它的基圆大小有关，基圆越大、齿廓曲率就越小，渐开线就直些；当基圆足够大时，渐开线就接近于直线。而齿轮的基圆大小是由模数m、齿数z和压力角 的余弦大小来决定的。模数和压力角一定时，齿数愈多，基圆直径就越大，相应的齿廓曲率越小，也就是齿廓越接近于直线。对于螺旋锥齿轮，传动比也是影响因素之一，当传动比大一些时，大轮的齿廓就更直一些。

小轮齿数(z1)一定时，传动比越大，大轮齿数也就越多，这时大轮的

当量圆柱齿轮的基圆直径也越大，其齿廓接近于直线形，采用成形加工比较方便．

当锥齿轮传动比大于2.5时，大轮的节锥角往往在700以上，大轮就可采用成形加工。同时，为了保证其正确啮合，相配小轮的齿廓应加以相应的修正，用展成法加工，这种组合切齿方法叫半滚切法或成形法。

此法生产效率较高，适于大批量生产。

螺旋成形法是半滚切法的特殊形式。在专用机床上，用特殊的圆拉刀盘，精加工传动比大于2.5齿轮副中的大轮，齿廓是直线形的。如图1.3。切齿时，刀盘安装轴线垂直于被切齿轮的面锥母线，刀盘除具有圆周方向的旋转运动外，还沿其自身轴向作往复运动，每个刀片通过齿槽的同时，刀盘轴向往复一次，而使刀齿顶刃始终沿着被切齿轮齿根切削。由于大齿轮的顶锥母线与小齿轮的根锥母线平行，所以大轮圆盘拉刀与小轮铣刀盘

的轴线平行。

图1.4.1 成形法刀盘位置图

图1.4.2 螺旋成形法刀盘位置图

螺旋成形法切出的轮齿纵向曲面是一个有规则的、可展的和同向弯曲

的渐开螺旋面，它得到的是收缩齿。采用螺旋成型法加工的大、小齿轮，不仅在齿宽中点处，而且在齿宽任意一点处，相啮合的凸凹面的压力角都相等，这样就提高了大小齿轮的啮合质量，并且对载荷变化、安装误差不敏感。载荷增加时，接触区长度不变，其位置移向大端。螺旋成形法是当前弧齿锥齿轮和双曲线齿轮切齿方法中较完善的一种，但由于螺旋成形法拉齿设备调整较复杂，目前实际生产中并没有大规模应用。

§1.4.2 展成法(滚切法)

展成法是被切齿轮与旋转着的铣刀盘(摇台)按照一

定的比例关系进行滚切运动，加工出来的齿廓是渐开线

形的，它是由刀片切削刃顺序位置的包络线形成的，如

图15-5所示,切削时，先切一面(如图的上侧面)的齿顶和

另一面(如图的下侧面)的齿根：在滚切过程中，逐渐移向

上侧面的齿根和下侧面的齿顶，最后脱离切削，如同一对

轮齿的啮合运动一样．

第2章 数控机床的总体结构

§2.1各种铣齿机总体布局

机械式（摇台式）机床结构如图2.1。

图2.1 摇台式机床

一般数控式机床结构如图2,.2：

图2.2 数控机床

在魏老师的指导下，在对上述数控机床的结充分了解的情况下，综合机

械式和数控式的结构特点，对数控机床刀轴箱部分进行了改进设计，其刀轴箱部分原理图如图2.3

图2.3 毕业设计总装图

§2.1.1数控机床机械结构的组成

数控机床的机械结构主要有以下几部分组成：

一、 主传动系统 它包括动力源、传动件及主运动执行件（主轴）等，

其功能是将驱动装置的运动及动力传给执行件，以实现主切削运动。

二、 进给传动系统 它包括动力源、传动件及进给运动执行件（工作台、

刀架）等，其功用是将伺服驱动装置的运动与动力传给执行件，以实现进给

切削运动。

三、 基础支撑件 它使之床身、立柱、导轨、滑台、工作台等，它支撑

机床的各主要部件，并使它们在静止或运动中保持相对正确的位置[3,4]。

§ 2.2机械结构要求

一 高刚度 机床刚度是指机床抵抗由切削力和其它力引起变形的能力。

有标准规定数控机床的刚度应比类似的普通机床高50％。本结构通过较粗的丝杠、立柱肋板来保证较高的强度。

二 高抗振性 强迫振动和自激振动是机床工作时可能产生的两种形式

的振动。机床的抗振性指的是抵抗这两种震动的能力。本结构通过高精度以及采用优良的伺服电机来保证震动稳定性。

三 高的低速运动平稳性 数控机床各坐标轴低速进给运动的平稳性极

大的影响到零件的加工精度。数控机床的脉冲当量很小，一般为0.01～0.001mm。当低速时运动的不平稳现象称为爬行。本结构采用滚动导轨可以减少爬行。

第3章 设计校核

§3.1刀盘轴系的设计校核

加工能力为直径50mm到300mm弧齿锥齿轮，根据刀盘的内径及同类

设计设计其结构如图3.1.1：

图3.1.1 主轴的结构

为了满足加工要求，特在法兰盘上加工两个凸台，分别用来安装不同内

径的刀盘，以满足加工不同尺寸弧齿锥齿轮的要求。

主切削力计算主切削力:

0.86

e0.72ff 0.86Fc CFaadtapz （1）

≈68×1×1×500×1≈4000N

取

Fx=Fy=2500N , (2)

取轴向进给力：

Fa=3000N

轴的扭转强度条件为：