(完整版)机械类毕业设计

本科毕业论文（设计）X6132型万能升降台铣床长齿条铣削功能扩展的设计

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2013 1*00**

专业名称机械设计制造及其自动化申请学士学位所属学科工科

指导教师姓名、职称（教授）

20 年月日

摘要

长齿条由于尺寸太长而无法在通用设备上加工 ,通过对X6132型万能升降台铣床简易改进，使改装有铣齿装置的X6132型铣床可同时加工几根齿条 ;目前万能升降台铣床仅是一种通用金属切削机床。机床的主轴锥孔可直接或通过附件安装各种圆柱铣刀、成型铣刀、端面铣刀、角度铣刀等刀具，适用于加工各种零部件的平面、斜面、沟槽、孔等，是机械制造、模具、仪器、仪表、汽车、摩托车等行业的理想加工设备。但是缺点主要是机床主轴纵向方式连接，某些有需要横向加工的工件无法加工。机床设计本身没有多少缺点，为了增加铣床的铣削范围和工件的总类，需要再原有基础加工方式上扩展，多样化卧式铣床的功能加工种类。目前以后许多关于改方面功能扩展的研究，但还没有系统化，大规模推广，仅是个别用户针对自身所需所进行的扩展应用。因此，为完善铣床的切削功能，系统化扩展功能标准，推动铣床效益化的应用有着巨大发展空间，为了改进X6132型万能升降台铣床的结构性能和降低制造成本，本文主要对X6132型万能升降台铣床结构进行了设计,并对该机构的个重要部件的结构、强度和刚度进行了设计分析和计算,使此简易机构在结构上更加合理,降低了材料和能源消耗,提高了生产率。设计主要结合现有的设计理念，在符合设计要求的前提下，设计时洗头的整体上主要采用了钢板焊接闭式结构，这种结构制造方便无需大型加工设备，并且，选材主要使用了45钢等常用材料，使用钢板焊接的加工工艺，因而，生产工艺性较好，一般

机械厂均能制造。设计中主要使用了CAD、Pro\E等工程制图软件，使用了Pro\E软件进行受力分析。

关键词：长齿条，铣刀，结构设计，受力分析

Abstract

The multi-layered plywood, the shaving board, building board and so on density fiberboard major installations. At present the equipment factory production's cost, this article mainly the design to five side thrust type the project analysis and calculates, causes the carrier to be more reasonable in the structure, reduced the material and the energy consumption, raised the productivity. The design main union existing design idea, in conforms to under the design requirements premise, in the design in press's rack whole commonly used material, uses processing craft which the steel plate welds, thus, the production technology capability is good, generally the machine shop can make. In the design , used the software Pro \ E to carry on the stress analysis.

Key words: lateral pressure type, thermal-pressing machine, structural design, stress analysis

1.引言

长齿条是现代各种机床的主要部件之一。它的生产能力和制造精度决定了现代工业的生产能力，而长齿条由于尺寸太长而无法在通用设备上加工限制了它的生产水平，这也在很大程度上决定了机床产品的质量。长齿条生产的发展与制造技术水平的进步息息相关。人造板行业的发展对热压机生产提出了更高的要求，而更先进水平的热压机的出现则又极大地促进了人造板行业的发展。

目前, 虽没有专门的长齿条加工的通用设备, 但我们通过对通用设备的改造、革新后, 照样可以生产出满足加工精度要求的长齿条.

大量的齿条加工，一般都由专用设备生产制造，或设计制作专用分度机构来解决加工难题，也有设计专用分度机构在铣床上加工的。但是如果数量少，也完全可以利用铣床上原有附件，立铣头、分度头等进行齿条加工的等等，形式多样。

根据零件属于小模数齿条, 若采用指状铣刀铣削, 由于提高刀具强度和刀刃开齿均有一定的难度, 为此籍在立铣头上装一刀杆, 刀杆上装一把夹角为20o的特制单角盘形齿条铣刀, 扳动铣头, 使刀杆倾斜, 采用盘形齿条

铣刀切削的方式,

该分度机构结构简单, 一般工厂都可采用, 特别适用于小模数长齿条的加工, 至于大模数齿条, 则可采用指状铣刀加工, 以减轻操作者的劳动强度, 该分度机构还可避免由于看错刻度而产生的废品。综上所述, 这种利用专用夹具, 扩大机床的加工范围, 不仅能解决小批量生产条件下, 机床品种不足的矛盾, 而且能充分发挥机床的潜力, 节约设备投资, 保证生产任务的按期完成。

本次设计在借鉴以往前人的实际设计经验和部分参数结构的前提下重点对其下铣头的结构进行了可行改进设计，使用了CAD、Proe等工程制图软件对该机器进行结构设计、绘制和分析。在指导教师的指导下以及同组同学的共同研讨下基本达到了预期目标。齿轮、齿条是非常重要的传动部件，被广泛地应用于机械、航空、仪表等行业。齿轮传动与带、链、摩擦、液压等其他机械传动形式相比，具有传动精度和效率高、传动平稳、承载能力高、功率范围大、可靠性好、结构紧凑、成本低和使用寿命长等特点。因此应用非常广泛，成为多数机械产品不可或缺的传动部件。由于齿条和齿轮是机械产品的重要基础零件，其质量、性能、寿命直接影响到整机的技术经济指标。

齿轮及齿条制造工艺的发展很大程度上表现在精度等级的提高和生产效率的提高上。迄今，国内外广为采用的主要切齿方法仍是滚、插、剃、磨等传统的切齿方法。齿轮加工方法根据原理可分为成形法

和范成法。工业中最常用的是范成法，主要是插齿和滚齿。它们都是根据齿轮啮合原理进行加工的。本文主要讨论大尺寸齿条的加工方法[1]。

1.3 超长齿条的机加工方法国内外发展现状

1.3.1 国外超长齿条的加工方法

国外加工大尺寸齿条早期都是采用各种机床加工的方法。最早在刨床上加工，然后逐渐发展为铣床加工，也有车床和磨床加工，都是采取改造的方法以实现齿条加工，使用各种附加机构实现对齿条精度的控制，在很长一段时间内都没有实现数控。因为与其他数控机床相比，齿轮及齿条数控加工技术复杂，所以起步较晚。在20世纪80年代以后，国外开始出现商品化的全功能数控齿条加工机床，并小批量的推向市场。近年来，由于微电子技术的迅速发展和以现代控制理论为基础的高精度、高速响应交流伺服系统的出现，为齿条数控加工系统的发展提供了良好的条件和机遇。高水平的全数控CNC齿条加工机床已成为国外齿条加工的主流。比如美、日、欧都生产大量的数控插齿机，并对我国实施技术封锁，很多国内的齿条生产企业不得不高价购买进口插齿机进行生产。

90年代以来，数控火焰精密切割成型技术迅速发展，这是一种节约能源、降低消耗、提高效率的新技术、新工艺，是先进切割技术中的重要组成部分。正是因为数控火焰切割技术具有以上的特点，国外已有使用这种技术进行超长齿条加工的。对于大模数、高合金材料、大厚度的齿轮齿条，数控火焰切割具有很大的优势，但对于表面精度

要求较高的齿条需要二次修磨。

1.3.2 国内超长齿条的加工方法

国内在齿条加工领域技术要落后于国外。加工方法也相对落后。如果要生产的齿条数量不大，精度不是很高时，基本上不采用专用机床加工，而是采取对现有设备改造的方法。改造现有的刨床、铣床，再增加附加机构，利用附加机构来保证分齿精度。与之类似的还有改造车床进行齿条加工的方法。这些方法都有一些共同点：1，不引进新设备，而是对旧设备进行改造。生产的批量不大。

2，加工精度不高，仅仅能满足单独的设计要求，不能满足市场对高精度齿条的需求。

3，加工效率不高。

20世纪70年代，我国开始了数控齿轮齿条加工机床的研究。国内的主要研究生产单位有：上海机床厂、重庆机床厂、秦川发展集团、南京第二机床厂、天津第一机床厂等。国内的数控机床起步较晚，但发展很快，然而所配备的数控系统还都是国外的。国内从事齿条数控技术系统研究的有合肥工业大学、华中科技大学、甘肃大学等。2005年，宜昌长机科技股份有限公司设计生产的YK58200数控大型齿条插齿机进通过了湖北省宜昌市科技局的鉴定。成为了国内走在前列的数控齿条生产单位。

1.4 齿条加工技术的发展趋势可扩展……

齿轮加工技术的发展是在不断追求加工精度的提高和加工效率的提高上，具体表现在以下几个方面：

1，数控化

目前国内大部分还在采用传统的加工方法，效率低下，精度不高。

而数控化

既可以提高加工精度又可以提高加工效率，数控齿轮齿条加工机床大有取代传统齿轮齿条加工机床的趋势。

2，智能化

可根据机床的应力应变和温升情况，动态调节机床切削的工艺参数，即切削

用量，保证工件的加工精度和机床的切削效率。

3，高速化

对于小模数齿轮齿条，由于高性能齿轮齿条机床的问世，加上刀具性能的改

善，切削速度有了很大的提升。滚齿机切削速度可达90ms；插齿机的冲程数可

达2000次分。在磨齿方面，卡谱公司研制的磨床，砂轮转速达60000rmin，线速度达250ms。

4，高精度

由于计算技术的迅速发展和插补算法的不断改进，数控系统的数据处理和曲

线拟合精度可以达到很高，前馈控制、非线性控制、模糊控制、神经网络控制等多种智能控制方式的采用，极大地改善了伺服系统的跟踪响应特性，从而提高了齿轮的加工精度。伺服系统的脉冲当量的进一步减小，机械传动链进一步被缩短或完全被取代，以及刀具磨损的自

动补偿功能和误差补偿功能的应用，也使得齿轮齿条的加工精度在很大程度上得到了提高。自20世纪70年代以来各种齿轮齿条的制造精度，普遍提高一级左右，有的甚至二至三级。

5，集成化

齿轮齿条机床，特别是大型机床，有集多种工艺于一体的趋势。如德国胡尔

特（HURTH）公司的WF3500滚齿机，将滚齿、插齿、磨齿和齿轮检测于一体，只需更换切削头，就可实现相应的齿轮加工功能。同时还可以对加工过程中的齿轮进行检测，以决定加工用量。

6，环保化

如干切削工艺的采用，由于无切削液，避免了油液污染空气和环境，符合环

保要求，同时工件不受油污污染，工件干净，属于无污染的新工艺，且可节省大量的能量，也符合环保的要求。

7，新工艺的不断涌现

8，满足齿轮齿条加工专业化、个性化的要求

主要表现在两个方面：一，操作界面友善。基于Windows的图形化操作界面

为齿轮齿条加工时大量的参数输入提供了友善的界面，并能以齿轮齿条加工工艺数据库为依托，提供在线帮助，或提供优化的工艺参数。二，具有丰富的自动编程功能，能根据操作界面所提供的数据自动生成数控代码，供数控系统驱动伺服系统工作。

1.5 本文研究的主要内容

本文研究了目前已有的各种加工方法，对它们进行阐述。主要分析的加工方法有：刨削加工、铣削加工、车削加工、插齿机加工、数控火焰切割加工，综合分析每种加工方法的优缺点，生产成本，加工效率，适用范围，发展前景等。由国内已有的电火花线切割加工齿条刀具入手，研究电火花线切割加工。将各种加工方法最后进行横向对比，研究一种新型实用的大型齿条加工方法，并研究此种加工方法在不同长度，不同模数的齿条加工的变形情况，及其对加工精度的影响。并对这种加工机床的控制进行前瞻性的设计。可扩展……

1.2改进装置的特点

该分度机构结构简单, 一般工厂都可采用, 特别适用于小模数长齿条的加工, 至于大模数齿条, 则可采用指状铣刀加工, 以减轻操作者

的劳动强度, 该分度机构还可避免由于看错刻度而产生的废品。综上所述, 这种利用专用夹具, 扩大机床的加工范围, 不仅能解决小批量

生产条件下, 机床品种不足的矛盾, 而且能充分发挥机床的潜力, 节

约设备投资, 保证生产任务的按期完成。

此铣头装置除整个结构布局合理、紧凑、外形美观、精密度高外，还具有以下特点：结构简单，易于维修，操作简单。

2.铣头的结构设计

铣头改进装置的整机设计采用了框架式结构，整体使用燕尾槽结构的铣头通过一对直齿圆锥齿轮和一对直齿圆柱齿轮将运动传递至铣

刀上，根据加工的长齿条具体的参数和材料，选择转速和背吃刀量的参数。

整机结构见下图：

图2-1 铣头的结构

其中铣头的主要技术参数为：

直齿圆锥齿轮传动比：1.28（将层层热压板向上顶起且保证压机工作时板坯不发生翘曲，泄压时靠压机自重下降）

直齿圆柱齿轮传动比：1（将板坯侧向加紧）

铣头主要尺寸：2550*1370*42mm

推力球轴承的型号及主要参数：100mm

详细尺寸结构参考零件图：BYSJ-01。

2.1框架结构

最上部为上燕尾槽接口，为加强强度且是其与铣床的悬臂梁紧密接触，燕尾槽的两端需要开两个U型槽，其宽度为5㎜，这样在两端在传入一根螺杆，用来加紧铣头使其能紧密的于铣床的悬梁接触。每个热压板间距离是100mm。侧压缸在同一侧，与侧压板连接。止推板在另一侧，厚度均为10mm。热压板通过方形钢管和阶梯形挡块定位。为了方便热压机在工作时热压板上升过程中位置的找正，将梯形挡块开有45度倒角，以便起到引导作用。为了使两个侧压缸推力相同以及下托板在上升过程中的平稳，使用齿轮齿条机构进行调节。第六块热压板直接焊接于下托板上，它与下托板之间同样有一厚度为10mm钢板加强其强度。柱塞缸与焊接在底座上的法兰通过螺栓连接在一起，使用厚度为14mm的钢板。四个柱塞缸通过两组齿轮齿条控制同步压力。立柱采用H钢，型号为28a。

2.2柱塞结构

该结构主要有两部分组成柱塞和柱塞缸，两者的结构分别表示如下图示：

图2.1柱塞结构

柱塞缸主要采用14mm的钢板卷筒焊接而成，其结构简单制造方便。将该结构安装在下横梁上，并通过一块14mm厚的钢板与之焊接为一体。钢板上安装法兰以实现工作要求。

2.3上托板结构

为了考虑材料和该结构的受力特点，通过对不同结构形式的托板受力分析，选择受力最小且受力最为合理的结构，其结构设计为两边带有加强肋，中部为正方形结构且加强肋在其对角线上。

结构示意图如下所示：

图2.3 上托板结构

详细尺寸结构参考零件图BYSJ-02。

2.4下托板结构

下托板是该机器的主要受力部件之一，为了使受力均匀和节省材料从而降低生产成本，在参考了以往的设计经验并通过对不同结构形式的托板进行受力分析，最终选择了受力最小且受力最为合理的结构，其结构设计为将托板均匀分成四部分，每部分的加强肋设计在其对角线上，连接柱塞法兰的结构设计在该肋板的几何中心上。

结构如下图所示：

图2.4下托板结构

详细尺寸结构参考零件图：BYSJ-03。

2.5平衡机构简要设计

2.5.1工作原理

由于液压系统在工作时，对柱塞缸的压力油供应不均匀，而使下托板以及侧压板在工作时不平衡。为了使液压缸柱塞将下托板顶起工作时下托板平衡的上升，及侧压板工作时平衡的对板坯进行加紧而设计了该平衡机构。它主要由齿轮齿条机构来保证，将两个相同的齿轮安装在同一根轴上，将齿条与下托板相连。在侧压板上的平衡机构的结构于此相同，在此仅以下托板处的平衡机构的结构为例加以说明。

具体结构如下图所示：

图2.5平衡机构（齿轮齿条机构）

参考了机械设计齿轮设计例题分析，由于该压机的工作压力最大为90吨，所以平衡机构中齿轮转速不高，受力不是太大的特点，可将齿轮精度等级确定材料选为45钢（调质）硬度为240HBS ，两者材料硬度差为40HBS ，符合了设计的基本要求。现将其主要的设计过程简要叙述如下：

1)初选齿轮齿数为=24，齿数比u=4；

2)主要公式：接触疲劳许用应力

分度圆直径：[]2

E 3H Z 12.32=64.32mm t d K u d u φδ??+≥? ? ???

[]lim 522.5HN H a K MP s

δδ== T=Fd2=11250。

其中F 为液压缸工作参数90t ；d 为平衡轴直径；有机械设计表10-6查得材料的弹性影响系数=189.8,有图10-21d 按齿面硬度查齿轮的接触疲劳强度极限=600；

由图10-19去接触疲劳寿命系数=0.95。

3)按齿根弯曲强度设计时=0.93mm

由图10-20c 查得齿轮的弯曲疲劳强度极限=500,查图10-18取弯曲疲劳寿命系数=0.85,取弯曲疲劳安全系数S=1.4，

故而 =303.6，

载荷系数

查表10-5查得

。

齿轮的接触疲劳强度决定了承载能，它仅与齿轮的直径有关，为同时考虑制造及安装方便，可将该齿轮的模数适当放大，取为m=2.5，这样设计的齿轮齿条传动既能满足齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到了结构紧凑便于生产制造。

齿轮的主要设计参数：

材料：40Cr （调质）

精度等级：IT7

模数：2.5

压力角：20°

齿槽宽：3.93 mm

齿顶高：2.5 mm

齿根高：68.76 mm

齿高：5.62 mm

齿厚：3.93 mm

齿根圆半径：64.38 mm

具体尺寸参阅零件图：BYSJ-04。

2.5.2齿条的设计

根据齿条的特性及该机构的特点，其设计参数有：材料：45钢（调质）

精度等级：IT7

模数：2.5

齿形角：20°

齿槽宽：3.93 mm

齿顶高：2.5 mm

齿根高：3.12 mm

齿高：5.62 mm

齿厚：3.93 mm

齿根圆半径：26.88 mm

结构示意图如下：