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編號(hào)
無(wú)錫太湖學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： MKZ84125軋輥磨床軸承
箱體翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
學(xué) 號(hào)： 0923226
學(xué)生姓名： 吳 佳
指導(dǎo)教師： 尤麗華（職稱：副教授）
（職稱： ）
2013年5月25日
I
無(wú)錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
誠(chéng) 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） MKZ84125軋輥磨床軸承箱體翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個(gè)人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級(jí)： 機(jī)械95
學(xué) 號(hào)： 0923226
作者姓名：
2013 年 5 月 25 日
無(wú)錫太湖學(xué)院
信 機(jī) 系 機(jī)械工程及自動(dòng)化 專業(yè)
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)論 文 任 務(wù) 書
一、題目及專題：
1、題目 MKZ84125軋輥磨床軸承箱體翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2、專題
二、課題來(lái)源及選題依據(jù)
本課題來(lái)自于無(wú)錫上機(jī)磨床有限公司的生產(chǎn)實(shí)際。該公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的自動(dòng)數(shù)控軋輥磨床在磨削工作輥的過(guò)程中，兩端的軸承箱體會(huì)與砂輪架發(fā)生干涉，而頻繁的裝卸軸承箱體則會(huì)使加工過(guò)程變得繁瑣。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本課題要設(shè)計(jì)一個(gè)軋輥磨床翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，在磨削工作輥時(shí)將軸承箱體翻轉(zhuǎn)90°，既避免了在加工過(guò)程中軸承箱體和砂輪架干涉，又保證了加工的效率。
三、本設(shè)計(jì)（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：
① 分析并了解機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)，熟悉機(jī)床的具體工作原理；
② 完成整機(jī)的總體布局設(shè)計(jì)，并繪制相應(yīng)的二維圖紙；
③ 完成翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，繪制相應(yīng)的二維裝配圖。
④ 完成部分零件圖設(shè)計(jì)。
四、接受任務(wù)學(xué)生：
機(jī)械95 班 姓名 吳 佳
五、開(kāi)始及完成日期：
自2012年11月12日 至2013年5月25日
六、設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)（或顧問(wèn)）：
指導(dǎo)教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學(xué)科組組長(zhǎng)研究所所長(zhǎng)〕 簽名
系主任 簽名
2011年11月12日
摘 要
自動(dòng)數(shù)控磨床是鋼材板材軋制生產(chǎn)線的重要配套設(shè)備，其磨削精度和磨削效率直接影響鋼板的軋制質(zhì)量與生產(chǎn)效率。它的作用是進(jìn)行各種性質(zhì)不同的鋼材板材磨削，主要應(yīng)用于鋼材、鋁箔和造紙行業(yè)等。然而其在磨削工作輥的過(guò)程中，兩端的軸承箱體會(huì)與砂輪架發(fā)生干涉，而頻繁的裝卸軸承箱體則會(huì)使加工過(guò)程變得繁瑣，因此設(shè)計(jì)了翻箱機(jī)構(gòu)，將工件翻轉(zhuǎn)90度。設(shè)計(jì)翻箱機(jī)構(gòu)，包括翻箱機(jī)構(gòu)的工作原理、機(jī)床各部件的組成、其操作要求和方法以及翻箱機(jī)構(gòu)技術(shù)要求進(jìn)行了概述，并詳細(xì)設(shè)計(jì)了MKZ84125軋輥磨床的翻箱機(jī)構(gòu)，其中包括法案的選擇，電機(jī)的確定以及蝸輪蝸桿與各個(gè)軸以及齒輪的選擇并畫出了機(jī)床總裝圖，翻箱機(jī)構(gòu)總裝配圖以及部分重要零件的部件圖。其設(shè)計(jì)過(guò)程主要特點(diǎn)是采用三相異步電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿以及齒輪傳動(dòng)，以達(dá)到將工件翻轉(zhuǎn)90度的效果，方便磨床加工。翻箱機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，操作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，翻轉(zhuǎn)工件效率高。
關(guān)鍵詞:翻箱機(jī)構(gòu)；三相異步電動(dòng)機(jī)；蝸輪蝸桿；齒輪傳動(dòng)
Abstract
The automatic CNC grinding machine is an important corollary equipment which rolls production line by steel and sheet metals. Its grinding accuracy and efficiency directly affect the quality of steel rolling and its production efficiency. Its role is to grind the various properties of steel and sheet metals, it mainly used in steel, aluminum foil, paper industry and etc. However, during the process of grinding, the bearing boxes of both sides will interfere with the wheel frame, and loading and unloading the bearing boxes frequently will make the process more complicated, so I designed the box turnover mechanism, it can let the workpiece rotate 90 degrees. Designing the box turnover mechanism, it consists of its working principle, the composition of each part of machine tool, its operating requirements and methods and providing an overview of technical requirements of the box turnover mechanism. What’s more, I also designed the box turnover mechanism of MKZ84125 rolling grinder. It involves the choice of the Act, the determination of motors and the selection of worms, each shaft and gears. In addition, I draw the assembly chart of machine, the general assembly chart of the box turnover mechanism and the parts diagram of some important parts. The main features of designing process are adopting the three-phase asynchronous motor to drive the worms and using the two-stage gears to drive to reach the effect which let the workpiece rotate 90 degrees. It will convenient the process. The structure of the box turnover mechanism is simple and compact. It can operate simply, maintain easily and the workpiece is efficient.
Key words: box turnover mechanism; three-phase asynchronous motor; worms; stage gears
目 錄
摘 要 III
ABSTRACT IV
目 錄 V
1 緒論 1
1.1 立題依據(jù) 1
1.2 翻箱機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 1
2 MKZ84125機(jī)床總體設(shè)計(jì) 4
2.1 機(jī)床的技術(shù)參數(shù) 4
2.2 機(jī)床總體布局設(shè)計(jì) 4
2.2.1 布局方案的選擇 4
2.2.2 各部件的布局 5
2.3 機(jī)床各部件的方案介紹 5
2.3.1 床身 5
2.3.2 頭架 6
2.3.3 尾架 6
2.3.4 砂輪主軸系統(tǒng) 7
2.3.5 砂輪架 7
2.3.6 供油系統(tǒng) 7
2.3.7 中心架 8
2.3.8 CNC測(cè)量系統(tǒng) 8
3 軸承箱體翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 9
3.1 設(shè)計(jì)的基本參數(shù) 9
3.2 翻箱方案的選擇 9
3.3 翻箱機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì) 9
3.4 電動(dòng)機(jī)的選擇 10
3.4.1 選擇電動(dòng)機(jī)類型 10
3.4.2 選擇電動(dòng)機(jī)的容量 10
3.4.3 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的確定 11
3.5 總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比的計(jì)算 12
3.6 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算 12
3.6.1 各軸轉(zhuǎn)速 12
3.6.2 各軸功率 12
3.6.3 各軸轉(zhuǎn)矩 12
3.7 傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算 13
3.7.1 聯(lián)軸器的類型的選擇 13
3.7.2 蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 13
3.7.3 第一級(jí)齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 16
3.7.4 第二級(jí)齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 19
3.8 翻箱機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
3.8.1 軸1的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 21
3.8.2 軸2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 22
3.8.3 軸3的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 23
3.8.4 翻箱機(jī)構(gòu)其余部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24
4 軸的校核 26
4.1 軸1的校核 26
4.2 軸2的校核 28
4.3 軸3的校核 30
5 結(jié)論與展望 33
5.1 結(jié)論 33
5.2 不足之處及未來(lái)展望 33
致謝 34
參考文獻(xiàn) 35
V
MKZ84125軋輥磨床軸承箱體翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
1 緒論
1.1 立題依據(jù)
該課題來(lái)自于無(wú)錫上機(jī)磨床有限公司的生產(chǎn)實(shí)際。
MKZ84125軋輥磨床它的磨削機(jī)理具有一般大型外圓磨床特點(diǎn)，但又不同于一般的外圓磨床的運(yùn)動(dòng)復(fù)雜得多，除砂輪與工件輥?zhàn)飨鄬?duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)外，還要求砂輪、工件二者作相對(duì)縱向運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，作一定的徑向相對(duì)位移，而且這個(gè)徑向位移是不同于磨削錐度的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。因此，它的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜，機(jī)床工作精度要求也較高。工作輥是在造紙廠和軋鋼廠的生產(chǎn)中用來(lái)軋制紙張和鋼板的重要部件。其工作情況如圖1.1所示。
圖1.1 軋輥磨床工作輥工作示意圖
由于工作輥在使用過(guò)程中磨損較快，平均兩到三個(gè)小時(shí)就要進(jìn)行修整磨削，否則將達(dá)不到所要求的加工精度。自動(dòng)數(shù)控軋輥磨床在磨削工作輥的過(guò)程中，兩端的軸承箱體會(huì)與砂輪架發(fā)生干涉，從而影響加工精度，而頻繁的裝卸軸承箱體則會(huì)使加工過(guò)程變得繁瑣。
現(xiàn)在有客戶提出希望上機(jī)磨床有限公司在設(shè)計(jì)軋輥磨床的同時(shí)能配上在線翻箱機(jī)構(gòu)，在磨削工作輥時(shí)將軸承箱體翻轉(zhuǎn)90°，既避免了在加工過(guò)程中軸承箱體和砂輪架干涉，又保證了加工的效率。
本課題在進(jìn)行MKZ84125自動(dòng)數(shù)控軋輥磨床整體設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)上機(jī)磨床廠給定的關(guān)于機(jī)床的尺寸參數(shù)，翻箱動(dòng)作的具體要求以及大連重工集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)的待加工工作輥的相關(guān)資料，對(duì)在MKZ84125自動(dòng)數(shù)控軋輥磨床上使用的翻箱機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決上機(jī)磨床廠和其客戶在生產(chǎn)實(shí)際中的問(wèn)題。
1.2 翻箱機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀
軋輥磨床上的翻箱機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是一個(gè)較新的課題。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于這方面的研究均較少。
現(xiàn)在有兩種翻箱機(jī)構(gòu)，連桿翻箱機(jī)構(gòu)和齒輪翻箱機(jī)構(gòu)。
連桿翻箱機(jī)構(gòu)的構(gòu)造如圖1.2所示輥軸軸承翻箱機(jī)構(gòu)。
圖1.2 連桿翻箱機(jī)構(gòu)
其特征包括機(jī)架1，擺動(dòng)油缸2，油缸2的活塞桿連接擺桿3，擺桿3通過(guò)擺桿4的連接擺桿7，擺桿7連接托塊6，擺桿3通過(guò)擺桿4連接構(gòu)件9，構(gòu)件9連接構(gòu)件10,構(gòu)件10安裝于機(jī)架1，構(gòu)件9連接托塊6，構(gòu)件9、擺桿4、構(gòu)件10、機(jī)架1和擺桿4、擺桿7、托塊6、構(gòu)件9分別構(gòu)成四連桿。5為軸承箱，8為工件床身。
其工作原理為油缸2活塞桿推動(dòng)擺桿3旋轉(zhuǎn)，擺桿3以轉(zhuǎn)軸11為支點(diǎn)帶動(dòng)擺桿4轉(zhuǎn)動(dòng)，與此同時(shí)，與擺桿4連接的構(gòu)件9以及構(gòu)件7一起轉(zhuǎn)動(dòng)，構(gòu)件9、擺桿4、油缸2、機(jī)架1構(gòu)成以機(jī)架以機(jī)架1為基體的四連桿，擺桿4、擺桿7、托塊6、構(gòu)件9構(gòu)成以構(gòu)件9為基體的四連桿，兩個(gè)四連桿同時(shí)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)托塊6以及安裝于托塊6上的軸承箱5的翻轉(zhuǎn)。通過(guò)該翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)可以方便、快捷的實(shí)現(xiàn)對(duì)軸承箱的翻轉(zhuǎn)，確保磨床對(duì)輥軸凸、凹工作面的磨削[1]。
齒輪翻箱機(jī)構(gòu)的實(shí)例為如圖1.3所示的焊接變位機(jī)。
圖1.3 焊接變位機(jī)
焊接變位機(jī)作為焊接輔助設(shè)備，與焊接操作機(jī)、焊接滾輪架并稱為焊接輔助設(shè)備中三大機(jī)。目前我國(guó)的焊接變位機(jī)制造已經(jīng)日趨完善，使用范圍也變得很廣。然而由于現(xiàn)在焊接變位機(jī)的功能很完善，因此各企業(yè)和個(gè)人對(duì)其的發(fā)展非?？春谩?
焊接變位機(jī)的構(gòu)成與應(yīng)用主要是通過(guò)工作臺(tái)的升降、回轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)使工件處于最佳焊接位置，有側(cè)翻式、頭尾式、升降式及雙回轉(zhuǎn)等多種結(jié)構(gòu)形式?？膳c焊接操作架等配套組成自動(dòng)焊接專機(jī)，還可與機(jī)器人等配套實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。同時(shí)可根據(jù)用戶的工件和工藝要求，設(shè)計(jì)定制各種特制焊接變位機(jī)。
然而焊接變位機(jī)的結(jié)構(gòu)也有多種，一是單回轉(zhuǎn)式，使用比較廣，為了適應(yīng)不同工件裝夾需要，還有三種基本型式，立式、臥式和雙座式。雙座還分尾架固定和尾架移動(dòng)兩種型式。還有一種是雙回轉(zhuǎn)式，這主要是為了適應(yīng)不同工件裝夾需要和考慮結(jié)構(gòu)受力合理，也設(shè)計(jì)有三種基本型式，L型、C型、H型。最后一種是傾翻-回轉(zhuǎn)式，其也有不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
關(guān)于焊接變位機(jī)的功能設(shè)計(jì)主要可從四個(gè)方面來(lái)解釋：
（1）普通型：回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為定速傳動(dòng)；
（2）調(diào)速型：至少有一個(gè)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)為變速傳動(dòng)；
（3）聯(lián)控型：除具有調(diào)速功能外，采用PLC和微機(jī)控制，使多機(jī)和多自由度聯(lián)動(dòng)工作；
（4）機(jī)器人配套型：作為機(jī)器人外部軸使用或參加焊接；或僅做工位變換，不參加焊接。
2 MKZ84125機(jī)床總體設(shè)計(jì)
2.1 機(jī)床的技術(shù)參數(shù)
最大磨削直徑：1250mm
最大磨削長(zhǎng)度：7500mm
工件最大重量：25/35噸
2.2 機(jī)床總體布局設(shè)計(jì)
2.2.1 布局方案的選擇
由于機(jī)床的總體布局關(guān)系著機(jī)床的性能，質(zhì)量和整體的合理性，所以決定機(jī)床的布局時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：
（1）保證機(jī)床具有與所要求的加工精度相適應(yīng)的剛度和抗振性。支撐部件應(yīng)力求有足夠的剛度，運(yùn)動(dòng)部件在不影響本身剛度的條件下，應(yīng)盡可能的做到體積小，重量輕。
（2）機(jī)床的布局應(yīng)盡量使傳動(dòng)鏈較短，以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高傳動(dòng)精度和效率，減少功率損失和發(fā)熱量，降低制造成本。一般有兩種形式：臥式和立式。加工圓柱形工件的車床，內(nèi)外圓磨床、螺紋磨床以及各種專門化的磨床布局，大都是臥式的。行星式內(nèi)圓磨床，加工工件孔的鉆床等是立式的。由于軋輥磨床是加工圓柱形工件的專門化機(jī)床，所以選擇臥式的布局形式。
（3）機(jī)床操作與調(diào)整要簡(jiǎn)單，裝拆與維修要方便，排屑與冷卻要流暢，連鎖與防護(hù)要安全可靠。在考慮機(jī)床布局時(shí)必須重視減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件和勞動(dòng)環(huán)境，如操作手柄位置高低適當(dāng)，盡量集中，應(yīng)考慮吸塵、冷卻液的過(guò)濾和調(diào)換方便等問(wèn)題。
（4）機(jī)床的外型輪廓應(yīng)美觀，協(xié)調(diào)大方。
機(jī)床總體布局設(shè)計(jì)的一般步驟是，先根據(jù)工藝分析分配機(jī)床部件的運(yùn)動(dòng)，選擇傳動(dòng)形式和支承形式，從磨床的運(yùn)動(dòng)布局來(lái)看，有以下兩種方案：
方案一：工件在工作臺(tái)上作縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)
該方案對(duì)于重量較大的工件，作縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)容易使床身變形，降低動(dòng)態(tài)剛度，直接影響了工件的加工精度。在這種方案下工件床身的長(zhǎng)度為：
（1.1）
式（1.1）說(shuō)明了往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)床身長(zhǎng)度與頭架、尾架、工件之間的關(guān)系。
對(duì)于所要加工長(zhǎng)度較短工件的機(jī)床，按此種方案設(shè)計(jì)。
方案二：砂輪架隨拖板作縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
該方案中工件不需要做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。工件床身的長(zhǎng)度為：
（1.2）
式（1.2）說(shuō)明了不做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)床身長(zhǎng)度與頭架、尾架、工件之間的關(guān)系。
按此種方案設(shè)計(jì)，工件床身的長(zhǎng)度可以比第一種方案短一個(gè)工件的長(zhǎng)度，當(dāng)工件越長(zhǎng)，這個(gè)效果越顯著，能有效的減少機(jī)床長(zhǎng)度。這種方案也存在一些缺點(diǎn)，由于砂輪床身面積加大，相應(yīng)的增加了床身的重量，縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的關(guān)系也相對(duì)復(fù)雜了[2]。
由于MKZ84125的最大磨削重量在25/35t，磨削工件最大長(zhǎng)度為7500mm，是磨削工件重量較大，長(zhǎng)度較長(zhǎng)的情況，所以選方案二：砂輪架隨拖板作縱向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
2.2.2 各部件的布局
一臺(tái)數(shù)控自動(dòng)化軋輥磨床一般由砂輪床身、工件床身、砂輪架、頭架、中心架、尾架、CNC測(cè)量系統(tǒng)、供油系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等組成。
現(xiàn)對(duì)各部件的布局設(shè)計(jì)如下：
本機(jī)床工件床身與砂輪架床身采用分體結(jié)構(gòu)，減少因工件重量引起的加工精度變化。砂輪主軸采用高精度動(dòng)靜壓軸承（徑向和軸向），主軸精度高，剛度大。砂輪床身配備伸縮式不銹鋼防護(hù)罩，保證永不生銹。根據(jù)所需要磨削的工件的尺寸可確定砂輪架的行程和極限位置，同時(shí)結(jié)合砂輪架的尺寸，從而可確定砂輪床身的長(zhǎng)度和防護(hù)罩的長(zhǎng)度。根據(jù)砂輪需要實(shí)現(xiàn)的橫向進(jìn)給，可確定出砂輪床身的寬度和防護(hù)罩的寬度。工件床身的長(zhǎng)度確定，需要在磨床的最長(zhǎng)磨削長(zhǎng)度的前提下，考慮到工件床身上布置的頭架、尾架、中心架、軟著陸機(jī)構(gòu)、翻箱機(jī)構(gòu)等的尺寸和安裝位置，會(huì)比工件的最大磨削長(zhǎng)度長(zhǎng)一定的尺寸。
砂輪架、頭架、中心架、尾架和翻箱機(jī)構(gòu)在床身上的布置位置如圖2.1所示。
圖2.1 機(jī)床整體布局圖
為方便進(jìn)行操作和測(cè)量，CNC測(cè)量系統(tǒng)布置于砂輪架的上方，可沿導(dǎo)軌進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。
托瓦潤(rùn)滑油箱、磨頭潤(rùn)滑油箱、動(dòng)力油箱、油溫控制器和冷卻水箱等集中布置在床身的尾架側(cè)。為了機(jī)床整體布局的整潔美觀和使用方便，各根油管、水管均由床身下方的拖鏈集中連接到所需位置。
機(jī)床整體布局的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示，其中各個(gè)部分的名稱如下：
1-尾架；2-翻箱機(jī)構(gòu)；3-砂輪架；4-中心架；5-頭架；6-防護(hù)罩；7-砂輪床身；8-冷卻水箱；9-潤(rùn)滑油箱和油溫控制器；10-工件床身。
2.3 機(jī)床各部件的方案介紹
2.3.1 床身
床身采用砂輪床身與工件床身分離的結(jié)構(gòu)。床身調(diào)整墊鐵間距短，剛性強(qiáng)，床身精度不易變化。砂輪床身配備的伸縮式不銹鋼防護(hù)罩保證永不生銹，安裝在砂輪床身內(nèi)的精密滾珠絲桿，用于驅(qū)動(dòng)大拖板(Z軸）[2]。
床身如圖2.2所示。
圖2.2 床身
2.3.2 頭架
頭架由直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)皮帶傳動(dòng)，由偏心套及擺桿機(jī)構(gòu)調(diào)整皮帶松緊，由直流調(diào)速裝置無(wú)級(jí)調(diào)速。頭架潤(rùn)滑系統(tǒng)選用了油脂泵，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定時(shí)給油。當(dāng)磨削超過(guò)25噸重的工件時(shí)，頭架部份裝輔助啟動(dòng)裝置，能保證迅速達(dá)到預(yù)定轉(zhuǎn)速。
頭架如圖2.3所示。
圖2.3 頭架
2.3.3 尾架
尾架采用二層結(jié)構(gòu)，整個(gè)部件剛度要高。其移動(dòng)采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)方式，液壓自動(dòng)鎖緊。尾架配備大行程液壓套筒，頂緊力可由傳感器測(cè)定后數(shù)碼顯示。
尾架示意圖如圖2.4所示。
圖2.4 尾架
2.3.4 砂輪主軸系統(tǒng)
砂輪主軸前后徑后軸承均采用高精度動(dòng)靜壓軸承，主軸軸向采用高精度推力軸承。另外，在后軸承設(shè)計(jì)中增強(qiáng)了工作腔動(dòng)靜壓軸承的靜態(tài)壓力效果，以克服較大皮帶拉力對(duì)軸瓦造成的損傷。主軸動(dòng)靜壓軸承具有回轉(zhuǎn)精度高，穩(wěn)定性好，動(dòng)態(tài)剛性強(qiáng)，不易振動(dòng)等特點(diǎn)。
2.3.5 砂輪架
砂輪架采用大偏心套和動(dòng)靜壓軸承結(jié)構(gòu)，導(dǎo)軌采用封閉式貼塑靜壓導(dǎo)軌，主軸為分體式氮化砂輪主軸，吸振能力強(qiáng)。
砂輪主軸由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)字式調(diào)速系統(tǒng)無(wú)級(jí)調(diào)速、帶傳動(dòng)。主軸軸承采用動(dòng)靜壓軸承，皮帶拉力和砂輪切削力均作用在軸承中心，使主軸產(chǎn)生最小的撓度，剛度特別強(qiáng)，可適合于重負(fù)荷，高效率粗磨和高精度、高光潔度精磨。磨頭主軸中間裝有砂輪自動(dòng)平衡裝置，能自動(dòng)平衡砂輪[3]。
砂輪架示意圖如圖2.5所示
圖2.5 砂輪架
2.3.6 供油系統(tǒng)
該系統(tǒng)由3個(gè)潤(rùn)滑油箱和一個(gè)油溫控制箱組成。主要泵閥都選用德國(guó)力士樂(lè)公司的產(chǎn)品。
供油系統(tǒng)示意圖如圖2.6所示。
圖2.6 供油系統(tǒng)
2.3.7 中心架
中心架有頭架側(cè)中心架和尾架側(cè)中心架。中心架與自動(dòng)測(cè)量裝置一起能校準(zhǔn)工件軸線與床身導(dǎo)軌平行。托瓦伸縮有手動(dòng)或自動(dòng)調(diào)整兩種配置形式。
中心架的示意圖如圖2.7所示。
圖2.7 中心架
2.3.8 CNC測(cè)量系統(tǒng)
CNC測(cè)量系統(tǒng)用于測(cè)量工件圓度、同軸度、輥形誤差、工件直徑。與中心架配合，可用來(lái)校準(zhǔn)工件軸線與砂輪床身導(dǎo)軌的平行度，測(cè)量可在磨前、磨后和磨削中進(jìn)行，測(cè)量結(jié)果在顯示屏上顯示，可直接打印。
CNC測(cè)量系統(tǒng)的示意圖如圖2.8所示
圖2.8 CNC測(cè)量系統(tǒng)
3 軸承箱體翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 設(shè)計(jì)的基本參數(shù)
軸承箱體重量：1000kg
軸承箱體重心偏離輥?zhàn)踊剞D(zhuǎn)中心偏心距：0.7m
滿足軸承箱體不干涉所需翻轉(zhuǎn)角度：90°左右
翻轉(zhuǎn)90°所需時(shí)間：15s-20s
工作時(shí)間：15年 每年工作300天：每天磨10根工作輥
3.2 翻箱方案的選擇
第一種方案：采用平面連桿機(jī)構(gòu)。連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副一般均為低副，其運(yùn)動(dòng)副元素為面接觸、壓力較小、承載能力較大，潤(rùn)滑好，磨損小，加工制造容易。連桿機(jī)構(gòu)可通過(guò)設(shè)計(jì)滿足不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和不同形狀的運(yùn)動(dòng)軌跡，但設(shè)計(jì)過(guò)程比較繁瑣。連桿機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)路線較長(zhǎng)，容易產(chǎn)生較大的累積誤差，同時(shí)也使機(jī)械效率降低。在連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)中，連桿和滑塊所產(chǎn)生慣性力難以用一般的平衡方法加以消除，因而連桿機(jī)構(gòu)不宜用于高速運(yùn)動(dòng)，如果在本課題的翻箱機(jī)構(gòu)中使用將需要選擇減速機(jī)或者進(jìn)行減速器的設(shè)計(jì)[4]。
第二種方案：采用齒輪機(jī)構(gòu)。齒輪機(jī)構(gòu)依靠齒輪齒廓直接接觸來(lái)傳遞空間兩軸間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，在同樣的使用條件下，齒輪傳動(dòng)所需的空間尺寸一般較小，工作可靠、壽命長(zhǎng)，傳動(dòng)比穩(wěn)定。但齒輪傳動(dòng)的制造及安裝精度要求高，價(jià)格較貴，且不宜用于傳動(dòng)距離過(guò)大的場(chǎng)合[5]。
本課題的翻箱機(jī)構(gòu)是安裝在機(jī)床工件床身的導(dǎo)軌上的，由于安裝尺寸的限制，翻箱機(jī)構(gòu)體積不宜過(guò)大，并且方案一已經(jīng)申請(qǐng)了專利，故此我們選擇第二種方案，采用齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行翻箱。
3.3 翻箱機(jī)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)
在MKZ84125軋輥磨床磨削工件的過(guò)程以及該過(guò)程中翻箱機(jī)構(gòu)所實(shí)現(xiàn)的工作動(dòng)作如下：工件床身上的軟著陸機(jī)構(gòu)升起，工件由起吊裝置放置于軟著陸機(jī)構(gòu)上，軟著陸機(jī)構(gòu)下降，翻箱機(jī)構(gòu)將軸承箱體翻轉(zhuǎn)90°，托起軸承箱體的油缸升起，頭尾架各部分運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置，正式開(kāi)始磨削工件，磨削停止后頭架尾架各部分退回到預(yù)定位置，托起軸承箱體的油缸下降到起始位置，翻箱機(jī)構(gòu)將軸承箱體回轉(zhuǎn)90°，回到自然位置，工件被吊起。
根據(jù)上述要求，翻箱機(jī)構(gòu)工作時(shí)開(kāi)關(guān)控制如下：當(dāng)按下正轉(zhuǎn)啟動(dòng)按鈕，將軸承箱體由自然位置翻轉(zhuǎn)90°，到位以后觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)，停止翻轉(zhuǎn)。當(dāng)按下反轉(zhuǎn)的啟動(dòng)按鈕，軸承箱體將被回轉(zhuǎn)到自然位置，到位后觸發(fā)行程開(kāi)關(guān)，停止翻轉(zhuǎn)[6]。
翻箱機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)。由于在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中需要滿足電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)動(dòng)則翻箱機(jī)構(gòu)也需停止運(yùn)動(dòng)，所以傳動(dòng)需要滿足自鎖，故此處使用滿足自鎖條件的蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)。
由于蝸桿傳動(dòng)在高速級(jí)時(shí)傳動(dòng)效率較高，因此此處設(shè)計(jì)為使用聯(lián)軸器聯(lián)接電動(dòng)機(jī)和蝸輪蝸桿。
根據(jù)給定的機(jī)床工件床身的寬度確定出翻箱機(jī)構(gòu)的寬度在1500mm左右，翻轉(zhuǎn)導(dǎo)軌的半徑在700mm—750mm。
初步確定傳動(dòng)方按如圖3.1所示，蝸桿傳動(dòng)中采用蝸桿下置的方式，蝸桿在圖中略去未畫：
圖3.1 傳動(dòng)方案
由于齒輪3上需要設(shè)置翻轉(zhuǎn)機(jī)架，且考慮到和工件的干涉等因素，齒輪3沒(méi)有安裝在軸上，而是依靠機(jī)架上的導(dǎo)軌進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。
由于齒輪1和齒輪3各自的半徑和它們之間的中心距需要同時(shí)滿足翻箱機(jī)構(gòu)的尺寸限定和與齒輪3固連的翻轉(zhuǎn)的機(jī)架的轉(zhuǎn)速限定，所以應(yīng)考慮設(shè)置齒輪2，齒輪2用于配湊齒輪1和齒輪3的中心距。
3.4 電動(dòng)機(jī)的選擇
3.4.1 選擇電動(dòng)機(jī)類型
選擇電動(dòng)機(jī)類型時(shí)，首先考慮的是由電動(dòng)機(jī)的性能應(yīng)滿足翻箱機(jī)構(gòu)的負(fù)載要求，如啟動(dòng)性能，正反運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)速性能，過(guò)載能力等。在這個(gè)條件下，優(yōu)先選擇結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便、價(jià)格便宜的電動(dòng)機(jī)。在沒(méi)有特殊要的情況下，均應(yīng)選擇交流電動(dòng)機(jī)。故此處選擇Y系列三相異步電動(dòng)機(jī)。該電機(jī)適用于不易燃，不易爆、無(wú)腐蝕性氣體的場(chǎng)合，適用于無(wú)特殊要求的機(jī)械上，如機(jī)床、泵、風(fēng)機(jī)等[7]。
3.4.2 選擇電動(dòng)機(jī)的容量
由于標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)的容量由額定功率表示，并且所選電機(jī)的功率應(yīng)等于或稍大于工作要求的功率。
翻箱機(jī)構(gòu)所需功率應(yīng)由其工作阻力和運(yùn)動(dòng)參數(shù)求得[8]，即：
（3.1）
式（3.1）說(shuō)明了功率和阻力矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系。
式中：T——翻箱機(jī)構(gòu)的阻力矩（N·m）；
——翻轉(zhuǎn)機(jī)架的轉(zhuǎn)速(r/min)；
——翻轉(zhuǎn)機(jī)架的效率，取為0.98。
從軸承箱體自然位置翻轉(zhuǎn)到90°的過(guò)程中，翻箱機(jī)構(gòu)的阻力矩不斷增大，翻轉(zhuǎn)到90°位置時(shí)，阻力矩達(dá)到最大值，
（3.2）
式（3.2）說(shuō)明了質(zhì)量和偏離距離的關(guān)系。
式中：M——軸承箱體的質(zhì)量(kg)；
g——重力加速度()；
S——軸承箱體偏心距(m)。
取安全系數(shù)S=1.2時(shí)，則：
將翻轉(zhuǎn)90°所需要的時(shí)間暫取為18s，則翻轉(zhuǎn)機(jī)架的轉(zhuǎn)速：
因此：
由于所需電動(dòng)機(jī)功率為：
(3.3)
式（3.3）說(shuō)明了功率和總效率之間的關(guān)系。
式中：——電動(dòng)機(jī)至翻箱機(jī)架之間傳動(dòng)裝置的總效率。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》 P3 表1-7，得到各機(jī)械傳動(dòng)副效率的概略值如下[9]：
彈性聯(lián)軸器——
滾動(dòng)軸承（一對(duì)）——
單頭蝸桿——
圓柱齒輪傳動(dòng)——
齒輪3與導(dǎo)軌間摩擦的效率取：
總效率為：
故：
所以將電動(dòng)機(jī)的額定功率取為P=1.5KW。
3.4.3 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的確定
按照翻箱機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速要求和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的合理傳動(dòng)比范圍，可以推算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的可選范圍。對(duì)Y系列電動(dòng)機(jī)，通常多選用同步轉(zhuǎn)速為1500r/min或1000r/min的電動(dòng)機(jī)，如無(wú)特殊需要，不選用低于750r/min的電動(dòng)機(jī)。同時(shí)考慮到翻箱機(jī)構(gòu)需要安裝在機(jī)床的工件床身導(dǎo)軌上且有尺寸的限制，故電動(dòng)機(jī)的重量和尺寸不宜太大[10]。此處選擇電動(dòng)機(jī)的同步轉(zhuǎn)速為1500r/min。
根據(jù)以上數(shù)據(jù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》P155 表12-1，得到電機(jī)的選擇情況如下[9]：
表3-1 電機(jī)參數(shù)
電動(dòng)機(jī)型號(hào)
額定功率
kW
滿載轉(zhuǎn)速r/min
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩
最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩
Y90L-4
1.5
1400
2.2
2.2
同步轉(zhuǎn)速1500r/min，4極，質(zhì)量27kg。
3.5 總傳動(dòng)比和分配各級(jí)傳動(dòng)比的計(jì)算
傳動(dòng)裝置的總傳動(dòng)比應(yīng)為：
（3.4）
式（3.4）說(shuō)明了傳動(dòng)比與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。
式中：——電動(dòng)機(jī)滿載轉(zhuǎn)速(r/min)。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P242 表11-2，按照蝸桿傳動(dòng)滿足自鎖條件選取蝸桿傳動(dòng)的傳動(dòng)比為=62[8]。
初步確定的翻箱機(jī)構(gòu)的寬度尺寸和導(dǎo)軌部分的半徑范圍，取齒輪1和齒輪2之間的傳動(dòng)按比=5.569，齒輪2和齒輪3之間的傳動(dòng)比=4.682。
在分配各級(jí)傳動(dòng)比后計(jì)算此時(shí)的總傳動(dòng)比：
誤差在允許的范圍內(nèi)。
3.6 傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算
從電動(dòng)機(jī)到翻轉(zhuǎn)機(jī)架一共有3根軸，其轉(zhuǎn)速分別設(shè)為、和，齒輪3的轉(zhuǎn)速設(shè)為。
3.6.1 各軸轉(zhuǎn)速
3.6.2 各軸功率
3.6.3 各軸轉(zhuǎn)矩
電動(dòng)機(jī)軸的輸出轉(zhuǎn)矩：
則各軸的輸入轉(zhuǎn)矩為：
3.7 傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.7.1 聯(lián)軸器的類型的選擇
電動(dòng)機(jī)軸與蝸桿軸連接用的聯(lián)軸器，由于軸的轉(zhuǎn)速較高，為減小啟動(dòng)載荷，緩和沖擊，應(yīng)選用具有較小扎慣量和具有彈性的聯(lián)軸器，一般選用彈性可移式聯(lián)軸器，同時(shí)應(yīng)注意聯(lián)軸器軸孔的尺寸范圍是否與所連接軸的直徑大小相應(yīng)。
此處選用彈性套柱銷聯(lián)軸器，該聯(lián)軸器具有良好的綜合性能，廣泛適用于一般的中小功率傳動(dòng)[10]。
3.7.2 蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
（1）選擇蝸桿傳動(dòng)類型
根據(jù)GB/T 10085-1988的推薦，采用漸開(kāi)線蝸桿（ZI）
（2）選擇材料
考慮到蝸桿傳動(dòng)傳遞的功率不大，速度只是中等，故蝸桿用45鋼。因希望效率高些，耐磨性好些，故蝸桿螺旋齒面要求淬火，硬度為45-55HRC。蝸輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，金屬模鑄造。為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用HT100制造[5]。
（3）按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)
根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》P251 式（11-12），傳動(dòng)中心距[8]：
（3.5）
式（3.5）說(shuō)明了中心距和接觸應(yīng)力的的關(guān)系。
1）確定載荷系數(shù) K
因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)；由《機(jī)械設(shè)計(jì)》 P250 表11-5選使用系數(shù)；由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取動(dòng)載系數(shù)[8]；則
2）確定彈性影響系數(shù)
因選用的是鑄錫磷青銅和鋼蝸桿相配，故=160。
3）確定接觸系數(shù)
先假設(shè)蝸桿分度圓直徑和傳動(dòng)中心距的比值，從《機(jī)械設(shè)計(jì)》 P250 圖11-18中可查得=2.65[8]。
4）確定許用接觸應(yīng)力
根據(jù)蝸桿材料為鑄錫磷青銅，，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》 P251 表11-7，得蝸輪的基本許用應(yīng)力[8]。
壽命
應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
壽命系數(shù)：
則：
5）計(jì)算中心距
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P242表11-2，注意到滿足自鎖條件，取模數(shù)m=3.15，蝸桿分度圓直徑，由于此處的機(jī)體部分是自行設(shè)計(jì)的，對(duì)蝸桿傳動(dòng)的中心距沒(méi)有具體的要求，所以在參照表11-2選取時(shí)將變位系數(shù)取為0[8]，即
這時(shí)。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P250 圖11-18得，有，驗(yàn)算，此時(shí)應(yīng)該滿足[8]：
易知以上結(jié)果可用。
（5）蝸桿與蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸
1）蝸桿
分度圓導(dǎo)程角
軸向齒距：
直徑系數(shù)；
齒頂圓直徑：
蝸桿軸向齒厚：
2）蝸輪
蝸輪齒數(shù)；變位系數(shù)；驗(yàn)算傳動(dòng)比
符合要求。
蝸輪分度圓直徑：
蝸輪喉圓直徑：
蝸輪齒根圓直徑：
蝸輪咽喉母圓半徑：
（6）校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度：
（3.6）
式（3.6）為校核彎曲疲勞強(qiáng)度公式。
當(dāng)量齒數(shù)：
根據(jù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P253 圖11-19得齒形系數(shù)為[8]，
螺旋角系數(shù)：
許用彎曲應(yīng)力：
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P525 表11-8可得蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力為[8]，
壽命系數(shù)：
則：
故彎曲強(qiáng)度是滿足的。
（7）精度等級(jí)公差的確定
考慮到所是設(shè)計(jì)的蝸桿傳動(dòng)是動(dòng)力傳動(dòng)，屬于通用機(jī)械減速裝置，從GB/T10089-1988圓柱蝸桿蝸輪精度中選擇8級(jí)精度[11]。
3.7.3 第一級(jí)齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
按照傳動(dòng)方案選用直尺圓柱齒輪傳動(dòng)。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》P122表10-3，由于此處設(shè)計(jì)的齒輪傳動(dòng)屬于機(jī)械制造業(yè)中不要求特別精度的齒輪，故選用8級(jí)精度[9]。
選擇大小齒輪的材料均為40，并經(jīng)調(diào)質(zhì)及表面淬火，齒面硬度為48-55HRC[5]。
初選小齒輪齒數(shù)，則大齒輪齒數(shù)為
為了使各個(gè)相嚙合齒對(duì)磨損均勻，傳動(dòng)平穩(wěn)， 與一般應(yīng)為互質(zhì)數(shù)。故此處取。
（1）按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》P200 式（10-9）[8]
（3.7）
式（3.7）說(shuō)明了接觸強(qiáng)度與接觸疲勞許用應(yīng)力之間的關(guān)系。
試選 載荷系數(shù)=1.3
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P201 表10-7，由兩支承相對(duì)小齒輪做對(duì)稱布置，取齒寬系數(shù)[8]。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P198 表10-6得材料的彈性影響系數(shù) [8]。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P207 圖10-21e按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為 =1100MPa；大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限為 [8]。
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》P202 式10-13計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為，小齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
大齒輪的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P203 圖10-19 得接觸疲勞壽命系數(shù)[8]：
計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力，取失效概率為1%，安全系數(shù)為 S=1 ，則由《機(jī)械設(shè)計(jì)》P202 式10-12，
計(jì)算小齒輪分度圓直徑，帶入中較小的值：
計(jì)算圓周速度：
計(jì)算齒寬b：
計(jì)算齒寬與齒高之比：
計(jì)算載荷系數(shù) K，由，8級(jí)精度，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P192 圖10-8得動(dòng)載系數(shù)。由直齒輪，假設(shè)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P139 表10-3得：
硬齒面齒輪，6級(jí)精度，小齒輪相對(duì)軸承對(duì)稱布置時(shí)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P194 表10-4得，時(shí)：
考慮此處設(shè)計(jì)的齒輪是8級(jí)精度，故取。
由，查得。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P190 表10-2 ，由原動(dòng)機(jī)為電動(dòng)機(jī)，載荷狀態(tài)均勻平穩(wěn)得[8]。
所以載荷系數(shù)：
按實(shí)際載荷系數(shù)校正所算得的分度圓直徑：
計(jì)算模數(shù)：
（2）按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)
（3.8）
式（3.7）說(shuō)明了彎曲強(qiáng)度與彎曲疲勞許用應(yīng)力的關(guān)系。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P205 圖10-20d得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限[8]。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P202 圖10-18得彎曲疲勞壽命系數(shù) ；[8]。
計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力，取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4；則
計(jì)算載荷系數(shù)：
查取齒形系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》P197 表10-5得齒形系數(shù)； [8]。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P197 表10-5得應(yīng)力校正系數(shù)； [8]。
計(jì)算大、小齒輪的，并加以比較，
小齒輪的數(shù)值大。
（3）設(shè)計(jì)計(jì)算
由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑（即模數(shù)于齒數(shù)的乘積）有關(guān)，所以此處將模數(shù)圓整為m=3，此時(shí)有
這樣設(shè)計(jì)出的齒輪傳動(dòng)，即滿足了齒面接觸疲勞強(qiáng)度，又滿足了齒根彎曲疲勞強(qiáng)度。
（4）幾何尺寸計(jì)算
計(jì)算分度圓：
計(jì)算中心距：
計(jì)算齒輪寬度：
為防止大小齒輪因裝配誤差產(chǎn)生軸象錯(cuò)位時(shí)導(dǎo)致嚙合齒寬減小而增大齒輪的工作載荷，所以將小齒輪的齒寬在此基礎(chǔ)上加寬5mm，即取為
，
驗(yàn)算：
，合適
3.7.4 第二級(jí)齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
由漸開(kāi)線直齒圓柱齒輪傳動(dòng)的正確嚙合條件：兩齒輪的模數(shù)和壓力角必須分別相等。因?yàn)辇X輪3是和齒輪2相嚙合的，故其模數(shù)m=3。精度等級(jí)同樣取為8級(jí)。為防止大小齒輪因裝配誤差產(chǎn)生軸向錯(cuò)位時(shí)導(dǎo)致嚙合齒寬減小而增大齒輪的工作載荷，所以將齒輪3的齒寬在齒輪2的基礎(chǔ)上減小5mm,即取為
這里將對(duì)齒輪2和齒輪3之間的齒輪傳動(dòng)進(jìn)行校核。
由于齒輪3的尺寸較大，在齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)將采用鑄造齒輪，所以材料選為ZG42SiMn，經(jīng)表面淬火，齒面硬度為45-53HRC[5]。
由齒輪2齒數(shù)，則齒輪3的齒數(shù)為
將齒數(shù)圓整為。
此時(shí)齒輪3的分度圓直徑，則導(dǎo)軌半徑的尺寸相比較之前的總體方按設(shè)計(jì)時(shí)較大?？紤]到設(shè)計(jì)所要求的翻轉(zhuǎn)支架翻轉(zhuǎn) 的時(shí)間可在一定的范圍內(nèi)調(diào)整，故可適當(dāng)減小齒3的齒數(shù)。通過(guò)嘗試，取，此時(shí)齒輪3的分度圓直徑，相對(duì)之前整體方案設(shè)計(jì)時(shí)所確定的翻轉(zhuǎn)導(dǎo)軌的半徑在700mm—750mm左右相適應(yīng)，且與為互質(zhì)數(shù)，可使各個(gè)相嚙合齒對(duì)磨損均勻，傳動(dòng)平穩(wěn)。
（1）按齒面接觸強(qiáng)度校核
校核計(jì)算的公式為：
（3.9）
式（3.9）為接觸強(qiáng)度校核公式。
其中，
同上，取。
計(jì)算：
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P139 表10-3得：
由硬齒面齒輪，6級(jí)精度，小齒輪相對(duì)軸承對(duì)稱布置時(shí)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P194 表10-4得，時(shí)：
考慮此處設(shè)計(jì)的齒輪是8級(jí)精度，故取。
則：
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P198 表10-6得材料的彈性影響系數(shù) ，則
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》P207 圖10-21e，按齒面硬度查得齒輪2的接觸疲勞強(qiáng)度極限，齒輪3 的接觸疲勞強(qiáng)度極限。
由《機(jī)械設(shè)計(jì)》P202式10-13，計(jì)算應(yīng)力次數(shù)：
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P203 圖10-19，得接觸疲勞壽命系數(shù) ：
計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力：
取失效概率為1%，安全系數(shù)為 S=1 ，則由《機(jī)械設(shè)計(jì)》P202 式10-12，
取其中的較小值帶入校核計(jì)算公式知效驗(yàn)滿足。
（2）按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核：
由，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P195 圖10-13得[8]，
故：
查取齒形系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》P197 表10-5得齒形系數(shù) ；[8]。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P197 表10-5得應(yīng)力校正系數(shù)；[8]。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P205 圖10-20d查得齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；[8]。
則：
取彎曲疲勞安全系數(shù)；則
；
查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P202 圖10-18得彎曲疲勞壽命系數(shù) ；。
所以：
所以：
故齒根彎曲疲勞強(qiáng)度效驗(yàn)滿足。
3.8 翻箱機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.8.1 軸1的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于蝸桿螺旋部分的直徑不大，所以和軸設(shè)計(jì)成一個(gè)整體。
根據(jù)已經(jīng)選定的蝸桿的材料，將軸的材料選為45鋼，調(diào)質(zhì)處理[6]。
初步確定軸的最小直徑，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P362表15-13，取[8]，則
（3.10）
式（3.10）說(shuō)明了軸的最小直徑與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。
由于軸上開(kāi)有兩個(gè)鍵槽，軸徑應(yīng)適當(dāng)增加10%-15%，將取為13mm。
查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》P156表12-3，所選電動(dòng)機(jī)的輸出軸直徑為[9]，根據(jù)已經(jīng)選定的聯(lián)軸器的類型，查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》P92表8-5，選擇聯(lián)軸器的型號(hào)為TL4彈性套柱銷聯(lián)軸器，聯(lián)軸器孔徑為,作為軸的最小直徑。
由于軸1上的軸承需要同時(shí)承受軸向載荷和徑向載荷，此處選擇角接觸球軸承70000AC，極限轉(zhuǎn)速比高，能承受較大的軸向載荷。由于一個(gè)軸承只能承受單向的軸向力，所以選擇成對(duì)使用。為保證蝸桿部分有較好的剛度，這對(duì)角接觸球軸承采用面對(duì)面正裝。
軸1如圖3.2所示位置放置時(shí)，從左到右依次主要布置的零件的定位方案為：
聯(lián)軸器：軸向定位采用軸端擋圈和右側(cè)的軸肩，周向定位采用普通平鍵。
軸承：軸向定位采用軸承端蓋和軸肩。
風(fēng)扇：軸向定位采用軸端擋圈和左側(cè)的軸肩，周向定位采用普通平鍵。
各軸段的長(zhǎng)度和直徑根據(jù)其上選用的零件進(jìn)行調(diào)整。
軸1如圖3.2所示。
(a)
(b)
圖3.2 軸1的結(jié)構(gòu)
3.8.2 軸2的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
由于齒輪1的直徑較小，所以和軸設(shè)計(jì)成一個(gè)整體。
根據(jù)已經(jīng)選定的齒輪1的材料，將軸的材料選為40Cr[5]。
初步確定軸的最小直徑，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》P362表15-13，取=110[8]，則
由于軸上開(kāi)有1個(gè)鍵槽，軸徑應(yīng)適當(dāng)增加5%-7%，將取為39.524mm。
由于軸2上的軸承需要同時(shí)承受軸向載荷和徑向載荷，此處同樣選擇角接觸球軸承70000AC，極限轉(zhuǎn)速比高，能承受較大的軸向載荷。在設(shè)計(jì)齒輪傳動(dòng)的過(guò)程中，為了配湊幾何尺寸等參數(shù)，將齒輪1的兩支承設(shè)計(jì)為對(duì)稱布置，故此處將一對(duì)角接觸球軸承對(duì)稱布置于齒輪1的兩側(cè)。同時(shí)為了保證蝸輪部分軸的剛度，在蝸輪的另一側(cè)布置一個(gè)深溝球軸承。根據(jù)裝配關(guān)系，該深溝球軸承的內(nèi)徑查手冊(cè)得出后作為軸2的最小直徑[5]。
軸2如圖3.3所示位置放置時(shí)，從左到右依次主要布置的零件的定位方案為：
深溝球軸承：軸向定位采用軸承端蓋和套筒。
蝸輪：軸向定位采用套筒和右側(cè)的軸肩，周向定位采用普通平鍵。
左側(cè)的角接觸球軸承：軸向定位采用箱體內(nèi)壁和右側(cè)的軸肩。
右側(cè)的角接觸球軸承：軸向定位采用左側(cè)的軸肩和軸承端蓋。
各軸段的長(zhǎng)度和直徑根據(jù)其上選用的零件進(jìn)行圓整。
軸2如圖3.3所示。
(a)
(b)
圖3.3 軸2的結(jié)構(gòu)
3.8.3 軸3的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
選軸3的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)。
由于軸3上的齒輪是直齒圓柱齒輪，軸上的軸承基本只承受徑向載荷，此處同樣選擇深溝球軸承。深溝球軸承的內(nèi)徑查手冊(cè)得出后作為軸3的最小直徑。
軸3如圖3.4所示位置放置時(shí)，從左到右依次主要布置的零件的定位方案為：
左側(cè)的深溝球軸承：軸向定位采用軸承端蓋和套筒。
齒輪2：軸向定位采用套筒和軸肩，周向定位采用普通平鍵。
右側(cè)的深溝球軸承：軸向定位采用左側(cè)的軸肩和軸承端蓋。
各軸段的長(zhǎng)度和直徑根據(jù)其上選用的零件進(jìn)行圓整，并在裝配圖設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中根據(jù)各軸的相互關(guān)系和尺寸調(diào)節(jié)。
軸3的如圖3.4所示。
(a)
(b)
圖3.4 軸3的結(jié)構(gòu)
3.8.4 翻箱機(jī)構(gòu)其余部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
機(jī)體采用鑄造，由于有導(dǎo)軌要焊接于其上，故查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》P24表2-5，機(jī)體的材料選擇為焊接性能好的ZG230-450[9]。
為使整機(jī)的結(jié)構(gòu)緊湊，傳動(dòng)部分沒(méi)有另外設(shè)置傳動(dòng)箱體而是將各個(gè)部分都裝于統(tǒng)一的機(jī)體上。
為方便齒輪3的安裝，在機(jī)體的圓弧側(cè)適當(dāng)位置開(kāi)槽。為方便蝸輪的裝配，在蝸輪上方的機(jī)體上開(kāi)槽，再以蓋板密封，以上兩個(gè)結(jié)構(gòu)同時(shí)還有助于添加潤(rùn)滑脂的操作。
機(jī)體底座部分的結(jié)構(gòu)是根據(jù)工廠的機(jī)床工件床身導(dǎo)軌的尺寸和形式來(lái)設(shè)計(jì)的。機(jī)體與導(dǎo)軌的連接依靠T型槽螺母，故機(jī)體底座部分設(shè)置了4個(gè)T型槽螺栓孔。機(jī)體底座與導(dǎo)軌接觸部分受較大的集中載荷，此處設(shè)計(jì)了較厚的壁厚以保證局部剛度。其余部分采用間隔布置的肋板結(jié)構(gòu)，即有助于底座部分剛性的提高，同時(shí)又減輕了整體的重量，底座部分還設(shè)置了4個(gè)起吊螺栓孔。
整個(gè)翻箱機(jī)構(gòu)在機(jī)床上的移動(dòng)依靠底座上的一個(gè)齒輪和機(jī)床上導(dǎo)軌之間的齒條嚙合傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，擰動(dòng)軸外伸的手柄可以實(shí)現(xiàn)該移動(dòng)。
翻轉(zhuǎn)機(jī)架部分是連接于齒輪3上的焊接部件。翻轉(zhuǎn)機(jī)架支撐部分沒(méi)有和其他的支撐板焊接，而是采用可拆的螺紋連接，目的是通過(guò)更換幾何尺寸不同的支撐部分，使所設(shè)計(jì)的翻箱機(jī)構(gòu)可以在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同工件的翻轉(zhuǎn)。
電動(dòng)機(jī)的安裝是根據(jù)所選電動(dòng)機(jī)的型號(hào)，蝸桿輸入軸的布置情況，查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》P156表12-3，得到電動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)具體安裝尺寸?？紤]到電動(dòng)機(jī)如果安裝在機(jī)體的右側(cè)，可以使翻箱機(jī)構(gòu)的整體尺寸得到縮小，但是電動(dòng)機(jī)在工作過(guò)程中會(huì)受到磨削液的影響，故單獨(dú)設(shè)置電動(dòng)機(jī)支撐底板，將電動(dòng)機(jī)安放在機(jī)體的左側(cè)。由于電動(dòng)機(jī)輸出軸、蝸桿輸入軸及聯(lián)軸器均露在機(jī)體的外面，會(huì)導(dǎo)致不安全的情況，所以還需要在電動(dòng)機(jī)外側(cè)加一個(gè)防護(hù)罩以起到保護(hù)的作用[3]。
為方便安裝行程開(kāi)關(guān)，在機(jī)體上設(shè)置了兩個(gè)行程開(kāi)關(guān)座。行程開(kāi)關(guān)座上有滑槽，可便于在一定范圍內(nèi)通過(guò)調(diào)節(jié)行程開(kāi)關(guān)與機(jī)體的相對(duì)位置來(lái)調(diào)節(jié)翻轉(zhuǎn)機(jī)架工作過(guò)程中翻轉(zhuǎn)的角度。
4 軸的校核
4. 1 軸1的校核
當(dāng)不計(jì)摩擦力的影響時(shí)，蝸桿和蝸輪上各力的大小可按下列各式計(jì)算：
式中：、、—蝸桿上所受的圓周力、徑向力和軸向力；
、、—蝸輪上所受的圓周力、徑向力和軸向力；
其中，ZI蝸桿的法向壓力角為標(biāo)準(zhǔn)值，蝸輪的端面壓力角。
軸1的受力分析如圖4.1所示。
其中軸上角接觸球軸承的支反力作用點(diǎn)查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》P70表6-6得[9]，從而根據(jù)設(shè)計(jì)的蝸桿軸的尺寸得到。
圖4.1 軸1的校核
在H面內(nèi)滿足：
由以上兩式解得：
在V面內(nèi)滿足：
其中
由以上四式解得：
從而可看出截面B是軸的危險(xiǎn)截面。
按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度：考慮扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，取=1，則軸的計(jì)算應(yīng)力當(dāng)=1時(shí)，
前已選定軸的材料為45鋼，調(diào)質(zhì)處理，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》P355表15-1 查得
[8]。因此，故安全。
4.2 軸2的校核
由于在設(shè)計(jì)第一級(jí)傳動(dòng)時(shí)為了使齒輪1和齒輪2的尺寸滿足翻箱機(jī)構(gòu)的整體要求，將齒輪1設(shè)置成了相對(duì)兩支承對(duì)稱布置，之后在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中為了保證蝸輪一端軸的剛度，再在蝸輪端增加了一個(gè)深溝球軸承，使軸2上布置有3個(gè)軸承，相當(dāng)于一個(gè)靜不定梁。此處在進(jìn)行軸2 的校核時(shí)將深溝球軸承的約束去掉，按照靜定梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核。由材料力學(xué)的知識(shí)可知，靜不定結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形都遠(yuǎn)小于靜定結(jié)構(gòu)，故此處若按靜定結(jié)構(gòu)校核軸2滿足強(qiáng)度要求，則在靜不定結(jié)構(gòu)下軸2同樣滿足強(qiáng)度要求。
其中軸上角接觸球軸承的支反力作用點(diǎn)查《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》P70表6-6得，從而根據(jù)設(shè)計(jì)的蝸桿軸的尺寸得到，，。
齒輪1上的受力分析，
式中：、—齒輪1上所受的圓周力和徑向力。
根據(jù)設(shè)計(jì)出的軸2的結(jié)構(gòu)和軸2、軸3兩軸在空間中的布置位置，對(duì)軸2受力分析如圖4.2所示。
圖4.2 軸2的校核
在H面內(nèi)滿足：
由此可以解出：
=2256.003N
則：
在V面內(nèi)滿足：
其中：
由此可以解出：
從而計(jì)算出：
由H和V面內(nèi)的彎矩圖可知，截面C是危險(xiǎn)截面。此時(shí)
按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度，考慮扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，取=1
軸的計(jì)算應(yīng)力
當(dāng)時(shí)，
前已選定軸的材料為40Cr， 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》P355表15-1 查得[8]。因此，故安全。
4.3 軸3的校核
根據(jù)軸3的設(shè)計(jì)計(jì)算出，
齒輪2上的受力分析：
式中：、—齒輪1上所受的圓周力和徑向力。
、—齒輪2上所受的圓周力和徑向力。
若不計(jì)摩擦和傳動(dòng)時(shí)的損耗，有
式中：、—齒輪3上所受的圓周力和徑向力。
軸3的受力分析如圖4.3所示。
圖4.3 軸3的校核