插齿机插齿主运动部件设计

2.1.1 刀具位移 (19)
2.1.2 刀具的速度 (20)
2.1.3 刀具的加速度 (20)
1 设计项目的性质和目的
本实践项目课程结合《机械制造装备设计》课程的教学进行，是针对理论教学的实践活动，学生应该以积极主动的态度独立完成。

本课程的性质是以动手操作为主，以自主创造性设计为主，以设计效果为学生工作成绩的主要评判依据，设计说明作为补充。

学生必须人人亲自动手实施。

所设计的作品注重符合工程要求，即具备一定的结构工艺性、装配工艺性和满足功能需要。

通过动画表达操作方式和效果，使学生体会到设计和制造、操纵控制设计模型的乐趣。

在简明扼要的介绍设计对象和要求之后，对指定装置进行测绘，然后由学生完成所有零件图、部件图、最后完成总装图设计。

根据学生的能力，还可进行相关的改进设计、进行动画设计等。

在设计过程中，学生可接触到机械装备的控制、驱动、传动的技术，重点学习机械制造中的工艺、工装、测量等知识。

通过完成本实践项目课程，学会较为熟练的操作使用某个设计软件；初步掌握开发、设计一个产品的有关过程；学习查阅资料，为自己的设计和分析提供思考的源泉。

达到使学生在完成相关的机械专业基础课以后，得到较为综合性的专业设计训练的目的。

2 设计项目的任务和要求
本次设计任务指定了学院实验中心拥有的机床模型，借助这些模型的直观感觉，然后通过观摩、外围零部件的拆装、查找图书资料、网络收集技术资料等方法，对模型主要进行机械结构方面的建模设计。

设计时应注意达到如下要求: 1）了解各零件的基本体，熟悉多种部件机械结构的构成和功能，掌握机械部件的装配结构。

2）分析机械装置各零件运动联系方式，确定机械的传动链以及工作原理，绘制机械结构运动简图。

3）学生采用三维软件，如Solidworks对机械本体进行零件、部件、直至整机装配建模，要求能正确地反映设备的工艺结构、装配结构。

4）每人选择其中二个以上零件将三维模型转为二维工程图，注意进行完整的工程信息标注，即尺寸、形位公差、表面粗糙度等。

5）对于较为复杂的整机设备，允许以若干人为一组，各自测绘一个部件，然后装配而成。

6）自学某个软件的运动学仿真工具，如COSMOSMotion设计模块，模拟机构的运动学和动力学状态，制作动画效果视频短片。

7）学生约定时间到实验室，保证在实验台上工作的时间。

写出每阶段工作的小结。

8）每位学生必须根据具体工作内容，完成一篇不少于1000字的设计报告（说明）书。

学生的报告书符合格式要求，内容翔实丰满，数据较为准确。

3 项目设计的工作步骤和进程安排
摘要
本项目设计基于实验模型进行。

插齿机主运动与分齿运动复合在插齿机主轴上，主轴既要完成插齿的主切削运动，又要完成展成所需要的分齿运动。

一般插齿机的结构，采用花键传递这两个运动，花键轴向滑动为主切削运动，周向运动为分齿运动。

而本实验采用的曲柄球头结构，实现插齿机主运动。

基本任务如下：
1、设计插测绘实验台模型，拟定基于该模型的技术指标；
2、床的床身底座，安装主电机，实施皮带张紧机构；
3、设计主运动传动链，从动皮带轮将动力传递至插齿机和分齿运动分配机
构，曲柄球头结构，注意轴承部位工艺结构与润滑结构；
4、设计插齿机刀柄机构及其传动链，插齿机构通过曲柄连杆机构驱动。

插
齿切削部件应具备一定的刚性、传动精度。

关键词：机械传动; 插齿; 主切削运动
目录
一：插齿机概述
1.1：插齿机各组成部件 (2)
1.2：插齿原理 (3)
二：插齿机插齿主运动部件设计
2.1：设计任务： (4)
2.2: 总体思路 (4)
2.3.插齿机插齿主运动部件设计说明书 (4)
2.3.1:插齿机插齿主运动部件的机构分析 (5)
A：输入机构 (5)
带轮机构装配分析： (5)
传动轴1机构装配分析： (5)
直齿轮机构装配分析： (5)
传动轴2机构装配分析： (5)
锥齿轮机构装配分析： (5)
传动轴3机构装配分析： (5)
链轮机构装配分析： (5)
传动轴4机构装配分析 (6)
安装与润滑 (6)
B偏心轮机构 (6)
偏心轮机构装配分析 (6)
1：偏心轮机构的固定
2：偏心轮的轴承选择
3：轴承装配与润滑：
C插齿切削机构 (8)
插齿切削机构部件装配及分析 (8)
1：插齿切削机构与偏心轮的连接
2：主轴导轨（简化成套筒形状）与主轴的配合
3：插齿刀的选用与装配
三：插齿机主运动部件的运动分析以及数据校核 (10)
四：插齿机插齿主运动部件总体装配图以及工程图 (15)
输入轴零件工程图
总体装备工程图
五：课程设计心得 (16)
六：参考文献 (17)
一：插齿机概述
1.1：插齿机各组成部件
1、电机
3、直齿齿轮副
5、蜗杆副
7、进给系统棘轮机构9、工件转动链传动
11连杆
13、进给系统连杆机构15、工件转动蜗杆副2、V带传动
4、锥齿轮副
6、螺旋齿轮副
8、进给系统凸轮机构10、插刀移动链传动12、齿轮插刀
14、插刀转动蜗杆副16、传动链
1.2：插齿原理
1.插齿原理插齿原理类似一对圆柱齿轮相啮合,其中一个是工件,另一个则演化为齿轮形刀具.它的模数和压力角与被加工齿轮相同,但每个齿的渐开线齿廓和齿顶上,都作成切削刃(一个顶刃、两个侧刃)，即成为齿轮形插齿刀。

插削直齿的原理及加工时所需的成形运动
上图表示插削直齿的原理及加工时所需的成形运动。

其中插齿刀的旋转B1和工件的旋转B2组成复合的成形运动——范成运动，用以形成渐开线齿廓。

插齿刀的上下往复运动A是一个简单的成形运动，用以形成轮齿齿面的导线——直线。

这个运动是主运动。

插齿时，插齿刀和工件除作范成运动外，插齿刀相对于工件还要作径向切入运动，直到全齿深时停止切入，这时工件和插齿刀继续对滚（即插齿刀以B1，工件以B2的相对运动关系转动），当工件转过一圈，全部轮齿均切削完毕，然后插齿刀与工件分开，机床停机。

因此，插齿机除了两个成形运动外，还需要一个径向切入运动。

此外，插齿刀在往复运动的回程时不切削，为了减少切削刃的磨损，还需要有让刀运动，即刀具在回程时径向离开工件，进程切削时复原。

2.插齿机的传动原理图下图是用齿轮形插齿刀插削直齿圆柱齿轮时机床的传动原理图。

传动原理图中，仅表明成形运动。

切入运动和让刀运动并不影响加工表面的成形，所以在传动原理图中没有表示出来。

插齿机的传动原理图
工件表面的成形运动需要有三条传动链：主运动传动链1—2—uv—3—4；圆周进给运动传动链4—5—6—uf—7—8；范成运动传动链8—9—ux—10—11。

圆周进给传动链决定插齿刀和工件对滚的速度。

由于插齿刀上下往复运动一次时，插齿刀本身转动的快慢，与渐开线齿廓精度有关，同时也决定了插齿刀每一次切削的切削负荷。

因此，圆周进给运动是以插齿刀上下往复一次时，插齿刀在节圆上所转过的弧长来表示。

主运动传动链决定插齿刀每分钟上下往复次数。

二：插齿机插齿主运动部件设计
2.1：设计任务：
1、设计插测绘实验台模型，拟定基于该模型的技术指标；
2、床的床身底座，安装主电机，实施皮带张紧机构；
3、设计主运动传动链，从动皮带轮将动力传递至插齿机和分齿运动分配机
构，曲柄球头结构，注意轴承部位工艺结构与润滑结构；
4、设计插齿机刀柄机构及其传动链，插齿机构通过曲柄连杆机构驱动。

插
齿切削部件应具备一定的刚性、传动精度。

2.总体思路：
1、了解插齿机主运动及其传动链的设备结构；
2、作出大致装备模型装配，分析工作原理；
3、进行资料查阅，网上收集信息，根据实验室的数据，作出零件尺寸数据。

4、运用所学的UG NX6.0进行建模，装配，做运动仿真。

2.3.插齿机插齿主运动部件设计说明书
2.3.1:插齿机主切削部件的机构分析
（运用UG建模辅助说明）
总体零件爆炸图
（2）重要机构说明
A：输入机构
主运动传动链的动力输入机构主要包括
带轮机构传动轴1
直齿轮机构传动轴2
锥齿轮机构传动轴3
链轮机构传动轴4（与偏心轮机构焊接）
带轮机构装配分析：
通过键跟输入轴装配，并用螺母防松
直齿轮轮机构装配分析：
通过键跟输入轴装配，并用弹性挡圈防松
锥齿轮轮机构装配分析：
通过键跟输入轴装配，并用弹性挡圈防松
链轮机构装配分析：
通过键跟输入轴装配，并用螺母防松
传动轴机构装配分析
传动轴材料选择40Cr（调质）。

传动轴通过轴承的配合（轴承与轴承座过盈配合）达到稳定防松，加长轴承寿命，两边都采取过盈配合，限制两个方向的移动，配合后传动轴4与偏心轮焊接或通过键连接的方式连接。

安装与润滑
1、V带轮传动的预紧
V带轮传动运转一段时间以后，会因为带的塑性变形和磨损而松弛。

为
了保证带传动正常工作，应定期检查带的松弛程度，采取相应的补救措
施。

我们设计是定期张紧装置：采用定期改变中心距的方法来调节带的
初拉力，使带重新张紧。

如图所示：
2、V带传动的安装
各带轮的轴线应相互平行，各带轮相对应的V型槽的对称平面应重合。

3、润滑油的选择
对于齿轮和轴承封闭于减速箱内，采用代号为L-AN15的全损耗系统用油。

对于工作部分的插齿刀，采用运动粘度较大的代号为L-AN68的全损耗系统用油。

主要零件工艺性
(一)低速轴的工艺性分析：
（1）材料：40Cr；
（2）热处理：整体调质，轴颈表面淬火；
（3）性能要求：整体硬度NB220～HB240；轴颈及锥孔处硬度HRC52；（4）工艺路线：锻造→正火→粗加工→调质→精加工→表面淬火及低温回火→磨削；
（5）轴上键槽置于轴的同一条母线上，以便一次装夹后就能加工；
（6）为去掉毛刺，利于装配；
（7）轴向设有定位轴肩固定齿轮和轴承。

（二）齿轮的工艺性分析：
（1）齿轮的功用：按照规定的速比传递运动和动力；
（2）齿轮材料：45钢
（3）热处理：正火或调质，综合力学性能好，切削性能好；
（4）性能要求：齿轮心部硬度为HBS220～HBS250；齿面硬度HRC52；（5）下料→锻造→正火或退火→粗加工→调质或正火→精加工→高频淬火→低温回火（拉花键孔）→精磨。

B偏心轮机构
偏心轮机构主要包括
杆头杆身
滚针轴承轴承装配于杆头内
连接连杆机构与插齿轴的上下两个衔接块，还有提供球铰的约束用透明化的效果显示
偏心轮机构装配分析
1：偏心轮机构的固定
杆头与偏心轮伸出部件的防松通过轴承的过盈配合以及加入防松卡环2：偏心轮的轴承选择
由于插齿机的部件偏心轮机构比较小，而且需要比较小的摩擦力，所以加入轴承来完成偏心运动。

轴承选用滚针轴承。

根据资料，轴承的尺寸如下
所以根据设计尺寸，选用型号为NA4901的滚针轴承
3：轴承装配与润滑：
滚针轴承通过外圈过盈装配进摇杆杆头上。

滚针轴承转速比较低，所以通过脂润滑作为润滑方式。

C插齿切削机构
插齿切削机构主要包括
轴（跟连接连杆机构的块体一起加工）主轴导轨（简化）
长键插齿刀
插齿切削机构部件装配及分析
1：插齿切削机构与偏心轮的连接：
主轴跟偏心轮之间的连接通过四个螺栓连接
2：主轴导轨（简化成套筒形状）与主轴的配合
通过长键配合，长键通过沉头螺栓固定
3：插齿刀的选用与装配
插齿刀的选用（通过实验室的数据测量以及查阅插齿刀GB/T 6081-2001）选用齿数z=20 的插齿刀
选用齿数Z=20的插齿刀
插齿刀装配
通过螺纹连接，来达到固定插齿刀。

如图
三：插齿机切削部件的运动分析以及数据校核插齿机的直线插齿运动主要由偏心轮机构带动实现。

偏心轮运动分析如下
偏心轮式中心曲柄连杆机构简图如图2.1所示，图2.1中主轴运动中心线通过曲轴中心O，OB为曲柄，AB为连杆，B为曲柄销中心，A为连杆小头孔中心或活塞销中心。

当曲柄按等角速度 旋转时，曲柄OB上任意点都以O点为圆心做等速旋转运动，刀具A点沿主轴中心线做往复运动，连杆AB则做复合的平面运动，其B点与曲柄一端相连，做等速的旋转运动，而连杆小头与主轴相连，做往复运动。

在实际分析中，为使问题简单化，一般将连杆简化为分别集中于连杆头和杆身的两个集中质量，认为它们分别做旋转和往复运动，这样就不需要对连杆的运动规律进行单独研究[9]。

曲柄连杆机构运动简图
刀具做往复运动时，其速度和加速度是变化的。

它的速度和加速度的数值以及变化规律对曲柄连杆机构以及发动机整体工作有很大影响，因此，研究偏心轮曲柄连杆机构运动规律的主要任务就是研究刀具上下的运动规律。

2.1.1 刀具位移
假设在某一时刻，曲柄转角为α，并按顺时针方向旋转，连杆轴线在其运动平面内偏离主轴轴线的角度为β，如图2.1 所示。

当α=︒0时， 刀具A 在最上面的位置A 1，此位置称为上止点。

当α=180︒时，A 点在最下面的位置A 2，此位置称为下止点。

此时刀具的位移x 为: x=A A 1=AO O A -1=(r+l ))cos cos (βαl r +-
=)]cos 1(1)cos 1[(βλα-+
-r （2.1）
式中：λ—连杆比。

式（2.1）可进一步简化，由图2.1可以看出：
βαsin sin l r = 即 αλαβsin sin sin ==l
r 又由于 αλββ222sin 1sin 1cos -=-= （2.2） 将式（2.2）带入式（2.1）得：
x=)]sin 1(1
cos 1[22αλλα-+-r （2.3）
式（2.3）是计算活塞位移x 的精确公式,为便于计算，可将式（2.3）中的根号按牛顿二项式定理展开，得：
----=-αλαλαλαλ6642222sin 16
1sin 81sin 1sin 1… 考虑到λ≤ 1∕3，其二次方以上的数值很小，可以忽略不计。

只保留前两项，则
αλαλ2222sin 2
11sin 1-≈- （2.4） 将式（2.4）带入式（2.3）得
)sin 2cos 1(2αλ
α+-=r x （2.5）
2.1.2 刀具的速度
将活塞位移公式（2.1）对时间t 进行微分，即可求得刀具速度v 的精确值为 =v )cos 2sin 2(sin β
αλαω+=⨯=r dt da da dx dt dx (2.6) 将式（2.5）对时间t 微分，便可求得刀具速度得近似公式为：
212sin 2sin )2sin 2(sin v v r r r v +=+=+≈αλ
ωαωαλ
αω （2.7）
从式（2.7）可以看出，刀具速度可视为由αωsin 1r v =与αωλ2sin )2(2r v =两部分简谐运动所组成。

当︒=0α或︒180时，刀具速度为零，刀具在这两点改变运动方向。

当︒=90α时，ωr v =，此时刀具得速度等于曲柄销中心的圆周速度。

2.1.3 刀具的加速度
将式（2.6）对时间t 微分，可求得刀具加速度的精确值为：
]cos 2sin 4cos 2cos [cos 3232β
αλβαλαω++=⨯==r dt da da dv dt dv a （2.8） 将式（2.7）对时间t 为微分，可求得刀具加速度的近似值为：
212222cos cos )2cos (cos a a r r r a +=+=+≈αλωαωαλαω （2.9）
因此，刀具加速度也可以视为两个简谐运动加速度之和，即由αωcos 21r a =与αλω2cos 22r a =两部分组成。

数据校核：
由实验室测量数据得：
电动机参数：型号：A07114
功率：370w
电压：380V
频率：50HZ
电流：1.12A
转速：1380rad/min
主运动传动链总比：2.5*3*1=7.5
插齿机直线成形运动输入转速n=1380/7.5=184rad/min 为刀具每分钟往返次数 设计偏心距为OB=12mm 连杆长l=60mm 连杆比λ=5
刀具上下运动最大距离为s=24
加工裕量设为2
有效加工齿宽为：d=（24-2*2）3/2=17.32mm
刀具最大速度Vmax=OB*ω=231.2mm/s
刀具最大加速度a=2ωr +λω2r =1.07m/2s
四：插齿机插齿主运动部件总体装配图以及工程图
五：课程设计心得
机械装备课程设计是一次对机械设计与机械原理课程知识的全面复习和综合运用，设计题目是从工程实际中选取复杂的机械系统，要求从全面、整体的角度进行一次完整的设计，使我们从整体上把握设计课程的全貌，是知识系统化，从中也可以在所学理论知识的基础上充分发挥我们的自我创造性，同时也培养了我们分析和解决一般机械运动实际问题的能力，并使所学知识得到进一步巩固、深化和扩展。

另外，由于要绘制零件的3D 图，从中也使我们初步掌握了ug 的使用技巧，丰富了我们的课外知识和提高了自身的能力。

当然了，本次课程设计我们也有很多不足的地方，例如经过设计计算和校核，插齿机的曲柄摇杆驱动机构的设计完成后理论上基本能够符合设计的要求，但是设计过程中由于对某方面的知识缺乏实际工作经验，未能充分考虑实际工作情况，所完成的设计在特定实际工况中可能出现问题。

希望在今后的设
计中，这些问题能得到改正，使自己日益成熟，专业知识日益深厚。

六：参考文献
[1] 濮良贵，纪名刚.机械设计.8版.北京：高等教育出版社，2006.
[2] 孙桓，陈作模.机械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2006.
[3] 杜文君.机械制造技术装备与设计（新版）.天津：天津大学出版社，2007.
[4] 詹启贤.自动化机械设计[M].北京：中国轻工业出版社，1994.
[5] 吕仲文.机械创新设计[M].北京：机械工业出版社，2004.。