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1、编号 本科生毕业设计插齿刀数控磨床虚拟装配及加工动态特性分析The Virtual Assemblies and Machining Dynamic Analysis of CNC Grinding Machine for Gear Shaper Cutter学 生 姓 名专 业机械设计制造及其自动化学 号指 导 教 师学 院二一一年六月 摘要插齿刀作为齿轮加工的重要刀具，已经广泛应用工业加工中，随着机械行业的不断发展，对传动的要求更加的严格与精确，在传动中扮演着重要角色的齿轮成为改进的关键，所以对于插齿刀的研究也越来越多。本文从研究插齿刀加工制造方面出发，针对凸曲前刀面硬质合金插齿刀的形状特
2、点，设计了加工插齿刀凸曲前刀面的数控磨床，完成了数控磨床的建模及模态分析。对于插齿刀数控磨床的研究旨在提高凸曲前刀面硬质合金插齿刀的加工精度与加工效率，完成对于凸曲前刀面的加工，为凸曲前刀面硬质合金插齿刀的工业应用提供参考。关键词： 数控磨床 模态分析 力学分析 ABSTRACTCarbide gear shaper cutter as a main tool of cutting gear is widely used in mechanical industry. As the development of mechanical industry, it needs more exact
3、and strict mechanical transmissions. So improving the gear which is playing an important role is the key . Depending the fact, more people pay attention to gear shaper cutter.Depending the carbide gear shaper cutter with convex rake face, we design the NC grinder, finish the CATIA solid model and an
4、alyse the NC grinder in finite element analysis software of ANSYS. Studying NC grinder aims to improve Machining precision and Machining efficiency in manufacturing the carbide gear shaper cutter with convex rake face and provide reference for using it in mechanical industry. Keywords：NC grinder；Mod
5、el analysis；Mechanics analysis 35目录摘要IABSTRACTII第1章 绪论11.1 数控磨床的发展现状11.2 插齿刀在工业中的应用及研究2第2章 插齿刀数控磨床52.1 插齿刀数控磨床研究的意义52.2 机床设计原则72.2.1 机床设计的基本要求和主要评定指标72.2.2 机床的方案设计92.3 导轨设计92.4砂轮轴的设计122.5支撑件的设计142.5.1 支撑件的功能142.5.2 支撑件的结构设计142.6 进给传动系设计152.7 小结15第3章 插齿刀数控磨床的模态分析173.1 数控磨床的建模173.1.1对数控磨床进行建模173.2 模态分
6、析183.2.1 导入模型，接触对的检查，网格划分193.2.2 对模型进行边界的约束193.2.3 求解结果203.2.4 小结23第4章 砂轮轴受力分析244.1砂轮轴的受力分析及功率计算244.1.1 磨削类型的划分244.1.2 磨削力的计算254.2 砂轮轴受力变形分析29结 论33参考文献34致 谢35第1章 绪论1.1 数控磨床的发展现状磨削加工是利用磨料去除材料的加工方法。用磨料去除材料的加工是人类最早使用的生活技艺方法。远在石器时代，已开始使用磨料研磨加工各种贝壳、石头及兽骨等，用于生活和狩猎工具。青铜器出现以后，用磨料的加工技术得到了进一步的发展，用来制造兵器及生产工具，用
7、磨料研磨铜镜已达到镜面的要求。铁器的出现，更使磨料加工成为一种普遍的工艺技巧得到应用。18世纪中期出现第一台外圆磨床，用石英石、石榴石等天然磨料敲凿成磨具，进而用天然磨料和粘土烧结成砂轮，随后又研制成功平面磨床，应用磨削技术逐渐形成。1901年以后，相继发明人工熔炼的氧化铝（刚玉）、碳化硅磨料。20世纪40年代末期，人造金刚石问世。1957年研制成功立方氮化硼。超硬磨料人造金刚石砂轮与立方氮化硼砂轮的应用及磨削技术的发展，使磨削加工精度及加工效率不断提高，磨削加工应用范围日益扩大。解放前，我国磨床工业及磨料工业几乎是一片空白。上海亚中机器厂（今上海第三机床厂）于1944年制造出我国第一台外圆磨
8、床。解放后，我国相继建立了现代化的磨床、磨料、磨具制造厂及专业研究所，造就了一大批从事磨床设计生产、磨料磨具研究、制造的专业科学技术队伍。1955年以前，试制并生产了黑、绿色碳化硅和白、棕色的刚玉，陆续开发了各种磨具。1963年成功地合成出我国第一颗人造金刚石，1966年投入批量生产。接着，1967年成功研制立方氮化硼，1974年投入批量生产。20实际80年代高品位级的人造金刚石、优质立方氮化硼相继问世。与此同时，我国磨床工业经历了50年代初的测绘、仿制阶段，50年代末期开始自行设计。改革开放推动了磨床工业的巨大发展。现在我国已能设计制造高精度、高效率、机电一体化的磨床，形成品种比较齐全的磨床
9、产品，装备了国民经济各部门的制造业，并出口60多个国家和地区。当今高速高效磨削、超高速磨削在欧洲、美国和日本等一些发达国家发展很快，如德国的Aachen大学、Bremm大学、美国的Connecticut大学等，有的在实验室完成了Vs为250m/s、 350m/s、400m/s的实验。据报道，德国Aachen大学正在进行目标为500m/s的磨削实验研究。在实用磨削方面，日本已有磨床在工业中应用。我国对高速磨削及磨具的研究已有多年的历史，在70年代末期便进行了80m/s 、120m/s的磨削工艺实验；前几年，也计划开展250m/s的磨削实验（但至今尚未见到这方面的报道），所以说有些高速磨削技术还只
10、是实验而已，尚未走出实验室，技术还远没有成熟，特别是超高速磨削的研究还开展的很少。在实际应用中，砂轮线速度一般还是4560m/s。随着磨削技术的发展，磨床在加工机床中也占有相当大的比例。据1997年欧洲机床展览会的调查数据表明，25%的企业认为磨削时他们应用的最主要的加工技术。磨床在企业中占机床的比例高达42%，车床占23%，铣床占22%，钻床占14%。我国19491998年，开发生产的通用磨床有1800多种，专用磨床有几百种，磨床的拥有量占金属切削机床总拥有量得13%左右。可见，磨削技术及磨床在机械制造业中占有极其重要的位置。磨床的产品品种众多。磨床的主要类型有外圆磨床、内圆磨床、平面及端面
11、磨床、坐标磨床、工具磨床、刀具刃磨磨床、导轨磨床、专门化磨床（如曲轴磨床、凸轮轴磨床、轧辊磨床等）、砂带磨床、珩磨机、研磨机、抛光机、超精加工机、超精研抛机各种轴承磨床及专用磨床。随着计算机技术的不断发展，各类磨床向着CNC磨床及磨削加工中心发展。以砂轮为工具的磨削方式的磨床，有以下基本优点：（1）主运动为砂轮主轴的旋转。砂轮的线速度Vs一般为3060m/s,CBN砂轮可高达150200m/s，最高主轴转速达15000r/min。主轴单元是磨床的关键部件。对于高速高精度主轴单元系统应具备刚性好、回转精度高、温升小、稳定性好、功耗低、寿命长、成本适中的特性。砂轮主轴单元的轴承常采用高精度滚动轴承
12、、液体静压轴承、液体动压轴承、动静压轴承。近年来高速和超高速磨床越来越多采用电主轴单元部件。（2）为适应精密及超精密磨削要求，采用低速无爬行的高精密高速进给单元。进给单元包括伺服驱动部件、滚动部件、位置监测单元等。进给单元是保持砂轮正常工作的必要条件，是评价磨床性能的重要指标之一。要求进给单元的运转灵活、分辨率高、定位精度高、刚性高，动态响应快，既要有较大的加速度，又要有足够大的驱动力。进给单元常用的方案为旋转电动机与滚动丝杠组合的进给方案与直线伺服电机直接驱动方案。（3）磨床具有高的静刚度、动刚度及热刚度。砂轮架、头架、尾架、工作台、床身、立柱等是磨床的基础构件，其设计制造技术是保证磨床质量
13、的根本。（4）磨床需要有完善辅助单元。辅助单元包括工件快速装夹、高效磨削液供给系统、安全防护装置、主轴及砂轮动平衡、切削处理、吸尘及吸雾清洁装置。1.2 插齿刀在工业中的应用及研究插齿刀作为加工高精度硬齿面齿轮的一种切齿方法，目前已经得到广泛的应用，如图1-1所示，与传统的磨齿、滚齿、剃齿、珩齿等硬齿面齿轮加工方法相比，在加工内齿轮、双联齿轮及带台肩的齿轮等具有特殊结构的齿轮方面，插齿刀几乎是唯一可用的加工方法。插齿刀按外形分为盘形、碗形、筒形和锥柄4种。盘形插齿刀主要用于加工内、外啮合的直齿、斜齿和人字齿轮。碗形插齿刀主要加工带台肩的和多联的内、外啮合的直齿轮，它与盘形插齿刀的区别在于工作时
14、夹紧用的螺母可容纳在插齿刀的刀体内，因而不妨碍加工。筒形插齿刀用于加工内齿轮和模数小的外齿轮，靠内孔的螺纹旋紧在插齿机的主轴上。锥柄插齿刀主要用于加工内啮合的直齿和斜齿齿轮。图1-1 插齿刀插齿加工相当于一对圆柱齿轮啮合传动过程，其中一个是工件，另一个是端面磨有前角，齿顶及齿侧均磨有后角的插齿刀。加工时刀具沿工件轴向作直线往复运动以完成主运动，如图1-2所示。插齿加工时的运动主要有：（1）切削运动：插齿刀的上、下往复运动。（2）分齿展成运动：插齿刀与工件之间应保持正确的啮合关系。插齿刀往复一次，工件相对刀具在分度圆上转过的弧长为加工时的圆周进给量，故刀具与工件的啮合过程也就是圆周进给过程。（3
15、）径向进给运动：插齿时，为逐步切至全齿深，插齿刀应有径向进给量f。图1-2 插齿加工随着CNC技术和插齿技术在生产中的大量应用，特别是硬齿面齿轮的应用，对插齿刀提出了更高的要求，在国内外的研究中，主要从三方面对其进行改进，第一：改变插齿刀现有设计误差的传统设计方案，但由于目前我国设备落后，该新型插齿刀的工业实现较困难，对小批量生产更是不经济，因而目前难以推广应用；第二：改进插齿刀切削部分的结构形状。主要是改变前刀面形状即前刀面不再是单纯的圆锥面而是特别的形状。如双圆锥形前刀面的插齿刀，特形曲线外形(凸或凹)前刀面的插齿刀，变前刀面和后刀面的插齿刀，成形前刀面的插齿刀等。这些插齿刀提高了主切削刃齿形的精度并增强了刀具的耐用度，是属于有发展前途的新型插齿刀；第三：对现有插齿刀的某些齿形参数加以修正，以减少设计误差并尽可能改善刀具的切削性能。近年来在生产实践中获得的这方面的成果多种多样:有重新修正齿角的，有对齿形角进行二次修正的，有把顶刃后角增为9并精化造形误差的，还有一些综合各种参数运用优化技术极小化造形误差的。如此多的齿形修正方法，本质
