万能分度头结构及传动系统.doc

1、 10 引言分度头是铣床和数控机床的主要附件之一，许多零件如齿轮、离合器、花键轴及刀具开齿等在铣削或数控加工时，都需要利用分度头进行分度。通常在铣床上使用的分度头有简单分度头、万能分度头、自动分度头等。目前随着数控加工的日益广泛，数控分度头也越发的发展。因此我们分度头又开始的手动分度头开始发展为现今更多的自动分度头。如气动分度头等等。而且随着社会的发展分度头的发展形势也越发的强烈。 1.1 万能分度头结构及传动系统 分度头（图1）主轴9是空心的，两端均为莫氏4号锥孔，前锥孔用来装带有拨盘的顶尖，后锥孔可装入心轴，作为差动分度或作直线移距分度以及加工小导程螺旋面时安装挂轮用。主轴的前端外部有一段

2、定位锥体，用于与三爪自定心卡盘的连接盘（法兰盘）配合。 主轴可随回转体8在分度头基座10的环形导轨内转动。因此主轴除安装成水平位置外，还可在范围内任意倾斜，调整角度前应松开基座上部主轴后端的两个螺母4，调整之后再予以紧固。主轴的前端还固定一刻度盘13，可与主轴一起转动。刻度盘上有的刻度，可以用来作直接分度。 分度盘3上有数圈在圆周上均布的定位孔，在分度盘的左侧有一分度盘紧固螺钉1，用以紧固分度盘。在分度头左侧有两个手柄，一个是主轴锁紧手柄7，在分度时应先松开，分度完毕后再锁紧。另一个是蜗杆脱落手柄6，它可使蜗杆和蜗轮脱开或啮合。蜗杆和蜗轮的啮合间隙可用偏心套调整。 在分度头右侧有一个分度手柄1

3、1，转动分度手柄时，通过一对传动比为1:1的直齿圆柱齿轮及一对传动比为1:40的蜗杆蜗轮使主轴旋转。此外，分度盘右侧还有一根安装交换齿轮用的交换齿轮轴5，它通过一对速比为1:1的螺旋齿轮和空套在分度手柄轴上的分度盘相联系。 分度头基座10下面的槽里固定有两块定位键，可与铣床工作台面的T形槽相配合，以便在安装分度头时，使主轴轴线准确地平行于工作台的纵向进给方向。2 分度方法2.1 单式分度法 由分度头的传动系统可知，分度手柄转40转主轴转1转，即传动比为1:40。“40”称为分度头的定数。各种型号的万能分度头，基本上都采用这个定数。假设工件的等分数为2，则每分度一次主轴需转过1/z圈，即单式分度

4、法计算公式： n= 40/z式中 n-分度手柄的转数 z工件等分数 例 铣一直齿圆柱齿轮，齿数z=12，求每次分度手桶的转数。 即铣完一个齿后，分度头手柄摇3转，再在24的孔圈上转过8个孔距。 用单式分度法也可在常用机械加工手册中，直接由单式分度表中查找计算结果。 22 差动分度法 差动分度法用于加工单式分度法无法分度的直齿轮和一般零件等。这种分度方法的特点是用挂轮把分度头主轴和侧轴联接起来，并松开分度盘的紧固螺钉（图2），这样当分度手柄转动的同时，分度盘随着分度手柄以相反（或相同）方向转动，因此分度手柄的实际转数是分度手柄相对分度盘的转数与分度盘本身转数之和。计算公式 每次分度头手柄的转数

5、n= 40/ 传动比 式中-工件假设等分数 操作应注意的几点： 选取假定等分数，从原则上说z，的数值只要可进行单式分度，无论是大于还是小于实际等分数z都可以。但实践证明，当采用时，分度盘和分度手柄转向相反，避免传动系统间隙对分度的影响。 按假定等分数计算分度手柄转数和确定所用孔圈数。按计算公式计算挂轮后，并确定中间轮数表1 分度头挂轮装置传动比手柄和分度盘回转方向一对挂轮二对挂轮正相同加一个中间轮不加中间轮负相反加两个中间轮加一个中间轮 例 有一直齿圆柱齿轮，z = 111，求在铣削时分度头手柄转数n和传动比i等于多少？假设选齿轮齿数= 120 即采用两对交换齿轮，80、90是主动轮，60、4

6、0是被动轮。假设齿轮因此手柄和分度盘的回转方向相同，两对交换齿轮不加中间轮。每铣一齿，分度盘手柄在66孔圈圆周上转过22个孔距。 用差动分度法也可在常用机械加工乎册中，直接从差动分度表中查找计算结果。2. 3 近似分度法 近似分度法用于加工单式分度法无法分度的斜齿轮或直齿锥齿轮。这种分度方法有一定误差，只能在工件精度要求不高时使用。 现以铣削z= 93为例说明近似分度法公式的演算过程： 先按单式分度法得到分度头手柄所要摇的转数。 由于此数不能约简，分度盘上也没有93孔的孔圈，无法进行分度。如果在分度盘上任意选一孔圈，如N= 59，那么每次分度时手柄应摇 因为所得的是小数，无法摇手柄，这时可将2

7、5 .37634扩大一个倍数，设法使其接近一个整数，现将此数扩大8倍。 25.376348203. 01075 此数接近203整数，因此可以按203个孔距在59孔的孔圈上进行分度，其手柄转数应是： 即，铣完一齿后，手柄摇3转，然后在59孔的孔圈上再转过26个孔距。因孔距数乘8，所以这时所摇的孔距数是原来所要摇孔距数的8倍，即铣完第一齿后，再铣的是第九齿，这样连续下去，就可把工件的全部齿铣完。 所以近似分度法计算公式应为 式中 N-所选择的分度盘孔圈孔数 M-扩大的倍数（跳齿数） 近似分度法也可在常用手册中查找。24 角度分度法 角度分度法实际上是单式分度法的另一种形式，只是计算的依据不同。单式

8、分度法是以工件的等分数Z作为计算依据，而角度分度法是以工件所需转过的角度口作为计算依据。所以在具体计算上有些不同。从分度头结构可知，分度手柄摇40转，分度头主轴带动工件转一转，也就是转。即分度头手柄转一转，工件只转，根据这一关系，就可得出：式中 工件等分的角度 例在一轴上铣两个键槽，其夹角为，应如何分度？ 即分度头手柄转8圈后再在54孔圈上转过30孔距。同样，角度分度法也可在常用手册中查找。25 直线移距分度法 直线移距分度法适用于加工精度较高的齿条和直尺刻线等的等分移距。这种分度方法就是把分度头主轴或侧轴和纵向工作台丝杠用挂轮连接起来，移距时只要转动分度手柄，通过齿轮传动，使工作台作精确的移

9、距。常用的直线移距法有两种。 (1)主轴挂轮法 这种方法是先在分度头主轴后锥孔插入安装挂轮心轴，然后在主轴与纵向丝杠之间装上挂轮（图3），当转动分度头手柄时，运动便会通过挂轮传至纵向丝杠，使工作台产生移距。由于运动经过1:40的蜗杆蜗轮减速，所以不适于刻线间隔较大的移距，但移距精度很高。挂轮计算公式式中 S-工件每格距离 P-铣床纵向工作台丝杠螺距 必须注意，n应取在1-10之间。 例 在X62W铣床上用F1125分度头刻线，工件每格距离S= 0.95mm，求分度手柄转数和挂轮齿数 取分度手柄转数，n=4.75 即挂轮为：= 80， =30， =50，=100，分度手柄每次分度应在24孔圈上转

10、过4圈又18个孔距。 (2)侧轴挂轮法 这种方法是在分度头侧轴和工作台纵向传动丝杠之间装上挂轮（图4），由于运动不经过1：40的蜗杆蜗轮传动，所以适用于间隔较大的移距。 挂轮计算公式 由于分度头传动结构的原因，采用侧轴挂轮法，在分度时不能将分度手柄的定位销拔出，应该松开分度盘的紧固螺钉连同分度盘一起转动。为了正确地控制分度手柄的转数，可将分度盘的紧固螺钉，改装为侧面定位销（图5），并在分度盘外圆上钻一个定位孔，在分度时，左手拔出侧面定位销，右手将分度手柄连同分度盘一起转动，当摇到预定转数时，靠弹簧的作用，侧面定位销就自动弹入定位孔内。 例在X62W铣床上用F11125型分度头，铣削一齿条，每次

11、移距求分度头手柄转数和挂轮齿数。 取分度手柄转数n=3。 即：挂轮为, , , 分度手柄每次分度应摇3圈。 3 分度头总体设计3. 1设计任务拆装F11100A型万能分度头，了解内部结构。画出三维模型图画出部分零件图和装配图编写设计说明书约30张3.2万能分度头工作环境用于铣床，属于铣床附件中的夹具，来改变工件角度。本次设计为F11160A型万能分度头，分度头主轴中心高到地面距离为160mm.铣床底部键槽宽度为18mm。综合各方面因素选择X5032型立式铣床。3.3 X5032型立式铣床的各项参数主轴端面至工作台距离(mm) 45415 主轴中心线到床身垂直导轨的距离(mm) 350 主轴转速

12、(r.p.m)18级 301500/18级 主轴轴向移动距离(mm) 85 工作台工作面(宽度长度)(mm) 3201325 工作台行程纵向/横向/垂向（手动/机动)(mm) 720/700、255/240、370/350 工作台进给范围纵向/横向/垂向(mm/min) 23.51180/23.51180/8394 工作台快速移动速度纵向/横向/垂向(mm/min) 2300/2300/770 T型槽槽数/槽宽/槽距(mm/)3/18/70 主电机功率(mm) 7.5 进给电机功率(kw) 1.5 外形尺寸(mm) 253018902380 机床净重(kg) 32003.4 确定设计各参数万能

13、分度头工作功率由进给电机提供： 取万能分度头一般工作转速（手动）: 60r/min万能分度头一般工作转速（挂轮输入）：160r/min假定使用寿命为4年，每年工作300d，每天工作8h，JC=40%4 涡轮蜗杆传动设计4.1 选择传动类型，精度等级和材料考虑到传动功率不大，传动速度较低，选用ZA型蜗杆传动，精度8c GB10089-1988。蜗杆用35CrMo,表面淬火，硬度为45-50HRC；表面粗糙度。蜗杆轮缘选用ZCuSn10P1金属摸铸造。4.2 选择蜗杆，涡轮的齿数因为各个型万能分度头传动比都是1/40,根据传动比推荐的的值确定4.3 确定许用应力 由机械机械设计手册齿轮传动表16.

14、5-14查得，。按图16.5-2查得Vs=3m/s,再查图16.5-3采用浸油润滑，得Zvs=0.98齿轮的应力循环次数 查图得1.03 0.8244 接触强度设计 载荷系数取1.2涡轮轴的转矩 代入上式中查表16.5-4接近于的是800，相应m=4,查表16.5-6.，按i=40 ,m=4mm ,=40mm,其中a=100,x=-0.05涡轮分度圆直径导程角45 求涡轮最快转速0.314m/s最快滑动速度=3.37m/s求传动效率，按式（16.5-3） 式中取 =0.74与暂取值相似4. 6 校核涡轮齿面的接触强度由齿面接触强度的验算公式为式中 查表16.5-11 得 查表得(间歇工作) ；

15、取涡轮传递的最快转矩当Vs=3.37m/s时,查图16.5-4得Zvs=0.95，得将上式代入公式得 4. 7 蜗轮齿根弯曲强度的校核按表16.5-10,齿根弯曲强度验算公式式中 按 及 查表得=0.95将上式代入公式 4. 8 确定传动的主要尺寸已知 a=100 取 4. 9 蜗杆结构设计及绘制零件图5 斜齿轮的计算 因为斜齿轮与直齿轮比较在轴向力与传动的平稳性方面有较大的优势，所以在一级传动用斜齿轮。5. 1 选择材料，热处理方法，精度等级，齿数， ，齿宽系数，并初选螺旋角。 考虑到万能分度头结构紧凑，故两个斜齿轮均用40Cr调制处理后表面淬火；因载荷平稳，齿轮转速不高，故选用7级精度；闭

16、式硬齿面齿轮传动，考虑到传动平稳性，齿数宜取多一些，两斜齿轮选用齿；按硬齿面齿轮、非对称安装查机械设计表6.5，选齿宽系数；初选螺旋角按齿面接触强度计算各尺寸参数5.2 按齿根弯曲疲劳强度设计由式（6.20）5.2.1 确定公式中各参数值1) 载荷系数 试选2) 齿轮传递的转矩3）齿轮的弯曲疲劳强度极限 查图6.9得 4）应力循环次数 5）弯曲疲劳寿命系数 查图6.6得 6）计算许用弯曲应力取弯曲疲劳安全系数 ,应力修正系数，得7）确定齿形系数和应力修正系数， 由表6.4得 8）重合度系数, 5.2.2 设计计算 1）计算齿轮的模数2) 计算圆周速度v3)计算载荷系数查表6.2得；根据v=0.

17、26m/s、7级传动精度，查图6.10得 ；斜齿轮传动取；查图6.13得。则载荷系数 4)校正并确定模数 取5.2.3 计算齿轮传动几何尺寸1）中心距 2）螺旋角3）两分度圆直径=51.2mm4)齿宽 取，5.3 校核齿面接触疲劳强度由式（6.17）得 5.3.1 确定公式中各参数数值1） 两斜齿轮的接触疲劳强度极限按齿面硬度查图6.8得，两个齿轮的接触疲劳极限2） 接触疲劳寿命系数查图6.6得 3) 计算许用接触应力取安全系数，则4） 节点区域系数查图6.19得节点区域系数 5） 重合度系数重合度系数=0.86） 螺旋角系数螺旋角系数7） 材料系数由表6.3查得材料系数 5.3.2 校核计算

18、 =659.03，基础疲劳强度满足条件。6 直齿轮设计6.1 选择齿轮材料，热处理方法，精度等级，齿数及齿宽系数考虑到该减速器的功率不大，故两个齿轮都选用45调制刚处理，齿面硬度都为260HBS，属软齿面闭式传动，载荷平稳，齿轮转速不高，处选7级精度。又因为万能分度头的传动比皆为固定传动比1/40，取初始齿轮齿数,按软齿面齿轮悬壁安装，查机械设计表6.5，取齿宽系数6.2 按齿面接触疲劳强度设计由式6.11得 6.2.1 确定公式中各参数 1）载荷系数 试选 2）齿轮转矩 3）材料系数 查表6.3得 4）两个齿轮的接触疲劳强度极限 5）应力循环次数 6)接触疲劳寿命系数 查图6.6得 7)确定

19、许用接触应力 6.2.2 设计计算1）齿轮分度圆 =72mm2）计算圆周速度v3)计算载荷系数K查表6.2得使用系数;根据v=0.6m/s、7级精度查图6.10得动载系数；查图6.13得则 4)校正分度圆直径由式6.14得 6.2.3 计算齿轮传动的几何尺寸1）计算模数 取标准模数 m=2.5mm2）两齿轮分度圆直径3） 中心距4）齿宽b5）齿高h 6.3 校核齿根弯曲疲劳强度由式（6.12） 6.3.1确定公式中各值的参数1） 确定齿轮弯曲疲劳强度极限查图6.9 2） 弯曲疲劳寿命系数查图6.7 3） 许用弯曲应力取弯曲疲劳安全系数 ,应力修正系数，得4）确定齿形系数和应力修正系数， 查表6

20、.4得 5）校核计算6.4齿轮结构设计及绘制零件图7 轴的设计7. 1 确定轴的动力参数7.1.1确定轴所受功率和转速由前面得知 p=1.05kw n=4r/min7.1.2确定相关的效率蜗杆啮合效率，8级精度 其他摩擦消耗 7.1.3轴所受到的实际功率蜗轮轴的总效率7.1.4确定轴的转矩7. 2 轴的结构设计7.2.1确定的结构方案（1） 确定轴的最小直径该轴选用45刚调质处理，查表11.3确定轴的C=112（2） 确定各段轴的尺寸-段的长度 应略大于三个垫片的总和 35mm-段的直径 应略大于轴的最小直径 -段长度 应保证蜗轮处于箱体的正中间，得= 51mm-段直径 是一段有锥度的轴，锥度

21、满足1：40 处轴肩高度，且该轴肩受到一定轴向力作用h取5mm则 得-段长度 与蜗轮配合且略大于蜗轮长度60mm-段直径 为了满足安装要求与前面一致 得76mm-段的长度 起定位作用所以=96mm-段的直径 处轴肩高，且该轴肩受到一定轴向力作用h取7.5mm，则-段长度 8mm-段直径 与三爪卡盘配合，应略小于卡盘端盖尺寸 -段长度 19mm -段直径 109mm-段长度 与三爪卡盘配合，满足装配要求-段直径 取最小尺寸，取一个锥度1：40，方便定位（3） 确定倒角和圆角尺寸 查手册得取为倒角各轴肩出圆角半径 考虑应力集中的影响，由轴端直径手册查得R2（4） 轴上零件的选择齿轮轮毂与轴的配合

22、为了保证对中良好，采用较紧的过度配合 配合为H7/n6 齿轮出的平键选择 选A型普通平键，由查手册，平键截面尺寸，键长51mm. 图7-1 主轴（5）轴结构设计及绘制零件图 8 万能分度头零件的三维建模8.1 齿轮三维模型SolidWorks是一款功能强大的计算机辅助绘图和设计软件系统，可以以拉伸、旋转、扫描、放样等特征形式形成实体。但其也有不足之处，比如渐开线齿轮的形成。在SolidWorks中所形成的渐开线齿轮的齿廓线是近似的渐开线曲线，由其所形成的渐开线齿轮在相互啮合时极易产生跟切。在本设计中为避免上述后果的产生，使用了在CAxA电子图板中产生精确的渐开线齿廓线，再导入到SolidWor

23、ks中进行拉伸以得到精确的渐开线齿轮的方法。设计过程如下：1)在CAXA电子图板XP中，点击“齿轮绘制”工具，输入齿轮参数(模数、齿数、压力角、变位系数、齿顶高系数等)，生成整体齿形图。然后依次点击“数据接口”、“DWGDXF文件输出”，输入文件名，保存为DWGDXF文件。生成如图7-1的二维齿形图。图8-1 二维齿形图2)把上面形成的二维齿形图输入到SolidWorks中。在SolidWorks中，点击“打开”按钮，然后依次选择“输入到零件”、“输入到2D草图”，完成后齿轮草图已生成。3)在SolidWorks中编辑草图，添加几何关系，拉伸凸台，生成三维齿轮模型，如图7-2所示。图8-2 三

24、维齿轮模型8.2 轴的三维模型在SolidWorks中，阶梯轴的形成比较容易实现。可以逐节拉伸形成，也可以完成轴的纵截面草图，然后一次旋转完成。轴的三维模型如 图7-3所示。图8-3 轴的三维模型8.3 箱体的三维模型形成由于箱体的造型比较复杂，故首先运用了拉伸、切除、筋板、镜像、阵列等特征形成箱座的三维模型，如图7-4所示。图8-4 箱座的三维模型由于上箱体与下箱体有着相似的结构特征，故上箱体的成型在装配体中完成，装配体中建立新零件模型主要用于两个或多个有着相似的结构特征且互相配合的零部件建模。上箱体三维模型如图7-5所示。图8-5 箱体三维模型8.4 其他零件三维模型成型8.4.1 手柄，

25、垫片，固定架等的三维模型手柄，垫片，固定架等的三维模型成型和建模过程比较简单，这里不再赘述。其模型完成如图7-7所示。 锁紧杆 垫圈 垫圈 垫圈 垫圈 垫圈 轴套 定位环 刻度环 分度盘 手柄图8-6 其他零件9 万能分度头的运动模拟仿真1)要进行万能分度头的运动模拟仿真，首先要把已完成的各零部件按照一定的约束条件配合起来。其过程是，新建一个装配体，然后按照从下到上的装配顺序完成装配的建模。最后完成的装配体如图8-1所示。图9-1 整体装配图2)为了看清楚模型的装配关系，在Solidworks中采取了爆炸视图的方法。以下即以不同的爆炸视图来说明各零部件的装配关系。万能分度头所有零件的爆炸视图，

26、如图8-2。图9-2 所有零件的爆炸视图总结本次毕业设计是万能分度头的结构设计，从这一个学期的设计我学到了很多东西，也从侧面了解了一些书本上学不到的机械小常识，对我今后走机械这条路有着很大的指引作用。我设计的是F11160A型万能分度头，根据拆装F11160A型万能分度头来了解分度头内部结构，和理解设计该分度头人设计时的理念，从而让我们实际的接触设计这门技术，对今后的发展起到一定的作用。在通过大量浏览有关书籍后，觉得许多的理论知识和技术有了很明显的进步。同时我们利用solidworks画出了自己型号的万能分度头的三维模型，用CAD绘制出自己型号的零件图，进而更加直观的理解了内部结构，设计方面要

27、注意的细节问题，加强的自身的设计水平和素养。致 谢大学半个学期的毕业设计学习生活已经接近尾声，大四半个学期的毕业设计学习生活已至尾声，过去的这段时光，成为了我人生中的一个重要阶段。经过这几个月的毕业设计，我受益很多，掌握了大量的理论知识。这次毕业论文设计我得到了很多老师和同学的帮助，其中我的论文指导老对我的关心和支持尤为重要，从论文的选题和设计工作的展开，到论文的审阅修改，都是在老师的悉心指导下完成的。最后向对所有关心和帮助我的同学和朋友们表示诚挚的谢意。参考文献1. 梁德本 机械设计手册 机械工业出版社 2002.22. 大卫.G.乌尔曼 机械设计过程 机械工业出版社 2006.63. 孙建东 机械设计基础 清华大学出版社 2007.14. 胡传鼎 机械制图画法规范 化学工业出版社 2005.15. 张轩 机械制图设计应用范例 清华大学出版社 2006.66 徐锦康 机械设计 高等教育出版社 2004.47 朱理 机械原理 高等教育出版社 2004.48 鲁屏宇 工程制图 机械工业出版社 2005.89 吴宗泽 机械设计课程设计手册 高等教育出版社 2006.510吴彦农 solidworks2005 机械工业出版社 2005.9