具有急回運(yùn)動特性的牛頭刨床的設(shè)計(jì)

摘 要：牛頭刨床是用于金屬的切削和加工的機(jī)械設(shè)備，通過設(shè)備上各類刀具的移動來對固定在機(jī)床上的金屬就行各類的加工，以達(dá)到需要的要求和功能。牛頭刨床主要包括導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)，凸輪機(jī)構(gòu)，棘輪機(jī)構(gòu)和齒輪傳動部分。

關(guān)鍵詞：牛頭刨床；設(shè)計(jì)；運(yùn)動

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.023

1 牛頭刨床的工作簡介

機(jī)床工作時(shí)，電動機(jī)帶動各部分有條不紊的進(jìn)行。然后，為了提高金屬加工速度，加快生產(chǎn)的效率，往往對牛頭刨床產(chǎn)生新的要求，其中最為重要的，就是使機(jī)械具有急回特性，在工作行程時(shí)，對工件的加工更為精細(xì)；而在空行程時(shí)，則工件迅速進(jìn)給并讓刀具迅速退回到初始位置以便快速的為下一個(gè)工件就行切削加工。牛頭刨床在工作過程中，會受到很大的切削阻力，而空行程時(shí)又不受力的作用，因此為了應(yīng)對受力的變化并使整個(gè)機(jī)械平穩(wěn)的進(jìn)行工作，安裝了飛輪，保證了機(jī)械的正常工作。機(jī)構(gòu)簡圖如下：

2 設(shè)計(jì)方案及內(nèi)容

2.1 導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

（1）導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動分析。導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)作為機(jī)床的主要運(yùn)動傳動機(jī)構(gòu)，其作用是十分重要的。因此我們應(yīng)對導(dǎo)桿的運(yùn)動情況進(jìn)行分析，導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)中的滑塊3的運(yùn)動軌跡是一個(gè)以O(shè)2位圓心的圓，而導(dǎo)桿4上B點(diǎn)的運(yùn)動軌跡事一個(gè)以O(shè)4為圓心的圓弧。因此我們假設(shè)B點(diǎn)為工作行程的初始點(diǎn)，B是工作行程的終止點(diǎn)，兩個(gè)位置下導(dǎo)桿與滑塊的運(yùn)動軌跡相切，因此我們順時(shí)針將滑塊的運(yùn)動軌跡按等角度均分，并取其中的點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)動和力的分析。由“點(diǎn)的速度合成定理”和“點(diǎn)的加速度合成定理”做出任取位置點(diǎn)的速度和加速度多邊形，選取適當(dāng)比例尺求出該點(diǎn)速度加速度的大小和方向，以供下一步分析使用。

（2）導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的動態(tài)靜力分析。在導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動的過程中起受力情況是十分復(fù)雜的但卻是十分重要的，因此我們有必要進(jìn)行動態(tài)靜力分析以達(dá)到進(jìn)一步優(yōu)化整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動情況的目的。取機(jī)構(gòu)中各運(yùn)動副作為單獨(dú)部件進(jìn)行相互間作用力的分析，并利用“達(dá)朗伯原理”附加慣性力，將運(yùn)動的部件看做靜止受平衡力的部件，選取合適的比例尺并作出力的多邊形，以計(jì)算出各構(gòu)件所受的力及需要作用在曲柄上的平衡力矩。

2.2 凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

凸輪機(jī)構(gòu)在刨床中有著重要的作用，一方面控制著金屬加工件的進(jìn)給量，另一方面也控制著刀具的進(jìn)刀量，對有著多種且精細(xì)要求的金屬加工作用很大。

（1）運(yùn)動方程的確定。由于從動件要求具有運(yùn)動平穩(wěn)性，因此我們確定擺桿的等加速等減速運(yùn)動規(guī)律，其回程和推程的方程如下：

（2）凸輪基圓半徑的確定。本課題中凸輪基圓半徑由幾何法確定，首先選擇比例尺并以任一點(diǎn)起始點(diǎn)做射線，每兩條射線間的夾角為擺桿的擺角。隨后作圖在射線上沿凸輪旋轉(zhuǎn)方向一次截取速度大小長度的線段，并以此線段再為起點(diǎn)做射線，交點(diǎn)即為凸輪基圓圓心，根據(jù)比例尺即可確定基圓半徑。

（3）凸輪滾子半徑的確定。凸輪機(jī)構(gòu)的工作強(qiáng)度極大，點(diǎn)接觸時(shí)工作應(yīng)力極高，很有可能發(fā)生局部破壞造成凸輪機(jī)構(gòu)失效以致于影響整個(gè)機(jī)械的工作，因此通常使凸輪與從動件間加一滾子，是點(diǎn)接觸變成線接觸，提高凸輪機(jī)構(gòu)的工作壽命。凸輪滾子半徑的選擇應(yīng)遵循滾子半徑小于凸輪輪廓線最小曲率半徑，以防止變尖或失真現(xiàn)象的產(chǎn)生。

（4）凸輪實(shí)際廓線及凸輪外形的確定。由于凸輪的實(shí)際廓線由滾子中心點(diǎn)繞凸輪理論廓線旋轉(zhuǎn)一周形成，因此首要確定理論廓線，此處我們選用反轉(zhuǎn)法設(shè)計(jì)出凸輪的理論廓線，再用滾子做出一系列的圓，并順次連接圓心，即可得到凸輪的實(shí)際廓線。

2.3 齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

齒輪機(jī)構(gòu)作為極為重要的中間傳動機(jī)構(gòu)，重要性不言而喻。因此選用合適的齒輪，并對齒輪做出修正是首要之事。

（1）齒輪齒數(shù)的計(jì)算。根據(jù)機(jī)構(gòu)的工作情況，我們采用行星輪系齒輪進(jìn)行傳動。而各齒輪齒數(shù)的確定遵從四個(gè)條件：

1）傳動比條件：行星輪系中各個(gè)齒輪的齒數(shù)必須滿足齒輪之間傳動比；

2）同心條件：行星輪系中個(gè)構(gòu)件的軸線必須在同一平面內(nèi)；

3）均布安裝條件：行星輪系中各齒輪之間應(yīng)該均勻安裝，相互間分開適當(dāng)?shù)南嗟冉嵌龋?/p>

4）臨界條件：相鄰行星輪不發(fā)生干涉，齒頂圓不會相碰。

根據(jù)以上四個(gè)條件，即可得到各個(gè)齒輪的齒輪及傳動比。

（2）齒輪的變位系數(shù)。齒輪在相互嚙合時(shí)，由于一個(gè)齒輪的齒頂會深入到另一個(gè)齒輪的齒根，造成根切現(xiàn)象，對齒輪的壽命產(chǎn)生很大的影響，已發(fā)生輪齒脆斷；另外，由于齒輪中心距確定但安裝好的齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，發(fā)出振動甚至出現(xiàn)脫齒或跳齒等現(xiàn)象，對于齒輪傳動是十分不利的；除此之外，由于齒輪傳動選用大小齒輪相互嚙合，小齒輪在工作過程中嚙合次數(shù)多，對齒厚的削弱現(xiàn)象較為明顯，因此，本課題選擇采用變位齒輪對齒輪進(jìn)行修正并使其滿足強(qiáng)度、剛度及平穩(wěn)性的要求。計(jì)算變位系數(shù)時(shí)，采用等變位齒輪傳動，小齒輪變位系數(shù)X1和大齒輪變位系數(shù)X2的和為0，即X1+X2=0。這樣，即可使變位齒輪與標(biāo)準(zhǔn)齒輪一樣，分度圓相切且節(jié)圓做純滾動。

通過以上分析，我們確定了導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動和受力情況，并選用等加速等減速形式的凸輪機(jī)構(gòu)和等變位齒輪機(jī)構(gòu)組成具有急回特性的牛頭刨床。

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作者簡介：徐赫彤（1995-），男，吉林長春人，本科在讀，研究方向：交通運(yùn)輸。