具有急回运动特性的牛头刨床的设计

摘 要：牛头刨床是用于金属的切削和加工的机械设备，通过设备上各类刀具的移动来对固定在机床上的金属就行各类的加工，以达到需要的要求和功能。牛头刨床主要包括导杆机构，凸轮机构，棘轮机构和齿轮传动部分。

关键词：牛头刨床；设计；运动

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

1 牛头刨床的工作简介

机床工作时，电动机带动各部分有条不紊的进行。然后，为了提高金属加工速度，加快生产的效率，往往对牛头刨床产生新的要求，其中最为重要的，就是使机械具有急回特性，在工作行程时，对工件的加工更为精细；而在空行程时，则工件迅速进给并让刀具迅速退回到初始位置以便快速的为下一个工件就行切削加工。牛头刨床在工作过程中，会受到很大的切削阻力，而空行程时又不受力的作用，因此为了应对受力的变化并使整个机械平稳的进行工作，安装了飞轮，保证了机械的正常工作。机构简图如下：

2 设计方案及内容

2.1 导杆机构的设计

（1）导杆机构的运动分析。导杆机构作为机床的主要运动传动机构，其作用是十分重要的。因此我们应对导杆的运动情况进行分析，导杆机构中的滑块3的运动轨迹是一个以O2位圆心的圆，而导杆4上B点的运动轨迹事一个以O4为圆心的圆弧。因此我们假设B点为工作行程的初始点，B是工作行程的终止点，两个位置下导杆与滑块的运动轨迹相切，因此我们顺时针将滑块的运动轨迹按等角度均分，并取其中的点进行运动和力的分析。由“点的速度合成定理”和“点的加速度合成定理”做出任取位置点的速度和加速度多边形，选取适当比例尺求出该点速度加速度的大小和方向，以供下一步分析使用。

（2）導杆机构的动态静力分析。在导杆机构运动的过程中起受力情况是十分复杂的但却是十分重要的，因此我们有必要进行动态静力分析以达到进一步优化整个机构运动情况的目的。取机构中各运动副作为单独部件进行相互间作用力的分析，并利用“达朗伯原理”附加惯性力，将运动的部件看做静止受平衡力的部件，选取合适的比例尺并作出力的多边形，以计算出各构件所受的力及需要作用在曲柄上的平衡力矩。

2.2 凸轮机构的设计

凸轮机构在刨床中有着重要的作用，一方面控制着金属加工件的进给量，另一方面也控制着刀具的进刀量，对有着多种且精细要求的金属加工作用很大。

（1）运动方程的确定。由于从动件要求具有运动平稳性，因此我们确定摆杆的等加速等减速运动规律，其回程和推程的方程如下：

（2）凸轮基圆半径的确定。本课题中凸轮基圆半径由几何法确定，首先选择比例尺并以任一点起始点做射线，每两条射线间的夹角为摆杆的摆角。随后作图在射线上沿凸轮旋转方向一次截取速度大小长度的线段，并以此线段再为起点做射线，交点即为凸轮基圆圆心，根据比例尺即可确定基圆半径。

（3）凸轮滚子半径的确定。凸轮机构的工作强度极大，点接触时工作应力极高，很有可能发生局部破坏造成凸轮机构失效以致于影响整个机械的工作，因此通常使凸轮与从动件间加一滚子，是点接触变成线接触，提高凸轮机构的工作寿命。凸轮滚子半径的选择应遵循滚子半径小于凸轮轮廓线最小曲率半径，以防止变尖或失真现象的产生。

（4）凸轮实际廓线及凸轮外形的确定。由于凸轮的实际廓线由滚子中心点绕凸轮理论廓线旋转一周形成，因此首要确定理论廓线，此处我们选用反转法设计出凸轮的理论廓线，再用滚子做出一系列的圆，并顺次连接圆心，即可得到凸轮的实际廓线。

2.3 齿轮机构的设计

齿轮机构作为极为重要的中间传动机构，重要性不言而喻。因此选用合适的齿轮，并对齿轮做出修正是首要之事。

（1）齿轮齿数的计算。根据机构的工作情况，我们采用行星轮系齿轮进行传动。而各齿轮齿数的确定遵从四个条件：

1）传动比条件：行星轮系中各个齿轮的齿数必须满足齿轮之间传动比；

2）同心条件：行星轮系中个构件的轴线必须在同一平面内；

3）均布安装条件：行星轮系中各齿轮之间应该均匀安装，相互间分开适当的相等角度；

4）临界条件：相邻行星轮不发生干涉，齿顶圆不会相碰。

根据以上四个条件，即可得到各个齿轮的齿轮及传动比。

（2）齿轮的变位系数。齿轮在相互啮合时，由于一个齿轮的齿顶会深入到另一个齿轮的齿根，造成根切现象，对齿轮的寿命产生很大的影响，已发生轮齿脆断；另外，由于齿轮中心距确定但安装好的齿轮运转不平稳，发出振动甚至出现脱齿或跳齿等现象，对于齿轮传动是十分不利的；除此之外，由于齿轮传动选用大小齿轮相互啮合，小齿轮在工作过程中啮合次数多，对齿厚的削弱现象较为明显，因此，本课题选择采用变位齿轮对齿轮进行修正并使其满足强度、刚度及平稳性的要求。计算变位系数时，采用等变位齿轮传动，小齿轮变位系数X1和大齿轮变位系数X2的和为0，即X1+X2=0。这样，即可使变位齿轮与标准齿轮一样，分度圆相切且节圆做纯滚动。

通过以上分析，我们确定了导杆机构的运动和受力情况，并选用等加速等减速形式的凸轮机构和等变位齿轮机构组成具有急回特性的牛头刨床。

参考文献：

[1]孙恒，陈作模.机械原理（8版）[M].北京：高等教育出版社，2013.

[2]王爱勤.理论力学（1版）[M].陕西：西北工业大学出版社，2009.

[3]戴曙.金属切削机床[M].机械工业出版社，2012.

作者简介：徐赫彤（1995-），男，吉林长春人，本科在读，研究方向：交通运输。