機械設計制造設計論文一種高壓斷路器電動操作機構的設計和加工工藝研究

河南農業(yè)大學本科生畢業(yè)論文（設計） 題 目 一種高壓斷路器電動操作機構的設計和加工工藝研究學 院 機電工程學院 專業(yè)班級 07級機制4班 學生姓名 程少華 指導教師 張秀麗 撰寫日期：2011年5月10日64摘 要電動操動機構可以實現高壓斷路器的“合”、“分”、“接地”三工位動作。彈簧操動機構是一種以彈簧作為儲能元件的機械式操動機構。彈簧的儲能借助電動機通過減速裝置來完成，并經過鎖扣系統保持在儲能狀態(tài)。開斷時，鎖扣借助磁力脫扣，彈簧釋放能量，經過機械傳遞單元使高壓斷路器實現合分閘運動。設計出一種彈簧操動機構，使其輸出扭矩為，輸出轉速為。為了盡量避免彈簧操動機構存在的手動操作費力、傳動不能準確到位等問題，設計出一種手動脫開機構，當搬動手柄軸調至手動位置時，手動合分閘需要的力量適中。本文介紹了高壓斷路器操動機構的發(fā)展歷史及各種操動機構的優(yōu)缺點，并針對一種高壓斷路器合分閘需要的扭矩，對其進行電動操作機構的設計，并著重介紹了操作機構主要零部件軸、齒輪的強度計算、機構設計和機械加工工藝的制定，以及操作機構箱體的機械加工工藝的研究和箱體鉆孔的夾具設計。關鍵詞：電動操作機構；強度計算；結構設計；加工工藝；夾具設計The design and processing technology research of a kind of high voltage circuit breaker electric operatorAbstractElectric operation system can realize of high voltage circuit breaker "close", "points", "ground" 3 Labor movements. Spring operation structure is a spring as energy-storage components mechanical operation structure. Springs stored energy completes with the aid of the electric motor through the decelerating device, and maintains at after the lock catch system the stored energy condition. Open circuit, lock using magnetic tripping, spring release energy, after mechanical transmission unit to realize high voltage circuit breaker fits break-brake movement. Designs one kind of spring to hold the drive mechanism, causes its output torque is 90110N.m, the output rotational speed is 5r/min.In order to avoid spring operation manual operation of dynamic organizations are not accurate in place strenuous and transmission, design a kind of manual withdraw institutions, when move handle axis moves to a manual position, manual close break-brake need strength moderate. This paper introduces the high voltage circuit breaker operation structure and history of the advantages and disadvantages of various operation system, and in the light of a kind of high voltage circuit breaker close break-brake need torque, and carry on the electric operator design, and emphatically introduces the major parts of the shaft, operating mechanism of gear strength calculation, mechanism design and machining technology formulation, and operating mechanism of the machining process of the body and the research of fixture design drilling. Keyword：Electric operator; Strength calculation; Structure design; Processing craft; Fixture design目 錄1 引言11.1 常見的高壓斷路器11.2 高壓斷路器的組成31.3 高壓斷路器操動系統的簡介31.4 現有操動機構存在的主要問題42 課題設計的參數要求及總體設計原則53 課題設計傳動方案的設計63.1 傳動方案的選擇63.2 電動機的選取73.3 微動開關的選擇83.4 確定傳動裝置的總傳動比和分配傳動比103.5 確定傳動裝置的運動和動力參數104 主要零部件的設計和工藝制定134.1 齒輪的設計及計算134.2 軸的設計及計算174.3 II軸加工工藝的制定214.4 大齒輪加工工藝的制定235 箱體加工工藝的制定和鉆孔夾具的設計255.1 箱體加工工藝的制定255.2 箱體鉆孔夾具的設計426 結果分析467 結束語47參考文獻48致謝49附錄1：外文翻譯原文50附錄2：外文翻譯譯文581 引言隨著國民經濟的發(fā)展和人民物質文化生活水平的不斷提高，對電力的需求量越來越多，促使電力事業(yè)迅速發(fā)展，電網不斷擴大，供電質量和供電可靠性的要求也越來越高。在配電和供電系統中，由于高壓斷路器的特殊作用，對其可靠性和免維護的要求更高，因此世界各國對高壓斷路器的理論研究和設計開發(fā)一直在不斷進行著。 3KV及以上的電力系統中使用的斷路器稱為高壓斷路器。高壓斷路器是電力系統中最主要的控制、保護元件，對電網的安全運行起著關鍵作用。概括地說，高壓斷路器在電網中主要起兩方面的作用：第一，控制作用。即根據電網的運行需要，用高壓斷路器把一部分電力線路和設備投入或退出運行。第二，保護作用。高壓斷路器可以在電力線路或設備發(fā)生故障時將故障部分從電網中快速切除，保證電網中無故障部分正常運行1。如果它們一旦在運行中發(fā)生故障或在故障時不能正常的動作，將會造成嚴重的后果，小則引起一個地區(qū)的停電，給人們的社會生活帶來很大的不便；重則導致電網瓦解、系統崩潰，給國家的經濟建設和政治生活帶來不可彌補的重大損失。因此，高壓斷路器及其運行的可靠性直接關系到整個電力系統的安全運行和供電質量，在電力系統中起著十分重要的作用。 高壓斷路器是電力系統中最重要，也是最復雜的電器設備之一。其工作理論和工作原理牽扯面較大，內容龐雜，既有電磁學理論，又有熱學和力學理論，所以它的設計計算非常復雜，過去著重研究電磁靜態(tài)吸力與負載反力的配合，按照能量的方法進行粗略計算，在規(guī)定操作電壓下吸力特性在全部行程里都高于反力特性，以保證閉合的可靠性。實際上，電磁機構銜鐵的運動過程中只存在動態(tài)吸力而不存在靜態(tài)吸力。這就是說，只有動態(tài)過程才是表征電磁系統動作時的真實過程，只有進行電磁系統的動態(tài)特性的分析和計算才是電磁機構設計的關鍵。1.1常見的高壓斷路器油斷路器：油斷路器是發(fā)展最早的一種斷路器，它以礦物油或者合成油作為滅弧和絕緣介質。它是一種完全利用電弧本身產生的能量使其滅弧的機構，電弧的能量與電流和電弧壓降的大小以機 燃弧時間的長短有關。當電弧能量足夠大時，電弧的熄滅較為順利，燃弧時間短。如果電弧能量不足，則燃弧時間超長，因而燃弧時間與開斷電流成反比關系，但是當開斷電流甚小時，因弧道去游離化微弱，電弧是不容易燃弧的，所以在開斷特性上出現了臨界電流值，其燃弧時間達到最長。油斷路器的燃弧時間比其它斷路器要長一些。油斷路器的機構多用彈簧操動機構和液壓操動機構，尤其是高壓和超高壓油斷路器的操動機構均為液壓操動機構。壓縮空氣斷路器：壓氣式滅弧室利用壓縮空氣氣流對電弧去游離并建立弧后絕緣的裝置。開斷電流與壓縮空氣的壓力和流量成正比。這種滅弧室的特點是從燃弧開始，氣吹就十分劇烈，電流過零以后，介質絕緣強度的恢復較緩慢，最后則總絕緣強度高。因而，對于開斷空載線路極為有利，能給滅弧室并聯電阻起到增容的作用。在高壓和超高壓壓縮空氣斷路器中使用的大多是縱吹滅弧室。其操動機構多用氣動機構，但壓縮空氣斷路器現在已很少使用，它以被油斷路器和SF6斷路器所取代。 六氟化硫（SF6）斷路器：SF6斷路器目前在高壓和超高壓中應用最為廣泛的是單壓式滅弧室機構，滅弧室由壓氣缸和活塞組成。這里活塞是靜止的，而壓氣缸內與觸頭固定在一起，是可動的，隨著動觸頭的打開，壓氣缸SF6氣體的流速和密度依壓氣缸的壓強而定，這使滅弧的主導因素，噴嘴的合理設計和斷口間的電場分布，決定著電流開斷的成敗。單氣式SF6斷路器的滅弧系統消耗能量最大，約為少油、空氣和雙壓式SF6斷路器消耗能量的一倍，當單壓式SF6斷路器剛剛出項的時候，操動機構都采用壓縮空氣式，采用彈簧操動機構和液壓操動機構的很少，到1983年以后，采用液壓和彈簧操動機構才占大多數，而壓縮空氣機構局少數地位，許多制造廠家轉而生產液壓操動機構是因為它適應能量需要，且具有合分閘緩沖簡單、運動質量小及操動機構時間短等優(yōu)點。真空斷路器：真空斷路器是通過對接式觸頭進行合分操作的，由于真空度好的間隙絕緣強度很高，所以，其最大觸頭開距很小，相對操作功也不大。為更好的開斷電流，觸頭結構設計為帶有不同形式的磁場方式。研制初期，還只限于小容量，隨著真空斷路器技術和理論的不斷完善，觸頭結構和斷路器結構的不斷發(fā)展和深入，真空斷路器正向高壓、大容量方向發(fā)展。影響真空斷路器開斷能力的因素很多，其中主要有滅弧室內的觸頭結構及材料、觸頭直徑、真空度、觸頭開距、外加磁場等。眾所周知，對于觸頭結構而言，產生橫向或者縱向磁場的電極結構，其開斷能力明顯高于平板型電極；對觸頭材料而言，目前Cu、Cr材料比較理想。真空斷路器的極限開斷電流與電極直徑近似成正比。根據以上特點，加上真空斷路器的機械壽命達上萬次之多，而且操作功不大，所以最佳操動機構為彈簧操動機構或者電磁操動機構。1.2高壓斷路器的組成高壓斷路器按功能可分為以下幾個部分：導電部分：斷路器導通電流的部分。它允許通過長時間的正常負荷電流和一定時間的異常電流，如負荷電流和短路電流。絕緣部分：保證斷路器電器絕緣的部分。它包括三個基本部分，即對地絕緣、相對絕緣和斷口絕緣。接觸系統和滅弧系統：執(zhí)行電路開斷和關合的部分。它表征斷路器的合閘和分閘能力。操作系統：促使觸頭分斷和接通的部分。它賦予斷路器以規(guī)定程序的動作以及一定的動作時間和速度2。1.3高壓斷路器操動機構的簡介1.3.1操動機構的結構組成和作用通常把獨立于斷路器本體以外的部分稱為操動機構，因此操動機構往往是一個獨立的裝置，操動機構由做功元件、連桿系統、維持和脫扣部件等幾個主要部分組成。操動機構的高壓開關的重要組成部分。高壓開關采用電動操動機構后，不僅可以減少操動人員的勞動強度，提高操動的安全可靠程度，縮短操作時間，而且還可以實現操作的遙控化.該機構與真空斷路器負荷開關配裝后,可以實現電動合閘、分閘、接地、遙控分閘及自動重合閘等一系列動作。1.3.2操動機構的可靠性要求操動機構是斷路器的重要組成部分，斷路器的工作可靠性在很大程度上依賴于操動機構的動作可靠性。斷路器事故分析表明，由于操動機構原因而導致的斷路器事故占總事故的 60%以上，足見操動機構對斷路器工作性能和可靠性起著至關重要的作用。操動機構的動作性能必須滿足斷路器的工作性能和可靠性的要求，這些要求有：有足夠的短路關合能力。操動機構不僅在斷路器在正常工作的情況下能順利合閘，而且當斷路器關合到有預伏短路故障的電路時，操動機構必須能克服短路電動力的阻礙，順利合閘；合理的輸出特性以保證斷路器動觸頭的分合閘速度，并在分合閘終了時，其剩余能量不致造成斷路器的過分振動和零部件的損傷；能使斷路器可靠的保持在合閘位置。操動機構在合閘過程中，合閘信號維持的時間很短，操動機構的操作力也只在短時間內提供，因此，操動機構必須保證在合閘信號和操作力消失以后，使斷路器能可靠地保持在合閘位置；操動機構應保證能源（電壓、液壓、氣壓）在一定變化范圍內可靠動作，如在額定值的 80%或 85%110%的范圍內可靠合閘，在額定值的 65%120%的范圍內可靠分閘；具有自動脫扣和防跳躍能力；動作快速、機械壽命長和便于維修等3。1.3.3操動機構的工作原理電動操動機構用電動機作為動力源，其功率根據主軸最大輸出力矩選擇，電動機通電，當該機構電動操作時，電機通電，帶動小齒輪轉動，小齒輪帶動大齒輪轉動，由于大齒輪與傳動軸通過軸、鍵、或銷相連，所以傳動軸隨之轉動，并通過連接套帶動操作開關用的主軸低速轉動，實現高壓斷路器實現“合”、“分”、“接地”等操作4。1.4現有操動機構存在的主要問題目前用于中壓等級斷路器的操動機構主要有電磁式和彈簧式兩種。電磁操動機構在真空斷路器發(fā)展初期得到了廣泛的應用，這是因為電磁操動機構能較好的迎合真空滅弧室的要求：一是行程短(8-25mm)；二是合閘位置需要較大的操作力(2000-4000N/相)。然而電磁操動機構也存在不容忽視的缺點，磁路電感L在合閘過程中變化較快，產生反電動勢idL/dt，從而抑制了合閘線圈動態(tài)電流的增長，而且這種抑制作用隨著合閘速度的增加而增強5。這樣，當線圈的穩(wěn)態(tài)電流已經較大時，若想用進一步提高線圈穩(wěn)態(tài)電流的方法來抵消這種抑制作用，常受到合閘電源容量的限制。因此，電磁操動機構合閘時間較長，電源電壓波動對合閘速度影響較大。相比之下，彈簧操動機構采用手動或小功率交流電動機儲能，其合閘功不受電源電壓的影響，相當恒定，既能獲得較高的合閘速度，又能實現快速自動重合閘操作，在一定程度上克服了電磁操動機構的缺點。然而彈簧操動機構也存在以下缺點：完全依靠機械傳動，零部件總數多，一般彈簧操動機構有上百個零件，且傳動機構較為復雜，故障率較高，運動部件多，制造工藝要求較高。另外，彈簧操動機構的結構復雜，滑動摩擦面多，而且多在關鍵部件。在長期運行過程中，這些零部件的磨損、銹蝕、以及潤滑劑的流失、固化等都會導致操作失誤。可靠性是考核斷路器性能的重要指標，從國際、國內的統計數字來看，在斷路器的故障中，機械故障占絕大多數。國際大電網會議組織的國際調查表明，機械故障高達總故障的70.3%?？煽啃缘母叩秃土悴考盗康亩嗌儆兄苯雨P系，減少零件的數量將明顯提高系統的可靠性。所以，必須對傳統的操動機構進行改進，減少零件數量，改善出力特性，提高斷路器的可靠性。2 課題設計的數據要求及總體設計原則（1）數據和要求高壓斷路器要求的輸入扭矩為：； 高壓斷路器主軸轉速為：；傳動機構的壽命按斷路器主軸能夠轉動計算；電機里齒輪上抹油必須是耐高、低溫，不易揮發(fā)的；機加件防腐處理、密封處理，電機固定螺絲必須統一。（2）總體設計原則高壓斷路器電動操作機構的設計包括零部件設計和總體設計兩方面。一臺機器設計的好壞固然與每個零部件的設計有關，但對整機性能起決定作用的卻是總體設計，如果在設計中對整體缺乏全盤考慮，即使各部件的設計是良好的，但組合在一起卻不一定獲得好的效果，因此，在進行設計時，考慮總體原則是十分必要的。進行總體配置就是要合理地布置各部件的位置，從而進一步確定機器的總體尺寸，確定傳動機構的方案，以及手動機構的設置等?？傮w配置的具體要求可以歸納如下：（1） 工藝過程連續(xù)順暢，便于制造。（2） 在達到設計要求的前提下，盡量使結構緊湊。（3） 降低生產成本。（4） 便于使用，調整和維修。（5） 外形美觀。3 課題設計傳動方案的設計3.1傳動方案的選擇由給定的參數和要求可知，操作機構需要傳遞動力不是很大，所以其傳動機構的設計方案大致有四種，即分別采用帶傳動、鏈傳動，齒輪傳動和渦輪蝸桿傳動。它們的優(yōu)缺點見下表：表3-1 四種常見傳動形式的優(yōu)缺點比較傳動形式優(yōu)點缺點帶傳動結構簡單，適用于兩軸中心距較大的傳動場合傳動平穩(wěn)無噪聲，能緩沖、吸振過載時帶將會在帶輪上打滑，可防止薄弱零部件損壞，起到安全保護作用不能保證精確的傳動比滑動損失滯后損失鏈傳動可以在兩軸中心距較遠的情況下傳遞運動和動力能在低速，重載和高溫條件下及塵土大的情況下工作能夠保證準確的傳動比，傳遞效率較高，并且作用在軸上的力較小鏈條的鉸鏈磨損后，使節(jié)距變大造成脫節(jié)安裝和維護要求較高失效較大,傳動精度不高齒輪傳動能保證瞬時傳動比恒定，平穩(wěn)性高傳遞的功率和速度范圍較大結構緊湊，工作可靠，可實現較大的傳動比傳動效率高，使用壽命長制造和安裝要求較高工作環(huán)境要求高渦輪蝸桿傳動具有反向自鎖的功能具有較大的速比傳動比和承載能力較高振動小、噪音低傳動效率較低，傳動中容易發(fā)生的磨損嚴重傳動精度較低制造成本高在選擇傳動方案時，首先應該明確的一點是，高壓斷路器并不經常進行合分閘，所以操作機構也并不經常運作。綜合考慮操作機構的尺寸、內部空間大小和生產成本等因素，故而選擇齒輪傳動。3.2電動機的選取 3.2.1選擇電動機類型和結構形式電動機分為交流電動機和直流電動機。由于交流電動機的功率、轉速和體積一般都較大，而此電動操作機構并不需要太大的轉速和功率，再者，考慮到此電動操作機構不經常運作，根據其結構尺寸、使用壽命和工作要求，選擇直流微型電動機。3.2.2確定電動機的容量根據給定的設計數據，可以得到所需電動機的工作功率，查機械設計指導書6得到計算電動機工作功率的公式為 （3-1）其中 所以有 3.2.3 確定電動機轉速已知高壓斷路器主軸轉速為，查機械設計指導書6中常用傳動機構傳動比表可知，齒輪的傳動比為。故電動機的轉速范圍為 （3-2）根據容量和轉速，綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸、重量、價格等因素，選定電動機的類型為直流微型電動機，型號為59YZ-CJ002-P.其主要性能為：額定功率70 W，額定電壓24 V，額定電流6.8 A，滿載轉速17 r/min。微電機的三維效果圖如下圖所示：圖3-1 微電機的三維視圖3.3微動開關的選擇3.3.1微動開關的選擇及結構微動開關選擇HGW410KV型戶外高壓隔離開關。HGW410KV型戶外高壓隔離開關適用于裝置在戶外高壓配電設備線路上，供線路在有電壓無負載時，分合操動之用。其使用環(huán)境條件：海拔高度不超過1000米；周圍介質溫度不高于+40，不低于-30（注：海拔高度及周圍介質溫度不能滿足上述條件時，可按GB31164國家標準規(guī)定要求使用此種隔離開關）；無大量導電氣體和塵埃及去爆炸危險場所；風壓不超過700pa（相當于風速34m/s）。HGW410KV型戶外隔離開關的結構由底座、支柱瓷絕緣子、導電部分及接地部分組成。每極有兩個瓷柱，一個瓷柱裝在底座一端軸承上，另一個瓷柱固定在底座的另一端，其導電部分采用閘刀插入式結構分成兩半，分別固定在兩個瓷柱的頂端，作水平分閘運動。觸頭接觸地方在兩個瓷柱的中間，當操動機構操動時，裝在底座軸承上一端的瓷柱幾導電體轉動91，另一端固定，閘刀便向同一側方向斷開或閉合。接地型開關當閘刀斷開時，接地連桿可開始聯動，合閘動作先把接地開關斷開，再閉合開關。3.3.2 控制電路的設計（1）合分閘的指示燈控制電路圖3-2 合、分閘的指示燈控制電路（2）合分閘開關的控制電路（1）（2）圖3-3 合、分閘開關的控制電路 3.4確定傳動裝置的總傳動比和分配傳動比由選定的電動機的滿載轉速和高壓斷路器主軸轉速,可得傳動裝置的總傳動比，即 （3-3）總傳動比為各級傳動比的乘積，即 （3-4）所以有 （3-5）初步選取 ，則 3.5確定傳動裝置的運動和動力參數1各軸轉速查機械設計指導書6，由公式算得 （3-6） （3-7）2各軸輸入功率、輸出功率 （3-8） （3-9） 3各軸輸入轉矩、輸出轉矩電動機軸的輸出轉矩為 （3-10） （3-11） （3-12） 運動和動力參數計算結果整理于下表： 表3-2 各軸運動和動力參數 功率P/W轉矩T/轉速n輸入輸出輸入輸出電動機軸7037.1917I軸61.5760.3432.8632.2017.9II軸59.7357.95113.61111.335根據選擇的微電機和計算出來的傳動裝置的數據參數，對電動操作機構進行預設計，畫出預設計的三維效果視圖，如下圖所示：圖3-4 預設計三維效果圖4 主要零部件的設計和工藝制定4.1齒輪的設計及計算4.1.1確定齒輪類型、精度等級、材料及齒數（1）由于傳遞的功率和轉矩不是很大，考慮到齒輪加工的難易程度和成本等因素，故而選用直齒圓柱齒輪傳動。（2）此負載開關的主軸轉速不大，所以齒輪傳動的速速不高，故選用7級精度即可滿足要求。（3）材料選取45鋼，調質處理，硬度為2832HRC，小齒輪齒面硬度略高于大齒輪齒面硬度。（4）初步選取小齒輪齒數，大齒輪齒數。4.1.2按齒面接觸強度設計查機械設計7得齒面接觸強度設計公式為 （4-1）（1） 確定公式中各計算數值1）由于載荷不大，初步試選載荷系數；2）小齒輪傳遞的轉矩；3）小齒輪做懸臂布置，選取齒寬系數；4）由齒輪的材料，查機械設計得材料的彈性影響系數；5）按齒面硬度，查機械設計得小齒輪的接觸疲勞強度極限 ，大齒輪的接觸疲勞強度極限；6）計算應力循環(huán)次數 （4-2） （4-3）7）按計算出的應力循環(huán)次數，取得接觸疲勞壽命系數 ，；8）計算接觸疲勞許用應力 取安全系數 ，則 （4-4） （2） 計算1）試算小齒輪分度圓直徑 ，代入中較小的值 即 2）計算圓周速度 （4-5） 3）計算齒寬 4）計算齒寬與齒高之比 模數 （4-6） 齒高 （4-7）所以 5）計算載荷系數根據 ，7級精度，查機械設計得動載荷系數 ；由于是直齒輪，所以取 ；此齒輪傳動并不經常運作，運作時，載荷也較平穩(wěn)，故而查機械設計得使用系數 ；由7級精度、小齒輪相對支承非對稱布置，用插值法查機械設計，得；由 ， 查機械設計得 ；故，載荷系數 （4-8）6）按實際的載荷系數校正所得的分度圓直徑 （4-9）7）計算模數 （4-10）4.1.3按齒根彎曲強度設計查機械設計得齒根彎曲強度設計公式為 （4-11）（1）確定公式中的各計算數值1）由齒面硬度，查機械設計得小齒輪的彎曲疲勞強度極限，大齒輪的彎曲疲勞強度極限；2）由應力循環(huán)次數，查機械設計得彎曲疲勞壽命系數為,； 3）計算彎曲疲勞許用應力取彎曲疲勞安全系數 ，則有 （4-12） 4）計算載荷系數 （4-13）5）查取齒形系數按齒輪齒數，并用插值法查機械設計有，；6）查取應力校正系數按齒輪齒數，并用插值法查機械設計得，；7） 計算大小齒輪得 ，并加以比較 （4-14）小齒輪的數值較大，用小齒輪的數值代入計算。（2） 計算 對比計算結果，由齒面接觸疲勞強度計算的模數大于由齒根彎曲疲勞強度計算的模數，由于齒輪模數的大小主要取決于彎曲強度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關，故而可取由彎曲強度算得的模數1.15，并就近圓整為標準值，按接觸強度算得得分度圓直徑算出小齒輪得齒數。 即 （4-15） 則有 大齒輪齒數 （4-16） 這樣設計出的齒輪傳動，既滿足齒面接觸疲勞強度，又滿足齒根彎曲疲勞強度，并做到結構緊湊，避免浪費。4.1.4 齒輪幾何尺寸的計算（1）計算分度圓直徑 （4-17） （2）計算中心距 （4-18）（3）計算齒輪寬度 （4-19） 取大齒輪寬度 ，小齒輪寬度根據算得的數據，畫出大齒輪的三維效果圖，如下圖所示：圖4-1 大齒輪的三維視圖4.2軸的設計及計算4.2.1 I軸（小齒輪軸）的設計及計算 （1）求出I軸上傳遞的功率 、轉速 和傳遞的轉矩由前面的計算有 , ，（2）初步確定I軸的最小直徑選取軸的材料為2Cr13，由于此操作機構中的軸主要承受的是扭矩，故而按扭轉強度設計計算，并且許用扭轉切應力取較大值，取較小值，查表，取 ， ,彎曲疲勞極限則 （4-20） 所以取I軸（小齒輪軸）的最小直徑為。4.2.2 II軸（大齒輪軸）的設計及計算（1）求出II軸上傳遞的功率 、轉速 和傳遞的轉矩由前面的計算有 , ，（2）初步確定II軸的最小直徑 則 （4-21） 所以取II軸（大齒輪軸）的最小直徑為。4.2.3 II軸（大齒輪軸）的結構設計II軸的一端手柄螺母相連，另一端與連軸套相連，兩端都需要傳遞扭矩，為了在不破壞軸的結構的前提下，使其更好地傳遞扭矩，故而軸的兩端做成方形截面；考慮到操作機構的工作環(huán)境問題，操作機構箱體內應保持一定的干燥度，所以箱體要密封處理，在軸與箱體相連的部位要加密封圈，所以在軸的兩端與箱體相配合的部位要切削密封圈槽，每端兩道；另外，為使軸安裝方便，不在軸上加工軸肩，在軸上開卡簧槽，用卡簧保證軸的軸向定位。軸的結構設計如下圖所示：圖4-2 II軸的結構圖4.2.4 II軸（大齒輪軸）的強度校核（1）求出作用在齒輪上的力由前面的計算知大齒輪的分度圓直徑為，查機械設計得齒輪的載荷公式為 （4-22） （4-23）（2）作出II軸的力學模型II軸的受力分析圖如下圖所示：圖4-3 II軸的載荷分析圖 經計算得： ， ， ， II軸的彎矩圖、扭矩圖如下圖所示：圖4-4 II軸的彎矩和扭矩圖（3）II軸的強度校核 從II軸的結構圖中及彎矩和扭矩圖中可以看出，由于大齒輪與II軸間不傳遞扭矩作用，所以在大齒輪與II軸接觸處主要承受彎矩，按彎曲強度校核；在II軸銷孔截面上主要承受扭矩，按扭轉強度校核。大齒輪與II軸接觸處 （4-24）II軸銷孔截面的扭轉切應力為 （4-25）由前知，軸的材料為2Cr13，其彎曲疲勞極限，許用扭轉切應力為 。所以， ， ，故而設計的II軸，安全可用。根據設計出的II軸的數據，畫出II軸的三維視圖，如下圖所示：圖4-5 II軸三維視圖4.3 II軸加工工藝的制定4.3.1II軸的作用II軸主要用來支撐傳動零件（即大齒輪和牙嵌撥叉）和傳遞扭矩。4.3.2II軸的零件圖分析大齒輪軸的零件圖如下圖所示：圖4-6 大齒輪軸零件圖從零件圖中可以看出，A面尺寸為，其公差為，由設計手冊查得精度為，其表面粗糙度為3.2。B面尺寸為，其公差為，由設計手冊查得精度為IT7,其表面粗糙度為0.8。A面的軸線應分別位于直徑為公差值為，且以理想位置為軸線的圓柱面內。調質處理，HRC28-32。4.3.3II軸的毛坯選擇根據零件的需要，各部分的直徑相差不大，我們所選的毛坯的材料為45鋼，圓鋼，調制處理，尺寸大小為。4.3.4加工基本方案的確定1、 先加工粗基準面，再以粗基準面定位加工其他面。2、先加工外圓面，再加工光孔和螺紋孔。3、為了改善材料的切削性能，在切削加工之前，對材料進行正火處理（粗加工前后皆可）。4、粗加工之后，為消除內應力，進行人工時效處理。5、在半精加工之后，對材料進行調質處理，以改善材料的力學性能。6、檢查，檢驗，去毛刺，平衡，清洗。4.3.5加工路線的確定1、熱處理，正火。2、粗車：夾一端車端面，見平即可，鉆中心孔，粗車外圓，保證其直徑為，留加工余量.3、精車：精車外圓，保證其直徑為.4、切槽。5、鉆孔，車螺紋孔，然后在保證總長為的前提下切斷軸。6、掉頭另一端，車螺紋。7、銑兩端四方，夾具采用三爪卡盤定位。4.3.6工藝規(guī)程的制定工藝規(guī)程的制定如下表：表4-1 II軸加工的工藝規(guī)程工序號工序名稱工序內容車間工段設備工藝裝備下料選基本外形為20.5mmx192mm的圓鋼熱處理正火粗車端面夾一端車端面見平即可鉆中心孔機加工車車床車刀，鉆頭，切削液粗車外圓粗車外圓保證其直徑20.1mm，留加工余量0.1mm機加工車車床車刀，切削液精車精車外圓，保證其直徑為20mm機加工車車床車刀，切削液切槽將圖中槽切完后，在保證總長為191.5mm的前提下切斷軸機加工車車床車刀，切削液鉆孔鉆一端調頭車另一端機加工鉆鉆床鉆頭，切削液車螺紋孔車一端調頭車另一端機加工車車床車刀，鉆頭，切削液銑兩端四方夾具用三爪卡盤定位機加工銑銑床銑刀，切削液4.4大齒輪加工工藝的制定4.4.1大齒輪的零件圖樣分析大齒輪的零件圖如下圖所示：圖4-7 大齒輪零件圖從零件圖中可以看出：（1）齒輪上下端面對稱度為。（2）整體調質處理,齒圈高頻淬火.（3）齒輪精度等級為8級。4.4.2工藝分析（1）齒輪根據其結構，精度等級及生產批量的不同，機械加工工藝過程也不相同，但基本工藝路線大致相同，即:毛坯制造及熱處理-齒坯加工-齒形加工-齒部淬火-精基準修正-齒形精加工。（2）齒輪精度等級為8級，滾齒加工應留有加工余量，進行精加工。（3）根據齒輪的精度等級進行滾齒加工。4.4.3工藝規(guī)程的制定大齒輪機械加工工藝規(guī)程如下表：表4-2 大齒輪加工工藝規(guī)程工序號工序名稱工序內容工藝裝備下料鋸鍛毛坯鍛造空氣錘熱處理調質處理車夾外圓找正工件（照顧各部加工余量），車一端面，鉆孔車床車掉頭，夾外圓，按內表面找正，車另一端面保證總長,車內孔尺寸至車床鉸以外圓和端面定位，鉸孔、車床磨磨2端面，保證尺寸磨床精車以內孔及端面裝夾，精車外圓至圖樣尺寸，倒角車床滾齒以內孔及一端面定位裝夾，滾齒，滾齒機熱處理高頻淬火臺轉Z4006A組合夾具剃齒剃齒剃齒機5 箱體加工工藝的制定和鉆孔夾具的設計5.1箱體加工工藝的制定5.1.1零件的分析（1）零件的作用本設計所設計的零件是負載開關電動操作機構的箱體部分，它的作用是：（1）與負載開關相固連在一起，起到支撐固定操作機構的作用；（2）給操作機構一個相對封閉的空間，使其與周圍工作環(huán)境隔離開，以保證操作機構的正常運作和其使用壽命；（3）與操作機構的傳動零件相配合，并起到固定支撐定位的作用，使傳動機構能夠正常工作，精確傳遞動力。箱體各部分尺寸詳細標注如下圖：圖-51 箱體零件圖（2）零件圖的審核在加工中，以軸套的內表面為A基準面，以箱體的低面和左側面分別為B基準面和C基準面；軸套內表面的表面粗糙度為3.2，其余為6.3；箱體的四個側面對基準B的垂直度公差為0.15mm，其公差值是垂直于基準軸線的距離為公差值0.15mm的兩個平行平面內；兩個相對側面對基準C的垂直度公差為0.15mm，兩個相對側面的平行度差為0.15mm；20的軸線對基準A的同軸度公差為0.05mm；其公差帶是與基準A同軸，直徑為公差值0.05mm的圓柱面；軸套內表面的精度等級為T7級，其余孔的內表面精度等級為T9級；28的孔采用基軸制配合，10H8/h7采用基軸制配合，其余各要求和尺寸精度如圖所示。（3）零件的工藝分析分析零件圖紙，圖紙的各視圖清晰，尺寸標注完整，能夠表達清楚零件的各個部分，技術條件標注合理，表面粗糙度標注合理，尺寸公差標注完整，能夠完整表述加工要求。該零件的加工主要是孔的加工。現將主要加工部分表述如下：該箱體有10個直孔和5個螺紋孔要加工，其中、和孔加工要求較高，兩個孔有同軸度要求，側壁上的孔中心與底平面之間有垂直度要求，其它的孔和螺紋孔可直接加工出來。由以上分析知，該零件的孔加工應以底面為基準，保證孔中心與底平面的距離、垂直度。5.1.2 工藝規(guī)程的設計（1）確定毛坯1）毛坯的制造形式箱體材料為，由于此零件為箱體，用鑄造或鍛造的方法不太好加工，而且生產批量也較大，故而本零件的毛坯用焊接的方法制造，即將切割好、符合尺寸要求的鋼板用電焊焊接而成。2）毛坯的設計將材料為、厚度為的鋼板按尺寸要求切割成左右板、前后板和底板，然后在保證垂直度的前提下，用電焊將其焊接成箱體毛坯。毛坯的輪廓尺寸為長、寬、高，壁厚。（2）基面的選擇 基面選擇是工藝規(guī)程設計中的重要工作之一，基面選擇的正確與合理，可以使加工質量得到保證，生產率得到提高。否則，不但使加工工藝過程中的問題百出，更有甚者，還會造成零件大批報廢，使生產無法正常進行。 粗基準選擇：粗基準的選擇應在保證個加工面余量的前提下，保證重要表面的余量均勻；考慮箱體內運動部件的空間位置；保證外形尺寸的正確。因此一般選擇主軸孔為粗基準。在大批量生產時，毛坯精度較高，可直接以主軸孔的粗基準在專用夾具上定位。精基準選擇：精基準按基準重合原則和基準統一原則選擇，通常優(yōu)先考慮基準統一原則，選取箱體的低面作為基準。（3）工藝路線的擬定擬訂工藝路線的內容除選擇定位基準外，還要選擇各加工表面的加工方法，安排工序的先后順序，確定加工設備，工藝裝備等。工藝路線的的擬定要考慮使工件的幾何形狀精度，尺寸精度及位置精度等技術要求得到合理保證，成批生產還應考慮采用組合機床，專用夾具，工序集中，以提高效率，還應考慮加工的經濟性。1）選擇加工方法選擇加工方法應該考慮各種加工方法的特點、加工精度、表面粗糙度及各種加工方法的經濟性。 分析該零件，該零件要加工的內容主要是孔的加工，零件為非回轉體零件。孔的加工：、和孔粗糙度要求為3.2，加工要求較高，兩個孔有同軸度要求，采用鉆擴鉸孔即可滿足要求。側壁上的孔中心與底平面之間有垂直度要求，粗糙度要求為6.3，采用鉆擴孔即可。螺紋孔粗糙度要求為6.3，采用攻絲加工。 2）加工順序的擬定O ：焊接箱體毛坯：拋光箱體毛坯焊縫。 ：鉆孔至，鉆孔至，鉆孔、；擴孔至，擴孔至；鉸孔、，保證孔與孔孔心距為，孔與孔孔心距為，孔中心在孔中心連線的中垂線上，并且與孔、中心距分別為、。 ：鉆孔、，保證孔中心距為。 ：鉆孔至，鉆孔至，鉆孔；擴孔至，擴孔至；鉸孔、，保證兩孔中心距為。 ：鉆螺紋孔、分別為、孔。 ：攻螺紋孔，保證與孔中心距分別為、；攻螺紋孔，保證中心距為；攻螺紋孔。 ：鏜“十”字孔，8個角倒圓角。 ：锪深；锪、深。 ：將箱口結合件與箱體焊接在一起。：去銳邊、毛刺。 ：噴漆。 ：終檢。分析以上工藝路線內容，基本合理，根據以上工藝路線，確定工序內容：O ：焊接箱體毛坯。：拋光箱體毛坯焊縫。：以底平面和側面定位，鉆孔、，鉆擴鉸孔、，保證孔與孔孔心距為，孔與孔孔心距為，孔中心在孔中心連線的中垂線上，并且與孔、中心距分別為、。：以底平面和側面定位，鉆孔、，保證孔中心距為。：以底平面和側面定位，鉆孔，鉆擴鉸孔、，保證兩孔中心距為。：以底平面和側面定位，鉆螺紋孔、分別為、孔。：以底平面和側面定位，攻螺紋孔，保證與孔中心距分別為、；攻螺紋孔，保證中心距為；攻螺紋孔。：以底平面和側面定位，鏜“十”字孔，8個角倒圓角。：以底平面和側面定位，锪深；锪、深。：將箱口結合件與箱體焊接在一起。：去銳邊、毛刺。：噴漆。：終檢。3）機械加工余量孔加工余量：孔鉆擴鉸余量：鉆孔：擴孔：至 鉸孔： 孔鉆擴鉸余量：鉆孔：擴孔：至 鉸孔： 孔鉆擴鉸余量：鉆孔：擴孔：至 鉸孔： 孔、“十”字孔、直接鉆出。螺紋孔加工余量：鉆孔：攻絲：螺紋孔加工余量：鉆孔：攻絲：螺紋孔加工余量：鉆孔：攻絲：锪加工余量锪余量： 锪余量： 锪余量： 4）選擇加工設備及刀、夾、量具由于生產類型為大批量生產，故加工設備宜以通用機床為主。其生產方式為以通用機床加專用夾具為主的流水生產線。工件在機床上的裝卸及各機床間的傳送均由人工完成?？准庸?鉆削各表面孔系時，選用搖臂鉆床Z3025，選用錐柄麻花鉆、錐柄擴孔鉆、鉸刀、專用夾具、快換夾頭、游標卡尺和塞規(guī)。螺紋孔攻絲 螺紋孔攻螺紋選用搖臂鉆床Z3025，采用機用絲錐、絲錐夾頭、專用夾具和螺紋塞規(guī)。鏜“十”字孔采用臥式鏜床T611，選擇鏜通孔刀徑為的鏜刀、專用夾具、游標卡尺。锪加工锪、平面分別選用直徑為、的帶可換導柱錐柄平底锪鉆、專用夾具、游標卡尺。5）工序尺寸確定確定工序尺寸的一般方法是由表面加工最后往前推。最后工序的尺寸按零件圖上要求標注，當沒有基準轉換時，同一加工表面的工序尺寸只與工序或工步的加工余量有關。當工序基準不重合時，工序尺寸用尺寸鏈計算。6）確定切削用量及基本工時工序切削用量及時間定額鉆孔 查表3-38（實用機械制造工藝設計手冊），取 ，查表3-42（實用機械制造工藝設計手冊），取 ，由公式 （5-1）查表4.2-15（實用機械制造工藝設計手冊），機床為Z3025，選擇轉速實際切削速度 （5-2）切削工時： ，代入公式： （5-3）鉆孔 查表3-38（實用機械制造工藝設計手冊），取 ，查表3-42（實用機械制造工藝設計手冊），取 ， 由公式 查表4.2-15（實用機械制造工藝設計手冊），機床為Z3025，選擇轉速 實際切削速度 切削工時： 代入公式：鉆擴鉸孔 鉆孔至 ：查表3-38（實用機械制造工藝設計手冊），取查表3-42（實用機械制造工藝設計手冊），取 帶入公式 查表4.2-12（實用機械制造工藝設計手冊），機床為Z3025，選擇轉速則實際切削速度 擴孔至 ： ，（表2.4-52實用機械制造工藝設計手冊） ，（表2.4-53實用機械制造工藝設計手冊）代入公式 查表4.2-12（實用機械制造工藝設計手冊），機床為Z3025，選擇轉速實際切削速度 鉸孔 ： 查表3-50（實用機械制造工藝設計手冊）， 帶入公式 查表4.2-12（實用機械制造工藝設計手冊），機床為Z3025，選擇轉速 實際切削速度 切削工時： 鉆擴鉸孔 鉆孔至 ：查表3-38（實用機械制造工藝設計手冊），取 查表3-42（實用機械制造工藝設計手冊），取 帶入公式 取機床實際轉速 ，則實際切削速度 擴孔至 ：，（表2.4-52實用機械制造工藝設計手冊），（表2.4-53實用機械制造工藝設計手冊） 帶入公式 取機床實際轉速 ，則實際切削速度 鉸孔 ： 查表3-50（實用機械制造工藝設計手冊）， 帶入公式 取機床實際轉速 ，則實際速度 切削工時： 工序總切削工時 工序切削用量及時間定額鉆孔查表3-38（實用機械制造工藝設計手冊），取 查表3-42（實用機械制造工藝設計手冊），取 帶入公式 取機床實際轉速 則實際切削速度 切削工時： 鉆孔 查表3-38（實用機械制造工藝設計手冊），取 查表3-42（實用機械制造工藝設計手冊），取 代入公式 取機床實際轉速 則實際切削速度 切削工時： 工序總切削工時 工序切削用量及時間定額鉆孔 查表3-38（實用機械制造工藝設計手冊），取 查表3-42（實用機械制造工藝設計手冊），取 帶入公式 取機床實際轉速 則實際切削速度 切削工時： 鉆擴鉸孔這一工步跟工序中第三工步鉆擴鉸孔的切削用量、切削工時一樣，這里不再詳述。鉆擴鉸孔鉆孔至 ： 查表3-38（實用機械制造工藝設計手冊），取 查表3-42（實用機械制造工藝設計手冊），取帶入公式 取機床實際轉速 則實際切削速度 擴孔至 ：，（表2.4-52實用機械制造工藝設計手冊），（表2.4-53實用機械制造工藝設計手冊）帶入公式 取機床實際轉速 則實際切削速度 鉸孔 ：查表3-50（實用機械制造工藝設計手冊），帶入公式 取機床實際轉速 ，則實際速度 切削工時： 工序總切削工時 工序切削用量及時間定額