功能原理设计随着现代设计方法的发展及应用越来越广泛，人们对系统原理设计时常采用一种“抽象化”的方法---“黑箱法”。

之所以称为“黑箱法”是因为对于待设计产品来说，在求解之前，犹如一个看不见内部结构的“黑箱子”。

这种“黑箱”只能用来描述系统的功能目标，“黑箱”的内部结构需要设计人员进一步构思的设计。

由此可知，“黑箱法”是根据系统的输入、输出关系来研究实现系统功能目标的一种方法，即根据系统的某输入及要求获得某种输出要求，从中寻找某种原理来实现输入---输出之间的转化，得到相应的解决办法，从而推求出“黑箱”的功能结构，使“黑箱”变成“白箱”的一种方法。

1、黑箱法寻找总功能的转化关系物料流包括材料、毛坯半成品、成品，液体、气体等各物体；能量流包括电能、光能、机械能、热能、核能等；信号流包括数据、测量值、控制信号、波形等。

通过对Y38滚齿机的综合分析，可得以下“黑箱”示意图通过黑箱法分析，滚齿机是将轮坯通过一定的加工过程，最终得到所需产品—齿轮的机器。

该过程有各种能量的交换、损失，同时还与外界的环境密切相关。

2、滚齿加工原理齿轮是现代机械传动中的重要组成部分。

从国防机械到民用机械，从重工业机械到轻工业机械，无不广泛的采用齿轮传动。

随着汽车、机械、航天等工业领域的高速发展，对齿轮的需求量日益增加，对齿轮加工的效率、质量及加工成本的要求愈来愈高，滚齿机是齿轮加工加床中的一种，由于滚齿机既适合高效率的齿形粗加工，又适合中等精度齿轮的精加工，因此受到广泛的应用。

为此滚齿机的研究仍是大家努力的方向齿轮加工机床的种类繁多，构造各异，加工方法也不相同，齿形加工可按在加工中有无切屑而区分为无屑加工和切削加工两大类。

无屑加工包括热轧、冷轧、压铸和粉末冶金等，无屑加工生产率高，材料消耗少，故成本低，但加工精度不高。

（1）冷轧冷轧是能在圆柱形零件上生产出齿轮的齿、花键、细齿、油槽或螺纹的一种很简单的方法。

生产率很高，用此方法扎制一个齿轮仅需3～5秒钟，但它受轧制形状和材料的限制较大。

密西根RoTo-Flo冷轧机是应用较早的齿轮冷轧机之一。

它用齿条作轧制工具。

其原理如2-1所示。

其中俩轧辊齿条被弄成斜面，最开始的轧制量小，当齿条运动时，轧制量逐渐增加，金属开始流动。

这种轧制方法，齿轮受到的弯曲负荷大，因而仅适用于轧制压力角大和齿形短的齿轮。

（压力角25度或25度以上）。

因此，RoTo-Flo设备通常用于轧制SAE 型压力角30度的齿深50%的和渐开线花键型的零件。

图2-1 密西根齿条轧制原理（2）热轧所谓热轧是在轧制之前将毛坯加热，使之较易轧制，是冷轧的补充。

对加工要求精度要求不高以及要求表面质量光洁度为6～8级的齿轮，可以用热轧法而不再经过机械加工。

热轧加工出来的齿轮与铣削出来的比较，除加工方法简易外，齿形的金属材质未被切断，质量较好，硬度较高，沿齿形有一层0.5～0.6公厘的压实金属层，硬度较高，疲劳极限也较高，寿命较长，此外，还大大节约了被铣削掉的金属。

图2-2为热轧齿轮示意图。

图2-3热轧与铣削所的齿轮比较。

图2-2 热轧示意图图2-3热轧齿轮与铣削齿轮材质比较（3）粉末冶金粉末冶金齿轮是各种汽车发动机中普遍使用的粉末冶金零件，通过一次成形和精整工艺，需要其他后处理工艺，可以完全达到尺寸精度要求，尤其是齿形精度。

因此，与用传统机械加工方法制造相比，在材料投入和制造上都大大减少，它是体现粉末冶金特点的典型产品。

粉末冶金齿轮在整个粉末冶金零件中难以单独统计，但无论是按重量还是按零件数量，粉末冶金齿轮在汽车、摩托车中所占的比例都远远大于其他领域中的粉末冶金零件。

因此，从汽车、摩托车在整个粉末冶金零件中所占比例的上升可以看出，粉末冶金齿轮在整个粉末冶金零件中处于飞速发展的地位。

图2-4为粉末冶金齿轮加工。

图2-4 粉末冶金齿轮加工(4)电火花加工齿轮下面介绍用电火花线切割加工直齿锥齿轮机床的基本结构和机床参数首先将机械加工齿轮毛坯安装在数控转台回转中心。

倾斜调整回转中心轴（大型机床调整丝线），使丝线与数控转台轴线夹角为直齿锥齿轮锥度角。

调整丝线位置，使丝线（钼丝或铜丝）一端以直齿锥齿轮的顶尖为定点（即锥齿轮回转球心），另一端以直齿锥齿轮齿面大端上基圆为进给基点，这时丝线在两水咀间跨度为直齿锥齿轮回转球心半径，启动伺服电机将回转台和丝线进给丝杠锁定。

启动数控系统，使数控转台转动角度与直齿锥齿轮齿面大端丝线进退，按直齿锥齿轮设计当量模数编制程序执行旋转与进退联动。

当电极丝处在齿顶时，数控转台转动，电极丝线不动，这是加工出的轨迹是直齿锥齿轮的齿顶；转过齿顶圆心角后，大端处电极丝线随工件转动进行相应进给即加工齿型部分，当到达齿根时电极丝线停止进给，工件继续转动，此时加工的是齿根部分；当转过齿根圆心角时电极丝线回退加工同齿的另半个齿型，到达齿顶时完成一个齿的加工。

下面依次加工出全部齿。

在数控系统的控制下电极丝线按大端当量齿轮的标准渐开线生成齿型。

丝线经高频放电产生电火花蚀除工件生成缝隙，加工出标准直齿锥齿轮。

当丝线与数控转台中心线平行即夹角为零度时，电极丝线沿齿轮中心方向平行进退，数控合成加工出的齿轮为标准直齿轮。

下图为电火花加工加床。

图2-5 电火花加工齿轮数控机床齿形切削加工按其加工原理可分为仿形法和展成法加工。

（1）成形法成形法加工齿轮所采用的刀具为成形刀具，其切削刃形状与被切齿轮齿槽的截面形状相同。

成形刀具有单齿廓和多齿廓两种。

成形法加工齿轮齿形的原理是利用与被加工齿轮齿槽法向截面形状相符的成形刀具，在齿坯上加工出齿形的方法。

成形法加工齿轮的方法有铣齿、拉齿、插齿及磨齿等，其中最常用的方法是在普通铣床上用成形铣刀铣削齿形。

当齿轮模数m<8时，一般在卧式铣床上用盘状铣刀铣削，见图2-1a；当齿轮模数m≥8时，在立式铣床上用指状铣刀铣削，见图2-1b(2)展成法展成法加工齿轮齿形是利用一对齿轮啮合的原理来实现的。

即把其中一个转化为具有切削能力的齿轮刀具，另一个转化为被切工件，通过专用齿轮加工机床，强制刀具和工件作严格的啮合运动（展成运动），在运动过程中，刀具切削刃的运动轨迹逐渐包络出工件的齿形（图2-2）。

展成法加工齿轮，一种模数和压力角的刀具，可以加工出相同模数和压力角而齿数不同的齿轮，其加工过程是连续的，具有较高的加工精度和生产效率，是齿轮齿形主要的加工方法。

滚齿和插齿是展成法中最常见的两种加工方法。

图2-2展成法滚齿加工成形法与展成法的差异成形法适用于单件小批生产，加工精度和生产效率低。

用展成法加工齿轮，可以用一把刀具加工同一模数不同齿数的齿轮，且加工精度和生产率也较高，因此各种齿轮加工机床广泛应用这种加工方法，如滚齿机、插齿机、剃齿机等。

此外，多数磨齿机及锥齿轮加工机床也是按展成法原理进行加工的。

本次设计的Y38滚齿机采用展成原理加工。

常见齿形加工的一些方法如下表一表一齿轮加工的方法3、功能分解图：（针对机械传动的滚齿机作功能分解）2、功能元求解3、各功能元求解方案分析1）主传动：2）进给：3）差动：4）：分齿5）动力：4、排列组合系统方案解1）各总体方案简图及方案简单说明2）最佳系统方案的评价与决策评价一个方案是否为最佳方案，可通过系统方案的评价与决策来实现。

本滚齿机选择了加工准确性、加工范围、效率、结构紧凑，操作简易和成本来作为评价依据。

各评价目标的的加权系数如下表所示： 表4-1 加权系数的判别表i n -评价目标数； i g -加权系数；表4-2 三种系统方案各个项目标评分表有效值法计算如下：加权系数矩阵G=（0.28,0.18,0.18,0.12,0.12,0.12）评分矩阵P=⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡321p p p =⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡788778788999876767 有效值矩阵 N=[321N N N ，，]=GP T=[]52.752.882.6其中N 1 =GP 1T =0.28×7+0.18×6+0.18×7+0.12×6+0.12×7+0.12×8=6.82 N 2 =GP 2T =0.28×9+0.18×9+0.18×9+0.12×8+0.12×8+0.12×7=8.52 N 3 =GP 3T =0.28×8+0.18×7+0.18×7+0.12×8+0.12×8+0.12×7=7.52 由上面的分析，可知方案2为最佳方案。

3)绘制传动系统图5、执行机构的速度和功率计算，电动机的选择滚刀的速度和功率表2.4—1251)滚刀速度查参考文献【1】表2.4—125使用条件变化时切削用量修正系数，当采用单头齿轮滚刀粗加工模数为1.5～6mm 的钢材时，取使用条件不变时的0.1=v k 值，可得切削速度为（m/s ）5.032.08.0)3~25.0(21600600.1281⨯⨯⨯=V （5-1）即切削速度范围为s m /4837.14283.0-=ν，滚刀最大直径mm d 1200=,由滚刀转速公式算出滚刀转速s r d n /)14.23617.68(12014.3)4837.14283.0(1000601000600-=⨯-⨯⨯=⨯=πν (5-2)当采用单头齿轮滚刀粗加工模数为1.5～8mm 的铸铁时，取使用条件不变时的0.1=v k 值，可得切削速度为（m/s ）16.03.02.08.0)8~5.1()3~25.0(59600600.1178⨯⨯⨯⨯=V （5-3） 即切削速度为s m /4924.14313.0-=ν，滚刀最大直径mm d 1200=,由滚刀转速公式算出滚刀转速 s r d n /)52.23764.68(12014.3)4924.14313.0(1000601000600-=⨯-⨯⨯=⨯=πν（5-4）综合考虑滚刀速度取68~238r/s 2）滚刀功率采用单头齿轮滚刀加工钢材时，0.1=m p k (参考文献【1】表2.4—125)；f=1.5mm/r; m=4mm;根据参考文献【1】表4.7—4齿轮滚刀的基本型式和尺寸，按模数m=4mm 取0.1=v k I 型滚刀,其外径d 0=120mm;其切削功率为（kw ）3875.00.1120104837.1625.01246037.19.0=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=m P kw （5-5）加工铸铁时，切削功率为（kw ）5010.10.1120104238.063626037.19.0=⨯⨯⨯⨯⨯⨯=m P kw (5-6) 综合考虑取kw p m 45.1= 电动机选择 1）电动机功率根据参考文献【2】表2—1取传动的效率96.01=η；锥齿轮的传动效率97.02=η；圆柱齿轮的传动效率99.03=η，滚动轴承的效率99.04=η，则主传动链的效率为kw 72.099.099.097.096.05.1435.1443321=⨯⨯⨯==ηηηηη （5-7）则总功率为0.72kw根据参考文献【2】第1130页知，由于进给功率较小，进给传动和主传动共用一个电动机的机床所以不单独计算进给功率，而在计算主传动工率时引进一个系数,对于齿轮加工机床K 取0.8，因而768.08.096.01=⨯==k ηη (5-8) 故主电动机的功率为kw P 888.1768.045.1==主电动机 (5-9) 2）电动机转由主传动传动链的运动平衡式来转化电机与滚刀转速，从而求出电机的转速范围602017172323282436365527192105⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=B A n n 电机刀 （5-10） 则206017172323242836362755105192⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=A B n n 刀电机。