指导教师： 职称： 副教授、助教
2024年 12月 30日。
1. 背景概述。
牛头刨床是一种用于平面切削加工的机床，如图4-1。电动机经皮带和齿轮传动，带动曲柄2和固结在其上的凸轮8。刨床工作时，由导杆机构2-3-4-5-6带动刨头6和刨刀7作往复运动。
刨头右行时，刨刀进行切削，称工作行程，此时要求速度较低并且均匀，以减少电动机容量和提高切削质量，刨头左行时，刨刀不切削，称空回行程，此时要求速度较高，以提高生产率。为此刨床采用有急回作用的导杆机构。刨刀每切削完一次，利用空回行程的时间，凸轮8通过四杆机构1-9-10-11与棘轮带动螺旋机构（图中未画），使工作台连同工件作一次进给运动，以便刨刀继续切削。
刨头在工作行程中，受到很大的切削阻力（在切削的前后各有一段约5h的空刀距离，见图4-1，b），而空回行程中则没有切削阻力。因此刨头在整个运动循环中，受力变化是很大的，这就影响了主轴的匀速运转，故需安装飞轮来减小主轴的速度波动，以提高切削质量和减小电动机容量。滑枕带着刨刀，作直线住复运动的刨床，因滑枕前端的刀架形似牛头而得名牛头刨床主要用于单件小批生产中刨削中小型工件上的平面、成形面和沟槽。
中小型牛头刨床的主运动(见机床)大多采用曲柄摇杆机构(见曲柄滑块机构)传动，故滑枕的移动速度是不均匀的。大型牛头刨床多采用液压传动，滑枕基本上是匀速运动。滑枕的返回行程速度大于工作行程速度。
由于采用单刃刨刀加工，且在滑枕回程时不切削，牛头刨床的生产率较低。机床的主参数是最大刨削长度。牛头刨床主要有普通牛头刨床、仿形牛头刨床和移动式牛头刨床等。
普通牛头刨床(见图)由滑枕带着刨刀作水平直线住复运动，刀架可在垂直面内回转一个角度，并可手动进给，工作台带着工件作间歇的横向或垂直进给运动，常用于加工平面、沟槽和燕尾面等。仿形牛头刨床是在普通牛头刨床上增加一仿形机构，用于加工成形表面，如透平叶片。移动式牛头刨床的滑枕与滑座还能在床身(卧式)或立柱(立式)上移动，适用于刨削特大型工件的局部平面。
图1-1 牛头刨床运动简图。
工件安装在工作台上，牛头刨床的主运动是装夹在刀架上的刨刀沿着工件机所作的往复直线运动。当刨刀向前运动时(工作行程),刀具在工件表面切削金属；当刨刀作返回运动时(空行程),刀具在工件的上面滑回原来的位置。牛头刨床的进给运动，是工件在工作台上的横向移动。
主运动和给运动反复进行，就能在工件表面切除多余的金属，从而得到所要求的加工表面。
1.牛头刨床的组成
牛头刨床主要由床身、滑枕、刀架、工作台、横梁、进给机构和变速机构等组成。
(1)床身床身内部有变速机构和曲柄摇杆机构。床身的顶面有水平导轨，滑枕沿水平导轨作往复直线运动。在床身前面有垂宜导轨，横梁带动工作台沿垂直导轨升降。
(2)滑枕滑枕的前端有环状t形槽，用来安装刀架和调节刀架的偏转角度：滑枕的内部装有调整滑枕行程位置的机构，它是由一对锥齿轮和丝杠组成。滑枕的下部有两条燕尾型导轨，它与床身上部的水平导轨配合。
在曲柄摇杆机构的带动下，滑枕在床身水平导轨上作往复直线运动。
(3)横梁与工作台校梁安装在床身前部垂直导轨上。横梁的底部装有升降丝杠，使校梁能沿着床身前部的垂直导轨作上下移动。工作台和滑板连接在一起，安装在横梁水平导轨上，转动安装在校梁凹框内的横向进给丝杠，工作台就沿着横梁的水平导轨作横向移动。
工作台的前部底下装有支架，以防止工作台在刨削过程中产生向下倾斜和振动现象。工作台的上平面和两侧面均制有t形槽、v形槽和圆孔，用来固定不同形状的工件或夹具。
4)刀架刀架用于装夹刨刀，并使刨刀沿着垂直方向和倾斜方向移动。刀架由手柄、丝杠、刻度转盘、夹刀座、拍板、拍板座、滑板等组成。刻度转盘6用t形职栓5紧固在滑枕前端的“环”状t形槽内。
可按加工的需要作160’的回转。刻度转盘6与滑板13通过导轨相配合，只要摇动丝杠3上端的手柄1,就可使滑板13沿着刻度转盘6上的导轨移动，通过刻度环2来控制背吃刀量的大小。拍板10与拍板座11的凹槽相配合，用铰链销7连接。
在拍板10的孔内装有夹刀座8刨刀就装在它的槽孔内，拍板10可以绕铰链销7向前上方拾起，这样可避免滑枕回程时刨刀与工件已加工。
(5)进给机构进给机构主要用来控制工作台横向进给运动的大小。
6)变速机构操纵变速机构的手柄，可以把各种不同的转速传递到曲柄摆杆机构而改变格杆在相同时间间隔内的摆动次数。
(7)曲柄摇杆机构主要作用是把电动机的旋转运动转换为滑枕的往复直线运动。
2. 设计方案。
一：机构方案的初步确定。
1：曲柄滑块机构与齿轮机构。
1）机构简图如下图
2）机械功能分析。
该构件中完成主运动的是由齿轮1、杆组成的曲柄滑块机构，之后滑块3完成刨床的刨削运动。在由齿轮1、杆所组成的曲柄摇杆机构中，滑块2在原动机1的带动下做周期性往复运动，从而连杆8带动滑块3作周期性往复运动实现切削运动的不断进行。
3）工作性能分析。
从机构简图中可以看出，该机构得杆1-2和连杆4的长度相差很大，这就是的机构在刨削的过程中刨刀的速度相对较低，刨削质量比较好。杆1-2和杆4 在长度上的差别还是的刨刀在空行程的急回中 ，有较快的急回速度，缩短了机械的运转周期，提高了机械的效率。
4）传递性能和动力性能分析。
齿轮1、杆所组成的曲柄滑块机构中其传动角是不断变化当其最小传动角和最大传动角相差不大时，该机构的运转就很平稳，不论是震动还是冲击都不会很大。从而使机械又一定的稳定性和精确度。
5）结构的合理性和经济性分析。
该机构多以杆件为主，抗破坏能力较差，对于较大载荷时对杆件的刚度和强度要求较高。 会使的机构的有效空间白白浪费。并且由于连杆机构的运动规律并不能按照所要求的运动精确的运行只能以近似的规律进行运动。
2：曲柄滑块机构与扇形齿轮齿条机构。
1）机构简图如下图。
（2）机械功能分析。
根据机构图可知，整个机构的运转是由原动件1带动的。杆1通过滑块2带动扇形齿轮3的运动。扇形齿轮3和与刨头连接的齿条啮合。从而实现刨刀的往复运动。
3）工作性能分析。
该机构中原动件1对滑块2的压力角一直在改变。但是原动件1的长度较小，扇形齿轮的半径较大，即原动件1的变化速度对于扇形齿轮3的影响不是很大，同时机构是在转速不大的情况下运转的，也就是说，在扇形齿轮作用下的齿条的速度在切削过程中变化不大，趋于匀速运行。
原动件1在滑块2上的速度始终不变，但是随着原动件1的运转，在一个周期里，bc的长度由小到大，再变小。而bc的长度是扇形齿轮3的回转半径，也就是说，在机构的运行过程中，推程的速度趋于稳定，在刨头回程时，由于扇形齿轮受到齿条的反作用力减小。`还有扇形齿轮3的回转半径减小，使扇形齿轮的回程速度远大于推程时的速度。
即可以达到刨床在切削时速度较低，但是在回程时有速度较高的急回运动的要求。在刨头往返运动的过程中，避免加减速度的突变的产生。
4）机构的传递性能动力性能分析。
该机构中除了有扇形齿轮和齿条接触的两个高副外，所有的运动副都是低副，齿轮接触的运动副对于载荷的承受能力较强，所以，该机构对于载荷的承受能力较强，适于加工一定硬度的工件。同时。扇形齿轮是比较大的工件，强度比较高，不需要担心因为载荷的过大而出现机构的断裂。
在整个机构的运转过程中，原动件1是一个曲柄，扇形齿轮3只是在一定的范围内活动，对于杆的活动影响不大，机构的是设计上不存在运转的死角，机构可以正常的往复运行。
该机构的主传动机构采用导杆机构和扇形齿轮，齿条机构。齿条固结于刨头的下方。扇形齿轮的重量较大，运转时产生的惯量也比较大，会对机构产生一定的冲击，使机构产生震动。
5）机构的合理性与经济性能分析。
该机构的设计简单，尺寸可以根据机器的需要而进行选择，不宜过高或过低。同时，扇形齿轮的重量有助于保持整个机构的平衡。使其重心稳定。
由于该机构的设计较为简单。所以维修方便。，除了齿轮的啮合需要很高的精确度外没有什么需要特别设计的工件，具有较好的合理性。
该机构中扇形齿轮与齿条的加工的精度要求很高，在工艺上需要比较麻烦的工艺过程，制作起来不是很容易。此方案经济成本较高。
3: 综合评定确定方案。
1 机构功能的实现。
两种机构均可以很好的实现切削功能。
2 工作性能。
第一种方案在刨削的过程中刨刀的速度相对较低，刨削质量比较好，可以很好的满足急回特性；第二种方案切削速度近似均匀且变化缓和平稳，摆动导杆机构也可使其满足急回特性。
3 传递性能。
第一种方案适合于低速轻载的工作情况；第二情况由于滑块和导杆压力角恒为90度，齿轮和齿条传动时压力角不变，且可承受较大载荷，所以重载情况也适用。
4 动力性能。
第一种方案冲击震动较大；第二种方案齿轮和齿条传动平稳，冲击震动较小。
5 结构合理性。
第一种方案均由杆件构成尺寸比较大，重量轻，制造简单，维修方便；第二种方案扇形齿轮尺寸和重量大， 齿轮和齿条制造复杂，磨损后不宜维修。
6 经济性。
根据实际工况中刨刀一般为低速轻载。所以第一种方案比较适合于量产，经济效益比较好；而第二种方案扇形齿轮要求一定的精度，工艺难度大，且扇形齿轮和齿条中心距要求较高，所以不适合推广。
综上所述应选择第一种方案。
3. 设计计算。
1.自由度计算。
f=3n-2pl-ph=3x5-2x7-0=1
其中构件数n=5，高副数ph=0和低副数pl=7,机构原动机数目等于自由度数目，符合要求。
4 设计创新点。
传统的牛头刨床有返程空行程、切削速度和切削力不均匀以及加工效率低等几个缺陷，无论是机械传动式，还是液压传动式，都是只能做单方向刨削，也就是滑枕在一个往复运动中，只有一个方向是刨削行程，而回程是空行程不做刨削。虽然靠传动的急回特性可以缩短空行程的时间，但是也只是个改善，没有从根本上解决加工效率低和空耗大的问题。可以通过对牛头刨床进行机构创新设计及改造，是改造后的刨床实现双向、匀速、恒力刨削。
在此基础上，通过设计安装一些简单、可行的机构，使滑枕不但能实现柔性换向，还能使刨床停止工作后回到一个给定的初始位置。
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