畢業(yè)設計論文數控車床4工位自動回轉刀架結構設計精品

1、摘要數控車床今后將向中高當發(fā)展，中檔采用普及型數控刀架配套，高檔采用動力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，預計近年來對數控刀架需求量將大大增加。數控刀架的發(fā)展趨勢是：隨著數控車床的發(fā)展，數控刀架開始向快速換刀、電液組合驅動和伺服驅動方向發(fā)展。根據加工對象不同，有四方刀架、六角刀架和八（或更多）工位的圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式?；剞D刀架上分別安裝四把、六把或更多刀具，并按數控裝置的指令換刀。本部分主要對四工位立式電動刀架的機械設計和應用繼電-接觸控制系統(tǒng)控制部分的設計。并對以上部分運用CAXA做圖，對電動刀架有更直觀的了解。最后的提出了對電動刀架提出了意見和措施。關鍵詞：數控刀架

2、 ， 電動刀架 ， 四工位 目錄第1章 引言11.1概述11.2 數控車床自動回轉刀架的發(fā)展趨勢11.3 刀架的設計準則21.4 刀架的主要技術參數2第2章 數控車床自動回轉刀架設計42.1刀架的工作原理42.2 步進電機的選用52.3 蝸桿及蝸輪的選用與校核62.3.1 選擇傳動的類型和精度等級62.3.2 選擇材料和確定許用應力62.3.3 按接觸強度確定主要參數62.4 蝸桿軸的設計8 2.4.1 蝸桿軸的材料選擇,確定許用應力8 2.4.2 按扭轉強度初步估算軸的最小直徑8 2.4.3 確定各軸段的直徑和長度9 2.4.4 蝸桿軸的校核10 2.4.5 鍵的選取與校核142.5 蝸輪軸

3、的設計14 2.5.1 蝸輪軸的材料選擇,確定許用應力14 2.5.2 按扭轉強度初步估算軸的最小直徑14 2.5.3 確定各軸段的直徑和長度152.6 中心軸的設計15 2.6.1 中軸的材料選擇,確定許用應力15 2.6.2 確定各軸段的直徑和長度15 2.6.3 軸的校核162.7 齒盤的設計17 2.7.1 齒盤的材料選擇和精度等級17 2.7.2 確定齒盤的參數17 2.7.3 按接觸疲勞強度進行計算172.8 軸承的選用19 2.8.1 軸承的類型19 2.8.2 軸承的游隙及軸上零件的調配19 2.8.3 軸承的配合19 2.8.4 軸承的潤滑19 2.8.5 軸承的密封裝置19

4、第3章 刀架體的設計21第4章 結論22致謝23參考文獻24第1章 引言1.1 概述數控車床的刀架是機床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，因此其結構直接影響機床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的結構和性能體現了機床的設計和制造技術水平。隨著數控車床的不斷發(fā)展，刀架結構形式也在不斷翻新。其中按換刀方式的不同，數控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉刀架、排式刀架和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式。傳統(tǒng)的車床例如CA6140的刀架上只能裝一把刀，換刀的速度慢，換刀后還須重新對刀，并且精度不高，生產效率效率低，不能適應現代化生產的需要，因此有必要對機床的換刀裝置進行改進。自1958年首次研制成功數

5、控加工中心自動換刀裝置以來，自動換刀裝置的機械結構和控制方式不斷得到改進和完善。自動換刀裝置是加工中心的重要執(zhí)行機構，它的形式多種多樣，目前常見的有：回轉刀架換刀，更換主軸頭換刀以及帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)。初步了解了設計題目（電動刀架）及發(fā)展概況，設計背景，對刀架有了一些印象，對整理設計思路 安排設計時間有很好的輔助作用。對一些參數的進行了解同時按準則要求來完成設計。1.2 數控車床自動回轉刀架的發(fā)展趨勢數控刀架的發(fā)展趨勢是：隨著數控車床的發(fā)展，數控刀架開始向快速換刀、電液組合驅動和伺服驅動方向發(fā)展。 目前國內數控刀架以電動為主，分為立式和臥式兩種。立式刀架有四、六工位兩種形式，主要用

6、于簡易數控車床；臥式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋轉，就近選刀，用于全功能數控車床。另外臥式刀架還有液動刀架和伺服驅動刀架。電動刀架是數控車床重要的傳統(tǒng)結構，合理地選配電動刀架，并正確實施控制，能夠有效的提高勞動生產率，縮短生產準備時間，消除人為誤差，提高加工精度與加工精度的一致性等等。另外，加工工藝適應性和連續(xù)穩(wěn)定的工作能力也明顯提高：尤其是在加工幾何形狀較復雜的零件時，除了控制系統(tǒng)能提供相應的控制指令外，很重要的一點是數控車床需配備易于控制的電動刀架，以便一次裝夾所需的各種刀具，靈活 方便地完成各種幾何形狀的加工。數控刀架的市場分析：國產數控車床今后將向中高檔發(fā)展，中檔采用普及型

7、數控刀架配套，高檔采用動力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，近年來需要量可達10001500臺。  國外數控車床的發(fā)展目的在于提高加工精度和縮短制造周期。實現上述目的之手段是實現機床多功能化和工序工種集成，開發(fā)多種多樣復合化加工的機種，如增添銑削功能的復合加工車削中心、雙主軸多刀塔(雙刀塔或四刀塔)數控車床和車削中心、雙主軸同步驅動，雙刀塔同時進行加工車削中心、五軸聯動車銑復合中心、車磨復合加工機床、具有車、銑、鏜、磨和激光熱處理多種功能的高度復合化的復合加工中心等等。我國數控車床經過多年的發(fā)展，特別是近幾年迅速的發(fā)展，與國際先進水平的差距在逐年縮小。對于某些依賴于進口

8、的高檔數控車床，如高精度數控車床和車削中心(主軸徑跳軸跳0.001mm)、適用耐熱合金和鈦合金零件加工的大功率、高扭矩數控車床和車削中心等等要加強產品開發(fā)研究攻關，突破其核心技術。數控刀架的高、中、低檔產品市場數控刀架作為數控機床必需的功能部件，直接影響機床的性能和可靠性，是機床的故障高發(fā)點。這就要求設計的刀架具有具有轉位快，定位精度高，切向扭矩大的特點。它的原理采用蝸桿傳動，上下齒盤嚙合，螺桿夾緊的工作原理。1.3 刀架的設計準則我們的設計過程中，本著以下幾條設計準則1）創(chuàng)造性的利用所需要的物理性能和控制不2）需要的物理性能3）判別功能載荷及其意義4）預測意外載荷5）創(chuàng)造有利的載荷條件6）提

9、高合理的應力分布和剛度而7）重量達到最輕8）應用基本公式求相稱尺寸和最佳尺寸9）根據性能組合選擇材料10）在儲備零件與整體零件之間精心的進行選擇11）進行功能設計以適應制造工藝和降低成本的要求1.4 主要技術參數 （1）最大許用力矩（Nm）Mq 100 Mx 200 Ms 100 （2）重復定位精度：（mm）<0.005 （3）電機功率(w) 20 （4）電機轉速（rpm）125第2章 數控車床自動回轉刀架的設計2.1刀架的工作原理回轉刀架的工作原理為機械螺母升降轉位式。工作過程可分為刀架抬起、刀架轉位、刀架定位并壓緊等幾個步驟。圖2.1為螺旋升降式四方刀架，其工作過程如下： 刀架抬起

10、當數控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后, 通過接口電路使電機正轉, 經傳動裝置2、驅動蝸桿蝸輪機構1、蝸輪帶動絲桿螺母機構8逆時針旋轉 ,此時由于齒盤4、5處于嚙合狀態(tài)，在絲桿螺母機構8轉動時，使上刀架體產生向上的軸向力將齒盤松開并抬起,直至兩定位齒盤4、5 脫離嚙合狀態(tài),從而帶動上刀架和齒盤產生“上臺”動作。 刀架轉位 當圓套9逆時針轉過150°時，齒盤4、5完全脫開，此時銷釘準確進入圓套9中的凹槽中，帶動刀架體轉位。 刀架定位 當上刀架轉到需要到位后（旋轉90°、180°或270°），數控裝置發(fā)出的換刀指令使霍爾開關10 中的某一個選通,當磁性板11 與被選通的霍

11、爾開關對齊后,霍爾開關反饋信號使電機反轉,插銷7在彈簧力作用下進入反靠盤 6地槽中進行粗定位，上刀架體停止轉動，電機繼續(xù)反轉，使其在該位置落下，通過螺母絲桿機構8使上刀架移到齒盤4、5 重新嚙合, 實現精確定位。 刀架壓緊 刀架精確定位后，電機及許反轉，夾緊刀架，當兩齒盤增加到一定夾緊力時， 電機由數控裝置停止反轉，防止電機不停反轉而過載毀壞，從而完成一次換刀過程。 圖2.1 螺旋升降式四方刀架2.2 步進電機的選用許多機械加工需要微量進給。要實現微量進給，步進電機、直流伺服交流伺服電機都可作為驅動元件。對于后兩者，必須使用精密的傳感器并構成閉環(huán)系統(tǒng)，才能實現微量進給。在開環(huán)系統(tǒng)中，廣泛采用步

12、進電機作為執(zhí)行單元。這是因為步進電機具有以下優(yōu)點：直接采用數字量進行控制;轉動慣量小，啟動、停止方便；成本低；無誤差積累；定位準確；低頻率特性比較好；調速范圍較寬；采用步進電機作為驅動單元，其機構也比較簡單，主要是變速齒輪副、滾珠絲杠副，以克服爬行和間隙等不足。通常步進電機每加一個脈沖轉過一個脈沖當量；但由于其脈沖當量一般較大，如0.01mm，在數控系統(tǒng)中為了保證加工精度，廣泛采用步進電機的細分驅動技術。因為刀架上升、下降各轉150°，刀架轉位至少需90°，所以蝸輪轉的角度=390°由課題要求的刀架選位少于3Sn0.36r/s=21.6r/min,為便于計算n取2

13、4r/min蝸輪蝸桿傳動比為45電動機轉速n=i*z1=45考慮刀架只需小功率驅動，為減少生產成本，選用JD60電動機，其轉速為1400r/min,額定功率為60W。2.3 蝸桿及蝸輪的選用與校核 選擇傳動的類型考慮到傳遞的功率不大，轉速較低，選用2A蝸桿，精度8級，GB10089-88 選擇材料和確定許用應力由機械基礎表17-4查得蝸桿選用45鋼，表面淬火，硬度為4555HRC，蝸輪齒圈用ZCuSn10P1 砂模鑄造，為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT150制造。由表17-6查得 ðh=200MPa，ðf=51MPa按接觸強度確定主要參數根據閉式

14、蝸桿傳動的設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，在校核齒根彎曲疲勞強度。傳動中心距： (2-1)（1）確定作用在蝸輪上的轉距T2按Z1=2，估取效率=0.8，則T2=T*i=3.5382N.M (2-2)（2）確定載荷系數K因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數K=1；由使用系數KA表從而選取KA=1.15；由于轉速不高，沖擊不大，可取動載系數KV=1.1；則K=KA*K*KV=1*1.15*1.1=1.2651.27(2-3)（3）確定彈性影響系數ZE因選用的鑄錫磷青銅蝸輪和蝸桿相配，故 （4）確定接觸系數Z先假設蝸桿分度圓直徑d1和傳動中心距a的比值=0.30，從而可查出Z=3.12。（

15、5）確定許用應力H根據蝸輪材料為鑄錫磷青銅zcusn10p1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度45HRC，從而可查得蝸輪的基本許用應力H=268MPA。因為電動刀架中蝸輪蝸桿的傳動為間隙性的，故初步定位、其壽命系數為KHN=0.92，則H= KHNH=0.92×268=246.56247MPA(2-4)（6）計算中心距(2-5) 取中心距a=50mm，m=1.25mm，蝸桿分度圓直徑d1=22.4mm，這時=0.448，從而可查得接觸系數=2.72，因為Z，因此以上計算結果可用。蝸桿和蝸輪主要幾何尺寸計算蝸桿 分度圓直徑：d1=8mm 直徑系數：q=17.92， 蝸桿頭數：Z1=1 分度

16、圓導程角：=3°1138 蝸桿軸向齒距：PA=3.94mm；(2-6) 蝸桿齒頂圓直徑：(2-7)蝸桿齒根圓直徑：（2-8）蝸桿軸向齒厚：=2.512mm(2-9)蝸桿軸向齒距：（2-10）蝸輪 蝸輪齒數：Z2 =45 變位系數=0 驗算傳動比：i=/=45/1=45(2-11) 蝸輪分度圓直徑：d2=mz2=72mm (2-12) 蝸輪喉圓直徑：da2=d2+2ha2=93.5(2-13) 蝸輪喉母圓直徑：rg2=a-1/2 da2 =50-1/293.5=3.25(2-14) 蝸輪齒頂圓直徑：（2-15） 蝸輪齒根圓直徑：（2-16） 蝸輪外圓直徑：當在z=1時，（2-17）2.

17、4 蝸桿軸的設計 蝸桿軸的材料選擇，確定許用應力考慮軸主要傳遞蝸輪的轉矩，為普通用途中小功率減速傳動裝置。選用45號鋼，正火處理， 按扭轉強度初步估算軸的最小直徑 （2-18） 扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取=0.6 抗彎截面系數W=0.1d3 取dmin=15.14mm 確定各軸段的直徑和長度 根據各個零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長度。 d1=d5 同一軸上的軸承選用同一型號，以便于軸承座孔鏜制和減少軸承類型。d5軸上有一個鍵槽，故槽徑增大5%d1=d5=d1×(1+5%)=15.89mm ,圓整d1=d5=17mm所選軸承類型為深溝球軸承，型號為6203，B=1

18、2mm，D=40mm，d2起固定作用，定位載荷高度可在（0.070.1）d1范圍內，d2=d1+2a=19.3820.04mm，故d2取20mmd3為蝸桿與蝸輪嚙合部分，故d3=24mmd4=d2=20mm,便于加工和安裝L1為與軸承配合的軸段，查軸承寬度為12mm，端蓋寬度為10mm，則L1=22mmL2尺寸長度與刀架體的設計有關，蝸桿端面到刀架端面距離為65mm，故L2=43mmL3為蝸桿部分長度L3（11+0.06z2）m=21.92mm圓整L3取30mmL4取55mm，L5在刀架體部分長度為（12+8）mm，伸出刀架部分通過聯軸器與電動機相連長度為50mm，故L5=70mm兩軸承的中心

19、跨度為128mm，軸的總長為220mm蝸桿軸的校核作用在蝸桿軸上的圓周力 (2-19) 其中d1=28mm則 徑向力 (2-20) 切向力 (2-21)圖2.1 軸向受力分析 (2-22) (2-23)求水平方向上的支承反力 圖2.2 水平方向支承力 (2-25)求水平彎矩,并繪制彎矩圖圖2.3 水平彎矩圖求垂直方向的支承反力 (2-26) 查文獻9表2.24，其中， (2-27)圖2.4 垂直方向支承反力 求垂直方向彎矩，繪制彎矩圖圖2.5 垂直彎矩圖求合成彎矩圖，按最不利的情況考慮 (2-28)圖2.6 合成彎矩圖計算危險軸的直徑 (2-29) 查文獻9表151，材料為調質的許用彎曲應力，

20、則 所以該軸符合要求。 鍵的選取與校核 考慮到d5=105%×15.14=15.89mm, 實際直徑為17mm，所以強度足夠由GB1095-79查得，尺寸b×h=5×5，l=20mm的A型普通平鍵。 按公式進行校核 ，。查文獻9表62，取則 (2-30)該鍵符合要求。由普通平鍵標準查得軸槽深t=30mm,轂槽深t1=2.3mm2.5 蝸輪軸的設計 蝸輪軸材料的選擇，確定需用應力考慮到軸主要傳遞蝸輪轉矩，為普通中小功率減速傳動裝置選用45號鋼，正火處理， ð-1=55MPa 2.5.2 按扭轉強度，初步估計軸的最小直徑 查文獻9表151，取45號調質剛的許

21、用彎曲應力，則由于軸的平均直徑為34mm，因此該軸安全。2.5.3 確定各軸段的直徑和長度根據各個零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長度d1即蝸輪輪芯為68mmd2為蝸輪軸軸徑最小部分取34mmd3軸段與上刀架體有螺紋聯接，牙形選梯形螺紋，根據文獻表8-45取公稱直徑為d3=44mm，螺距P=12mm，H=6.5mm查表8-46得，外螺紋小徑為31mm 內、外螺紋中徑為38mm 內螺紋大徑為45mm 內螺紋小徑為32mm 旋合長度取55mmL2尺寸長度為34mm，蝸輪齒寬b2 當z13時，b20.75da1=15.6mm 取b2=15mm2.6 中心軸的設計 中軸的材料選擇,確定許

22、用應力考慮到軸主要起定位作用，只承受部分彎矩，為空心軸，因此只需校核軸的剛度即可。選用45號鋼，正火處理， ð-1=55MPa 確定各軸段的直徑和長度根據各個零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長度d1=15mm,d2與軸承配合，軸承類型為推力球軸承，型號為51203，d=17mm,d1=19,T=12mm,D=35mm所以d2=17mmd3與軸承配合，軸承類型為推力球軸承，型號為51204，d=25mm,d1=27mm,T=15mm,D=47mm圖2.7 中心軸受力圖分配各軸段的長度L1=80mm,L2=93mm,L3=20mm 軸的校核軸橫截面的慣性矩 車床切削力F=2

23、KN,E=210GPa (2-31) (2-32)因此yy中心軸滿足剛度條件2.7 齒盤的設計 齒盤的材料選擇和精度等級上下齒盤均選用45號鋼，淬火，180HBS初選7級精度等級2.7.2 確定齒盤參數考慮齒盤主要用于精確定位和夾緊，齒形選用三角齒形，上下齒盤由于需相互嚙合，參數可相同當蝸輪軸旋轉150°時，上刀架上升5mm，齒盤的齒高取4mm由 (2-33)得算式 4=（2×1+0.25）m標準值ha*=1.0, c*=0.25求出m=1.78mm,取標準值m=2mm故齒盤齒全高h=（2ha*+c*）m=(2×1+0.25)×2=4.5mm取齒盤內圓直

24、徑d為120mm，外圓直徑為140mm齒頂高 ha=ha*m=1×2=2m齒根高 hf=(ha*+c*)m=2.5mm 齒數z=38齒寬b=10mm齒厚齒盤高為5mm 按接觸疲勞強度進行計算確定有關計算參數和許用應力 (2-35)取載荷系數kt=1.5由文獻表9-12取齒寬系數d=1.0由表9-10查得材料的彈性影響系數Ze=189.8， 取=20°，故ZH=2.5查圖9-34取Hlim1=380 取Hlim2=380Lh=60×24×1×(8×300×15) N2=5.18×107由圖9-35查得接觸疲勞壽命系數

25、ZN1=1.1 ，ZN2=1.1計算接觸疲勞需用應力 取安全系數SH=1，由式（9-44）得 (2-36) 按齒根抗彎強度設計由式（9-46）得抗彎強度的設計公式為 (2_37)確定公式內的各參數數值由文獻圖9-37查得，抗彎疲勞強度極限由文獻圖9-38查得，抗彎疲勞壽命系數YN1=1.0，YN2=1.0查圖取計算抗彎疲勞許用應力，取抗彎疲勞安全系數SF=1.4 由式（9-47）得 (2-38)彎曲疲勞強度驗算 (2-39)故滿足彎曲疲勞強度要求2.8 軸承的選用滾動軸承是現代機器中廣泛應用的部件之一。它是依靠主要元件的滾動接觸來支撐轉動零件的。與滑動軸承相比，滾動軸承摩擦力小，功率消耗少，啟

26、動容易等優(yōu)點。并且常用的滾動軸承絕大多數已經標準化，因此使用滾動軸承時，只要根據具體工作條件正確選擇軸承的類型和尺寸。驗算軸承的承載能力。以及與軸承的安裝、調整、潤滑、密封等有關的“軸承裝置設計”問題。 軸承的類型考慮到軸各個方面的誤差會直接傳遞給加工工件時的加工誤差，因此選用調心性能比較好的深溝球軸承。此類軸承可以同時承受徑向載荷及軸向載荷，安裝時可調整軸承的游隙。然后根據安裝尺寸和使用壽命選出軸承的型號為：62032.8.2 軸承的游隙及軸上零件的調配軸承的游隙和欲緊時靠端蓋下的墊片來調整的，這樣比較方便。2.8.3 滾動軸承的配合 滾動軸承是標準件，為使軸承便于互換和大量生產，軸承內孔于

27、軸的配合采用基孔制，即以軸承內孔的尺寸為基準；軸承外徑與外殼的配合采用基軸制，即以軸承的外徑尺寸為基準2.8.4 滾動軸承的潤滑 考慮到電動刀架工作時轉速很高，并且是不間斷工作，溫度也很高。故采用油潤滑，轉速越高，應采用粘度越低的潤滑油；載荷越大，應選用粘度越高的。2.8.5 滾動軸承的密封裝置軸承的密封裝置是為了阻止灰塵，水，酸氣和其他雜物進入軸承，并阻止?jié)櫥瑒┝魇ФO置的。密封裝置可分為接觸式及非接觸式兩大類。 唇形密封圈靠彎折了的橡膠的彈性力和附加的環(huán)行螺旋彈簧的緊扣作用而套緊在軸上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要緊密封的部位。即如果是為了油封，密封唇應朝內；如果主要是為了防止外

28、物浸入，密封唇應朝外。 第3章 刀架體設計刀架體設計首先要考慮刀架體內零件的布置及與刀架體外部零件的關系，應考慮以下問題： (a) 滿足強度和剛度要求。因為刀架體的剛度不僅影響傳動零件的正常工作，而且還影響部件的工作精度。 (b) 結構設計合理。如支點的安排、開孔位置和連接結構的設計等均要有利于提高刀架體的強度和剛度。 (c) 工藝性好。包括毛坯制造、機械加工及熱處理、裝配調整、安裝固定、吊裝運輸、維護修理等各方面的工藝性。 (d) 造型好、質量小。 刀架體的常用材料有： 鑄鐵，多數刀架體的材料為鑄鐵，鑄鐵流動性好，收縮較小，容易獲得形狀和結構復雜的箱體。鑄鐵的阻尼作用強，動態(tài)剛性和機加工性能好，價格適度。加入合金元素還可以提高耐磨性。 鑄造鋁合金，用于要求減小質量且載荷不太大的箱體。多數可通過熱處理進行強化，有足夠的強度和較好的塑性。 我所設計的下刀架體采用HT150鑄造，其具體