Φ630mm的数控车床总体设计及六角回转刀架设计

摘要现代数控机床是未来工厂自动化的基础。数控化设计范围大、潜力大、投资少、见效快，促进制造业技术进步的重要手段。因此，数控系统设计车床的研究具有重要意义。本文在叙述了数控技术的历史、现状和发展的基础上，通过机床设计的总体思想，提出了数控化设计的技术方案和新数控系统的选型配置方案;提高了传动的精度，重新设计机床的控制逻辑，通过对伺服系统的分析，完成了机床各主要参数的优化和匹配。关键词：630mm，数控车床，机床，设计，数控系统。 AbstractModern CNC machine tools is the basis for the future of factory automation. CNC design range, potential is great, less investment, quick effect, promote manufacturing industry technological progress is an important means of. Therefore, the design of NC system for lathe has important significance to the research of.This paper describes the CNC technology history, current situation and development on the basis of machine tool design, through the overall idea, put forward the technical scheme design of NC and CNC system selection scheme; the drive to improve the accuracy, to design machine tool control logic, through the servo system of a machine tool, completed the main parameters optimization and matching.Key words: 630mm, CNC lathes, machine tools, design, numerical control system.目 录摘要 .IIAbstract.III第 1 章 数控机床发展概述 .11.1 我国数控机床发展现状及思考.11.1.1 不断加强技术创新是提高国产数控机床水平的关键 .11.1.2 制造水平与管理手段依然落后 .11.1.3 服务水平与能力欠缺也是影响国产数控机床占有率的一个重要因素 .21.1.4 加大数控专业人才的培养力度 .21.1.5 结语.21.2 数控机床及其特点.31.3 数控机床的工艺范围及加工精度.31.5 数控机床的发展趋向 .4第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较 .7第 3 章 确定切削用量及选择刀具 .103.1 科学选择数控刀具.103.1.1 选择数控刀具的原则.103.1.2 选择数控车削用刀具.103.2 设置刀点和换刀点 .103.3 确定切削用量 .113.3.1 确定主轴转速.113.3.2 确定进给速度.113.3.3 确定背吃刀量 .12第 4 章 传动系统图的设计计算 .124.1 参数的确定 .124. 2 传动设计 .144.3 转速图的拟定.16第 5 章 数控车床的六角回转刀架的设计原理和依据 .185.1 数控车床的六角回转刀架的换刀工程.185.2 数控车床的六角回转刀架的设计要求.195.3 数控车床的六角回转刀架的机构设计中的几个主要问题.195.4 本章小结.20第 6 章 数控车床的六角回转刀架的机构设计 .216.2.5 对插销轴进行校核.386.2.6 校核结论.396.3 刀夹衬套的设计简述 .40结论 .42参考文献: .43致谢 .44第 1 章 数控机床发展概述1.1 我国数控机床发展现状及思考 我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关” ，我国数控技术和数控产业取得了相当大 的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004 年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为 39.3%34.9%。尽管如此，进 口机床的发展势头依然强劲，从2002 年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004 年中国机床主机消费高达 94.6 亿美 元，但进出口逆差严重，国产机床市场占有率连年下降，1999 年是 33.6%，2003 年仅占 27.7%。1999 年机床进口额为 8.78 亿美元 (7624 台)，2003 年达 27.1 亿美元(23320 台)，相当于同年国内数控机床产值的 2.7 倍。国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研 究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争 力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。 我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之间的差距。 1.1.1 不断加强技术创新是提高国产数控机床水平的关键 国产数控机床缺乏核心技术，从高性能数控系统到关键功能部件基本都依赖进口，即使近几年有些国内制造商艰难地创出了自己的品牌，但其产品的功能、性能的可 靠性仍然与国外产品有一定差距。近几年国产数控机床制造商通过技术引进、海内外并购重组以及国外采购等获得了一些先进数控技术，但缺乏对机床结构与精度、 可靠性、人性化设计等基础性技术的研究，忽视了自主开发能力的培育，国产数控机床的技术水平、性能和质量与国外还有较大差距，同样难以得到大多数用户的认可。 1.1.2 制造水平与管理手段依然落后 一些国产数控机床制造商不够重视整体工艺与制造水平的提高，加工手段基本以普通机床与低效刀具为主，装配调试完全靠手工，加工质量在生产进度的紧逼下不能 得到稳定与提高。另外很多国产数控机床制造商的生产管理依然沿用原始的手工台账管理方式，工艺水平和管理效率低下使得企业无法形成足够生产规模。如国外机 床制造商能做到每周装调出产品，而国内的生产周期过长且很难控制。因此我们在引进技术的同时应注意加强自身工艺技术设计和管理水平的提升。 1.1.3 服务水平与能力欠缺也是影响国产数控机床占有率的一个重要因素 由于数控机床产业发展迅速，一部分企业不顾长远利益，对提高自身的综合服务水平不够重视，甚至对服务缺乏真正的理解，只注重推销而不注重售前与售后服务。 有些企业派出的人员对生产的数控机床缺乏足够了解，不会使用或使用不好数控机床，更不能指导用户使用好机床；有的对先进高效刀具缺乏基本了解，不能提供较 好的工艺解决方案，用户自然对制造商缺乏信心。制造商的服务应从研究用户的加工产品、工艺、生产类型、质量要求入手，帮助用户进行设备选型，推荐先进工艺 与工辅具，配备专业的培训人员和良好的培训环境，帮助用户发挥机床的最大效益、加工出高质量的最终产品，这样才能逐步得到用户的认同，提高国产数控机床的 市场占有率。 1.1.4 加大数控专业人才的培养力度 从我国数控机床的发展形式来看需要三种层次的数控技术人才：第一种是熟悉数控机床的操作及加工工艺、懂得简单的机床维护、能够进行手工或自动编程的车间技 术操作人员；第二种是熟悉数控机床机械结构及数控系统软硬件知识的中级人才，要掌握复杂模具的设计和制造知识，能够熟练应用 UG、PRO/E 等 CAD /CAM 软件，同时有扎实的专业理论知识、较高的英语水平并积累了大量的实践经验；第三种是精通数控机床结构设计以及数控系统电气设计、能够进行数控机床 产品开发及技术创新的数控技术高级人才。我国应根据需要有目标的加大人才培养力度，为我国的数控机床产业提供强大的技术人才支撑。 1.1.5 结语目前，数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化已成为数控机床发展的趋势和方向。 中国作为一个制造大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的比较优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能 安于现状，应该抓住机会不断发展，努力发展自己的先进技术，加大技术创新与人才培训力度，提高企业综合服务能力，努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日 实现数控机床产品从低端到高端、从初级产品加工到高精尖产品制造的转变，实现从中国制造到中国创造、从制造大国到制造强国的转变。1.2 数控机床及其特点数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点： 对加工对象的适应性强，适应模具等产品单件生产的特点，为模具的制造提供了合适的加工方法； 加工精度高，具有稳定的加工质量； 可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； 机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的 35 倍） ； 机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 有利于生产管理的现代化 数控机床使用数字信息与标准代码处理、传递信息，使用了计算机控制方法，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定了基础； 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高； 可靠性高。1.3 数控机床的工艺范围及加工精度数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的数控机床，约占数控机床总数的 25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、轮廓形状复杂的轴类、盘类等零件的加工，能够通过程序控制自动完成园柱面、圆锥面、圆弧面和各种螺纹的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。由于数控车床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能，有些数控车床还具有非圆曲线插补功能以及加工过程中具有自动变速功能等特点，所以它的工艺范围要比普通车床要宽得多。1、精度要求高的零件由于数控机床刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以铣代磨。2、表面粗糙度要求高的零件数控车床具有恒线速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均匀的零件。使用恒线速切削功能，就可选用最佳速度来切削锥面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。数控车床还适合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。3、轮廓形状特别复杂和难于控制尺寸的零件由于数控车床具有直线和圆弧插补功能，部分车床数控装置还有某些非圆曲线和平面曲线插补功能，所以可以加工形状特别复杂或难于控制尺寸的的零件。4、带特殊螺纹的零件普通车床所能车削的螺纹类型相当有限，它只能车等导程的直、锥面公、英制螺纹，而且一台车床只能限定加工若干导程的螺纹。而数控车床不但能车削任何等导程的直、锥面螺纹和端面螺纹，而且能车变螺距螺纹，还可以车高精度螺纹。 1.5 数控机床的发展趋向数控机床是由美国发明家 约翰帕森斯上个世纪发明的。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业 的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机 床产业化进程，而中国从 20 世纪 80 年代开始起步，仍处于发展阶段。1、美国的数控发展史美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务，并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效 率” 和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如 1952 年研制出世界第一台数控机床、1958 年创制出加工中心、70 年代初研制成 FMS、 1987 年首创开放式数控系统等。由于美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先， 因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数 控机床，其存在的教训是，偏重于基础科研，忽视应用技术，且在上世纪 80 代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于 1982 年被后进的日本超 过，并大量进口。从 90 年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。2、德国的数控发展史德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。 ，于 1956 年研制出第一台数控机床后，德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科 研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进 实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控 系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统，均为世界闻名，竞相采用。3、日本的数控发展史日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法” 、 “机电法”、 “机信法”等) 引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质 量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。自 1958 年研制出第一台数控机床后，1978 年产量(7,342 台) 超过美国(5,688 台)，至今产量、出口量一直居世界首位(2001 年产量 46,604台，出口 27,409 台，占 59%)。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机 床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪 80 年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本 FANUC 公司战略正确，仿创结合，针对性地发展 市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司现有职工 3,674 人，科研人员超过600 人，月产能力 7,000 套，销售额在 世界市场上占 50%，在国内约占 70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。4、中国数控行业现状及前景“十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。其产量 2001 年为 17521 台，2002 年 24803 台，2003 年 36813 台，2004 年 51861 台，2004 年产量是 2000 年的 3.7 倍，平均年增长 39%；2005 年国产数控机床产量 59639 台，接近 6 万台大关，是“九五” 末期的 4.24 倍。 “十五”期间，中国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资企业增长速度加快 所致。 2006 年，中国数控金切机床产量达到 85756 台，同比增长 32.8%，增幅高于金切机床产 量增幅 18.4 个百分点，进而使金切机床产值数控化率达到 37.8%，同比增加 2.3 个百分点。此外，数控机床在外贸出口方面亦业绩骄人，全年实现出口额 3.34 亿美元，同比增长 63.14%，高于全部金属加工机床出口额增幅 18.58 个百分点。 2007 年，中国数控金切机床产量达 123,257 台，数控金属成形机床产量达 3,011 台；国产数控机床拥有量约 50 万台，进口约 20 万台。2008 年 10 月，中国数控机床产量达105,780 台，比 2007 年同比增长 2.96%。 长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型” 阶段，在产品设计水 平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了 5-10 年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了 10-15 年。同时中国在应用技术及技术集成方面的 能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务 网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。 国外公司在中国数控系统销量中的 80%以上是普及型数控系统。如果我们能在普及型数控系统产品 快速产业化上取得突破，中国数控系统产业就有望从根本上实现战略反击。同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发 和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中国高档数控系统总体技术水平。 “十一五”期间，中国数控机床产业将步入快速发展期，中国数控机床行业面临千载难逢的大好发展机遇，根据中国数控车床 1996-2005 年消费数量，通过模型拟合，预计2009 年数控车床销售数量将达 8.9 万台，年均增长率为 16.5%。根据中国加工中心 1996-2005 年消费增长模型，预计 2009 年加工中心消费数量将达 2.8 万台，较 2005 年年均增长率为 17.8%。技术发展趋势高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在： 1.机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣-车复合、车铣复合、车-镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。 “一台机床就是一个加工厂 ”、 “一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防 碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能 进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、 功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机 床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。 4精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前 的微米级（ 0.001mm） ，有些品种已达到 0.05m 左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到 0.05m 左右，形状精度可达 0.01m 左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001m） 。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用 高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。第 2 章 数控机床总体方案的制订及比较数控机床可以较好的解决形状复杂、精密多品种及中小批零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，随着制造技术向自动化、柔性化方向的发展，当前机床的数控化率已经成为衡量一个国家制造工业水平的重要标志。机床的数控化设计一般是指对现有某台普通车床的某些部位做一定的改装，配上经济型数控装置或标准型数控数控系统，从而使原机床具有数控加工能力。这种技术工作有其独特的特点。机床的数控设计，主要是对原有机床的结构进行创造性的设计，最终使机床达到比较理想的状态。数控车床是机电一体化的典型代表，其机械结构同普通的机床有相似之处。然而，现代的数控机床不是简单将传统机床配备上数控系统即可，也不是在传统机床的基础上，仅对局部加以改进而成。传统机床存在着一些弱点，如刚性不足，抗震性差，热变形大，滑动面的摩擦阻力大及传动元件之间存在间隙等，难以胜任数控机床对加工精度，表面质量，生产率以及使用寿命等要求。现代机床的部件结构，整体布局，外部造型都已经形成了数控机床独特的机械部件。因此，我们在对数控机床进行数控设计的过程中，应在考虑各种情况下，使普通机床的各项性能指标尽可能的 与数控机床相接近。机床的设计主要应具备两个条件 1.机床基础件必须有足够的刚度 2.改装的费用要合适，经济性好。改装前要对机床的性能指标做出决定，改装后其各项指标能达到数控加工的要求。机械部分数控化设计需涉及电机的选择、工作台进给结构、传动比分配与计算等方面的内容。1 伺服驱动元件进给电机选用混合式步进电机，其不仅步距角小运行频率高且功耗低低频噪音小等优点。广泛用于开环控制系统，不需要反馈装置，结构简单可靠，寿命长。横垂直进给电机均选用同一型号以便于设计和日后维修。脉冲当量 t=0.01mm/脉冲，选用步距角=0.6 。对原机床的主传动系统均维持不变，以节约资金及缩短改装时间。2 机床导轨的选择由于原机床采用滑动导轨，在低速时容易发生“爬行”现象，直接影响运动部件的定位精度。较经济的处理方法是采用贴塑滑动导轨。3 进给传动系统数控机床要求进给部分移动元件灵敏度高、精度高、反应快、低速时无爬行。因此本设计中采用滚珠丝杠可以满足要求。滚珠丝杠螺母副由丝杠、螺母、滚珠、反向器组成。其工作原理为：当丝杠和螺母相对运动时，在螺母上设有滚珠循环返回装置，使得滚珠沿滚道面运动后能通过这个装置自动的返回其入口处，继续参加工作。滚珠丝杠螺母副安装时需要预紧，通过预紧可消除滚珠丝杠螺母副的轴向间隙，提高传动刚度。本设计中的预紧方法是采用双螺母垫片预紧式结构。即通过改变两个螺母的轴向相对位置，使每个螺母中滚珠分别接触丝杠滚道的左右两侧来实现预紧。其特点是预紧结构简单，轴向刚度好，预紧可靠，轴向尺寸适中，工艺性好如图 2-1。为消除传动系统中的反向间隙，提高重复数控编程时，编程人员必须确定每道工序的切削用量，并以指令的形式写人程序中。切削用量包括主轴转速、背吃刀量及进给速度等。对于不同的加工方法，需要 选用不同的切削用量。切削用量的选择原则是:保证零件加工精度和表面粗糙度，充分发挥刀具切削性能，保证合理的刀具耐用度，并充分发挥机床的性能，最大限 度提高生产率，降低成本。3.3.1 确定主轴转速主轴转速应根据允许的切 削速度和工件( 或刀具) 直径来选择。其计算公式为:n=1000v/71D 式中:v切削速度，单位为 m/m 动，由刀具的耐用度决定;n 一一主轴转速，单 位为 r/min,D工件直径或刀具直径，单位为 mm。计算的主轴转速 n，最后要选取机床有的或较接近的转速。3.3.2 确定进给速度进给速度是数控机床切削用量中的重要参数，主要根据零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性质选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统的 性能限制。确定进给速度的原则:当工件的质量要求能够得到保证时，为提高生产效率，可选择较高的进给速度。一般在 100 一 200mm/min 范围内选取 ; 在切断、加工深孔或用高速钢刀具加工时，宜选择较低的进给速度，一般在 20 一 50mm/min 范围内选取; 当加工精度，表面粗糙度要求高时，进给速度应选 小些，一般在 20-50mm/min 范围内选取;刀具空行程时，特别是远距离“ 回零” 时，可以设定该机床数控系统设定的最高进给速度。3.3.3 确定背吃刀量背吃刀量根据机床、工件和刀具的刚度来决定，在刚度允许的条件下，应尽可能使背吃刀量等于工件的加工余量，这样可以减少走刀次数，提高生产效率。为了保 证加工表面质量，可留少量精加工余量，一般 0.2 一 0.5mm,总之，切削用量的具体数值应根据机床性能、相关的手册并结合实际经验用类比方法确定。同时，使主轴转速、切削深度及进给速度三者能相互适应，以形成最佳切削用量。切削用量不仅是在机床调整前必须确定的重要参数，而且其数值合理与否对加工质量、加工效率、生产成本等有着非常重要的影响。所谓“ 合理的” 切削用量是指 充分利用刀具切削性能和机床动力性能(功率、扭矩)，在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。 第 4 章 传动系统图的设计计算630 机床主要技术参数如表 3-1：最大回转直径 630mm电机功率 10KWLmax 2000mm快进速度 纵向 2.4m/min横向 1.2m/min切削速度 纵向 0.5m/min横向 0.25m/min定位精度 0.015mm移动部件重量 纵向 1200N横向 800N加速时间 30ms机床效率 0.7表 3-1 630 机床主要技术参数4.1 参数的确定了解车床的基本情况和特点-车床的规格系列和类型1. 通用机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础。因此，对这些基本知识和资料作些简要介绍。本次设计中的车床是普通型车床，其品种，用途，性能和结构都是普通型车床所共有的，在此就不作出详细的解释和说明了。2.车床的主参数（规格尺寸）和基本参数（GB1582-79，JB/Z143-79）最大的工件回转直径 D 是 630mm；刀架上最大工件回转直径 D1 大于或等于 315mm；主轴通孔直径 d 要大于或等于 80mm；主轴头号（JB2521-79）是 4.5；最大工件长度 L是 1800mm；主轴转速范围是：301450r/min 可无级调速. 参数确定的步骤和方法a) 极限切削速度 umaxumin根据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类 工艺要求 刀具和工件材料等因素。允许的切速极限参考值如机床主轴变速箱设计指导书 。然而，根据本次设计的需要选取的值如下：取 umax=300m/min；umin=8m/min。b) 主轴的极限转速计算车床主轴的极限转速时的加工直径，按经验分别取（0.10.2）D 和（0.450.5）D。由于 D=630mm，则主轴极限转速应为：nmax= r/min （2.1）max10(.2)uD=7581517r/min ，取 =1000r/m； maxnnmin= r/min （2.2）min10(.45.)u影响大，因此主轴上齿轮少些为好，最后一个传动组的传动副选用 2，或者用一个定比传动副。(5) 传动系统的扩大顺序的安排对于 16 级的传动只有一种方案，准确的说应该不只有这一个方案，可为了使结构和其他方面不复杂，同时为了满足设计的需要，选择的设计方案是：16=22x 21+ 22x 21+ 22x 21x28传动方案的扩大顺序与传动顺序可以一致也可以不一致，在此设计中，扩大顺序和传动顺序就是一致的。这种扩大顺序和传动顺序一致，称为顺序扩大传动。(6) 传动组的变速范围的极限植在主传动系统的降速传动中，主动齿轮的最少齿数受到限制，为了避免被动齿轮的直径过大，齿轮传动副最小传动比 umin ，最大传动比 umax2，决定了一个传动组14的最大变速范围 rmax=umax/nmin8因此，要按照参考书中所给出的表，淘汰传动组变速范围超过极限值的所有传动方案。极限传动比及指数 x， 值为：,极限传动比指数 1.26x：umin= =1x 46值；umax= =2 3（x+ ）值：umin= =8 x 9(7) 最后扩大传动组的选择正常连续的顺序扩大的传动（串联式）的传动结构式为：Z=Z11Z2Z1Z3Z1Z2即是：Z=16=22212228加工条件 min)/(axumin)/(inu硬质合金刀具粗加工铸铁件3050硬质合金刀具半精或精加工碳钢工件150300螺纹（丝杠等）加工铰孔384.3 转速图的拟定运动参数确定以后，主轴各级转速就已知，切削耗能确定了电机功率。在此基础上，选择电机型号，确定各中间传动轴的转速，这样就拟定主运动的转图，使主运动逐步具体化。1) 主电机的选定中型机床上，一般都采用三相交流异步电机为动力源，可以在系列中选用。在选择电机型号时，应按以下步骤进行：1) 电机功率 N：根据机床切削能力的要求确定电机功率。但电机产品的功率已经标准化，因此，按要求应选取相近的标准值。N=13kw2.电机转速 nd异步电机的转速有：3000、1500、1000、750r/min 类比同类机床 CM6163，在此处选择的是：nd=1450r/min 这个选择是根据电机的转速与主轴最高转速 nmax 和轴的转速相近或相宜，以免采用过大的升速或过小的降速传动。3.双速和多速电机的应用根据本次设计机床的需要，所选用的是：双速电机4.电机的安装和外形根据电机不同的安装和使用的需要，有四种不同的外形结构，用的最多的有底座式和发兰式两种。本次设计的机床所需选用的是外行安装尺寸之一。具体的安装图可由手册查到。5.常用电机的资料根据常用电机所提供的资料，选用：Y132M-42) 轴的转速轴从电机得到运动，经传动系统化成主轴各级转速。电机转速和主轴最高转速应相接近。显然，从传动件在高速运转下恒功率工作时所受扭矩最小来考虑，轴转速不宜将电机转速下降得太低。但如果轴上装有摩擦离合器一类部件时，高速下摩擦损耗、发热都将成为突出矛盾，因此，轴转速不宜太高。轴装有离合器的一些机床的电机、主轴、轴转速数据：参考这些数据，可见，车床轴转速一般取 7001000r/min。另外，也要注意到电机与轴间的传动方式，如用带传动时，降速比不宜太大，否则轴上带轮太大，和主轴尾端可能干涉。因此，本次设计选用：n1=1000r/min3) 中间传动轴的转速对于中间传动轴的转速的考虑原则是：妥善解决结构尺寸大小与噪音、震动等性能要求之间的矛盾。中间传动轴的转速较高时（如采用先升后降的传动） ，中间转动轴和齿轮承受扭矩小，可以使用轴径和齿轮模数小写：d 、 m ，从而可以使用结构紧凑。但是，4M3这将引起空载功率 N 空和噪音 Lp（一般机床容许噪音应小于 85dB）加大： N 空 = ) KW （2.3）nCda主5.3(106式中：C-系数，两支承滚动或滑动轴承 C=8.5，三支承滚动轴承 C=10；da-所有中间轴轴颈的平均直径（mm） ；d 主主轴前后轴颈的平均直径（mm） ；n主轴转速（r/min） 。（2.4）KnmzBqnmzCLap 主主ta15.4log201（mz）a所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值 mm；（mz）主主轴上齿轮的分度圆的平均值 mm；q-传到主轴所经过的齿轮对数；-主轴齿轮螺旋角；C1、K-系数，根据机床类型及制造水平选取。我国中型车床、铣床 C1=3.5。车床 K=54，铣床 K=50.5。从上诉经验公式可知：主轴转速 n 主和中间传动轴的转速和n 对机床噪音和发热的关系。确定中间传动轴的转速时，应结合实际情况作相应修正：1.功率较大的重切削机床，一般主轴转速较低，中间轴的转速适当取高一些，对减小结构尺寸的效果较明显。2.高速轻载或精密车床，中间轴转速宜取低一些。3.控制齿轮圆周速度 u8m/s（可用 7 级精度齿轮） 。在此条件下，可适当选用较高的中间轴转速。4) 齿轮传动比的限制机床主传动系统中，齿轮副的极限传动比：1. 升速传动中，最大传动比 umax2。过大，容易引起震动和噪音。2. 降速传动中，最小传动比 umin1/4。过小，则使主动齿轮与被动齿轮的直径相差太大，将导致结构庞大。第 5 章 数控车床的六角回转刀架的设计原理和依据回转刀架也称为转塔式刀架，它是数控车床上最常用，也是最简单的一种自动换刀装置。回转刀架使用回转头各刀座来安装或夹持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转分度定位来实现车床的自动换刀动作。回转刀架可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式，其上可安装 4 把、6 把或更多的刀具，并可按数控装置的指令换刀。我国目前制造业中广泛使用的数控车床六角回转刀架虽然是上世纪开发的产品，但其结构具有当代自动换刀装置的典型结构，和相对成熟的技术使得它极具经济性是使用性，它仍是我国大部分中小企业广泛使用的数控车床部件。5.1 数控车床的六角回转刀架的换刀工程图 5.1 所示为数控车床的六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。在加工轴类零件时可以换成四方刀架，它们底部测尺寸是相同的，互换更换起来非常方便，因此在数控车床中使用得很广泛。这种刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，其换刀过程如下四个步骤：活 塞 杆 齿 条活 塞 触 头拉 杆 活 动 插 销齿 条 固 定 插 销活 塞 杆齿 轮压 盘缸 体刀 架 体活 塞ABDCB -C-CAA图 5.1 数控车床的六角回转刀架（1）刀架抬起。当数控装置发出换刀指令后，压力油由 A 进入压紧液压缸的下腔，活塞上升，刀架体抬起，使定位活动插销与固定插销脱离。同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮结合（2）刀架转位。当刀架抬起之后，压力油从 C 孔转入液压缸左腔，活塞向右移动，通过连接板带动齿条移动，使空套齿轮作逆时针方向转动，通过端齿离合器使刀架转过60。活塞的行程应等于齿轮节圆周长的 1/6，并由限位开关控制。（3）刀架压紧。刀架转位之后，压力油从 B 孔进入压紧液压缸的上腔，活塞带动刀架体下降。缸体的底盘上精确地安装六个带斜楔的圆柱固定插销，利用活动插销消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。刀架体下降时，定位活动插销与另一个固定插销卡紧，同时缸体与压盘的锥面接触，刀架在新的位置定位并压紧。这时，端齿离合器与空套齿轮脱开。（4）转位液压缸复位。刀架压紧后，压力油从 D 孔进入转位油缸右腔，活塞带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮在轴上空转。如果定位和压紧动作正常，拉杆与相应的接触头接触，发出信号表示换刀过程已结束，可以继续进行切削加工。回转刀架除了采用液压缸驱动转位和定位销定位外，还可以采用电动机-马氏机构转位和鼠盘定位，以及其它转位和定位机构。5.2 数控车床的六角回转刀架的设计要求回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为 0.0010.005mm） 。5.3 数控车床的六角回转刀架的机构设计中的几个主要问题1.回转刀架的分度机构分度机构是回转刀架的核心机构之一，要特别处理好分度的准确性。2.刀盘机构刀盘是刀具装填机构，也是分度机构直接作用的机构。刀盘在设计时要注意刀具的大小、材料的选择、大小和重量。3.定位精度的保证必须选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为 0.0010.005mm） 。4.定位动作结束的反馈机构回转刀架的动作启动和结束是通过液压系统驱动的，而液压系统由数控系统的 CNC 控制，因此 CNC 系统必须获得反馈信号。5.4 本章小结本章分析了六角回转刀架的设计依据，分析了六角回转刀架的结构及工作原理，提出了设计过程中要注意的几个问题。第 6 章 数控车床的六角回转刀架的机构设计回转刀架，它是数控车床上最常用，也是最简单的一种自动换刀装置。回转刀架使用回转头各刀座来安装或夹持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转分度定位来实现车床的自动换刀动作。它相对成熟的技术使其具有经济性和实用性，目前，我过大部分中小企业还在使用六角回转刀架，常见于数控车床上的自动换刀装置的应用。本课题对数控车床的六角回转刀架的机构设计具有现实意义。6.1 数控车床的六角回转刀架的分度机构结构设计回转刀架的工作原理简单来说，就是利用几何分度，在每个不同的分度上安装不同的刀具，并能根据指令进行转动定位。因此，分度机构是回转刀架的核心机构。6.1.1 分度机构结构设计的总思路分度机构主要包括刀架主轴、主活塞、端齿盘离合器（分上下两个端齿盘） 、分度齿条和分度活塞。因此，结构设计也围绕这五个方面进行。刀架主轴设计包括主轴的形状/尺寸设计、材料选择；主活塞设计包括其形状/尺寸、材料选择；端齿盘离合器的下端齿盘是不完全标准件，主要是上端齿盘是个特殊结构，要进行特别设计；分度齿条结构简单，主要考虑其长度；分度活塞主要考虑其与活塞杆连接的结构。分度机构主要作用是分度，其精度主要由液压系统和数控控制系统决定。而六角回转刀架的重复定位精度是由刀盘定位系统决定的，故分度机构定位精度没有作为重要设计要求。设计原则：保重分度性能，尽量用常用的材料和常见结构，减低成本。6.1.2 分度机构的刀架主轴设计刀架主轴的作用主要是为刀盘的分度转动提供转轴和扭矩传动，为刀盘的升高和压紧提供动力传动。主轴的设计包括其形状/尺寸设计、材料选择。1.主轴的材料的选择。考虑到主轴作为刀架所受切削力的受力中心，材料应该选择具有一定强度和刚度的材料，同时由于经常转动和抬压刀盘，故要求其具有耐磨性。查表.4.1，考虑到最常用的轴类材料是 45 钢，故选用 45 钢，调质处理。表 4.2 列出了 45 钢的力学性能。表 6.1表 6.2 优质碳素结构钢的力学性能力学性能|b/MPa : 600力学性能| s/MPa: 355力学性能|5(%): 16力学性能|(%): 40力学性能|AKU/J : 39由于刀架的分度旋转速度低、扭矩小，故刀盘转动时主轴受到的扭矩相对很小；当刀架定位完毕，刀具切削工件时，主轴受到切削力，和弯矩的作用，但是主轴外面有很厚的高强度铸钢包裹配合，同时 45 钢调制后具有很好的韧性和强度，力学性能良好，主要受力轴段轴径为 30，所以不需要校核。2.。主轴的形状结构主要考虑轴向零件的定位特点。主轴上的零件主要是主活塞和端齿盘离合器，轴的两端制造螺纹用于顶端连接刀盘和底端轴向固定端齿盘。结构形状及相关参数如图 4.1 所示。根据现有的回转刀架产品常见主轴轴径，取 d1=