JCS-013型数控卧式镗铣床刀库设计.docJCS-013型数控卧式镗铣床刀库设计.doc

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JCS-013型数控卧式镗铣床刀库设计 JCS-013 Type NC Horizontal Boring And Milling Machine Tool Store Design 学 院 专业班级 机械设计制造及其自动化 学 号 学生姓名 指导教师 2013 年 5 月 I 摘 要 90 年代以来,数控加工技术得到迅速的普及发展,高速加工中心作为 新时代数控机床的代表,已在机床领域广泛。自动换刀刀库的发展俨然已 超越为数控加工中心配套的角色, 在其特有的技术领域发展出符合机床高 精度、高效率、高可靠度及多任务复合等概念的独特产品。 本课题 是链式 刀库的总体设计、传动设计、结构设计以及传动部分的运动和动力设计。 这种刀库在数控加工中心上应用非常广泛 ,其换刀过程简单,换刀时间短;总 体结构简单、紧凑,动作准确可靠;维护方便,成本低。 本课题 的目的就是要 通过对 JCS-013 型数控卧式镗铣床 刀库的优化设计以提高换刀速度,减少助 助时间。 在进行设计时,采用了 系统化设计方法 , 将设计看成由若干个设计要素组 成的一个系统,每个设计要素具有独立性,各个要素间存在着有机的联系,并 具有层次性,所有的设计要素结合后,即可实现设计系统所需完成的任务。 在借鉴和参考大量有关刀库的机械结构后,结合实际情况, 决定采用链式 刀库双手式机械手换刀方案,根据机械设计与机械原理等有关知识对 JCS-013 型数控卧式镗铣床刀库进行设计,采用 AutoCAD 2004 中文版对刀库及关键零件 进行绘制。 关键词 加工中心; 刀库 ; 数控 加工 II Abstract Since the 1990s,CNC machine technology has made the rapid and universial development,as a new era of the representatives of NC machine tools.High-speed processing center has been widely used in the field of machine tools.The development of automatic Tool Chane,tool house in recent years seems to have gone beyond the NC Center for supporting the role of technology in their unique areas of development to meet the high-precision machine tools,high efficiency and reliability,and more complex tasks,such as the concept of unique products.The tool house as a processing center one of the most important part,it has a direct bearing on the development of the processing center’s development.This paper completed the overall design,transmission design,structure design and the transmission part’s movement and dynamic design of the sword library.Such a tool house in the CNC Machine Center is widely used,the tool change is simple,,tool change time is short;overall structure is simple and compact.Action is accurate and reliable;convenient maintenance and low cost. The purpose of this project is to improve the speed of the tools change and reduce auxiliary time through the optimization design of the JCS-013 type NC horizontal boring and milling machine tool store. In developing the design, I have adopted the systematic design method.The design is regarded as a system which is consisted of several design elements. Each design elements is independ ,but there is the organic relation between them and they are of different levels. The system can realize the required task after that all the design elements combined. According to actual condition,I introduce the chain knife library of robot hands cutter replacement plan after referencing to the vast library mechanical structure of the sword.According to the Mechanical Design,the Mechanical Principle and other relevant knowledge,there are some designs about JCS-013 type nc horizontal boring and milling machine tool store and I have drew the key parts of library using AutoCAD 2004. Keywords machining center; Tool house;NC III 目 录 摘 要 ........................................................................................................................ I Abstract ..........................................................................................................................II 第 1 章 绪 言 ............................................................................................................... 1 1.1 本课题在国内外的研究动态 .............................................................................. 1 1.1.1 刀库产品目前的水平 ................................................................................... 2 1.1.2 刀库系统的发展趋势 ................................................................................... 3 1.1.3 刀库系统的发展方向 ................................................................................... 3 1.2 课题的目的、意义和开展研究工作的设想 ...................................................... 4 1.2.1 课题的目的 ................................................................................................... 4 1.2.2 开展研究工作的设想 ................................................................................... 4 1.2.3 课题设计方案的选择和设计手段 ............................................................... 5 第 2 章 刀库传动系统设计 ......................................................................................... 7 2.1 刀库主要设计参数 .............................................................................................. 7 2.2 刀库驱动液压马达的选择 .................................................................................. 7 2.2.1 刀库负载转矩 TF 计算 ................................................................................. 7 2.2.2 确定液压马达转数 ....................................................................................... 9 2.3 传动齿轮的设计 ................................................................................................ 10 2.3.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 ................................................. 10 2.3.2 按齿面接触强度设计 ................................................................................. 11 2.3.3 几何尺寸的计算 ......................................................................................... 14 2.3.4 按齿根弯曲强度进行校核 ......................................................................... 15 2.4 传动轴的设计 .................................................................................................... 16 2.4.1 初步确定最小轴颈及所用材料 ................................................................. 16 2.4.2 轴的结构设计 ............................................................................................. 16 2.4.3 轴的强度校核 ............................................................................................. 17 2.4 轴承寿命校核 .................................................................................................... 24 第 3 章 刀库准停系统的设计 ................................................................................... 26 第 4 章 链传动系统的设计 ....................................................................................... 29 4.1 链轮、链条的计算及链轮中心距的确定 ........................................................ 29 IV 4.2 刀库链条的张紧 ................................................................................................ 31 第 5 章 结 论 ............................................................................................................. 32 参考 文献 ..................................................................................................................... 33 致 谢 ........................................................................................................................... 34 1 第 1章 绪 言 1.1本课题在国内外的研究动态 随着中国经济的快速发展,进入 21 世纪,我国机床制造业既面临着提 升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机,也面临着加入 WTO 后激烈的市场竞争的压力。从技术层面上讲,加速推进数控技术将是 解决机 床制造业持续发展的一个关键。 数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企 业的重要基础装备,它的发展一直备受人们关注。数控机床以其卓越的柔性 自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目,它 开创了机械产品机电一体化发展的先河,因此数控技术成为先进制造技术中 的一项核心技术。另一方面,通过持续的研究,信息技术的深化应用促进了 数控机床的进一步提升 【 1】 。 随着数控技术的发展,采用数控系统的机床品种日益增多,有车床、铣 床、镗床、钻床、磨床、齿轮加工机床和电火花加工机床等。此外还有能 自 动换刀、一次装卡进行多工序加工的加工中心、车削中心等。 数控机床主要由数控装置、伺服机构和机床主体组成,输入数控装置的 程序指令记录在信息载体上,由程序读入装置接收,或由数控装置的键盘直 接手动输入 [2]。 随着微电子技术、计算机技术和软件技术的迅速发展,数控机床的控制 系统日益趋向于小型化和多功能化,具备完善的自诊断功能,可靠性也大大 提高,数控系统本身将普遍实现自动编程。 未来数控机床的类型将更加多样化,多工序集中加工的数控机床品种越 来越多;激光加工等技术将应用在切削加工机床上,从而扩大多工序集中的 工艺范围; 数控机床的自动化程度更加提高,并具多种监控功能,从而形成 一个柔性制造单元,更加便于纳入高度自动化的柔性制造系统中 [3]。 数控机床为了进一步提高生产率,进一步压缩非切削时间,现代的机床 逐步发展为在一台机床上一次装夹中完成多工序或全部工序的加工。数控机 床为了能在工件一次装夹中完成多个工步,以缩减辅助时间和减少多次安装 工件引起的误差,通常带有自动换刀系统。对工件的多工序加工而设置的存 2 储及更换刀具的装置称为自动换刀装置( Automatic Tool Changer, ATC); 自动换刀( Automatic Tool Change 简称 ATC)系统由控制系统和换刀装置组 成 6 。在数控镗铣床的基础上,如果再配以刀具和自动换刀系统,就构成加 工中心( Machining center 简称 MC)。在这类数控机床上,自动换刀装置 ( ATC)是必不可少的 [4]。例如加工中心机床又称多工序自动换刀数控机床, 它主要是指具有自动换刀及自动改变工件加工位置功能的数控机床,具有自 动换刀装置是加工中心机床的典型特征,是多工序加工的必要条件。自动换 刀装置的功能,对整机的加工效率有很大的影响 [5]。 数控机 床的自动换刀装置的结构形式多种多样,选择何种形式,主要取 决于机床的种类、工艺范围以及刀具的种类和数量等。本课题中的 JCS-013 型数控卧式镗铣床将采用的是带刀库的自动换刀形式。 1.1.1刀库产品目前的水平 在此概念基础下,刀库产品的发展现况为 ( 1) 超重刀库的发展发展出刀链系统能承载重量 70kg 以上之超重刀具, 拥有强力锁刀装置的稳定刀链架构,可防止重型刀具于运转中坠落。 ( 2) 高效率且定位精度的驱动及选刀系统的发展发展出高精度系统配置以 及高质量、高定位精度的伺服电动机及减速器,以符合选刀迅速、换刀 精确的主要性能 需求。 ( 3) 多型式刀具容载刀库的发展发展出同时可容纳多种型式刀具(如 ISO50 及 ISO60)的刀链系统,也被视为是必须时常变换使用多种主轴的加工 中心的必备装置。 ( 4) 不同型式刀及其任意点换刀系统的发展可以同时夹取不同型式刀具 (如 ISO50 及 ISO60),因应需求必须有不同的刀具。为了缩短换刀时 间,多点式或任意点式换刀系统是有必要的。 ( 5) 轻量化、低成本架构刀库的发展发展出轻量化的塑钢射出刀套架构, 整体重量较传统刀库减轻 100kg以上,成本大幅降低的刀库。 ( 6) 大型及高容量刀库的发展在机床多功能趋势演化下,大量的刀具 被使 用在同一台机床上,刀库的架构必须兼顾换刀效率及储刀效能,多变的 刀库型体(可容纳 120/180/200 把以上刀具)及多样精密的换刀系统(如 各种立式、卧式、立卧单点及多点式换刀系统),是其主要的特色 [6]。 3 1.1.2刀库系统的发展趋势 近年来刀库的发展俨然已超越其为装备的角色,在特有的技术领域中发 展出符合工具机高精度、高效能、高可靠度及多任务复合等概念产品,多样 化产品,左右工具机在生产效能及产品精度的表现。刀库的容量、布局,针 对不同的工具机,形式也有所不同。根据刀库的容量、外型和取刀的方式可 大概分为斗笠式 刀库、圆盘式刀库、链条式刀库 [7]。其发展趋势为 ( 1)高效能的产品 发展符合高荷重、高容量、高速化概念的刀库产品。 ( 2)轻量化、低成本的产品 发展符合重量轻、成本低概念的刀库产品 。 1.1.3刀库系统的发展方向 刀库系统作为自动化加工过程中所需的储刀及换刀需求的一种装置,为 数控机床缩短机床非切削时间,降低劳动强度提供了必要条件,是数控机床 的重要的功能部件,必将向以下几个方向发展。一方面随着主机的“单机多 任务复合化”发展,刀库也必将向容量大、结构精、速度快、效率高的方向 发展,以适应主 机的高转速、高精度和强力切削的机械特性。此类刀库大部 分为卧式刀库,有下面几个特点 ( 1) 可远距离传输。 ( 2) 换刀时可同步打刀,缩短换刀时间。 ( 3) 大容量且可扩充。 ( 4) 高效且精准的驱动和选刀系统。 ( 5) 控制系统复杂 ( 6) 刀具重量大。比如适合五轴联动的立卧转换伺服刀库。而另一方面 , 刀 库仅作为单纯的储刀仓功能存在,主轴主动抓刀的“固定地址换刀”刀 库也是发展的方向之一,此时刀库好比数控系统的一个控制轴,仅有旋 转定位功能,如立车刀库、转盘刀库等 [8]。 尤其以 40 盘式刀库为代表,换刀速度和刀库重量已经成为衡量刀库性 能的主要参数之一,比如, 吉辅 40 盘式刀库的换刀速度 1.1s,重量已经降 到 295kg。 在选材上更环保,在制作过程中减少消耗,使用过程智能、安全等也 4 是刀库发展的方向之一。 1.2课题的目的、意义和开展研究工作的设想 1.2.1课题的目的 未来工具机产业的发展,均以追求高速、高精度、高效率为目标。 随着切削速度的提高,切削时间的不断缩短,对换刀时间的要求也在逐 步提高;换刀的速度已成为高等级工具机的一项重要指标。 本课题的目 的就是要通过对刀库的优化设计以提高换刀速度,减少助助时间。 1.2.2开展研究工作的设想 为了达到 减少辅助加工时间 目 的, 综合考虑工具机的各方面因素,在尽 可能短的时间内完成刀具交换一般强调换刀速度快的卧式机台,皆有几个特 点 1.刀臂短 2.刀臂不一定成直线 3.两刀可能互相垂直 4.凸轮箱小且可移 动。其主要目的是要让换刀时,可动件之转动惯量小,以达到快速换刀之目 的。该技术包括刀库的设置、换刀方式、换刀执行机构和适应高速工具机的 结构特点等 。 ( 1) 提高换刀速度的基本原则 工具机的换刀装置,通常由刀库和换刀机构组成,有些应用机械手臂换 刀,有些换刀方式并不需要机械手臂,刀库的形式和摆放位置也不一样。为 了适合高速运动的需要,高速工 具机在结构上已和传统的工具机不同。以刀 具运动进给为主,减小运动工件的质量,已成为高速工具机设计的主流。因 此,设计换刀装置时,要充分考虑到高速工具机的结构特征 [9]。 ( 2) 提高换刀速度的主要技术方法 适合于工具机的快速自动换刀技术主要有以下几个方面在传统自动换 刀装置的基础上提高动作速度,或采用动作速度更快的机构和驱动元件。例 如,机械凸轮结构的换刀速度高于液压和气动结构。根据高速工具机的结构 特点设计刀库和换刀装置的形式和位置。例如,传统工具机的刀库和换刀装 置多装在立柱一侧,在高速工具机则多为立柱移动的进给方 式,为减轻运动 件质量,刀库和换刀装置不宜再装在立柱上。采用新方法进行刀具快速交换, 不用刀库和机械手方式,而改用其它方式换刀。例如不用换刀,用换主轴的 方法。使用适合于高速工具机的刀柄。如 HSK 刀柄质量轻,装卸刀具的行 5 程短,可以使自动换刀装置的速度提高。快速自动换刀装置采用 HSK 空心 短锥柄刀是发展的趋势。 1.2.3课题设计方案的选择和设计手段 I 设计方案选择 刀库是刀具交换系统的一部分,加工中心的刀具交换系统也称为自动换 刀装置( ATC) ,它通常是由刀库和机械手组成。自动换刀装置是加工中心不 可缺少的组成部分,也 是加工中心的象征,又是加工中心成败的关键。 加工中心有立式、卧式、龙门式几种,所以这些机床的刀库和自动换刀 装置也是各种各样。加工中心上的刀库类型有鼓轮式刀库,链式刀库,格子 箱式刀库和直线刀库等。 ( 1)鼓轮式刀库 应用较广,这种刀库的结构紧凑,但因刀具单环排列、定向利用率低, 大容量刀库的外径较大,转动惯量大,选刀时运动时间长。因此这种刀库的 容量较小,一般不超过 32 把刀具。 ( 2)链式刀具 容量较大,当采用多环链式刀库时,刀库的外形较紧凑,占用空间小, 适合用于做大容量刀库。在增加存储刀具数目时,可增加链条的 长度,而不 增加链轮直径,因此,链轮的圆周速度不会增加,且刀库的运动惯量不像鼓 轮式刀库增加的那么多。 ( 3)格子箱式刀库 刀库容量大,结构紧凑,空间利用率高,但布局不灵活,通常将刀库安 放于工作台上。有时甚至在使用一侧的刀具时,必须更换另一侧的刀座板。 ( 4)直线式刀库 结构简单,刀库容量较小,一般用于数控车床,数控钻床,个别加工中 心也有采用。 换刀机械手分为单臂单手式,单臂双手式和双手式机械手。单臂单手式 结构简单,换刀时间较长,适用于刀具主轴与刀库刀套平行,刀库刀套轴线 与主轴轴线平行,以及刀库刀套轴线与主轴轴 线垂直的场合。单臂双手机械 手可同时抓住主轴和刀库中的刀具,并进行拔出、插入,换刀时间短,广泛 应用于加工中心上的刀库刀套轴线与主轴平行的场合。双手式机械手结构较 复杂,换刀时间短,这种机械手除了完成拔刀、插刀外,还起运输刀具的作 6 用。 结合所给题目,初步决定采用链式刀库双手式机械手换刀方案。 II 设计手段 采用 系统化设计方法 , 将设计看成由若干个设计要素组成的一个系统, 每个设计要素具有独立性,各个要素间存在着有机的联系,并具有层次性, 所有的设计要素结合后,即可实现设计系统所需完成的任务。 结合本课题实 际,根据机械设 计与机械原理等有关知识对 JCS-013 型数控卧式镗铣床刀库 进行设计,采用 AutoCAD 2004 中文版对刀库及关键零件进行绘制。 7 第 2章 刀库 传动系统设计 2.1刀库 主要设计参数 安装形式链式刀库 刀库容量 60 把 送刀方式任意 刀具尺寸(最大)长 400 毫米,直 径 φ 125 毫米 刀具重量 ( Mj) 约 12 千克 链条快速移动速度为 16 米 /分,慢速移动速度为 4 米 /分。 2.2刀库驱动液压马达的选择 刀库驱动液压马达的选择应同时满足刀库运转时的负载转矩 TF, 和起动 时的加速转矩 TJ 的要求。由于链条转速很低 和 液 压马达惯性小 、 起动转矩 小的特点 ,为了计算简便,在计算时,忽略起动加速转矩 TJ,在最后结果上 乘以一个工作系数。 2.2.1刀库负载转矩 TF 计算 链式刀库负载转矩 TF用来克服刀具不平衡重力 FWmax和导向面的摩擦力 F,如图 2-1 所示。 FWmax 不平衡重力; F3摩擦力 图 2-1 链条受力分析图 8 F1和 F3是支承面的摩擦力 ;F2和 F4则是导向面上因刀具下垂而引起的摩 擦力。 不平衡重力可按刀库一侧装满刀、一侧不装刀时的最大重力差值来计 算。 ( 1) 确定不平衡重力 FWmax 由图 2-1 知 ,不平衡重力 3m a x  GMF dW N38.912  N353 ( 2)确定摩擦力 F3 NF 3 2-1 μ 钢与 铜之间的摩擦系数,约取 0.2; N 垂直作 用在导向面上的压力,包括刀具、刀柄和 刀座 产生的重力,分 别为 Wj, Wb, Wt。 N747 N8.9 1 0 0 0 8.78.21514.3 123 3 3 2        LRM WWWN d tbj N1 5 04.1 4 97 4 72.0 3  NF R 刀座 外半径,取 50mm; L 刀座 长度,取 218mm。 ( 3)确定每排刀具负载转矩 Tf mN44 mN150353086.0 m a x3    WLf FFRT ( 4)确定每排刀具 作用在主动轮上的负载转矩 Tz 9 2321/ fz TT  2-2 mN98.096.098.0 44 2 zT mN49  η 1 圆柱齿轮传动效率,取 0.98; η 2 链传动效率 ,取 0.96; η 3 深沟球轴承传动效率,取 0.98。 ( 5) 确定作用在液压马达上的负载 转矩 Ty 4 3 2 1 \ 4 i TT f y  2-3 mN25 mN98.098.09 494 42   yT i 液压马达轴至刀库轴的速比 ,取 9; η 传动效率 。 考虑到实际情况比计算时所设定的条件复杂,液压马达额定转矩 Ts 应 为负载转矩 Ty的 1.5 倍 ,即 ys TT 5.1 255.1  mN38  2.2.2确定液压马达转数 由刀库设计参数知,链条快速移动速度为 16 米 /分,即 16000mm/min 慢速 移动速度为 4 米 /分,即 4000mm/min。 ( 1) 确定链轮周长 S mm542mm55.17214.3  ds  ( 2) 确定液压马达的转速范围 10 r / m in7.265r / m i542 916000m a x  nn r / m in4.66r / m in5 42 94 00 0m in n 根据计算数据选定 BM2-200 摆线马达。 液压马达参数 型号 BM2-200 摆线马达 排量 200ml/r 压力额定 10MPa 最高 12.5MPa 转矩额定 mN240  最高 mN240  转速额定 320r/min 最高 400r/min 质量 10.5kg 2.3传动齿轮的设计 2.3.1选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 ( 1)按图 2-2 所示的传动方案。 11 图 2-2 刀库驱动系统结构布局 ( 2)由于机器速度较低,故选用 7 级精度( GB10095-88)。 ( 3)查机械手册选择小齿轮材料为 40Cr(调质),硬度为 280HBS,大齿轮材料 为 45钢(调质),硬度为 240HBS,二者材料硬度差为 40HBS。 ( 4)选小齿轮齿数为 Z128,大齿轮齿数为 Z284。 2.3.2按齿面接触强度设计 由设计计算公式 2-4 进行试算,即 12 32.2 1 td 3 2 21 ][ 1 Hd EZKT   2-4 ( 1) 确定公式内的各计算数值 1试选载荷系数为 K1.3 2确定小轮传递的扭矩 221 4 i TT z y 2-5 mN98.098.03 494 2  yT mN1095.6 mN5.69 4   3由于两支承相对于小齿轮做不对称布置,所以齿宽系数 d 1。 4由机械设计手册查得材料的弹性影响系数 ZE 21MPa8.189 。 5按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 MPa600lim H ;大齿轮的接触 疲劳强度极限 MPa550lim H 。 6) 计算应力循环次数 估计应力循环次数应该低于 107 转 。 7取接触疲劳寿命系数 KHN 1.4; KHN21.5。 8计算接触疲劳许用应力。 取失效概率为 1℅ ,安全系数 S1,由公式 2-6 得  1H SK HN 1lim1 M P a84 0M P a1 60 04.1  2-6  2H SK HN 2lim2 M P a82 5M P a1 55 05.1  13 ( 2) 计算 1)计算小齿轮分度圆直径 td1 ,代入   H 中较小的值 。 3 2 21 1 ][ 132.2 Hd Et ZKTd   2-7 mm8252.3 8.1892.41095.63.13 2 241  td mm795.42 考虑到外部零件要保证互相不产生干涉的条件下, d1t≧ 74mm。 2)计算圆周速度 v。 m m / s60542 7414.3316000m a x  v mm/s343 m/s343.0 m m / s6054 2 7414.3340 00m a x  v mm/s7.85 m/s086.0 3)计算齿宽 b 与齿高之比 b/h。 bφ d d1t1 42.795mm42.795mm,取 b48mm。 4计算模数 和齿高 643.22874 1 11  zdm t 2-8 mm95.5mm6 4 3.225.225.2 11  mh 2-9 07.8 95.548 hb 5)计算载荷系数。 14 根据 v0.171m/s, 7 级精度,查机械设计手册得动载系数 Kv1.01; 直齿轮, 0.1 HK ; 查得使用系数 ;0.1 AK 用插值法查得 7 级精度、小齿轮相对支承非对称布置时, 428.1 HK 。 442.1 428.10.101.10.1     HHvA KKKKK 2-10 6)按实际载荷系数校正所算得的分度圆直径,由公式 2-11 得 mm253.44mm3.1 422.1795.42 3311  t t K Kdd 2-11 由于 44.253mm ﹤ 72mm ,故 mm721 d 。 7)确定模数 模数 3m 8)计算大齿轮齿数 84 328 12    izz 2-12 2.3.3几何尺寸的计算 ( 1)计算分度圆直径 mm84mm32811  mzd 2-13 mm252mm38422  mzd ( 2) 计算中心距 a 2 21 dd  225284 mm168mm  15 确定齿宽 , 取齿宽 mm48 1 b ,取 mm44 2 b 。 2.3.4按齿根弯曲强度进行校核 1) 由机械设计手册查得, 75.0,61.1,58.2 11  YYY SaSa 。 小齿轮的弯曲疲劳强度极限 MPa450 1lim F ;大齿轮的弯曲疲劳强度极限 MPa4002lim F 。 2) 由应力循环次数取弯曲疲劳寿命系数 KFN10.98, KFN20.99。 3) 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S1.5,由公式得   SK FFNF 1lim11   2-14 M P a5.1 45 098.0][ F MPa294  2F SK FFN 2lim2   M P a5.1 40 099.01 F MPa264       21 ,m in FFF     MPa264F 4)计算齿根弯曲应力  YYYmbd KT saFaF 111 11 2 2-15 16 M P a 38448 75.061.158.236950442.121  F MPa16.5 M P a26 4M P a16.5  , 安全。 2.4传动轴的设计 2.4.1初步确定最小轴颈及所用材料 ( 1) 求轴上转速 n、 转矩 T 和功率 P r/m in542 31 6 0 0 0 n r/min56.88 mmN 98.098.03 494 4 42 4 3 2 1      T i T T z  2-16 mmN72278  P 9550nT 2-17 kW9550 278.7228.44 P kW335.0 ( 2) 按扭转强度条件 初步确定轴上的最小直径 mm6.21mm28.44 336.0110 330m i n  nPAd 2-18 由于结构设计需要,取 mm22min d ,材料为 45钢(正火)。 2.4.2轴的结构设计 拟定轴上零件的装配方案,根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度, 如图 2-3 所示。 17 图 2-3 轴的结构与装配 2.4.3轴的强度校核 ( 1)求作用在齿轮上的力 先将作用于直齿圆柱齿轮上的啮合力分解为圆周力 tF 和径向力 rF 。 1) 计算大 齿 轮的圆周力 1tF 和径向力 1rF 1tF 1 2dT 252722782 N573.7N 2-19 N8.2 0 8N20t a n7.5 7 3t a n11  tr FF 2-20 a 标准直齿圆柱齿轮的压力角,取 a 20 2) 计算小 齿轮的圆周力 2tF 和径向力 2rF 2tF 2 2dT 84722782 N1721N 2-21 N20t a n1 7 2 1t a n22  tr FF 626.4N 2-22 18 圆周力 tF 轴线简化后,得到作用于 轴线上的横向力 riHF 和力偶矩 T。 力偶 矩 T 引起轴的扭转变形,而横向力 FrH及径向力 FrV引起轴在水平面内和垂直 面内的弯曲变形,轴的计算简图如图 2-4、 2-5 所示。 图 2-4 轴在垂直面内的受力简图 图 2-5 轴在水平面内的受力简图 ( 3) 计算图中各个力的大小 1) 计算径向力 rvF N4.626;N8.208 2211  rvrrvr FFFF 2计算横向力 rHF N1 7 2 1;N7.5 7 3 2211  tHrtHr FFFF 3)计算轴承支反力 由静力学方程 19 ,0 vM 0 212113212  LLFLFLLLR vrvrv 得 , 321 21212 LLL LLFFR vrvrv   代入数值计算,得 N4.5322 vR 由静力 程 学方 ,0 vF vrvrvv FFRR 2121  得, vvrvrv RFFR 2211  代入数值计算,得 N1.303 1 vR 由静力学方程 ,0 HM 0 212113212  LLFLFLLLR HrHrH 得, 321 112122 LLL LFLLFR HrHrH   代入数值计算,得 N7.11192 HR 由静力学方程 ,0 HF HrHHHr FRRF 2211  得, HrHHrH FRFR 1221  代入数值计算,得 N6.271 HR 20 4)列出剪力方程及弯矩 方程 以轴的左端为 坐标原点,选取坐标系如图 2-6 所示。 图 2-6 坐标系示意图 垂直 面内 的剪力方程为  xF s       0 32121211 21111 11 LLLxLLFFR LLxLFR LxR vrvrv vrv v ( 代入数值得,       208156N1.532 9462N3.94 620N1.303 x x x xF s 垂直 面内的弯矩方程为 xM       0 32121212111 211111 11 LLLxLLLLxFLxFR LLxLLxFxR LxxR vrvrv vrv v ( 代入数值得,       2081561.532110664 94626.129453.94 6201.303 xx xx xx xM 水平 面内的剪力方程为 xF s      0 32121211 21111 11 LLLxLLFFR LLxLFR LxR HrHrvH HrH H ( 代入数值得 21       208156N7.1119 9462N3.601 620N6.27 x x x xF s 水平 面内的弯矩方程为  xM      0 32121212111 211111 11 LLLxLLLLxFLxFR LLxLLxFxR LxxR HrHrH HrH H ( 代入数值得 ,       2081567.11196.232906 94624.355693.601 6206.27 xx xx xx xM ( 4) 作剪力图和弯矩图 在垂直面 内 , 剪力图和弯矩图如图 2-7、 2-8 所示 。 / 图 2-7 垂直面内的 剪力图 / 图 2-8 垂直面内的 弯矩图 22 在水平面内,剪力图和弯矩图如图 2-9、 2-10 所示 。 / 图 2-9 水平面内的 剪力图 / 图 2-10 水平面内的 弯矩图 ( 5) 作扭 矩图 ,如图 2-11 所示。 23 图 2-11 转矩图 由扭矩图和弯矩图分析得,轴上 C 点处的截面是最危险截面,因此,在 此截面上,按弯扭合成强度条件对轴进行校核。 ( 6) 计算 危险截面上的 合成弯矩 22 HV MMM  2-23 mN233.58656.27 22 M mN47.64  ( 7) 确定危险截面上的计算弯矩 22 TMM ca  2-24 mN2 7 8.7247.64 22  caM mN859.96   根据转矩所产生应力的性质而定的应力校正系数,对频繁正反转变化 的转矩,取  1。 ( 8) 确定计算弯曲应力 24 MP a134.15 MP a1 5 1 3 4 2 1 8 104.6 859.96 1.0 6 3 22         d TM W M ca ca ca    2-25 由 45钢(正火)抗拉强度极限 MPa580 b ,查得轴的许用弯曲应力   MPa551 b 。   1 ba  ,安全。 2.4轴承寿命校核 ( 1)受力简图如图 2-4、 2-5。 ( 2)计算轴承的支反力 R1 和 R2 N1.3 0 4 N6.271.3 0 3 RRR 22 2 H1 2 V11    N8.1 2 3 9 N7.1 1 1 94.5 3 2 RRR 22 2 H2 2 v22    ( 3)计算轴承的当量动载荷 P1 和 P2 。 YAXRffP md  2-26 df 冲击载荷系数,查手册取 df 1.1。 mf 力矩载荷系数,因轴承不承受 力矩载荷,故 1 mf 。 X 径向系数; Y 轴向系数。 25 由于轴承几乎不承受轴向力,所以 0,1  YX 。 因此 N8.1 3 6 31.1,N4.3331.1 2211  RPRP 。 ( 4)校核轴承寿命 因 12 PP  ,故按 P2 计算 h364507 h 8.1363 17000 56.8860 10 60 10 36 10 6 10                 h h L P C n L  2-27 寿命足够长,故 6008 轴 承适用 。 26 第 3章 刀库准停系统的设计 如果刀座不能准确地停在换刀位置上,将会使换刀机械手抓刀不住,以致 在换刀时容易发生掉刀现象。因此,刀座的准停问题,将是影响换刀动作可靠 性的重要因素之一。 为了确保刀座不能准确地停在换刀位置上,需要采取如下措施( 1)刀座 的精确定位是靠装在Ⅰ轴上的定位啮合牙嵌式电磁离合器 M 实现的,如 3-1 所 示。离合器的磁轭和衔铁的齿面是不等分的,每间隔不同齿数有一个宽平齿, 衔铁和磁轭只有在一个位置 上才能啮合。磁轭固定在刀库法兰盘上,衔铁随Ⅰ 轴转动,通电后,衔铁转到固定位置与磁轭啮合,使Ⅰ轴每次停在固定的方位 上,保证了每个刀座的正确定位,如图 3-2 所示。为了保证刀座的准停精度和刀 座定位的刚性,链式刀库的换刀位置设在主动链轮上。 图 3-1 刀库准停系统结构图 27 图 3-2 磁轭(左)、衔铁(右)零件图 ( 2)链式刀库要选用节距精度较高的套筒滚子链和链轮,该设计选用的是链号 为 20A 的 链条。 ( 3)尽量减少刀座孔径和轴向尺寸的分散度,以保证刀柄槽在换刀位置上的轴 向位置精度。 ( 4)要消除反向间隙的影响。刀库驱动传动链,必然会有传动间隙,且这种间 隙还随机械磨损而增大,这将影响刀库的准停精度,所以,必须采用各种 办法减少或消除齿轮间隙。 本设计将采用柔性调整法来消除齿轮间隙。柔性调整法是指调整后齿侧 间隙可以自动补偿的方法。这种调整法在齿轮的齿后和周节有差异的情况下, 仍可始终保持无间隙啮合。但将影响传动的平稳性,而且这种调整法的结构 比较复杂,传动刚度低,如图 3-3 所示。 28 图 3-3 压力弹簧消除间隙结构示意图 1、 2 薄齿轮; 3 圆柱销; 4 镶块; 5 圆弧槽; 6 弹簧 先将一个大的直齿圆柱齿轮加工成 1、 2 两个薄齿轮,齿轮的下半部分 1 上 带有三个周向圆弧槽 5,齿轮的上半部分 2 上钻有三个销孔,圆柱销 3 依靠微量 过盈固定在销孔中,套装在圆弧槽内,弹簧 6 的两端分别顶在圆柱销 3 和镶块 4 上,使两个薄齿轮的齿错位,起到消除间隙的作用。 29 第 4章 链传动系统的设计 4.1链轮、链条的计算及链轮中心距的确定 ( 1) 本刀库由四排带 刀 座 的链条组成,每排链条装 有 15 把刀, 考虑刀库的运 转精度选用链号为 20A 的滚子链。 由于刀具的最大直径为 125 mm ,结合 链条型号确定 刀 座 与 刀 座 之间的中心距为 127mm , 如图 4-1 所示。 图 4-1 刀套 刀座 之间的距离 ( 2)确定 链条总长为 mm1 9 0 5mm151 2 7  。 确定两链轮中心距为 1905-3.14 161 2mm≈ 447mm ,如图 5-2 所示。 ( 3) 确定链轮的基本尺寸 选取链轮齿数为 17Lz 。 1) 确定分度圆直径 d      L Pd z 180sin 4-1 mm z 180s in 75.31      L d mm5.172 P 滚子链的节距 30 2) 确定齿顶圆直径 1 6.11 dpzdd La  4-2 mm05.19 17 6.1175.3155.172 ad mm26.182 1d 链条滚子外径 3) 确定齿根圆直径 1ddd f  mm05.1955.1 7 2  fd mm5.153 3) 确定链轮齿宽 mm955.17mm9.1895.095.0 11  bb f 4-3 图 4-2 链轮之间的距离 31 4.2刀库链条的张紧 为了避免在链条的松边垂度过大时产生啮合不良和链条的振动现象,同时 也为了增加链条和链轮的啮合包角,要对链条进行张紧。本刀库张紧结构如图 5-3 所示。 图 4-3 链条张紧结构示意图 刀库链条的张紧是在后链轮座处。松开后链轮导板锁紧螺钉 1,转动尾部调 整螺杆 2,可调整链条松紧。 32 第 5章 结 论 在传统的制造业 中,大量的时间用于更换刀具、装卸零件、测量和搬运零 件等非切削时间上,切削加工的时间仅占整个工时中较小的比例,而刀库即由 此“工序集中”的特点及功能, 也就说刀库的发展 极大左右了加工中心的发展, 而链式刀库的结构解决了刀库容量,机床加工范围等众多问题。 本次设计的刀库满载装刀 60 把,链条快速移动速度为 16 米 /分,慢速移动 速度为 4 米 \分。满足实际加工中节省时间的目的,提高了加工效率。通过这次 比较完整的链式刀库设计,我摆脱了单纯的理论知识学习状态,和实际设计的 结合锻炼了我的综合运用所学的专业知识,解决实际工程问题的能力 ,同时也 提高了我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及 CAD 制图等其他专业能力水 平,而且通过了对整体的掌控,对局部的取舍,以及对细节的斟酌处理,都使 我的能力得到了锻炼。 33 参考文献 [1]Chang W C, Van Y T. 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[26]濮良贵 , 纪名刚 , 吴立言等 . 机械设计 [M]. 北京高等教育出版社 , 2006. 致 谢 四年的读书生活在这个季节即将划 上一个句号,而于我的人生却只是一个 逗号,我将面对又一次争车位征程的开始。四年的穷学生涯在师长、亲友的大 力支持下,走得辛苦却也收获满囊,在论文即将付梓之际,思绪万千,心情久 久不能平静。伟人、名人为我所崇拜,可是我更要把我的敬意和赞美献给我的 导师 ,您治学严谨,学识渊博,思想深邃,视野开阔,为我营造了一种良好的 精神氛围。 授人以鱼不如授人以渔 ,置身其间,耳濡目染,潜移默化,使我不 仅接受了全新的思想观念,树立了远大的学术目标,领会了基本的思考方式, 您严肃的教学态度,严谨的治学精神,精益求精的工作作风深深地感染和激励 着 我。在您悉心的点拨后,再经思考后的领悟,使我受益匪浅。从选定题目到 准备答辩,几个月来您耐心又仔细地指导并督促我们按 进度完成设计工作,对 于每张图纸每个零件都有细致的要求检查,这对我今后的发展有着极大的帮助。 感谢我的父母,焉得谖草,言树之背,养育之恩,无以回报,你们永远健 康快乐是我最大的心愿。在论文即将完成之际,我的心情无法平静,从开始进 入课题到论文的顺利完成,有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助, 在这里请接受我诚挚谢意 最后再一次感谢所有在毕业设计中曾经帮助过我的 良师 .
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JCS-013型 数控卧式 镗铣床 刀库设计
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