数控机床45#刀柄拉刀机构设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 摘 要 45刀柄拉刀机构 是 数控机床 主轴内部 用于 刀具自动夹紧 的 机构 。 在加工之前， 刀具由 换刀 机械手 自动装入主轴孔后，其刀柄后部的拉钉便被送到主轴内拉杆的前端。 当液压系统 接到夹紧信号时， 其电磁换向阀左位得电，液压油通向液压缸的左端，活塞在液压油的作用下向右移动 。 同时，拉杆在碟形弹簧的作用下也向右移动，其前端径向的钢球在主轴 内壁 的逼迫下 沿直径方向 收缩 。钢球 将刀柄拉钉紧紧 扣住，在拉杆作用下 带动拉钉向右移动 。 当活塞移动到位时，其活塞杆上的接近开关发出 信号， 使得液压系统中的电磁换向阀 失电回到 中位。 这时拉杆便保持在拉 刀位置上， 刀具便被装夹好，此后便可以进行工件的加工了。 当加工完成需要换刀时，系统向拉刀机构发出松刀信号 。 在液压系统得 到信号后，其电磁换向阀右边得电 。 液压油通向液压缸的右边，活塞在液压油的作用下向左边移动 。这时，拉杆在活塞杆的推动下 克服弹簧力向 左 移动， 拉杆带动 钢球 使其沿直 径 方向 向外移动 。 最终拉杆把 刀柄 顶开 ，以便 机械手 取走刀具。 与此 同时，活塞杆上的接近开关 向液压系统 发出信号，电磁换向阀失电回到中位，使活塞杆保持 在松刀位置上。 这次毕业设计的任务就是根据已知条件，设计一个 45#的刀柄拉刀机构。其目的就是通 过毕业设计，加深对数控机床装备 的了解，并且巩固大学四年来所学的机械专业的相关的理论知识 。 关键词 ： 45#刀柄 拉刀机构 ； 液压 ；设计 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 5#is of C is of be by is of is in of be in of of of of is by on of is on of to At is So is is or to to As of of on of is on of to At of is to a 45#on of is to of C of is in 5# 文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 目 录 中文摘要 . I 英文摘要 . 1 章 绪论 . 1 第 2章 拉刀机构总体结构的分析 . 2 刀机构设计的目的 . 2 刀机构原理的分析 . 2 第 3章 拉刀机构主要零件的设计、计算及其强度校核 . 5 械零件设计的性质和任务 . 5 械零件设计准则和设计步骤 . 5 轴主要参数的确定 . 6 1 的选取 . 6 轴内孔直径 . 6 轴前端悬伸量 . 7 轴支承跨距 . 8 形弹簧的选择与计算 . 9 形弹簧的特点 . 9 形弹簧的计算 . 11 形弹簧的技术要求 . 12 杆的设计与计算及其相应的强度的校核 . 13 准钢球的选取 . 13 杆的尺寸确定 . 16 纹联接的设计与计算 . 19 纹基本尺寸的确定 . 19 母的选取 . 23 片的选取 . 23 杆套的设计与计算 . 24 压缸的设计与计算 . 25 . 25 压缸主要参数的确定 . 25 第 4章 气、液压系统设计 . 35 压系统设计概述 . 35 、液压传动的特点 . 35 液压传动与其它传动比较的优点 . 35 . 36 、液压传动原理 . 37 压元件的选择 . 38 定液压泵的最大工作压力 . 38 定液压泵的流量 . 39 择液压泵的规格 . 39 . 39 . 40 压系统的性能验算 . 40 路压力损失验算 . 40 液温升验算 . 40 第 5章 电气自动控制设计 . 41 述 . 41 编程控制器（ 编程 . 41 . 41 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 . 42 . 43 第 6章 总结 . 44 参考文献 . 45 致谢 . 46 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 1 第一章 绪论 随着科学技术的发 展 ， 机电产品日趋精密复杂。产品的精度要求越来越高、更新换代的 周期也越来越短，从而促进了现代制造业的发展。尤其是在宇宙、车工、造船、 汽车和模具加工行业，用普通机床加工（精度低，效率低，劳动度大）已无法满足生产要求，从而一种新型的用数字程序控制的机床应运而生。这种机床是综合运用了计算机技术、自动控制、精密测量和机械设计的新技术的机电一体化典型产品。数控机床是一种装有程序控制系统（数控系统）的自动化机床。 该系统能够逻辑的处理具有使用号码，或其他符号编码指令（刀具移动轨迹信息）规定的程序。具体的讲，把数字化了的刀具移动轨迹的信息输入到数控装置，经过编码、运算，从而实现控制刀具与工件的相对运动，加工出所需要的零件的机床，简称数控机床。 数控机床的加工原理：按照零件加工的技术要求和工艺要求，编写零件的加工程序，然后将加工程序输入到数控装置，通过数控装置控制机床的主轴运动、进给运动、更换刀具，以及工件的夹紧与松开，冷却、润滑泵的开与关，使刀具、工件和其他辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数进行工作，从而加工出符合图纸要求的零件 。 数控机床的结构：数控机床主要有控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体四个部分组成 。 这次毕业设计的课题，就是数控机床本体部分 45#刀柄拉刀机构的设计。设计的任务是在拉刀力为 5000N、主电机功率为 条件下设计一个 45#的刀柄拉刀机构。设计内容包括：拉刀机构的机械结构、液压系统、电气系统等等。此次设计主要应用三个原理：机构原理、液压驱动原理、电器控制原理。 此说明书共分为五大部分：总体结构分析、机构设计、 液压系统设计 、 电气控制设计 、 总结。设计过程中参考了诸多文献，列表附说明书末页。 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 第 二 章 拉刀机构 总体结构 的 分析 刀机构设计的目的 拉刀机构是数控机床的核心部件（主 轴）中一个重要的机构，而数控机床又是最典型的机电设备。作为机电专业的学生，以数控机床中的机构作为毕业设计的课题是非常合适的。而数控机床中的拉刀机构是机床主轴中很具代表性的机构，所以以 45#拉刀机构作为毕业 设计 的课题 是很合理的。通过做这次毕业设计，可以巩固和加深我们四年来所学的与本专业相关 基础 理论知识。并且可以把我 们课堂所学的理论与生产实际相结合，做到理论和 实践相结合的目的。机械设计 制造及其自动化专业是为了培养从事机械设计、制造行业的人才而开设的专业。而 拉刀机构 设计不仅培养设计者对机械的认识、运用能力 ,而且也 增进了对机械工业发展的了解和认知。 拉刀机构 的设计涉及：机械设计 、液压、气压、电气传动及单片机、 编程控制器等控制系统与基本理论知识 。 本次毕业的 设计目的： 1. 巩固 学生 课堂所学的机械专业理论知识 ； 2. 培养 学生 自己进行 机电设备 设计的能力 ； 3. 培养 学生 分析问题，解决问题的能力 ； 4. 培养学生自主创新的能力； 5 培养学生的动手实践的能力 ； 6培养学生检索文献和使用文献的能力。 刀 机构原理 的 分析 该 拉刀机构是 主轴内部 部件中的刀具自动夹紧机构，这个 机构是数控 机床，特别是加工中心的重要 机构。 在加工之前， 刀具由换刀机械手自动装入主轴孔后，其刀柄后部的拉钉便被送到主轴内拉杆的前端。当液压系统接到夹紧信号时，其电磁换向阀左位得电，液压油通向液压缸的左端，活塞在液压油的作用下向右移动。同时，拉杆在碟形弹簧的作用下也向右移动，其前端径向的钢球在主轴内壁的逼迫下沿直径方向收缩。钢球将刀柄拉钉紧紧扣住，在拉杆作用下带动拉钉向右移动。当活塞移动到位时，其活塞杆上的接近开关发出信号，使得液压系统中的电磁换向阀失电回到中位。这时拉杆便保持在拉刀位置上，刀具便被装夹好，此后便可以进行 工件的加工了。 当加工完成需要换刀时，系统向拉刀机构发出松刀信号。在液压系统的到信号后，其电磁换向阀右边得电。液压油通向液压缸的右边，活塞在液压油的作用下向左边移动。这时，拉杆在活塞杆的推动下克服弹簧力向左移动，拉杆带动钢球使其沿直径方向向外买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 3 移动。最终拉杆把刀柄顶开，以便机械手取走刀具。与此同时，活塞杆上的接近开关向液压系统发出信号，电磁换向阀失电回到中位，使活塞杆保持在松刀位置上。拉杆是空心的，其目的是每次换刀时要用压缩空气清洁主轴孔和刀柄上的切屑，以保证刀具的准确安装。 图 2控 镗铣床主轴的 拉刀 机构。 图 212345 678910在数控机床中，为实现刀具的自动装卸，必须要在其主轴内 设计刀具的拉刀机构。自动换刀卧式镗铣床主轴的刀具夹紧机构如图 2杆 1采用 7： 24的大锥度锥柄，在锥柄的尾端轴颈被拉紧的同时，通过锥面的定心和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端部。大锥度的锥柄既利于定心，也为松夹带来了方便。在碟形弹簧 4的作用下，拉杆3 始终保持约 5000N 的拉力，并通过拉杆左端的 刚球 2 将刀杆 1 的尾部轴颈拉紧。换刀前必须首先将刀柄松开，这是通过将压力油通入主轴后面的液压缸的 右腔， 活塞杆 9推动拉杆 3向左移动，同时使碟形弹簧 4压紧。拉杆 3向左边移动使左端的钢球 2位于套筒的喇叭口处，解除了刀杆上的拉力。当拉杆继续左移，拉杆头的端部把刀具的刀柄顶松，这时机械手便可以取出刀柄。当活塞处于左右两个极限位置时，相应的接近开关发出松开或夹紧的信号。液压系统中的电磁阀在得到相应的信号后，便会左边得电而进行把刀具拉紧的工作，或者是右边得电而进行把刀具顶松的工作，或失电使拉刀或者是松买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 刀保持在所需的位置以便 机床进行其他相关的工作。 自动清除主轴孔中的切屑和灰尘是换刀操作中的一个不容忽视的问题。如果在主轴锥孔中掉进了切屑或其它污物，在拉尽刀杆时，主轴锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤 ，甚至使刀杆发生偏斜，破坏了刀具正确的定位，影响加工零件的精度，甚至使零件报废。为了保持主轴锥孔的清洁，常用压缩空气吹屑。图 2的心部钻有压缩空气通道，当活塞向左移动时，压缩空气经过活塞主轴孔内的空气喷嘴吹喷出。将锥孔清理干净。喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀分布，以提高其吹屑效果。 此结构采用的是 7： 24 圆锥刀柄，这种标准 的 7： 24锥联接有许多优点：因比自锁，可实现快速装卸刀具；刀柄的锥体在拉杆轴向拉力的作用下，紧紧地与主轴的内锥面接触，实心的锥体直接在主轴孔内支承刀具，可以减少刀具的悬伸量；这种联结只有一个尺寸即锥角需加工到很高的精度，所以成本较低，而且可靠，多年来应用较广泛。 但是，7： 24 锥联结也有一些缺点：锥度较大，锥柄 较长，锥体表面同时要起两个作用，即刀具相对于主轴的精确定位及实现刀具夹紧并提供足够的联结刚度，由于它不能实现与主轴端面和内锥面同时定位。所以标准的 7： 24 刀 /轴锥联结在主轴端面和刀柄法兰端面有较大的间隙 。 7： 24 锥度联结的刚度对锥角的变化和轴向拉力的变化很敏感，当拉力增大 4 8 倍时 联结的刚度可提高 20% 50%。但是过大的拉力在频繁的换刀过程中，会加速主轴内孔的磨损，使主轴内孔膨胀影响主轴前轴承的寿命。 在了解了 机构的总体 结构 和相应的工作原理后， 将从 三个主要的 方面 对拉刀机构 进行设计与计算 及强度的校核 。首先 是机构方面的设计，主要涉及拉刀机构的相关的零件，包括 碟形弹簧、拉杆、拉杆套、拉钉、螺母、垫片 、活塞、缸筒 等 ，并 且对相关的标准件进行选型。接下来就是对拉刀机构中 液压 驱动 部分 的设计，主要是 液压系统的设计。最后 的一步就 是对 拉刀机构的 电气控制部分的设计与 程。 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 5 第 三 章 拉刀机构主要 零件的 设计 、 计算 及其强度校核 械零件设计的性质和任务 机械是人类用来减轻体力劳动和提高劳动生产率的工具。机械化程度的高低是衡量一个国家社会生产率发展水平的重要标志。在新技术革命中，最大限度的提高劳动生产率和产品质量，为工业、农业、国防、轻工、化工、交通、能源及能源开发以及新的科学实验基地提供更多的先进设备。这是机械工业的伟大历史使命。不论是制造新的机械设备还是改进原有的机械设备，都要进行大量的机械设计工作。“机械 ”是一个总称，习惯上包括机构和机器。机构是由相对运动的构件组成的。它的作用是传递运动并变换运动形式和改变运动量 ；机器是由若干基本单元构成的，构成机器的这些单元称为机械零件，如轴、齿轮和螺栓等。通常又把为完成同一使命的零件组合在一起。构成一套协调工作的整体，这个整体称为部件，如联轴器、减速器等。由此可知，机械零件是组成机械的基本单元。 机械零件设计是根据零件在机器中的工作条件，阐明其设计原则，设计方法和设计规范的。其主要任务包括：进行基本的力学计算，确定零件的最适当外形尺寸 ,选择材料、精度等级和表面质量以及制 造上的技术要求等，最后绘制工程 图。 械零件设计准则和设计步骤 设计的机械零件既要工作可靠，又要成本低廉。要解决前一个问题，零件在其强度、刚度、表面质量等方面必须满足一定的条件，这些零件是判断零件工作能力的准则。 要降低零件的制造成本，必须从设计和制造两方面着手 。就设计而言，设计时要正确选择材料、合理规定公差等级及认真考虑零件的加工工艺性和装配工艺性。具体说来设计机械零件时必须考虑以下要点： 1 设计的机械零件要确实能满足机器的使用要求，充分发挥其机能，具有各方面的可靠性 ； 2 使用寿命要长，要能耐 腐蚀、耐疲劳、耐磨损、耐蠕变、耐高温等 ； 3 结构要简单，制造费用要低廉 ； 4 重量要尽可 能轻，尺寸要尽可能小，占地面积要尽可能少； 5 尽量使所设计的机械零件标准化、系列化、通用化。 根据上述要点，机械零件设计的一般步骤为： 1了解设计要求，收集有关设计资料，拟订最好的方案 ； 2 根据零件的结构和受力 分析 建立力学 模型，据此算出作用在零件上的外载荷大小和变化性质，求出计算载荷； 3 对由计算载荷产生的应力和变形进行计算，选取满足要求的材料，用计算方法确定零件的基本尺寸，确定热处理方法 ； 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 4 进行强度校核计 算，确定零件的全部结构尺寸 ； 5 绘制工作图和编制技术条件。 轴主要参数的确定 此次设计主轴不用详细设计，但该 参数对后面的机构设计相关，故在此对其有用部分进行说明。 主轴的主要结构参数有：主轴前、后轴颈 轴内孔直径 d，主轴前端悬伸量 a 和主轴主要支承间的跨距 L，这些参数直接影响旋转精度和主轴刚度。 轴前轴颈 一般按机床类型、主轴传递的功率或最大的加工直径（参考表 （ 3） 选取 2（ 表 3轴前轴颈直径 功率 P/床 60 80 70 90 70 105 95 130 升降台铣床 50 90 60 90 60 95 75 100 外圆磨床 50 60 55 90 70 80 功率 P/11 11 22 车床 110 145 140 165 150 169 220 升降台铣床 90 105 110 115 外圆磨床 75 90 75 100 90 100 105 由设计 任务书上数据知主机功率 P=可选取 02=48 轴内孔直径 d 的确定 很多机床的主轴是空心的，内孔直径与其用途有关，如车床主轴内孔用来通过棒料或安装 送夹料机构。铣床主轴内孔通过拉杆来拉紧刀杆等。为不过多的削弱主轴的刚度，铣床的主轴孔径 d 可比刀具拉杆直径大 5 10此初步定 d=26于主轴内孔直径在一定范围内对主轴刚度影响很小，若超出此范围，则能使主轴刚度急剧下降，由材料力学知识可知刚度 K 正 比 于 截 面 惯 性 矩 I ， 它 与 直 径 间 有 下 列 关 系 ，即 :4444004()64 1 ( ) 164 D （ 3 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 7 d， D 主轴内外径 空心主轴的刚度和截面惯性矩 K， I 实心主轴的刚度和截面惯性矩 一般取 刚度影响不大，若 使刚度下降，这里 =26/60=于 满足刚度要求。 由上知一般主轴孔径比拉杆直径大 5 10现在 可 预取拉杆外径 D 拉杆 =20后面的拉杆设计与计算过程中将对其进行刚度校核。 轴前端悬伸量 主轴前端悬伸 量 前径向支承中点）的距离， 由结构设计确定。由于前端悬伸量对主轴部件的刚度、抗振性的影响很大，因此在满足结构要求的前提下，设计时应尽量缩短该悬伸量。 此次设计的机构主轴前端部结构主要是 45 ,7： 24 大锥度的标准锥柄及与之相对应的标准化的拉钉的结构，由这两者的尺寸可初步选取 a=110刀柄及拉钉的结构与尺寸见下表或图 : 图 3T 型刀柄 表 3买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 图 3型拉钉 表 3型拉钉规格 其中选择的刀柄型号是 45 钉型号 相对应的 是 值取 45。 轴支承跨距 L 的确定 合理确定主轴主要支承间的跨距 L，是获得主轴部件最大静刚度的重要条件之一，支承跨距过小，主轴的弯曲变形固然较小，但因支承变形引起主轴前轴端的位移量增大；反之，支承跨距过大，支承变形引起主轴前轴端的位移量尽管减小了，但主轴的弯曲变形增大， 也会引起 主轴前轴端较大的位移，因此存在一个最佳的跨距 该跨距时因主轴弯曲变形和支承变形引起主轴前轴端的总位移量最小，一般取 2 a，但在实际结构设计时， 由于结构上的原因，以及支承刚度因磨损会不断降低，主轴主要支承间的实际跨距 L 往往大于上述最佳跨距 初步取 a=3 110=330 L=360由整个 机 构 的装配关系 可买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 9 预取 L 拉杆 =280最后根据碟形弹簧及其他主轴部件的结构最终确定主轴的外形及相关的尺寸，如图 3 图 3形弹簧的选择 与计算 形弹簧的 特点 碟形弹簧是一种用钢板 冲压 的截锥形的薄板压缩弹簧，如图 3具有如下特点： 1） 刚度大，缓冲吸振能力强。适用于负荷大，而轴向空间要求小的地方 例如，在机床的夹紧、卸荷等装置中，得到了广泛的应用； 2） 具有变刚度的特性。根据设计选用的内锥高度 可得到不同的碟簧特性曲线（图 3当需要近似于线性特性时，可选用 h0/t= 当要求随着变形的增加，压力变化很小时，选用 3） 为满足大负荷或大变形量的要 求，碟簧可按 不同方式组合，可得到不同的负荷 变形特性曲线（ 表 3 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 图 3图 3h0/买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 11 表 3算公式及其说明 形弹簧的计算 碟簧一般用 50 60带、板材或锻造比不得小于 2 的锻造坯料制造。此材料经回火淬硬后，综合力学性能好，强度高，冲击韧度好，高温性能稳定，能在 250C 300 根据设计任务书数据知拉刀力 F=5000 N。 则根据拉杆的外径 D 拉杆 =20 F 值可选取碟簧尺寸如下表 3 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 表 3簧尺寸 D/mm d/mm t/mm ； 拟 定 预压缩量 D/d=40/机械零件设计手册（中）表 25用插值法可求得 取 (即无承载面 )，又 1 1 22 . 0 6 1 0 /E N m 。 由公式： 2 23 22 00442 2 21343 112h h E t Kd f K D t t t （ 3 将上述数据代入公式（ 2得 K=， 取 X=0.3 预拉伸力 F 预拉 =K（ X） =（ = ， 所以复合碟簧的叠合 层 数 ： i=F/5000/将 i=3。 验算： F=3 5000 N。 初步拟 定 行程量 L=10 对合碟簧片 组 数 n=L/f =L/2（ X+ X） =10。 则复合碟簧组的自由高度 （ 3 将数据代入得0H=76.5 形弹簧的技术要求 表 3数的公差及偏差 % 厚度公差 ， 径公差， 径公差， 外径的同轴度， 由高度公差， 35 （ 碟簧锥面加热前的光洁度，车削时不得低于 5， 磨削时 不得低于 7； 对于级 精度碟簧，在厚度 4按高级精度冷轧钢板供货表面状态； 3 碟簧淬火次数不得超过两次，经两次淬火后的级精度碟簧应进行脱碳层深度检查。0H ( 1 ) n H i t 买文档就送您 纸， Q 号交流 11970985 或 401339828 13 单面全脱碳层深度，当厚度 3得超过厚度的 5%。碟簧的硬度应在 2 52范围内； 4 碟簧表面不得有毛刺、发裂、斑疤等缺陷，淬火后应清除氧化皮、盐浴痕迹及其他污物。级精度碟簧表 面允许有微小的厚度公差范围以内的凹陷。 5 所有碟簧应全部进行强压处理。处理方法为：一次持续压平，持续时间不小于 12 小时，短时压平，压平次数不少于 5 次。 二倍。经强