机械毕业设计（论文）-数控车床自动回转刀架设计【全套图纸】 .pdf

青岛科技大学本科毕业设计论文 1 1 绪论 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 1.1 概述 数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，因 此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的结构和 性能体现了机床的设计和制造技术水平。随着数控车床的不断发展，刀架结构 形式也在不断翻新。其中按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转 刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。自 1958 年首次研制成功 数控加工中心自动换刀装置以来，自动换刀装置的机械结构和控制方式不断得 到改进和完善。自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样， 目前常见的有：回转刀架换刀，更换主轴头换刀以及带刀库的自动换刀系统。 初步了解了设计题目（电动刀架）及发展概况，设计背景，对刀架有了一 些印象，对整理设计思路安排设计时间有很好的辅助作用。对一些参数的进行 了解同时按准则要求来完成设计。 1.2 数控车床自动回转刀架的概述 数控车床主要由主轴箱、床鞍、尾架、刀架、对刀仪、液压系统、润滑系 统、气动系统及数控装置组成。数控车床的出现对提高生产率改善产品质量以 及改善劳动条件等发挥了重要的作用。传统的车床的刀架上只能装一把刀，换 到的速度慢，换刀后还需要重新对刀，并且精度不高，生产效率低，不能适应 现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改造，为了能在工件的 数控车床自动回转刀架的设计 2 一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加 工误差，充分发挥数控机床的效率，采用“工序集中”的原则，采用自动回转 刀架，数控车床上实用的自动回转刀架是一种最简单的换刀装置，自动回转刀 架是在一定的空间范围内，能执行自动松开、转位、精密定位等一系列动作的 一种机构。对于自动回转刀架，根据装刀数量的不同，自动回转刀架分为四工 位、六工位和八工位等形式。根据安装的不同方式，自动回转刀架可分为立式 和卧式。而根据机械定位方式不同，自动回转刀架又可分为端齿盘定位型和三 齿盘定位型等。其中端齿盘定位型换刀时要将刀架抬起，换刀速度较慢且密封 性差，但其结构简单。三齿盘定位叫免抬型，其特点是换刀时刀架不抬起，因 此换刀速度快且密封性好，但其结构复杂。 自动回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切 削抗力，为了保证转位之后具有高的重复定位精度，自动回转刀架还需要选择 可好的定位方案和合理的定位结构。自动回转刀架的自动换刀是由控制系统和 驱动电路来实现的。 1.3 数控车床自动回转刀架的发展趋势 数控刀架的发展趋势是：随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、 电液组合驱动和伺服驱动方向发展。 目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。主要用于简易数控车床； 卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能 数控车床。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。电动刀架是数控车床 重要的传统结构，合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳 动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一 致性等等。另外，加工工艺适应性和连续稳定的工作能力也明显提高：尤其是 在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制指令外，很 重要的一点是数控车床需配备易于控制的电动刀架，以便一次装夹所需的各种 刀具，灵活方便地完成各种几何形状的加工。 数控刀架的市场分析：国产数控车床将向中高档发展，中档采用普及型数 控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品 种。 国外数控车床的发展目的在于提高加工精度和缩短制造周期。实现上述目 青岛科技大学本科毕业设计论文 3 的之手段是实现机床多功能化和工序工种集成，开发多种多样复合化加工的机 种，如增添铣削功能的符合加工车削中心、双主轴多刀塔数控车床和车削中心、 双主轴同步驱动、双刀塔同时进行加工车削中心、五轴联动车铣负复合中心、 车磨复合加工机床、具有车、铣、镗、磨和激光热处理多种功能的高度复合化 的复合加工中心等等。我国数控车床经过多年的发展，特别是近几年迅速的发 展，与国际先进水平的差距在逐年缩小。对于某些依赖于进口的高档数控车床， 如高精度数控车床和车削中心、适用耐热合金的大功率、高扭矩数控车床和车 削中心等等要加强产品开发研究攻关，突破其核心技术。 数控刀架的高、中、低档产品市场数控刀架作为数控机床必需的功能部件， 直接影响机床的性能和可靠性，是机床的故障高发点。这就要求设计的刀架具 有具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的特点。它的原理采用蜗杆传动，上 下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。 1.4 研究实际社会意义及应用效果 传统的车床的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还需要重新对 刀，并且精度不高，生产效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对 机床的换刀装置进行改进，数控车床上实用的自动回转刀架是一种简单的换刀 装置。自动回转刀架是在一定的空间范围内能执行自动松开、转位以及精密定 位等一系列动作的一种机构。实用跟这种新的经济型数控系统功能更强，可靠 性更稳定，功率增大，结构简单，维修方便。为了能在工件的一次装夹中完成 多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发 挥数控机床的效率，采用“工序集中”的原则，采用自动回转刀架，并针对生 产过程中出现的一些常规问题进行了探讨，归纳总结检查修理方法。 1.5 刀架的设计准则 我们的设计过程中，本着以下几条设计准则 1）创造性的利用所需要的物理性能和控制不需要的物理性能 2）判别功能载荷及其意义 3）预测意外载荷 4）创造有利的载荷条件 5）提高合理的应力分布和刚度 数控车床自动回转刀架的设计 4 6）重量达到最经 7）应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸 8）根据性能组合选择材料 9）在储备零件与整体零件之间精心的进行选择 10）进行功能设计以适应制造工艺和降低成本的要求 1.6 本文的主要研究内容 本文通过对回转刀具的研究，全面对四工位立式回转刀架的主结构以及其 传动结构进行研究与分析，并详细叙述了该机构的结构和发展。并且通过计算 机对机构进行了设计。 （1） 满足强度和刚度要求。 （2）回转刀架的技术领域与背景技术。 （3）回转刀架总体结构的设计。 （4）回转机构各个部件的设计，以及各个结构的功能。 （5）且能设计出回转机构的结构并会使用 autocad 软件工程图进行设计。 青岛科技大学本科毕业设计论文 5 2 自动回转刀架的工作原理 回转刀架的工作原理为机械螺母升降转位式。工作过程可分为刀架抬起、 刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤。图2.1为螺旋升降式四方刀架，其工作 过程如下： （1）刀架抬起 当数控系统发出换刀指令后, 通过接口电路使电机正转, 经传动装置、驱动蜗杆蜗轮机构。蜗轮带动丝杆螺母机构逆时针旋转 ,此时由 于齿盘处于啮合状态，在丝杆螺母机构转动时，使上刀架体产生向上的轴向力 将齿盘松开并抬起,直至两定位齿盘脱离啮合状态,从而带动上刀架和齿盘产生 “上抬”动作。 （2）刀架转位 当圆套逆时针转过150时，齿盘完全脱开，此时销钉准 确进入圆套中的凹槽中，带动刀架体转位。 （3）刀架定位 当上刀架转到需要到位后（旋转90、180或270） ， 数控装置发出的换刀指令使霍尔开关中的某一个选通,当磁性板与被选通的霍 尔开关对齐后,霍尔开关反馈信号使电机反转,插销在弹簧力作用下进入反靠盘 地槽中进行粗定位，上刀架体停止转动，电机继续反转，使其在该位置落下， 通过螺母丝杆机构使上刀架移到齿盘重新啮合, 实现精确定位。 刀架压紧刀架精确定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿盘增加到一 定夹紧力时， 电机由数控装置停止反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而 完成一次换刀过程。 数控车床自动回转刀架的设计 6 图2-1 螺旋升降式四方刀架 fig2- 1 spiral movements quartet turret 青岛科技大学本科毕业设计论文 7 3 总体结构的设计 3.1 减速传动机构的设计 电动机的选择 电动机选择三相异步电动机，普通的三相异步电动机因转速太快，不能直 接驱动刀架进行换刀，必须经过适当的减速。根据立式转位刀架的结构特点， 采用蜗杆副减速时最佳选择。蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得较大的传 动比，保证传动精度和平稳性，并且具有自锁功能，还可以实现整个装置的小 型化。 3.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计 上刀架锁紧与定位的将直接影响工件的加工精度，因为刀具直接安装在上 刀体上，所以上刀体要承受全部的切削力，因此对它的选择很重要。其本设计 上刀体的锁紧与定位机构选用端面齿盘，将上刀体和下刀体的配合面加工成梯 形端面齿，当刀架处于锁紧状态时，上下端面齿相互咬合，这时上刀体不能绕 刀架的中心轴转动；换刀时电动机正转，抬起机构使上刀体抬起，等上下端面 齿脱开后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转为动作。 3.3 刀架抬起机构的设计 在上述过程中欲使上下刀体的两个端面齿脱离。就必须设计分离机构，在 此选择螺杆、一螺母副，并在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆-涡 轮带动螺杆绕中心轴转动时， 而将上刀体看做螺母 i， 要么转动， 要么上下移动。 两种情况，当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互啮合，因为 这时上刀体不能与螺杆一起转动，转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离啮 合时，上刀体就和螺杆一起转动，再设计螺杆时要注意螺距的选择，而螺距的 选择是否合理非常重要，选择适当以便当螺杆转动一定角度时，使上刀体与下 刀体的端面齿能够完成脱离啮合状态。 数控车床自动回转刀架的设计 8 图 3-1 为自动回转刀架的传动机构示意图。 1-发信盘 2-推力轴承 3-螺杆螺母机构 4-端面齿盘 5-发 靠圆盘 6-三相异步电动机 7-联轴器 8-蜗杆副 9-反靠销 10-圆柱销 11-上盖圆盘 12-上刀体 图 3-1 自动回转刀架的传动结构示意图 fig3- 1 automatic rotation of the turret drive schematic 青岛科技大学本科毕业设计论文 9 4 数控车床自动回转刀架设计 4.1 蜗杆副的设计计算 自动回转刀架的动力源是三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直联，刀架 转位时蜗轮与上刀体直联。已知电动机额定功率p1=90w，额定转速n1=1440r min，上刀体设计转速n2=30rmin，则蜗杆副的传动比i= 2 1 n n = 30 1440 =48。刀架 从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，起动时冲击较大，今要求 蜗杆副的使用寿命lh=10000h，因此对蜗杆的型号材料的选择以及齿面接触疲劳 强度计算相当重要。 4.1.1 蜗杆的选型 gbt10085-1988 推荐采用渐开线蜗杆(zi 蜗杆)和锥面包络蜗杆(zk 蜗 杆)。本设计采用结构简单、制造方便的渐开线型圆柱蜗杆(zi 型)。 4.1.2 蜗杆副的材料 刀架中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此，蜗杆的材料选 用 45 钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为 4555hrc，以提高表面耐磨性；蜗轮 的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜 zcusnl0p1，采用金属模 铸造。 4.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，在进 行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度 进行校核。 按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为 4-1： 3 2 2 h pez z kta s 式中 -螺杆副的传动中心距，单位为； 数控车床自动回转刀架的设计 10 k-载荷系数； t2-作用在蜗轮上的转矩，单位为n； ze-弹性影响系数，单位为mp 1/2； zp-接触系数； h-许用接触应力，单位为mpa。 从式中算出蜗杆副的中心距 之后，根据已知的传动比i =48,选择一个合 适的中心距 值，以及相应的蜗杆、蜗轮参数。 （1）确定作用在蜗轮上的转矩t2 设蜗杆头数z1=1， 蜗杆副的传动效率取=0.8。 由电动机的额定功率p1=90w， 可以算得蜗轮传递的功率p2=p1，再由蜗轮的转速n2=30r min 求得作用在蜗轮上的转矩： 2 2 2 90 0.8 9.559.5522.92() 22920() 30 p tn mn m n = = （2）确定载荷系数 k 载荷系数 k=kakbkv， 。其中 ka为使用系数，由表 11-5 5查得，由于工作载荷 不均匀，起动时冲击较大，因此取 ka=1.15；kb为齿向载荷分布系数，因工作载 荷在起动和停止时有变化，故取 kb=1.15；kv为动载系数，由于转速不高、冲击 不大，可取 kv=1.05。则载荷系数： k=kakbkv=1.151.151.051.39 （3）确定弹性影响系数 ze 铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查得弹性影响系数 2 1 160mpaze=。 （4）确定接触系数 p z 先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值35 . 0 1 = a d ，从而可查出接触 系数 p z =2.9 （5）确定许用接触应力h 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜 zcusnl0p1、 金属模铸造、 蜗杆螺旋齿面硬度大 于 45hrc，查表可得蜗轮的基本许用应力h =268mpa。已知蜗杆为单头， 青岛科技大学本科毕业设计论文 11 蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数 j=1；蜗轮转速 n2=30rmin；蜗杆副的使 用寿命 lh=10000h。 则应力循环次数： n=60jn2lh=60130 x 10000=1.810 7 寿命系数： 7 8 10 0.929 hn k n = 许用接触应力： h=khnh=0.929268mpa 249mpa 6) 计算中心距 将以上各参数带入 4.1，求得中心距： 2 3 160 2.9 1.39 22920 ()48() 249 amm 查表得，取中心距mma50=，已知蜗杆头数 1 z =1，m=1.25mm，蜗杆分度圆 直径 d1=22.4mm。 这时= a d1 0.448， 从而可查得接触系数72 . 2 = p z， 因为 pp zz， 因此以上计算结果可用。 4.1.4 蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算 由蜗杆和蜗轮的基本尺寸和主要参数， 算得蜗杆和蜗轮的主要几何尺寸后， 即可绘制螺杆副的工作图。 （1）蜗杆参数与尺寸 分度圆直径：d1=mz=28mm 直径系数：q=17.92， 蜗杆头数：z1=1 分度圆导程角：=31138 蜗杆轴向齿距：pa= mp =3.94mm； 蜗杆齿顶圆直径：mmmhdd aa 2 . 322 * 11 =+= 蜗杆齿根圆直径：11 2(*)24.16dfdhacmmm=-+= 数控车床自动回转刀架的设计 12 蜗杆轴向齿厚： msap 2 1 =2.512mm 蜗杆轴向齿距：11.65.04pammmmmpp= （2）蜗轮参数与尺寸 蜗轮齿数：z2 =45 变位系数=0 验算传动比：i= 2 z / 1 z =45/1=45 蜗轮分度圆直径：d2=mz2= 72mm 蜗轮喉圆直径：da2=d2+2ha2=93.5mm 蜗轮喉母圆直径：rg2=a-1/2 da2 =50-1/293.5=3.25mm 蜗轮齿顶圆直径：222*75.2dadha mmm=+= 蜗轮齿根圆直径：222(*_ *)68.16dfdhacmmm=-= 蜗轮外圆直径：当在z=1时，22278.4dedammm+= (3) 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 即检验下式是否成立： f=(1.53kt2/d1d2m)yfa2y=f 式中 f-蜗杆齿根弯曲应力，单位mpa； yfa2-蜗轮齿形系数； y-螺旋角影响系数； f-蜗轮的需用弯曲应力，单位mpa； 由蜗杆头数z1=1，传动比i=48，可以算出蜗轮齿数z2=iz1=48。 则蜗轮的当量齿数 zv2=zy/cos 3=48.46 根据蜗轮变位系数x2=1和当量齿数zv2=48.46，查表，得齿形系数： yfa2=1.95 螺旋角影响系数： y=0.967 根据蜗轮的材料和制造方法，查表，可得蜗轮基本许用弯曲应力： f=56mpa 蜗轮的寿命系数： 青岛科技大学本科毕业设计论文 13 kfn=0.725 蜗轮的需用弯曲应力： f= fkfn=560.725=40.6mpa 将以上参数代入公式3.2，得蜗轮齿根弯曲应力： f=33.2mpa 可见，f f，蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。 4.2 蜗杆轴的设计 4.2.1 蜗杆轴的材料选择，确定许用应力 考虑轴主要传递蜗轮的转矩，为普通用途中小功率减速传动装 置，选用 45 号钢，正火处理，600bmpa=。 4.2.2 按扭转强度初步估算轴的最小直径 22 1 () ca mat w dd - + = 扭转切应力为脉动循环变应力，取=0.6 抗弯截面系数w=0.1d3 取dmin=15.14mm 4.2.3 确定各轴段的直径和长度 根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长度。 图4-1 蜗杆轴 fig4- 1 worm shaft 数控车床自动回转刀架的设计 14 d1=d5 同一轴上的轴承选用同一型号， 以便于轴承座孔镗制和减少轴承类 型。 d5轴上有一个键槽，故槽径增大5% d1=d5=d1(1+5%)=15.89mm ,圆整d1=d5=17mm 所选轴承类型为深沟球轴承，型号为6203，b=12mm，d=40mm， d2起固定作用，定位载荷高度可在（0.070.1）d1范围内， d2=d1+2a=19.3820.04mm，故d2取20mm d3为蜗杆与蜗轮啮合部分，故d3=24mm d4=d2=20mm,便于加工和安装 l1为与轴承配合的轴段，查轴承宽度为12mm，端盖宽度为10mm，则l1=22mm l2尺寸长度与刀架体的设计有关，蜗杆端面到刀架端面距离为65mm，故 l2=43mm l3为蜗杆部分长度l3（11+0. 6z2）m=38mm 圆整l3取40mm l4取55mm，l5在刀架体部分长度为（12+8）mm，伸出刀架部分通过联轴器 与电动机相连长度为50mm，故l5=70mm 两轴承的中心跨度为 128mm，轴的总长为 230mm 4.2.4 蜗杆轴的校核 作用在蜗杆轴上的圆周力 1 1 2 d t ft= mmnmmn n p t.1016 . 2 . 467 56.10 95500009550000 5 1 = 其中 d1=28mm 则 nn d t ft 4 6 3 3 1029 . 1 320 1007 . 2 22 = = 径向力 nff tr 34 1069 . 4 20tan1029 . 1 tan=a 青岛科技大学本科毕业设计论文 15 切向力 :nff tn 4 4 1037 . 1 20cos 1029 . 1 cos/= =a 图 4-2 轴向受力分析 fig4- 2 axial stress analysis nfff rnbh 434 1042 . 1 60cos1069 . 4 30cos1037 . 1 60cos30cos=+=+= nfff nrbv 343 1079 . 2 30sin1037 . 1 60sin1069 . 4 30sin60sin-=-=-= 求水平方向上的支承反力 图 4-3 水平方向支承力 fig4- 3 horizontally supporting force 数控车床自动回转刀架的设计 16 0)( 212 =+-llflf ahbh nnfah 3 4 104 . 5 181 5 . 294 1811042 . 1 = + = )(108 . 8104 . 51042 . 1 334 nfff ahbhch =-=-= 求水平弯矩,并绘制弯矩图 mnmnlfm ahbh = -333 1 1059 . 1 10 5 . 294104 . 5 水平弯矩图 图 4-4 水平弯矩图 fig4- 4 horizontal bending moment diagram 求垂直方向的支承反力 y y f y f y f y f zy x p f kvfacf81 . 9 = 切 查表 2.24 9， 142= y f c，73 . 0 = y f x，67 . 0 = y f y，0= y f z 其中mmap6=，rmmf/6 . 0=，min/100mv = nnkvfacf y y f y f y f y f zy x p f 36586 . 0614281 . 9 81 . 9 67 . 0 73 . 0 = 切 青岛科技大学本科毕业设计论文 17 切 图 4-5 垂直方向支承反力 fig4- 5 the vertical direction to support reaction forc 0)( 2132 =+-+llflflf avbv切 nnf av 3 33 1099 . 1 181 5 . 294 5 . 1201066 . 3 1811079 . 2 = + + = )(1086 . 2 1066 . 3 1099 . 1 1079 . 2 3333 nffff avbvcv -=-=-= 切 求垂直方向弯矩，绘制弯矩图 mnlfm avbv = - 1 . 58610 5 . 2941099 . 1 33 1 mnmnlfm cv =44110 5 . 1201066 . 3 3 3切 图 4-6 垂直弯矩图 fig4- 6 vertical bending moment diagram 求合成弯矩图，按最不利的情况考虑 数控车床自动回转刀架的设计 18 mnmnmmm bvbhb =+=+= 3223 22 1069 . 1 1 . 586)1059. 1 ( mnmm cvc =441 图 4-7 合成弯矩图 fig4- 7 synthetic bending moment diagram 计算危险轴的直径 1 . 0 1 3 - s e m d 查表 151 9，材料为 aiamcr 0 38调质的许用弯曲应力75 1 = - s，则 mmmmdb 8 . 60 751 . 0 1069 . 1 6 3 = 所以该轴符合要求。 4.2.5 键的选取与校核 考虑到 d5=105%15.14=15.89mm, 实际直径为 17mm，所以强度足够,由 gb1095-79 查得，尺寸 bh=55，l=20mm 的 a 型普通平键。 按公式 青岛科技大学本科毕业设计论文 19 kld t p 3 102 =s 进行校核 mnt=2070，mmmmhk7145 . 05 . 0=，mml110=，mmd92= 查表 62 9，取 mpa p 130=s则 mpampa kld t p 7044.58 921107 20702102 3 = = =s 该键符合要求。 由普通平键标准查得轴槽深t=3mm,毂槽深t1=2.3mm 4.3 蜗轮轴的设计 4.3.1 蜗轮轴材料的选择，确定需用应力 考虑到轴主要传递蜗轮转矩， 为普通中小功率减速传动装置,选用 45 号钢， 正火处理，查教材机械设计 16.3 5得弯曲许用应力和对称循环应力状态下的许 用应力分别为mpa b 600=s，mpa b 55 1 = - s。 4.3.2 按扭转强度，初步估计轴的最小直径 1 . 0 1 3 - s e m d 查表 151 9，取 45 号调质刚的许用弯曲应力 mpa60 1 = - s，则 mmmmdb 3 . 48 601 . 0 10 3 . 676 3 3 = mmmmdc 3 . 46 601 . 0 10596 3 3 = 由于轴的平均直径为 34mm，因此该轴安全。 4.3.3 确定各轴段的直径和长度 根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长度 1 d 即蜗 数控车床自动回转刀架的设计 20 轮轮芯为 68mm 2 d 为蜗轮轴轴径最小部分取 34mm 3 d 轴段与上刀架体有螺纹联接，牙形选梯形螺纹，取公称直径为 3 d =44mm， 螺距 p=12mm，h=6.5mm 查表 8-46 得，外螺纹小径为 31mm 内、外螺纹中径为 38mm 内螺纹大径为 45mm 内螺纹小径为 32mm 旋合长度取 55mm l2 尺寸长度为 34mm，蜗轮齿宽 b2 当 z13 时，b20.75da1=15.6mm，取 b2=15mm 4.4 中心轴的设计 4.4.1 中心轴的材料选择,确定许用应力 考虑到轴主要起定位作用，只承受部分弯矩，为空心轴，因此只需校核轴 的刚度即可。选用 45 号钢，正火处理，查教材机械设计 516.3 得弯曲许用应力 和对称循环应力状态下的许用应力分别为mpa b 600=s，mpa b 55 1 = - s。 4.4.2 确定各轴段的直径和长度 根据各个零件在轴上的定位和装拆方案确定轴的形状及直径和长 度,d1=15mm。d2 与轴承配合，轴承类型为推力球承，型号为 51203， d=17mm,d1=19,t=12mm,d=35mm 所以 d2=17mm d3与 轴 承 配 合 ， 轴 承 类 型 为 推 力 球 轴 承 ， 型 号 为51204 ， d=25mm,d1=27mm,t=15mm,d=47mm 图 4-8 中心轴受力图 青岛科技大学本科毕业设计论文 21 分配各轴段的长度 l1=80mm,l2=93mm,l3=20mm 4.4.3 轴的校核 轴横截面的惯性矩 44 ()1993.16 64 iddmm p =-= 车床切削力 f=2kn,e=210gpa 333 4 3 2 10195 5.9 10 66 210 101993.16 b ql ei q - =-=-=- 33 3 2 10145 (4)(4 195 145)8.44 10 2424 210 1993.16 qa ylamm ei =-=-=- 因此 b q b q yy 中心轴满足刚度条件 4.5 齿盘的设计 4.5.1 齿盘的材料选择和精度等级 上下齿盘均选用 45 号钢，淬火，180hbs。初选 7 级精度等级 4.5.2 确定齿盘参数 考虑齿盘主要用于精确定位和夹紧，齿形选用三角齿形，上下齿盘由于需 相互啮合，参数可相同，当蜗轮轴旋转 150时，上刀架上升 5mm，齿盘的齿高 取 4m，由 (2*)hhacm=+ 得算式 4=（21+0.25）m， 标准值 ha*=1.0, c*=0.25。 求出 m=1.78mm,取标准值 m=2mm。 故齿盘齿全高 h=（2ha*+c*）m=(21+0.25)2=4.5mm。 取齿盘内圆直径 d 为 120mm，外圆直径为 140mm，齿顶高 ha=ha*m=12=2m 数控车床自动回转刀架的设计 22 齿根高 hf=(ha*+c*)m=2.5mm 齿数 z=38， 齿宽 b=10mm， 齿厚3.14 2 m smm p =， 齿盘高为 5mm。 4.5.3 按接触疲劳强度进行计算 1）确定有关计算参数和许用应力 3 66 160 100.75 9.55 109.55 1017906.25 24 p tnmm n h - = 2）取载荷系数 kt=1.5 3）由文献表 9-12 取齿宽系数d=1.0 4）由表 9-10 查得材料的弹性影响系数 ze=189.8mpa ，取=20，故 zh=2.5 5）查表取hlim1=380，取hlim2=380 6）lh=60241(830015)。n2=5.1810 7 7）接触疲劳寿命系数 zn1=1.1 ，zn2=1.1 8）计算接触疲劳需用应力，取安全系数 sh=1。 11 1 362 nhlin h h z mpa s d d 11 2 362 nhlin h h z mpa s d d 4.5.4 按齿根抗弯强度设计 抗弯强度的设计公式为 3 2 1 21 () fasa f y ykt m dzd f 确定公式内的各参数数值 （1 抗弯疲劳强度极限 lim1lim2 160 ff mpadd = = 青岛科技大学本科毕业设计论文 23 （2）抗弯疲劳寿命系数 yn1=1.0，yn2=1.0 （3）查图取 12 12 2.63,2.63 1.65,1.65 fafa sasa yy yy = = （4）计算抗弯疲劳许用应力，取抗弯疲劳安全系数 f s =1.4 11 12 256 nflim ff f y mpa s d dd= （5）弯曲疲劳强度验算 12111 1 22 1.5 17906.25 2.63 1.6546 10 120 2 fffasaf k yympa bd m p ddd = 。 故满足弯曲疲劳强度要求 4.6 轴承的选用 圆锥滚子轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。它是依靠主要元件的滚 动接触来支撑转动零件的。与滑动轴承相比，滚动轴承摩擦力小，功率消耗少， 启动容易等优点。并且常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，因此使用滚动轴 承时，只要根据具体工作条件正确选择轴承的类型和尺寸。验算轴承的承载能 力。以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问题。 4.6.1 轴承的类型 考虑到轴各个方面的误差会直接传递给加工工件时的加工误差，因此选用 调心性能比较好的深沟球轴承。此类轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷， 安装时可调整轴承的游隙。然后根据安装尺寸和使用寿命选出轴承的型号为： 6203 4.6.2 轴承的游隙及轴上零件的调配 轴承的游隙和预紧时端盖下的垫片来调整的，这样比较方便。 4.6.3 滚动轴承的配合 滚动轴承是标准件，为使轴承便于互换和大量生产，轴承内孔于轴的配合 数控车床自动回转刀架的设计 24 采用基孔制，即以轴承内孔的尺寸为基准；轴承外径与外壳的配合采用基轴制， 即以轴承的外径尺寸为基准。 4.6.4 滚动轴承的润滑 考虑到电动刀架工作时转速很高，并且是不间断工作，温度也很高。故采 用油润滑，转速越高，应采用粘度越低的润滑油；载荷越大，应选用粘度越高 的。 4.6.5 滚动轴承的密封装置 轴承的密封装置是为了阻止灰尘，水、酸气和其他杂物进入轴承，并阻止 润滑剂流失而设置的。密封装置可分为接触式及非接触式两大类。 唇形密封圈靠弯折了的橡胶的弹性力和附加的环形螺旋弹簧的紧扣作用而 套紧在轴上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要紧密封的部位。即如 果是为了油封，密封唇应朝内；如果主要是为了防止外物侵入，密封唇应朝外。 青岛科技大学本科毕业设计论文 25 5 刀架体的设计 刀架体设计首先要考虑刀架体内零件的布置及与刀架体外部零件的关系， 应考虑以下问题： (a) 满足强度和刚度要求。因为刀架体的刚度不仅影响传动零件的正常工 作，而且还影响部件的工作精度。 (b) 结构设计合理。如支点的安排、开孔位置和连接结构的设计等均要有 利于提高刀架体的强度和刚度。 (c) 工艺性好。包括毛坯制造、机械加工及热处理、装配调整、安装固定、 吊装运输、维护修理等各方面的工艺性。 (d) 造型好、质量小。 刀架体的常用材料有： 铸铁，多数刀架体的材料为铸铁，铸铁流动性好，收缩较小，容易获得形 状和结构复杂的箱体。铸铁的阻尼作用强，动态刚性和机加工性能好，价格适 度。加入合金元素还可以提高耐磨性。 铸造铝合金，用于要求减小质量且载荷不太大的箱体。多数可通过热处理 进行强化，有足够的强度和较好的塑性。 我所设计的下刀架体采用 ht150 铸造。 数控车床自动回转刀架的设计 26 6 回转刀架故障分析及排隙 经济型数控车床一般都配有四工位自动回转刀架，它是根据微机数控系统 改造传统机床设备的需要，同时兼顾刀架在机床上能够独立控制的需要而设计 的。现有自动回转刀架，其结构主要有插销式和端齿盘式。由于刀架生产厂家 无统一标准，因此，其结构、尺寸各异。而无论是哪一类刀架，要使其正常工 作，均涉及到机械、电气、控制系统等多方面的稳定、可靠工作。一旦出现某 种故障现象，则可能是机械原因，也可能是电气、控制系统方面的原因。因此， 应根据不同故障类型，找准原因，准确迅速确定故障点，方能及时排除故障。 现以目前使用较多的端齿盘式四工位自动刀架可能出现的各种故障现象加 以分析，确定其排除方法。其它类型的刀架，虽其结构、尺寸、元器件类型号 各有差异，但故障原因大多雷同，也可参照此法加以排除。 6.1 刀架不能启动 6.1.1 机械方面的原因 a. 刀架预紧力过大。当用六角扳手插入蜗杆端部旋转时不易转动，而用力 时，可以转动，但下次夹紧后刀架仍不能启动。此种现象出现，可确定刀架不 能启动的原因是预紧力过大，可通过调小刀架电机夹紧电流排除之。 b. 刀架内部机械卡死。当从蜗杆端部转动蜗杆时，顺时针方向转不动，其 原因是机械卡死。首先，检查夹紧装置反靠定位销是否在反靠棘轮槽内，若在， 则需将反靠棘轮与螺杆连接销孔回转一个角度重新打孔连接；其次，检查主轴 螺母是否锁死，如螺母锁死，应重新调整；再次，由于润滑不良造成旋转件研 死，此时，应拆开，观察实际情况，加以润滑处理。 6.1.2 电器方面的原因 a. 电源不通、电机不转。检查溶芯是否完好、电源开关是否良好接通、开 关位置是否正确。当用万用表测量电容时，电压值是否在规定范围内，可通过 更换保险、调整开关位置、使接通部位接触良好等相应措施来排除。除此以外， 电源不通的原因还可考虑