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加工中心可调角度铣头设计 （陕西理工学院机械设计制造及其自动化，陕西 汉中 723003） 指导教师： 摘要角度头是一种机床附件，安装后可使刀具旋转中心与机床主轴中心成一定角度，可增 大机床的加工范围和适应性，能减少工件重复装夹，提高加工精度和效率。广泛应用于航空、汽车、 模具等机械加工的各个领域。角度头主要用于加工中心和镗铣床等，可以装在刀库中，并可以在刀 库和机床主轴之间实现自动换刀，设计制造高品质的角度铣头是为了让制造厂家能够实现生产力及 附加值的最大化。本课题针对立式加工中心设计一种可调角度铣头，实现刀具旋转中心和机床主轴 在 180范围内成任意角度。 关键字输入轴刀柄结构、输出轴刀柄结构、传动系统、定位装置、支撑系统 陕西理工学院毕业设计论文 Processing center adjustable Angle milling head is designed (Grade07,Class4,Major Mechanical design and manufacture of extremely automation ，Mechanical Engineering College Dept.，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi ) tutor: Abstract Angle head is a kind of machine tool accessories, after installation can make tools to the spindle rotation center into certain Angle, can center of the processing range increased to reduce and adaptability, repeat clamping, improve the workpiece machining accuracy and efficiency. Widely applied in aviation, automotive, mould etc machinery processing in various fields. Angle is mainly used for machining center and head as boring and milling machine, can be installed in dao libraries, and can in dao library and the realization of automatic change between spindle knife, design and manufacture of high quality Angle milling head is to allow manufacturers to achieve productivity and added value maximization. This topic for vertical machining center design an adjustable Angle milling head, accomplish tool spindle rotation center and in 180 DHS range into an any Angle. Key words input shaft handle structure, the output shaft handle structure, transmission system, positioning device, support system 陕西理工学院毕业设计论文 I 目 录 引言 1 1. 1. 系统总体方案的设计 3 2.2. 传动方案设计 4 3.3. 传动机构的总体设计 5 3.1计算总传动比及分配各级传动比 5 3.2 计算传动装置的运动和动力参数 5 3.2.1 各轴转速 5 3.2.2 各轴功率 5 3.2.3 各轴转矩 6 4. 传动零件的设计计算 7 4.1齿轮的计算 7 4.1.1选定齿轮类型、 精度等级、 材料及齿数 7 4.1.2按齿面接触强度设计 7 4.1.3 按齿根弯曲强度计算 8 4.1.4 斜齿锥齿轮的所有尺寸参数 9 4.2 轴的计算 12 4.2.1 1 轴的尺寸计算 12 4.2.2 2轴的尺寸计算及强度校核 13 4.2.3 3 轴的尺寸计算 21 5.输入轴刀柄结构 23 6.输出轴刀柄结构 27 7.角度头的安装 28 致谢 29 参考文献 30 附录 A 32 外文资料 外文资料翻译 附录 B 36 陕西理工学院毕业设计论文 第 1 页 共 36 页 引引 言言 立式加工中心是一种重型机床，具有加工范围大，切削力大等特点。适合大型零件 的加工， 随着零件加工工艺的发展， 此机床也由单一面的加工功能向五面加工能力发展， 发展至今更具有五轴加工能力，而这一切很大程度取决于机床配备各种功能角度头的性 能和加工能力，根据需要合理配备功能角度头，使机床更加经济、实用、加工范围得到 更大的扩展，能够更大程度的为使用者创造价值。 数控机床技术的发展使大家对加工零件的要求有了更新的标准：a）如果一个工件 有 70需要车削加工， 30需要铣削加工， 那就在数控车床上加工； b） 如果工件的 70 需要铣削加工，30需要车削加工，则可在加工中心上加工。为了正确加工工件，就要 正确配备所需的工装，而现有机床对所要加工的工件不太合适或加工空间限制，这时就 需要配备相应功能部件（如加工中心配角度铣头，CNC 车床配动力刀夹） 。 角度头是一种机床附件。机床安上角度头后刀具旋转中心线可以与主轴旋转中心线 成指定的角度加工工件，广泛应用于航空、汽车、模具等机械加工的各个领域。角度头 主要用于加工中心和镗铣床等，可以装在刀库中，并可以在刀库和机床主轴之间实现自 动换刀，设计制造高品质的角度铣头是为了让制造厂家能够实现生产力及附加值的最大 化。 各行业在追求高加工效率的同时,对数控机床高速化、高精度、高刚性及高可靠性 的要求也越来越高。近年来,全球范围内对数控机床提出减少环境污染、降低噪音、节 省能源、节省空间等环保新概念。 重量轻和结构紧凑而且达到很高的性能是角度铣头的两个主要特点。角度铣头主要 适于加工中心，不同制造商对要安装在刀库中的刀具都有不同的重量与尺寸条件下的精 度要求，为此，需要满足要求的重量与尺寸标准：a）每个角度铣头可以一个接一个地 安装在刀库中；b）在回转过程中，角度铣头不会与机床任何部位甚至夹具产生干涉；c） 重量轻，当 23 个动力刀夹一个接一个安装在转塔刀架上时，由于转塔换刀会出现一 系列不平衡的现象。 角度铣头包括与机床主轴匹配的连接件、锥齿轮副、传动轴和铣头主轴，连接件与 锥齿轮副的一端传动连接，锥齿轮副的另一端安装在传动轴上并与其传动连接，传动轴 和铣头主轴平行布置，传动轴与铣头主轴之间通过挠性传动副挠性传动连接。采用上述 陕西理工学院毕业设计论文 第 2 页 共 36 页 结构的角度铣头具有运转平稳、噪声小、结构简单紧凑、制造成本低、重量轻的优点， 同时还具有刚性好、铣头主轴与机床滑枕端面的悬伸量小、工艺性好的特点，其制造成 本低于常规角度铣头的 110。 陕西理工学院毕业设计论文 第 3 页 共 36 页 1. 系统总体方案的设计 可调角度铣头从功能上来讲，一种是在加工过程中可以连续转动到任意角度，另一 种是固定角度分度。 从结构上来讲， 一种方法是通过旋转水平轴和 45轴两旋转轴， 可实现连续转动到 任意角度或固定分度，而耦合成空间加工轨迹或空间角度；另一种是通过旋转水平轴和 垂直轴两旋转轴，可连续转动到任意角度或固定分度，而耦合成空间加工轨迹或空间角 度。 对于可调角度铣头来说，其动力是通过主轴传递过来的，这样可使机械机构非常紧 凑。角度铣头和动力头在工作中都要承受很大的压力，因此材料的正确选择是角度头具 有高性能的关键因素。在对角度铣头内部零件的制作上，例如轴的制作，这一点便尤为 突出。对角度铣头最终的热处理和磨削加工都是提高角度头精度必不可少的过程。 角度铣头所有的旋转部位都要求很坚硬，没有弯曲。因此，每个轴都要求有精度很 高的轴承支持，并用长寿命的油脂润滑。这些轴承都要达到 ABEC(环形轴承工程师委员 会)7 级精度标准。 角度铣头中，机身是主要部件，齿轮是其核心，当将其安装在机床主轴上时，该铣 头就成了主轴的延伸。用以传递机床的动力。实际上，铣头的最大输出功率取决于内部 的齿轮。因此，齿轮的机械性能越好，所传递的功率就越大。所以齿轮材料的选择也是 关键因素之一。 陕西理工学院毕业设计论文 第 4 页 共 36 页 2. 传动方案设计 根据以上分析，为了满足角度头工作可靠、结构简单、尺寸紧凑、传动效率高、 使用维护便利、工艺性和经济性合理等要求，传动方案设计如图 1： 图 1.1 传动方案简图 锥齿轮可改变轴的布置方向，斜齿轮传动的平稳性较直齿轮好，常用于高速级或要 求传动平稳的场合。所以传动机构用斜齿锥齿轮。 陕西理工学院毕业设计论文 第 5 页 共 36 页 3. 传动机构的总体设计 3.1 计算总传动比及分配各级传动比 根据题目要求，及传动机构的传动方式可知 i=1 多级传动中，总传动比应为 i= i i 21 根据传动装置的结构尺寸，选取 6 . 0, 5 . 1 21 ii 。 3.2 计算传动装置的运动和动力参数 从主轴到输出轴有三轴，依次为、轴，则 3.2.1 各轴转速 min/6000 1 r n min/4000 5 . 1 6000 1 1 2 r i n n min/6060 6 . 0 4000 2 2 3 r i n n 3.2.2 各轴功率 kw nT P 85.18 9550 600030 9550 11 1 取各轴间的传动效率=0.97 kw PP 4.71785.18 1 7.90 2 2 12 kw1.2177.904.717 2 23PP 陕西理工学院毕业设计论文 第 6 页 共 36 页 3.2.3.各轴转矩 mN T .30 1 mN iTT .34.42 1 2 112 mN iTT .11.27 2 223 陕西理工学院毕业设计论文 第 7 页 共 36 页 4. 传动零件的设计计算 4.1 齿轮的计算 根据传动方案可知四个锥齿轮为差速传动，传动比 u 为 1.5，齿轮结构成对相同使 用，这样可使结构变得简单和紧簇，方便设计。 4.1.1 选定齿轮类型、精度等级、材料及齿数 1） 按图所示方案，选用斜齿锥齿轮传动 2） 角度头为机床附件，速度高，所以选择精度等级为 6 级。 3） 材料选择.由机械设计 （第八版） P191表10-1选择齿轮材料均为20CrMnTi(渗 碳后淬火)，硬度为 58-62HRC. 4） 选择齿轮数为。 5） 选取螺旋角。初选螺旋角为 14 4.1.2 按齿面接触强度设计 由设计计算公式机械设计教材 P227 公式 1026 进行计算，即 )( u R K E 92. 23 2 R 1 2 1 .50- 1 TZ mm H dt （1） 确定公式内的各计算数值 1） 试选 K=1.8 2） 由表 10-6 查得材料的弹性影响系数. 3） 由 图 10-21d 按 齿 面 硬 度 查 得 小 齿 轮 的 接 触 疲 劳 强 度 极 限 .大齿轮的接触疲劳极限. 4） 根据设计任务书上可知轴端转矩为 30N.m,即小齿轮转矩=30N.m. 陕西理工学院毕业设计论文 第 8 页 共 36 页 5） 由图10-19取接触疲劳寿命系数 6） 取锥齿轮齿宽系数为. 7） 计算接触疲劳许用应力。 取失效概率为 1%，安全系数为 1，由公式 10-12 得 =0.9*850MPa=765MPa =0.95*850MPa=807.5MPa 8)许用接触应力 (2)计算 1)试算主传动轮的大端分度圆直径 )( u R K E 92. 23 2 R 1 2 1 .50- 1 TZ mm H dt =47.74mm 2）计算圆周速度 v sm n v dt /15 100060 60004.747 100060 3)计算载荷系数 系数 5.21 KA ，速度 v=15.000m/s,6 级精度，由机械设计 P194 图 10-8 查的 动载系数2.11 Kv ，由表 10-3 查的齿间载荷分布系数 1 . 1 H K KF ，由 陕西理工学院毕业设计论文 第 9 页 共 36 页 表10-9查的齿向载荷分布系数 .875. 1,25. 1,.51 KFHH KKKKHbebeH 所以其中查的所以 载荷系数88.82875. 11 . 112. 15.21K KKKKHHVA 4）根据实际的载荷系数校正分度圆直径。 mm K K dd t t 0.6763 1 5)计算模数 mm z m d 65. 4 16 14cos0.676 cos 1 4.1.3 按齿根弯曲强度计算 3 22 2 1 1 4 5 . 01 F R SaFa uz YYT R K m （1）确定计算参数 1） 计算载荷系数 888. 2875. 11 . 112. 15.21K KKKKFFVA 2） 计算当量齿数 5.021 149.633cos 16 cos coscos 33 1 1 z zv 6.347 141.356cos 24 cos coscos 33 2 2 z zv 3） 由 机 械 设 计 教 材 表10-5查 的 齿 形 系 数 和 应 力 校 正 系 数 为 7.61,40. 262. 2 Y1.59Y S,212Fa1 ， ， YYSaFa 4） 由教材图 10-20d 查的920 FE2FE1 MPa. 5） 由教材图 10-18 取弯曲疲劳寿命系数8.805.80 KK FN2FN1 ， 6） 计算弯曲疲劳需用应力 取弯曲疲劳系数 S=1.4 MPa57.558 .41 5.80920 S KFN1FE1 1 F MPa28.578 .41 8.80920 S KFN2FE2 2 F 陕西理工学院毕业设计论文 第 10 页 共 36 页 7） 计算大小齿轮的并加以比较 小齿轮的数值大 （2） 设计计算 322 23 22 2 1 57.5581 3 1 9.519.62100030888. 24 1 4 .5116 3 1 .50- 1 5 . 01 T F R SaFa uz YY R K m =2.89mm 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数 m 大于由齿根弯曲疲劳强度 计算的模数，由于齿轮模数的大小主要取决于弯曲强度所承载的能力。而齿面接 触疲劳强度所决定的承载能力主要取决于齿轮直径。按 GB/T12368-1990 圆整为标 准模数，取 m=3mm,但为了同时满足接触疲劳强度，需要按照接触疲劳强度算的分 度圆直径 d=76.60mm 来计算应有的齿数。 取，则 4.1.4 斜齿锥齿轮的所有尺寸参数： 项目项目 计算公式计算公式 锥齿轮锥齿轮 小齿轮 大齿轮 齿形角齿形角 20 齿 顶 高 系 数齿 顶 高 系 数1 陕西理工学院毕业设计论文 第 11 页 共 36 页 ha * 顶隙系数顶隙系数c * 0.2 大端端面模数大端端面模数 m 3 齿数比齿数比 u u=1.5 齿数齿数 z 25 38 变位系数变位系数x， xt =0, =0 节锥角节锥角 33.69 56.31 分度圆直径分度圆直径 d 75 114 锥距锥距 R 5 .68 31.56sin2 114 69.33sin2 75 sin2 d R 齿宽系数齿宽系数R 3 1 齿宽齿宽 b 3.822Rb R 齿顶高齿顶高ha 3)( * mx hh aa 齿高齿高 h .66)2( * mh cha 齿根高齿根高hf .63 hh af h 齿 顶 圆 直 径齿 顶 圆 直 径 da 80cos2 111 hdd aa 117 螺旋角螺旋角 14 -( tan Rb mbR ） 齿根角齿根角 f 056. 0tan cos 2 R hf f 切圆半径切圆半径rt 7.516sinR rt 陕西理工学院毕业设计论文 第 12 页 共 36 页 齿顶角齿顶角a 3.2 顶锥角顶锥角 a 9.836 11 aa 59.51 根锥角根锥角 f 9.430 11 ff 53.11 安装距安装距 A 70 55 外锥高外锥高Ak 34.55sin 2 1 2 1 h d Aak 35.00 支撑端距支撑端距 H AAk111H 14.66 20 周节周节 p 42. 9 mp 分度圆弧齿厚分度圆弧齿厚 s 1.74) cos tan2 2 ( 1 xs t x m =m-=4.71 分度圆弦齿厚分度圆弦齿厚 s 708. 4 1 6 1 2 1 2 3 11 cos d s ss 4.7096 弦齿厚弦齿厚sn 534. 4cos) 1 6 1 )( 4 2sin 1 ( 2 1 2 3 1 1 1 cos d s s s s R n 4.535 弦齿高弦齿高hn )cos 4 1 )( 4 2sin 1 ( 1 1 2 1 1 d s h s h an R 2.949 5.489 分度圆弦齿高分度圆弦齿高 h 062. 3cos 4 1 1 1 2 1 d s hh a 5.70 当量齿数当量齿数zv 5.021 cos cos 3 1 1 1 z zv 47.36 端 面 重 合 度端 面 重 合 度 0.766 0.82 表 4.1 大齿轮小齿轮的尺寸参数 至此齿轮计算完毕。 4.2 轴的计算 陕西理工学院毕业设计论文 第 13 页 共 36 页 4.2.1轴的尺寸计算： 1. 求轴上的功率、转速、转矩 kw5.818 P1 min/6000 1 r n mN T .30 1 2. 求作用在齿轮上的力 已知小齿轮的大端分度圆直径为 mm d 75 1 因为 d T F m t 1 2 ,又 mm R mdd 5 .625 . 01 1 ，所以 N Ft 960 5 .62 302 10 3 而 FFFrta211 N82.19369.33sin20tan960sintan FFFatr N 211 72.29069.33sin20tan960costan N F F t n 61.1021 20cos 960 cos 3. 初步确定轴的最小直径 先按机械设计教材式 15-2 初步计算轴的最小直径。选取轴的材料为 45 钢， 调质处理。根据表 15-3，取 112 0 A ，于是得 mm n P Ad 40.16 6000 85.18 11233 1 1 0min 4. 轴的结构设计 陕西理工学院毕业设计论文 第 14 页 共 36 页 图 4.1 1 轴的结构图 （1） 各段轴径的确定 ：小锥齿轮处轴段，=24mm ：滚动轴承处轴段，=20mm。选取滚动轴承 30204，其尺寸为 d*D*T=20mm*47mm*15.25mm ：油环处轴段，=18mm. ：滚动轴承处轴段，=20mm. ：连接 HSK 刀柄处轴段，=18mm （2） 各轴段长度的确定 ：由小锥齿轮的毂孔宽度确定，=40mm。 ：由滚动轴承确定，=15.25mm。 ：油环宽度，=20mm。 ：由滚动轴承确定，=15.25mm。 ：由连轴器，及壳体结构等确定，=40mm。 参考机械设计（第八版）教材查表 8-2 确定，各轴肩处得过度圆角半径。 4.2.2轴的尺寸计算及轴的强度校核 1.求轴上的功率、转速、转矩 kw74.17 P2 min/4000 2 r n mN T .34.42 2 2.求作用在齿轮上的力 已知大锥齿轮的大端分度圆直径为mm d 114 2 陕西理工学院毕业设计论文 第 15 页 共 36 页 因为 d T F m t 2 2 ,又mm R mdd 955 . 01 2 ，所以 N Ft 37.891 95 34.422 10 3 而N FFta 94.26931.56sin20tan37.891sintan 22 N FFtr 96.17931.56cos20tan37.891costan 22 N F F t n 57.948 20cos 37.891 cos 3.初步确定轴的最小直径 先按机械设计教材式 15-2 初步计算轴的最小直径。选取轴的材料为 45 钢， 调质处理。根据表 15-3，取 112 0 A ，于是得： mm n P Ad 40.18 4000 74.17 11233 2 2 0min 4.轴的结构设计 图 4.2 2 轴的结构图 （1） 各轴段直径的确定 ：滚动轴承处轴段，=20mm。滚动轴承选取 30204，其尺寸为 d*D*T=20mm*47mm*15.25mm. ：大锥齿轮处轴段，=25mm。 ：过渡轴段，=28mm。 ：大锥齿轮处轴段，=25mm。 ：滚动轴承处轴段，=20mm。 （2） 各轴段长度的确定 ：由滚动轴承，弹性套等确定，=25.25mm。 陕西理工学院毕业设计论文 第 16 页 共 36 页 ：由大齿轮毂孔宽度确定，=31.5mm。 ：由锥齿轮安装距确定，=49mm。 ：由大齿轮毂孔宽度确定，=31.5mm。 ：由滚动轴承，弹性套等确定，=25.25mm。 参考机械设计（第八版）教材查表 8-2 确定，各轴肩处的过度圆角半径。 5. 轴的强度校核 （1） 轴上作用力的分析 轴上力的作用点位置和支点跨距的确定 齿轮对轴的力作用点按简化原则应在齿轮宽度的中点，因此可决定中间轴上 两齿轮的作用点位置。轴上安装的 30204 轴承，从机械设计课程设计手册 P75 表 6-7 查的它的负荷中心到轴承外端面的距离 B=14mm,故可以计算出大致跨距和轴 上 各 力 作 用 点 相 互 位 置 尺 寸 。 两 个 大 锥 齿 轮 的 力 作 用 点 距 离 是 =80.5mm,=27mm，如图 4.3： （2） 计算支反力 1. 垂直面支反力（XZ 平面） 由绕支点 B 的力矩和=0,得 = =179.96*27-179.96（27+80.5）（27+80.5+27） =-107.71N,方向向上 同理，由绕支点 C 的力矩和=0,得： /(+) 陕西理工学院毕业设计论文 第 17 页 共 36 页 =179.96（80.5+27）-179.96*27(27+80.5+27) =107.71N，方向向上 由轴上的合力=0，校核： =-107.71+179.96+107.71-179.71=0，计算无误。 2. 水平面支反力（XY 平面） 由绕支点 B 的力矩和=0,得 = =891.37*27+891.37(27+80.5)/(27+80.5+27) =891.37N，方向向上 同理，由绕支点 C 的力矩和=0,得： /(+ ) =-891.37(27+80.5)-891.37*27/(27+80.5+27) =-891.37N，方向向上 由轴上的合力=0，校核： 陕西理工学院毕业设计论文 第 18 页 共 36 页 =891.37+891.37+(-891.37)-891.37=0，计算无误。 3. 求总支反力 A点总支反力 = =897.85N D点总支反力 = =897.85N （3） 绘转矩，弯矩图 1. 垂直平面内的弯矩 2. 水平面内的弯矩 3. 合成弯矩 4. 转矩 陕西理工学院毕业设计论文 第 19 页 共 36 页 图 4.3 2 轴的受力分析 （4） 按弯扭合成应力校核轴的强度 陕西理工学院毕业设计论文 第 20 页 共 36 页 进行校核时， 通常只校核轴上承受最大弯矩和扭矩的截面 （即危险截面 B 和 C）的强度。根据教材式 15-5 及以上数据，以及轴单向旋转，扭转切应力 为脉动循环变应力，取=0.6，轴的计算应力 其中， 所以， = =53.39MPa 前面已选定轴的材料为 45 钢，调制处理，由教材表 15-1 查的 陕西理工学院毕业设计论文 第 21 页 共 36 页 =60MPa。因此,故安全。 （5） 精确校核轴的疲劳强度 1.判断危险截面 从应力集中对轴的疲劳强度的影响来看，截面 2 和 5 处得应力集中最严 重，从受载的情况来看，截面 C 和 D 的应力最大。截面 C 和 D 虽然应力最大， 但是应力不集中，而这里轴颈大，故只需校核 2 和 5 处截面，又因 2 和 5 处 截面受载情况相同，故选取 2 截面进行校核。 2.截面 2 左侧 抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面 2 左侧的弯矩 M 为 截面 2 上的扭矩 截面上的弯曲应力 截面上的扭转切应力 轴的材料为 45 钢，调制处理。由教材表 15-1 查的 截面上由于轴肩而形成的理论应力集中系数按教材 P40 附表 3-2 查取。因 陕西理工学院毕业设计论文 第 22 页 共 36 页 ,经插值后可查的 又由 P41 附图 3-1 可得轴的材料的敏性系数为 故有效应力集中系数按式（附表 3-4）为 由 P42 附图 3-2 的尺寸系数 由 P43 附图 3-3 的扭转尺寸系数 轴按磨削加工，由 P44 附图 3-4 得表面质量系数为 轴未经表面强化处理，即,则按式 3-12 及式 3-12a 得综合系数为 又由教材3-1 及3-2 的碳钢的特性系数 陕西理工学院毕业设计论文 第 23 页 共 36 页 于是计算安全系数值，按式 15-615-8 则的 故可知其安全。 3.截面 2 右侧 抗弯截面系数 抗扭截面系数 截面 2 右侧的弯矩 M 为 截面 2 上的扭矩 截面上的弯曲应力 截面上的扭转切应力 过盈配合处得,由 P43 附表 3-8 用插值法求出，并取，于是得 轴按磨削加工，由 P44 附图 3-4 得表面质量系数为 故得综合系数为 陕西理工学院毕业设计论文 第 24 页 共 36 页 于是计算安全系数值，按式 15-615-8 则的 故可知其安全。至此 2 轴的设计计算结束。 4.2.3轴的尺寸计算 1.求轴上的功率、转速、转矩 kw21.17 P3 min/6060 3 r n mN T .11.27 3 2.求作用在齿轮上的力 已知小齿轮的大端分度圆直径为 mm d 75 1 因为 d T F m t 3 2 ,又 mm R mdd 5 .625 . 01 1 ，所以 N Ft 52.867 5 .62 11.272 10 3 而N FFta 15.17569.33sin20tan52.867sintan 14 N FFtr 72.26269.33cos20tan52.867costan 14 N F F t n 20.923 20cos 52.867 cos 3.初步确定轴的最小直径 先按机械设计教材式 15-2 初步计算轴的最小直径。选取轴的材料为 45 钢， 调质处理。根据表 15-3，取 112 0 A ，于是得 mm n P Ad 86.15 6060 21.17 11233 3 3 0min 4.轴的结构设计 陕西理工学院毕业设计论文 第 25 页 共 36 页 图 4.4 3 轴的尺寸结构 （1） 各轴段直径的确定 ：安装 ER 夹头处轴段，=25mm。 ：滚动轴承处轴段，=30mm。选取滚动轴承 30206，其尺寸为 d*D*T=30mm*62mm*17.25mm。 ：油环处轴段，=28mm。 ：滚动轴承处轴段，=30mm。 ：小锥齿轮处轴段，=32mm。 （2） 各轴段长度的确定 ：由 ER 夹头的结构尺寸和壳体结构确定，=50mm。 ：由滚动轴承确定，=17.25mm。 ：油环宽度，=20mm。 ：由滚动轴承确定，=17.25mm。 ：由小锥齿轮的轮毂宽度确定，=40mm。 参考机械设计（第八版）教材查表 8-2 确定，各轴肩处得过度圆角半径。 至此所有轴的设计结束。 陕西理工学院毕业设计论文 第 26 页 共 36 页 5.输入轴刀柄结构的设计 在高速切削加工已成为机械加工制造技术重要的环节。传统的 BT 刀具系统的加工 性能已难以满足高速切削的要求。 目前高速切削应用较广泛的有德国的 HSK （德文 Hohl Shaft Kegel 缩写）刀具系统、美国的 KM 刀具系统、日本的 NC5、BIG-PLUS 刀具系统 等以上皆属于两面拘束刀柄。 而刀具系统能在高速下进行切削加工，应满足以下基本条件： 1. 较高的系统精度 2. 较高的系统刚度 3. 较好的动平衡性 从 1987 年开始，由德国阿亨工业大学机床实验室以及一些工具制造厂、机床制 造厂、用户企业等 30 多个单位成立了专题工作组，在 M.Weck 教授领导下开始了新型工 具系统的研究开发工作。经过第一轮研究，工作组于 1990 年 7 月向德国工业标准组织 提交了自动换刀空心柄标准建议。德国于 1991 年 7 月公布了 HSK 刀具系统的 DIN 标准草案，并向国际标准化组织建议制定相关 ISO 标准。1992 年 5 月，国际标准化组织 ISOT/TC29（工具技术委员会）决定暂不制订自动换刀空心柄的 ISO 标准。经过工作组 的第二轮研究，德国于 1993 年制定了 HSK 工具系统的正式工业标准 DIN69893。1996 年 5 月，在 ISO/TC29/WG33 审议会上，制订了以 DIN69893 为基础的 HSK 刀具系统的 ISO 标准草案 ISO/DIS12164。经过多次修订后，于 2001 年颁布了 HSK 刀具系统正式 ISO 标 准 ISO12164。 根据设计任务书上要求，角度头使用的是 HSK-A100 刀柄，A 型为自动换刀刀柄，适 用于中等扭矩、中等转速的一般加工。具有供机械手加持的 V 形槽，有放置控制芯片的 圆形孔，有内部冷却液通道，锥体尾部有两个传递扭矩的键槽。 本设计采用 DIN 标准进行结构设计，可以看到，在 DIN 标准中，HSK 刀柄圆锥部分 由两个断面的直径（大端，小端） ，两个断面的位置尺寸及锥度 1:10 陕西理工学院毕业设计论文 第 27 页 共 36 页 来控制。对应的主轴安装孔由大端直径，断面的位置尺寸，与锥度 1:10 所对应的 锥角来控制。如图所示： 图 5.1 HSK 刀柄 图 5.2 主轴安装孔 陕西理工学院毕业设计论文 第 28 页 共 36 页 图 5.3 刀柄公差带 图 5.4 主轴孔公差带 陕西理工学院毕业设计论文 第 29 页 共 36 页 表 6.1 HSKA100 形刀柄锥部及主轴锥孔的主要控制尺寸（DIN 标准） 10 15 21” 与 DIN 标准对应的 HSK-A100 型主轴锥孔小端处的极限尺寸为 刀柄锥部与主轴锥孔配合时在大端处，最大过盈量和最小过盈量分别是： 陕西理工学院毕业设计论文 第 30 页 共 36 页 6.输出轴刀柄结构 每一种弹性刀柄都配上相对应的 ER 弹簧筒夹使用。刀柄规格有 ER16、ER20、ER25、 ER32、ER40、ER50，则相对应的配套的筒夹是 ER16、ER20、ER25、ER32、ER40、ER50 的筒夹。设计题目规定使用的是 ER25 筒夹，则可夹持范围为直径 116mm 的刀具。如 图所示 ER25 筒夹和 UM 螺帽结构图： 图 7.1 ER 筒夹结构尺寸图 陕西理工学院毕业设