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数控 刀架 设计

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数控刀架的设计,数控,刀架,设计

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数控车床四工位电动刀架设计摘要：数控车床今后将向中高当发展，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，预计近年来对数控刀架需求量将大大增加。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。根据加工对象不同，有四方刀架、六角刀架和八（或更多）工位的圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分别安装四把、六把或更多刀具，并按数控装置的指令换刀。本部分主要对四工位立式电动刀架的机械设计和应用继电-接触控制系统控制部分的设计。并对以上部分运用CAD做图，对电动刀架有更直观的了解。最后的提出了对电动刀架提出了意见和措施。关键词：数控刀架 ， 电动刀架 ， 四工位 Abstract: numerical control lathe, will in future development, the middle-grade high when to by supporting, high-grade nc cutter revised by both cutting, dynamic type hydraulic cutter, servo cutter, vertical cutter etc varieties, expected in recent years on the nc cutter demand will increase greatly. Nc cutter is the development trend of the development of numerical control lathe, along with, nc cutter began to change cutters quickly and electrohydraulic servo driver combined driving and direction. According to different targets, have four processing cutting, hexagonal cutter and eight (or more) can dise-type axial outfit knife knife, and other forms. Turn the tool carrier separately installs four, six or more tools, and press CNC equipment instructions change knife. This part of 4 Labour vertical electric mainly the mechanical design and application of cutting the relay - contact control system of control part of the design. And the above part of CAD do diagram, a more intuitive electric knife understanding. The final proposed to the electric cutter puts forward opinions and measures. Keywords: nc cutter, electric cutter, four locations 引 言数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。 我国数控车床从20世纪70年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。目前，国产数控车床的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已进入实用和全面发展阶段。 尽管近几年我国机床工具行业已经取得了很大进步，但在当前国内外机床市场竞争极其激烈的形势下，我国的机床工具行业则显得竞争力不强，主要表现在我国是机床消费大国还不是机床强国、机床拥有量大但水平低、产品构成依然落后、产品创新能力差、机床可靠性还有待提高等方面。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用。1.2 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2） 2）需要的物理性能3）判别功能载荷及其意义4）预测意外载荷5）创造有利的载荷条件6）提高合理的应力分布和刚度而7）重量达到最轻8）应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸9）根据性能组合选择材料10）在储备零件与整体零件之间精心的进行选择11）进行功能设计以适应制造工艺和降低成本的要求1.3主要技术参数 （1）最大许用力矩（Nm）Mq 100 Mx 200 Ms 100 （2）重复定位精度：（mm）0.005 （3）电机功率(w) 20 （4）电机转速（rpm）125数控车床四工位电动刀架设计2.1刀架的工作原理电动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： 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2、驱动蜗杆蜗轮机构1、蜗轮带动丝杆螺母机构8逆时针旋转 ,此时由于齿盘4、5处于啮合状态，在丝杆螺母机构8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4、5 脱离啮合状态,从而带动上刀架和齿盘产生“上台”动作。 刀架转位 当圆套9逆时针转过150时，齿盘4、5完全脱开，此时销钉准确进入圆套9中的凹槽中，带动刀架体转位。 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10 中的某一个选通,当磁性板11 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7在弹簧力作用下进入反靠盘 6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8使上刀架移到齿盘4、5 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。图2.1 螺旋升降式四方刀架2.2 步进电机的选用许多机械加工需要微量进给。要实现微量进给，步进电机、直流伺服交流伺服电机都可作为驱动元件。对于后两者，必须使用精密的传感器并构成闭环系统，才能实现微量进给。在开环系统中，广泛采用步进电机作为执行单元。这是因为步进电机具有以下优点：直接采用数字量进行控制;转动惯量小，启动、停止方便；成本低；无误差积累；定位准确；低频率特性比较好；调速范围较宽；采用步进电机作为驱动单元，其机构也比较简单，主要是变速齿轮副、滚珠丝杠副，以克服爬行和间隙等不足。通常步进电机每加一个脉冲转过一个脉冲当量；但由于其脉冲当量一般较大，如0.01mm，在数控系统中为了保证加工精度，广泛采用步进电机的细分驱动技术。因为刀架上升、下降各转150，刀架转位至少需90，所以蜗轮转的角度=390由课题要求的刀架选位少于3Sn0.36r/s=21.6r/min,为便于计算n取24r/min蜗轮蜗杆传动比为45电动机转速n=i*z1=45考虑刀架只需小功率驱动，为减少生产成本，选用JD60电动机，其转速为1400r/min,额定功率为60W。2.3 蜗杆及蜗轮的选用与校核2.3.1 选择传动的类型考虑到传递的功率不大，转速较低，选用2A蜗杆，精度8级，GB10089-882.3.2 选择材料和确定许用应力由机械基础表17-4查得蜗杆选用45钢，表面淬火，硬度为4555HRC，蜗轮齿圈用ZCuSn10P1 砂模铸造，为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT150制造。由表17-6查得 h=200MPa，f=51MPa2.3.3按接触强度确定主要参数根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距： (2-1)（1）确定作用在蜗轮上的转距T2按Z1=2，估取效率=0.8，则T2=T*i=3.5382N.M (2-2)（2）确定载荷系数K因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数K=1；由使用系数KA表从而选取KA=1.15；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数KV=1.1；则K=KA*K*KV=1*1.15*1.1=1.2651.27(2-3)（3）确定弹性影响系数ZE因选用的铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配，故 （4）确定接触系数Z先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值=0.30，从而可查出Z=3.12。（5）确定许用应力H根据蜗轮材料为铸锡磷青铜zcusn10p1，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度45HRC，从而可查得蜗轮的基本许用应力H=268MPA。因为电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙性的，故初步定位、其寿命系数为KHN=0.92，则H= KHNH=0.92268=246.56247MPA(2-4)（6）计算中心距(2-5)取中心距a=50mm，m=1.25mm，蜗杆分度圆直径d1=22.4mm，这时=0.448，从而可查得接触系数=2.72，因为Z，因此以上计算结果可用。蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算蜗杆 分度圆直径：d1=8mm 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=3.94mm；(2-6) 蜗杆齿顶圆直径：(2-7)蜗杆齿根圆直径：（2-8）蜗杆轴向齿厚：=2.512mm(2-9)蜗杆轴向齿距：（2-10）蜗轮 蜗轮齿数：Z2 =45 变位系数=0 验算传动比：i=/=45/1=45(2-11) 蜗轮分度圆直径：d2=mz2=72mm (2-12) 蜗轮喉圆直径：da2=d2+2ha2=93.5(2-13) 蜗轮喉母圆直径：rg2=a-1/2 da2 =50-1/293.5=3.25(2-14) 蜗轮齿顶圆直径：（2-15） 蜗轮齿根圆直径：（2-16） 蜗轮外圆直径：当在z=1时，（2-17）2.4 蜗杆轴的设计2.4.1 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，2.4.2 按扭转强度初步估算轴的最小直径 （2-18） 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=15.14mm2.4.3 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。 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20mmd3为蜗杆与蜗轮啮合部分，故d3=24mmd4=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=22mmL2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=43mmL3为蜗杆部分长度L3（11+0.06z2）m=21.92mm圆整L3取30mmL4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220mm2.4.4蜗杆轴的校核作用在蜗杆轴上的圆周力 (2-19) 其中d1=28mm则 径向力 (2-20) 切向力 (2-21)图2.1 轴向受力分析 (2-22) (2-23) 求水平方向上的支承反力 图2.2 水平方向支承力 (2-25)求水平弯矩,并绘制弯矩图图2.3 水平弯矩图求垂直方向的支承反力 (2-26)查文献9表2.24，其中， (2-27)图2.4 垂直方向支承反力 求垂直方向弯矩，绘制弯矩图图2.5 垂直弯矩图求合成弯矩图，按最不利的情况考虑 (2-28)图2.6 合成弯矩图计算危险轴的直径 (2-29)查文献9表151，材料为调质的许用弯曲应力，则 所以该轴符合要求。2.4.5 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。 按公式进行校核 ，。查文献9表62，取则 (2-30)该键符合要求。由普通平键标准查得轴槽深t=30mm,毂槽深t1=2.3mm2.5 蜗轮轴的设计2.5.1 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， -1=55MPa 2.5.2 按扭转强度，初步估计轴的最小直径 查文献9表151，取45号调质刚的许用弯曲应力，则由于轴的平均直径为34mm，因此该轴安全。2.5.3 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d1即蜗轮轮芯为68mmd2为蜗轮轴轴径最小部分取34mmd3轴段与上刀架体有螺纹联接，牙形选梯形螺纹，根据文献表8-45取公称直径为d3=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55mmL2尺寸长度为34mm，蜗轮齿宽b2 当z13时，b20.75da1=15.6mm 取b2=15mm2.6 中心轴的设计2.6.1 中轴的材料选择,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， -1=55MPa2.6.2 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，轴承类型为推力球轴承，型号为51203，d=17mm,d1=19,T=12mm,D=35mm所以d2=17mmd3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分配各轴段的长度L1=80mm,L2=93mm,L3=20mm2.6.3 轴的校核轴横截面的惯性矩 车床切削力F=2KN,E=210GPa (2-31) (2-32)因此yy中心轴满足刚度条件2.7 齿盘的设计2.7.1 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2.7.2 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4mm由 (2-33)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齿根高 hf=(ha*+c*)m=2.5mm 齿数z=38齿宽b=10mm齿厚齿盘高为5mm2.7.3 按接触疲劳强度进行计算确定有关计算参数和许用应力 (2-35)取载荷系数kt=1.5由文献表9-12取齿宽系数d=1.0由表9-10查得材料的弹性影响系数Ze=189.8， 取=20，故ZH=2.5查图9-34取Hlim1=380 取Hlim2=380Lh=60241(830015) N2=5.18107由图9-35查得接触疲劳寿命系数ZN1=1.1 ，ZN2=1.1计算接触疲劳需用应力 取安全系数SH=1，由式（9-44）得 (2-36) 按齿根抗弯强度设计由式（9-46）得抗弯强度的设计公式为 (2_37)确定公式内的各参数数值由文献图9-37查得，抗弯疲劳强度极限由文献图9-38查得，抗弯疲劳寿命系数YN1=1.0，YN2=1.0查图取计算抗弯疲劳许用应力，取抗弯疲劳安全系数SF=1.4 由式（9-47）得 (2-38)弯曲疲劳强度验算 (2-39)故满足弯曲疲劳强度要求2.8 轴承的选用滚动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。2.8.1 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：62032.8.2 轴承的游隙及轴上零件的调配轴承的游隙和欲紧时靠端盖下的垫片来调整的，这样比较方便。2.8.3 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2.8.4 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。2.8.5 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行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浸入，密封唇应朝外。第3章 刀架体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，其具体结构见零件图。第4章 结论本次设计采用了四工位刀架，通过电机驱动，涡轮蜗杆的传动，有效的实现了缩短辅助时间,减少多次安装零件引起的误差。本次设计的四工位自动刀架结构比较简单，满足时间短,刀具重复定位精度够,足够的刀具存储以及安全可靠等基本要求。电动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和减少刀架在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。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，加工过程中刀架部位要进行人工调整，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高的重复定位精度（一般为0.0010.005mm)。参考文献1 王三民.诸文俊. 机械原理与设计M.北京:机械工业出版社，2000.2 王爱玲.现代数控车床M.北京：国防工业出版社，2003 . 3 陈婵娟.数控车床设计M.北京：化学工业出版社，2006. 4 王爱玲.现代数控车床结构与设计M.北京：兵器工业出版社，1999.5 纪名刚.机械设计M.北京：高等教育出版社，2000，第七版. 6 舒志兵.严彩忠.黄益群.张海荣.数控机床和数控系统的发展综述J.伺服控制，2006，（01）：23-27 7 刘泽深. 郑贵臣.陈保青. 机械基础M. 北京：机械工业出版社，1997.8 李洪.实用机床设计手册M.辽宁：辽宁科学技术出版社：1999.9 徐灏.机械设计手册M.北京：机械工业出版社，2002.10 洪家娣.机械设计指导M.江西：江西高校出版社，2001.11 陈秀宁.机械设计基础M.杭州：浙江大学出版社，1999. 12 徐灏.新编机械设计师手册M.北京：机械工业出版社，1995机电05-1班哈尔滨理工大学课程设计说明书设计题目：数控车床自动回转刀架结构设计班级：学号：姓名： 指导老师： 日期：2008.9.24设计任务题目：数控车床自动回转刀架结构设计任务：设计一台四工位立式回转刀架，适用于C616或C6132经济型数空车床。要求绘制自动回转刀架的机械结构图。推荐刀架所用电动机的额定功率为90W，额定转速1480r/min，换刀时要求刀架转动的速度为40r/min，减速装置的传动比为i=37。总体结构设计1、 减速传动机构的设计普通的三项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。2、 上刀体锁紧与精定位机构的设计由于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，其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。本设计上刀体的锁进玉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，上下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴旋转；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，完成转位动作。3、 刀架抬起机构的设计要想使上、下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计适合的机构使上刀体抬起。本设计选用螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆-涡轮带动蜗杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动。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，所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺杆一起转动。设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定的角度时，使得上刀梯与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。下图为自动回转刀架的传动机构示意图，详细的装配图在一号图纸上。三、自动回转刀架的工作原理自动回转刀架的换刀流程如下图。图上表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置。其中上部的圆柱销2和下部的反靠销6起着重要作用。当刀架处于锁紧状态时，两销的情况如图A所示，此时反靠销6落在圆盘7的十字槽内，上刀体4的端面齿和下刀体的端面齿处于啮合状态（上下端面齿在图中未画出）。需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三项异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动蜗杆正向转动，与螺杆配合的上刀体4逐渐抬起，上刀体4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘1也随着螺杆正向转动（上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆联接），当转过约1700时，上盖圆盘1直槽的另一端转到圆柱销2的正上方，由于弹簧3的作用，圆柱销2落入直槽内，于是上盖圆盘1就通过圆柱销2使得上刀体4转动起来（此时端面齿已完全脱开）。上盖圆盘1、圆柱销2以及上刀体4在正转的过程中，反靠销6能够从反靠圆盘7中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体4寻找刀位时的正向转动。上刀体4带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘1通过圆柱销2带动上刀体4开始反转，反靠销6马上就会落入反靠圆盘7的十字槽内，至此，完成粗定位。此时，反靠销6从反靠圆盘7的十字槽内爬不上来，于是上刀体4停止转动，开始下降，而上盖圆盘1继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销2的头部压入上刀体4的销空内，之后，上盖圆盘1是下表面开始与圆柱销2的头部滑动。再次期间，上、下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可以稳定地工作。 蜗杆-涡轮减速 销连接上盖圆盘旋转螺杆正转刀架电动机正转 上刀体抬起 螺杆-螺母 端面齿错开 霍尔元件触发 上刀体旋转到位回答圆柱销落入上盖圆盘 蜗杆-涡轮减速 反靠销反靠端面齿啮合螺杆反转刀架电动机旋转上刀体下降，粗定位 精定位延时锁紧电动机停转 图：自动回转刀架的换刀流程主要传动部件的设计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=1480r/min，上刀体设计转速n2=40r/min，蜗杆副的传动比i=n1/n2=37。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，启动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。（1） 蜗杆的选型 GB/T10085-1988推荐采用渐开线蜗杆和锥面包络蜗杆。本设计采用结构简单，制造方便的渐开线型圆柱蜗杆。（2） 蜗杆副的材料 刀架中的蜗杆副传动的功率不大，但蜗杆转速干，一次，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要淬火，硬度为4555HRC,以提高其表面耐磨行；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，采用金属模制造。（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，进行载荷计算时，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 a3 KT2( ZEZPH )2 (4-1)式中 a蜗杆副的传动中心距，单位mm； K载荷系数； T2作用在涡轮上的转矩T2，单位N.mm； ZE弹性影响系数ZE； H许用接触应力，单位为MPa。从式4-1算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=35，查表选择一个合适的中心距a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=0.8，由电动机的额定功率p1=90W，可以算出蜗轮传动的功率p2=p1，再由蜗轮的转速n2=40r/min求得作用在蜗轮上的转矩 T2=9.55p2n2=9.55p1n2=25.47Nm=22923Nmm2） 确定载荷系数K 载荷系数K= KA KB K。其中KA为使用系数，有表6-3查得， 由于工作载荷不均匀，启动时冲击较大，因此取KA=KA1.15； K为齿向分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取KBK=1.15；KV 为动载系数，由于转数不高。冲击不大，可取KKV=1.05。则载荷系数K=KA KB K 1.39使用系数KA工作类型IIIIII载荷性质均匀，无冲击不均匀，小冲击不均匀，大冲击每小时起动次数50起动载荷小较大大KA11.151.23） 确定弹性影响系数ZEZE，铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查的弹性影响系数 ZE=160Mpa 1/2；4） 确定接触系数ZP 先假设蜗杆分度圆直径d1 和传动中心距a的比值d1d1/a=0.35。查表的ZpZ=2.9铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力H(MPa)蜗轮材料铸造方法蜗杆螺旋面的硬度45HRC45HRC铸锡磷青铜ZCuSn10P1砂模铸造150180金属模铸造220268铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5砂模铸造113135金属模铸造1281405）确定许用接触应力H 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1金属模制造蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC可查表的蜗轮的基本许用应力H =268MPa已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数j=1；蜗轮转数n2=40r/min；蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。则应力循环次数：N=60j n2 Lh =2.4 10 7寿命系数： KHN =KHN0.693许用接触应力： =KHN H KHN=186MPa6）计算中心距 将以上各参数带入4-1，求得中心距： a = 47.1 mm查表取a=63，已知蜗杆头数z1=1，设模数m=1.6mm，得蜗杆分度圆直径d1d1=28mm。这时d1d1/a=0.59，查表得接触系数ZP=2.35。因为ZP2.4mm，今取螺杆的螺距P=6mm。（2） 确定其他参数 采用单头梯形螺杆，头数n=1，牙侧角= 150，外螺纹大径d1=50mm，牙顶间隙ac=0.5mm，基本牙型高度H1=0.5P=3mm，外螺纹牙高h3=3.5mm，外螺纹中径d2=47mm，外螺纹小径d3=43mm，螺杆螺纹部分长度H=50mm。（3） 自锁性能校核 螺杆-螺母材料均用45钢，查表取摩擦系数f=0.11；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角： V=tan-1fcos6.50 6.50而螺纹升角： =tan-1nPd2= 2.33 小于当量摩擦角。因此满足自锁条件。如何选用车刀架及其原理：（1）.切削角(Cutting edge angle)：切刃与工件接触线所成之角，亦称导角。 ：尽可能使用大切削角，以延长刀片寿命。 选用大导角切削之优缺点： 优点： 切削时，切削之宽度较宽，而较薄之切屑亦使切刃单位受力减少，可大幅提高进刀速率。不必怕因超负荷，而致切刃损坏。 散热效果优，切刃不易磨损，提高刀片寿命。 圆鼻半径处，不易损坏，以0之导角切削时，因所以切削负荷，皆由刀鼻承受，故容易损坏。 缺点： 工件有直角之轴肩时，无法使用。 推送力方向会产生变化，导角为0时，推送力既无切削力，若导角大于0时，推送力会分成两分力，既切削力与径向力，径向力对于震动会产生很大之影响。震动是因变形而产生之变形量又随径向力之增加而增加，故径向力增加，震动亦随之增加。反之，切削力因作用于轴向，故对震动影响最小，几乎无影响。 注： 通常工件无尾座支撑时，若长度比直径大4倍以上，或者有尾座支撑，但长度比直径大8倍以上时，最易发生震动现象，此时如使用大导角刀具，需多加考虑。(2). 斜面角（Roke angle）：由边斜面角，背斜面角及导角所形成，有正，负之分。 选用负斜面角之利弊： 切削时，切屑推向工件表面，容易伤及工件表面，大都用于粗加工，目前因断屑槽发展多样化，已渐渐改善此问题。 强度佳，不易断裂，当机器有足够马力时，可切削高强度合金钢。 可作断续及重力切削。 切削阻力大，机器需要有较大之马力。 降低成本，可用之切刃比正斜面角刀片，多一倍。 选用正斜面角之利弊： 切削时，使切屑容易离开工件，获得光滑表面。 断屑槽变化少，不易断屑，适用于软钢及非金属。 切削阻力小，但刀尖易破损。刀柄之选择： 功用： 提供刀片之刀刃缘接触刀工件之中心线，并产生正确之斜面角 与逃角(Clearance angle) 提供刀刃缘足够之支持力，使切削阻力所产生之变形，减至最低 使用方法： 一般外径加工所产生之刀具变形，几等于零，故不予细论。 刀具变形与搪刀架之直径的四次方根成正比，如搪刀直径增为原来两倍，则其变形量只为原来之1/16。 在使用搪刀时，应就所加工之尺寸，选用最大之搪刀柄，但要维持工件内径之间隙及切屑排除之去路。在此建议，搪刀架与工件内径之间隙，每边在4mm以上，但如要用4mm以下之间隙时，可能只有下列情况才会成功。A 贯穿孔加工 B.加工深度2D以内C.断屑效果佳D.使用冷却液,清除切屑E加工短屑材质F.使用没有Clamp Set之搪刀架,亦即P形锁固. 减少悬空长度,刀具变形量与悬空长度之三次方根成反比,如悬空长度减为原来之一半,则变形量减为原来之1/8.悬空之长度,亦影响震动,表面粗糙度及尺寸之控制. 刀柄材质之选择:刀柄之材质也关系到刀具变形量,虽没像刀柄尺寸或悬空长度影响那么大,但若以碳化钨刀柄取代钢质刀柄,则可减少变形量63%. 刀柄材质与伸长量:A 钢质刀柄4D以内,三倍以内效果最好 B 高速钢柄6D以内,4.5倍以内效果最好 C 碳化钨柄8D以内,六倍以内效果最好 .锁固方式:.C型压板固定式,正斜面角切削,切削阻力小,适用于无孔之刀片. .P型是利用杠杆作用,将刀片内拉而固定之,锁固简单,定位精度佳,惟零件更换麻烦,另需注意刀片磨耗后,是否依然紧密锁固. .M型以偏心方式,用固定螺丝将刀片内拉而固定之,并以压板压制刀片,防止刀片翘起,其综合了C型及P型之锁固方式,亦吸取其精华,促成其耐冲击,耐重力切削之固锁方式,惟操作上较麻烦,需用两根不同之扳手操作,但零件替换容易. .E型是利用一偏心杆,依逆时针方向,将刀片锁定,设计简单,操作容易,减少刀片更换时间,适用于轻/中切削,是小型车床之最佳帮手. .W型强力型锁固,是利用一固定销加一压板,将刀片往外推而固锁,耐冲击及重力切削,惟刀片定位精度稍差,零件费用稍高,零件更换麻烦. .S型是一零件最少之锁固方式,利用单一螺丝配合螺丝头之斜度,以偏心方式,将刀片往内拉而固锁,一般用于小柄径之内/外径刀.注:为防止固定螺丝受力太大而磨损或不易开启,请在螺丝部位及与刀片接触之部位,抹上二硫化钼油脂,以降低摩擦,而使刀片能轻易卸下,进而节省刀具附件之消耗.设定切削深度及进给速率: Q(切除率)=V(切削速度)F(进给速率) D(切削深度) 由上式中得出,切削速度,进给速率,切削深度,无论那一项增加和减少,都将影响切除速度的增减,亦会对刀片寿命产生影响,而其中之拿捏,端视操作上之要求,由操作者依需求,而做一适当调整. 假设切削深度设定在10倍于进给速率时:. 将切削深度增加50%时,则刀片寿命将减少约15% . 将进给速率增加50%时,则刀片寿命将减少约60% . 将切削速度增加50%时,则刀片寿命将减少约90% . 由于切削速度影响刀片寿命甚巨,故而在建立工作条件时,应谨慎处理,尽量提高切削深度及进给速率,来减少工时.选择最大切削深度及进给率有以下之限制: .工件表面粗糙度,光滑,精度. .刀片抵挡切削阻力之能力. .工件,刀具夹持之状况. .加工欲流量.简易设定切削深度及进给速率之方法: .以刀片边长的1/2为最大切削深度. .以刀尖圆鼻半径的2/3为最大进给速率.切削速度所受到的限制: .刀片寿命. .机台之最高转速,马力,稳定性. .下列状况必须降低切削速度,(降低之百分比,是以正常切削为基准,是一经验值)A. 工件长度大于4倍直径时(未加顶心)B. 车内孔,切槽,切断,约降为60%(以外径加工为准)C. 锻件毛坯,不利夹持时,约降为6080%D. 铸件毛坯,不利夹持时, 约降为6070%E. 断续切削, 约降为6070%F. 热处理后加工:HRC43以上,约降为3040% :HRC52以上,约降为1030%切除率(Q)所受到之限制:.切削加工之安全性,工件精度,刀片磨耗. .一般切削条件参考: A.重切削D=512mm F=0.40.8 V=90150 B.中切削D=26mm F=0.50.5 V=150200 C.精切削D=0.30.5mm F=0.050.3 V=180250防止振刀产生之对策振刀之产生:切削之际,刀具与被削材间产生相对振动,于工件表面产生周期性的振纹而谓之.原 因:切削中所产生的振动若与刀具或机械等原有之振动频率结合一致时,则成为激烈振动,此时便有振刀产生.对 策:1.提高或减少切削进给量试验之. 2.减少切削量(M级刀片时,MIN 0.2MM以上) 3.刀柄伸出量于可能范围内尽量缩小. 4.刀尖高度对准工件中心线. 5.降低切削速度(亦可视情形提高) 6.减小隙角. 7.减小横切刃角. 8.减小刀尖角(R 0.8R 0.4) 9.增大斜角(以研磨式的断屑槽为宜) 10.减少刀刃倒角量. 11.更换具有刚性的刀柄. 12.确认夹具等安装刚性. 13.调整机械.不锈钢不锈钢系列产品间之差别,如表1(a)所示.其中最难以切削者为奥斯田铁系之不不锈钢.(a) 不锈钢系列 (d)奥斯田铁系 含有元素金属组成1高Cr系Cr 13麻田散铁系2Cr 18肥粒田铁系3高Cr高Ni系奥斯田铁系种类系数SUS201SUS202SUS301SUS302SUS303SUS303SeSUS304SUS304LSUS305SUS305J1SUS308SUS309SSUS310SSUS316SUS316LSUS316J1SUS316J1LSUS317SUS317LSUS321SUS347SUS384SUS385SUSXM7SUSXM15J10.430.430.860.860.500.500.570.570.640.640.640.64(b)麻田散铁系种类系数种类系数SUS403SUS410SUS410J1SUS416SUS420J1SUS420J20.710.710.640.93SUS420FSUS431SUS440ASUS440BSUS440CSUS440F0.770.570.570.57 (C)肥粒田铁系种类系数种类系数SUS405SUS429SUS4300.790.71SUS430FSUS4341.1注:(b),(c),(d)的系数为材料别切削速度之系数 各系不锈钢与软钢之比较种类软钢麻田散铁系SUS-410(13Cr)肥粒田铁系SUS-430(18Cr)奥斯田铁系SUS-304(18-8硬度110165353028拉力强度(kgf/m)38455550605565延展性(%)28352537405565热传导度10-3Cal/cmSec124575950523339比10.50.40.3热膨胀系数020010-5/10.512.69.010.09.010.814.517.5比10.90.951.6奥斯田铁系不锈钢难削性之原因及其对策）加工硬化图3(a)表示加工硬化程度,奥斯田铁系的硬化与局部淬火钢之硬度相近.【对策】A) 切深及进刀量不可变小,即使轻切削时切深量要在0.5mm以上,进刀0.07mm/rev以上,可能的话最好超过0.1mm/rev.B) 速度较普通钢减低,重切削则依加工基本原来进行.C) 尽快更换刀片,以侧面磨耗幅达到V=0.5mm之前应更换刀片.)切削抵抗大如图3(b)背斜角20时,显示切削抵抗力.奥斯田铁系时炭素钢的二倍.)产生加工障碍之现象 切削时产生之组成应力,在刀刃部分经过后,会迅速反弹,撞击刀刃,此种撞击现象,会增加加工硬化之效果.【对策】A) 不要选用切削性不良或刃口易变形之刀刃设计.B) 使用刚性较佳的机械.C) 可能时,尽量不要作断续切削.D) 采用断面较大的刀杆(202532).E) 刀柄之突出量应尽量减少,原则上不超出刀柄厚度之值.)低热传导性奥斯田铁系和软钢比较,产生之热约二倍,而导热性约1/3而已.【对策】A) 采用大断面积之刀具,使热容量增加(202532).B) 采用大背斜角(051015)C) 大量注入水溶性切削油)刀刃部之溶著况象增加,引起刀具之剥损【对策】A) 选用耐剥损之刀具材种B) 切削速度不能太低(50m/min以上)C) 选较大刀尖圆角R(1.2mm程度)D) 能有效处理切屑之断屑槽E) 在刀刃的刃口作轻微之倒角F) 使用切削剂时,要大量且均匀的注入超耐热合金耐热合金是与STELLITE同类之材料,使用于温度超过650以上之状况,可分为Ni系,Co系及Fe系等,其切削特性与奥斯田系不锈钢近似,均为难加工之材料. 分类及对照Ni基合金Inconel,Nimonic,Hastelloy,Waspaloy,RoneCo基合金S-816,HS-25,J-1570,StelliteFe基合金Incoloy,N-155,S590照片显示车削耐热合金时刀具型损伤,注意其境界磨耗异常的大,一般湿式切削效果比干式切削好的机会较大. 【推荐】 材 料条 件粗加工高速氮化矽陶瓷KS8000V=200m/min,d=2mm,f=0.1mm/rev,湿式,圆刀片低速超硬K种K10V=30m/min,d=2mm,f=0.1mm/rev,湿式精加工高速黑陶瓷A65V=200m/min,d=0.5