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Φ550mm的数控车床总体设计及六角回转刀架设计-【全套CAD图纸和毕业论文资料】【独家原创】

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关键词：: 任务 mm 妹妹数控车床总体整体设计六角回转刀架 11 十一 14

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　　　　　　　　　　Φ550mm的数控车床总体设计

　　　　　　　　　　　　　　　　及六角回转刀架设计

摘　要

　　　本文介绍Φ550MM数控车床的设计，重点介绍设计方案的确定，基本步骤，目的，经济合理性，机床数控化设计计算。数控车床采用数控回转刀架可以在一次装夹中完成多道工序加工，缩短辅助时间，减少多次安装所带来的误差。本课题通过对数控回转刀架的机械结构以及电气控制进行了研究，探索数控回转刀架的组成和工作原理。通过所学专业知识，完成了数控回转刀架机械部分的设计，绘制了三维实体装配图。本课题设计的数控回转刀架很好的实现了快速准确自动换刀，提高了数控车床的加工效率。

关键词：数控设计，回转刀架，蜗杆副，微机控制，换刀装置

Abstract

This paper introduces the design of 550MM NC lathe, introduces the design scheme is determined, the basic steps, objective, economic rationality, calculation of NC machine tools design. CNC lathe using the NC rotary tool holder can be installed in the 1 clip in multiple processes, shorten assistant time, errors which caused by multiple installation. This paper studied the mechanical structure of the NC rotary tool holder and electric control, to explore the composition and working principle of the NC rotary tool holder. Through the professional knowledge, completed the design of the NC rotary tool holder of mechanical part, drawing a three-dimensional map. The innovation of this paper lies in the solution lies in the use of electromagnetic over current relay to monitor the current size of the motor. improve the machining efficiency of NC lathe.

Keywords: CNC design, rotary cutter, worm, microcomputer control, change the knife device

摘　要II

AbstractIII

第1章数控机床发展概述- 1 -

1.1数控机床及其特点- 1 -

1.2数控车床的主要功能及加工对象- 1 -

1.3 数控机床的经济分析- 2 -

1.3.1中小企业数控机床选用中存在的问题- 2 -

1.3.2 数控机床选购的策略- 2 -

1.4 数控机床的发展趋向- 4 -

第2章数控机床总体方案的制订及比较- 5 -

2.1 总体方案设计内容- 5 -

2.1.1系统运动方式的确定- 6 -

2.1.2控制方式的选择- 6 -

2.2 总体方案确定- 6 -

2.2.1 系统的运动方式伺服系统的选择- 6 -

2.2.2 数控系统- 6 -

2.2.3 机械传动方式- 6 -

第3章确定切削用量及选择刀具- 7 -

3.1科学选择数控刀具- 7 -

3.1.1选择数控刀具的原则- 7 -

3.1.2选择数控车削用刀具- 8 -

3.2 设置刀点和换刀点- 8 -

3.3 确定切削用量- 9 -

3.3.1确定主轴转速- 9 -

3.3.2确定进给速度- 9 -

3.3.3 确定背吃刀量- 9 -

第4章传动系统图的设计- 10 -

4.1主传动系统主要技术指标的确定- 10 -

4.1.1动力参数的确定- 10 -

4.1.2主运动调速范围的确定- 11 -

4.1.3主轴计算转速的确定- 12 -

4.2变速主传动系统的设计- 13 -

4.2.1确定传动方案- 13 -

4.2.2转速图的拟定- 13 -

4.2.3拟定传动变速系统图- 15 -

第5章数控车床的六角回转刀架的设计原理和依据- 16 -

5.1数控车床的六角回转刀架的换刀工程- 17 -

5.2数控车床的六角回转刀架的设计要求- 18 -

5.3数控车床的六角回转刀架的机构设计中的几个主要问题- 18 -

5.4本章小结- 19 -

第6章数控车床的六角回转刀架的机构设计- 20 -

6.1数控车床的六角回转刀架的分度机构结构设计- 20 -

6.1.1分度机构结构设计的总思路- 20 -

6.1.2分度机构的刀架主轴设计- 20 -

6.1.3主活塞的设计- 22 -

6.1.4端齿盘离合器的设计- 26 -

6.1.5分度活塞的设计- 34 -

6.2精定位机构——活动插销机构设计- 35 -

6.2.1定位原理、设计思路- 35 -

6.2.2材料选择- 35 -

6.2.3活动插销机构的结构设计- 36 -

6.2.4插销机构的公差带设计- 37 -

6.2.5对插销轴进行校核- 38 -

6.2.6校核结论- 39 -

总结与展望- 40 -

参考文献- 41 -

致谢- 42 -

第1章数控机床发展概述

1.1数控机床及其特点

　　　数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。

　　　数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。

　　　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、车床、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

内容简介：: 毕业设计(论文)550mm的数控车床总体设计及六角回转刀架设计所在学院专业班级姓名学号指导老师年月日摘要本文介绍550MM数控车床的设计，重点介绍设计方案的确定，基本步骤，目的，经济合理性，机床数控化设计计算。数控车床采用数控回转刀架可以在一次装夹中完成多道工序加工，缩短辅助时间，减少多次安装所带来的误差。本课题通过对数控回转刀架的机械结构以及电气控制进行了研究，探索数控回转刀架的组成和工作原理。通过所学专业知识，完成了数控回转刀架机械部分的设计，绘制了三维实体装配图。本课题设计的数控回转刀架很好的实现了快速准确自动换刀，提高了数控车床的加工效率。关键词：数控设计，回转刀架，蜗杆副，微机控制，换刀装置AbstractThis paper introduces the design of 550MM NC lathe, introduces the design scheme is determined, the basic steps, objective, economic rationality, calculation of NC machine tools design. CNC lathe using the NC rotary tool holder can be installed in the 1 clip in multiple processes, shorten assistant time, errors which caused by multiple installation. This paper studied the mechanical structure of the NC rotary tool holder and electric control, to explore the composition and working principle of the NC rotary tool holder. Through the professional knowledge, completed the design of the NC rotary tool holder of mechanical part, drawing a three-dimensional map. The innovation of this paper lies in the solution lies in the use of electromagnetic over current relay to monitor the current size of the motor. improve the machining efficiency of NC lathe.Keywords: CNC design, rotary cutter, worm, microcomputer control, change the knife device目录摘要IIAbstractIII第1章数控机床发展概述- 1 -1.1数控机床及其特点- 1 -1.2数控车床的主要功能及加工对象- 1 -1.3 数控机床的经济分析- 2 -1.3.1中小企业数控机床选用中存在的问题- 2 -1.3.2 数控机床选购的策略- 2 -1.4 数控机床的发展趋向- 4 -第2章数控机床总体方案的制订及比较- 5 -2.1 总体方案设计内容- 5 -2.1.1系统运动方式的确定- 6 -2.1.2控制方式的选择- 6 -2.2 总体方案确定- 6 -2.2.1 系统的运动方式伺服系统的选择- 6 -2.2.2 数控系统- 6 -2.2.3 机械传动方式- 6 -第3章确定切削用量及选择刀具- 7 -3.1科学选择数控刀具- 7 -3.1.1选择数控刀具的原则- 7 -3.1.2选择数控车削用刀具- 8 -3.2 设置刀点和换刀点- 8 -3.3 确定切削用量- 9 -3.3.1确定主轴转速- 9 -3.3.2确定进给速度- 9 -3.3.3 确定背吃刀量- 9 -第4章传动系统图的设计- 10 -4.1主传动系统主要技术指标的确定- 10 -4.1.1动力参数的确定- 10 -4.1.2主运动调速范围的确定- 11 -4.1.3主轴计算转速的确定- 12 -4.2变速主传动系统的设计- 13 -4.2.1确定传动方案- 13 -4.2.2转速图的拟定- 13 -4.2.3拟定传动变速系统图- 15 -第5章数控车床的六角回转刀架的设计原理和依据- 16 -5.1数控车床的六角回转刀架的换刀工程- 17 -5.2数控车床的六角回转刀架的设计要求- 18 -5.3数控车床的六角回转刀架的机构设计中的几个主要问题- 18 -5.4本章小结- 19 -第6章数控车床的六角回转刀架的机构设计- 20 -6.1数控车床的六角回转刀架的分度机构结构设计- 20 -6.1.1分度机构结构设计的总思路- 20 -6.1.2分度机构的刀架主轴设计- 20 -6.1.3主活塞的设计- 22 -6.1.4端齿盘离合器的设计- 26 -6.1.5分度活塞的设计- 34 -6.2精定位机构活动插销机构设计- 35 -6.2.1定位原理、设计思路- 35 -6.2.2材料选择- 35 -6.2.3活动插销机构的结构设计- 36 -6.2.4插销机构的公差带设计- 37 -6.2.5对插销轴进行校核- 38 -6.2.6校核结论- 39 -总结与展望- 40 -参考文献- 41 -致谢- 42 -VI第1章数控机床发展概述1.1数控机床及其特点数字控制机床是用数字代码形式的信息(程序指令)，控制刀具按给定的工作程序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工性能比一般自动机床高，可以精确加工复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。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、车床、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。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，并具有多种监控功能，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。1.2数控车床的主要功能及加工对象数控车床的功能分为一般功能和特殊功能。一般功能是指各类数控车床普遍所具有的功能。如点位控制功能、刀具半径自动补偿功能、镜象加工功能、固定循环功能等。特殊功能是指数控车床在增加了某些特殊装置或附件后，分别具有或兼备的一些特殊功能。如刀具长度补偿功能、靠模加工功能、自动变换工作台功能、自适应功能、数控采集功能等。在使用数控车床加工工件时，只要充分利用数控车床的各种功能，就可以加工许多普通车床难加工的工件。数控车床的主要加工对象有：平面类零件；变斜角类零件；曲面类（立体类）零件。1、直线插补:数控车床在完成工作时所具有的基本功能之一，一般情况下分为直线插补和空间直线插补等一些插补方式2、圆弧插补:这也是数控车床在完成工作时所具有的基本功能之一，一般情况下可分为平面圆弧插补以及逼近圆弧插补等。3、固定循环:固定循环是指通过各种参数使用不同的加工要求，主要用于实现一些鱼油经典型的需要多次重复的工作，这样使用固定循环是可以有效的简化程序的编制。1.3 数控机床的经济分析近几年，随着国民经济快速稳定发展，我国机床制造行业受益于国家振兴装备制造业的大环境，有了长足进展，这其中领先当今机械制造技术水平的数控机床产业更胜一筹。由于数控设备的先进性、复杂性和发展的迅速性,以及品种型号、档次的多样性,决定了选用数控设备的复杂性和难度。如何从品种繁多、价格昂贵的产品中选择适用的设备, 成为中小型企业十分关心的问题。1.3.1中小企业数控机床选用中存在的问题目前中小型企业缺乏数控设备的使用经验和掌握数控加工技术的人才,在数控机床选购中存在着盲目性、片面性,主要表现在以下几方面: 1.决策者对数控机床的认识有误区,部分企业领导认为配置高精度数控设备是企业档次的象征。选型时不考虑投资效益,忽略性价比,盲目追求进口、高档,片面讲究功能齐全。而在后来的使用过程中才发现有些功能用不上或几乎不用。2.机床选型混乱, 数控机床类型、规格不配套。选购不同厂家的产品, 数控系统不统一, 购置后给操作、编程、维修带来困难。3.购置数控机床时只重视主机性能, 而忽略附件和刀具的配套, 致使在使用中因缺少某个附件或刀具而影响整个主机的运行。4.对企业发展和产品变化预测不足, 所购设备的功能的发挥受到制约。 1.3.2 数控机床选购的策略 1.实用性。选购数控机床时，企业要有明确的目的和出发点，首先考虑的是数控机床的实用性。 (1)数控机床规格、精度的实用性。在选择数控机床时,首先应确定数控机床上加工的典型零件。零件的尺寸决定机床的加工范围；零件关键部位的精度决定了所选机床的精度等级。机床精度的评定指标较多，因数控机床类别而异,但共有的关键项目是定位精度、重复定位精度以及综合加工精度。定位精度与传动链各环节的弹性、间隙等因素有关,反映了机械系统中的扭曲、挠度、爬行、共振等诸因素造成的综合误差。这些指标既反映了伺服机构的刚度,也说明了位置反馈测量系统的质量。重复定位精度反映了数控轴在全行程内定位点的稳定性，传动链刚性直接影响重复定位精度。综合加工精度指最后加工出来的工件尺寸与所要求尺寸之间的误差。选购时应避免盲目追求高精度，注意机床精度与工件精度相匹配。 (2)数控系统功能的实用性。数控系统功能可分为基本功能与选用功能, 各知名品牌数控系统的基本功能差别不大。除基本功能以外, 数控系统还为用户提供多种可选功能。通常数控系统具备的基本功能比较便宜, 而特定选择的功能很贵。在可供选择的功能模块中, 性能差别很大,价格也相差数倍，所以要根据加工要求和机床性能的需要来选择。从控制方式、驱动形式、反馈形式、检测、操作方式、接口形式和故障诊断等方面来衡量, 合理地选择适合机床的可选功能,放弃可有可无或不实用的可选功能。比如，自动换刀装置(ATC) 是加工中心的基本特征，ATC装置的投资往往占整机的30%50%。因此在满足使用要求的前提下尽量选用结构简单和可靠性高的ATC, 以提高机床的可靠性和降低整机的价格。应当注意，单独签订合同购买附件的单价大大高于随同主机一起供货的附件单价,应尽可能在购买主机时一并购置部分易损部件及其他附件。 2.经济性。经济性是指选用的数控机床在满足加工要求的条件下, 所支付的“钱”最少或较为合理的。经济性往往是和实用性紧密相连的, 机床选得实用、经济, 可避免不必要的浪费, 避免以高代价换来功能过多而又不实用的较复杂的数控机床，避免在操作使用、维护保养等诸多方面带来困难。数控机床的设计使用寿命一般为7年, 主要以数控方面的使用寿命为准。同时还得考虑市场占有率, 市场占有率高的数控设备说明是旺销产品, 已受到多数用户的青睐和肯定, 一般不会有太多的质量问题。选购数控机床应考虑投资回报, 能够在短期内收回投资的机床才是好机床。因为数控机床的主要优势是实现工序集中，从而提高生产率和加工精度，所以数控机床既适于单件小批生产，又适于大批量生产。多数中小型企业购买的数控机床用于批量生产，因为批量生产不仅节省编程、对刀等辅助时间，提高机床利用率；而且对操作者的技术要求不高，人工费用也相对较低。所以用于大批量生产的机床投资回报较快。少数产品附加值高，具有一定经济实力的企业，为了生产组织方便而购买用于单件生产的数控机床。机床利用率较低时，不仅要考虑设备的使用费用，比如润滑油、冷却液、电力消耗等，还要计算设备折旧。另外一个不可忽视的因素是设备的贬值，数控机床的升级、更新较快，同配置的一台机床，现在售价40万，三年后可能降至35万，这样算起来贬值和折旧一样不可忽视。所以没有定型产品或产品附加值较低的中小型企业，在购置贵重数控设备之前，一定要充分研究收回投资的周期。有些企业事先确定较稳定的批量加工意向，甚至已经接到订单，选购机床时要求机床厂为其准备工装、编制程序、培训工人，即所谓“交钥匙”工程，这是投资数控机床最理想的情况。 3.稳定可靠性。数控设备的可靠性是广大数控设备用户必须关心的焦点问题, 因此在选用数控设备时应注意生产厂家的规模和市场占有率, 确认其产品是否达到国家规定的平均无故障时间标准(规定为500h)。目前多数机床厂都采购成熟的数控系统和零部件进行组装。国内应用较多的数控系统有日本FANUC、德国的西门子等。立式加工中心的床身出自昆明和南京的居多，而床身中的直线导轨、主轴又分别来自德国和台湾等地。所以机床的主要零部件的质量一般是可靠的，需要重点考察的是数控机床组装企业的售后服务网络是否健全,服务队伍的素质是否能胜任工作,服务能否及时,是否能履行承诺等。1.4 数控机床的发展趋向数控机床是由美国发明家约翰帕森斯上个世纪发明的。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。技术发展趋势：高速、精密、复合、智能和绿色是数控机床技术发展的总趋势，近几年来，在实用化和产业化等方面取得可喜成绩。主要表现在： 1.机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣-车复合、车铣复合、车-镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。 2数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。 3机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。 4精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前的微米级（0.001mm），有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达 0.01m左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001m）。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。 5功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。第2章数控机床总体方案的制订及比较 2.1 总体方案设计内容接到1个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图，才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。1般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定1个可行的总体方案。2.1.1系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。2.1.2控制方式的选择系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调试和维修都比较简单。2.2 总体方案确定2.2.1 系统的运动方式伺服系统的选择由于改造后的经济型数控机床应具备定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，暂停，循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑达到属于经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。2.2.2 数控系统根据机床要求，采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。2.2.3 机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证1定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。系统总体方案框图如下：图2-1 系统总体方案框图第3章确定切削用量及选择刀具3.1科学选择数控刀具3.1.1选择数控刀具的原则刀具寿命与切削用量有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。1般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定. 选择刀具寿命时可考虑如下几点根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，1般取15-30min。对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。车间内某1工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些当某工序单位时间内所分担到的全厂开支M较大时，刀具寿命也应选得低些。大件精加工时，为保证至少完成1次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度来确定。与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要冈牲好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断和排性能坛同时要求安装调整方便，这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料(如高速钢、超细粒度硬质合金)并使用可转位刀片。3.1.2选择数控车削用刀具在数控加工中，车削平面零件内外轮廓及车削平面常用平底立车刀，该刀具有关参数的经验数据如下:1是车刀半径RD应小于零件内轮廓面的最小曲率半径Rmin，1般取RD=(0.81 0.9)Rmin。二是零件的加工高度HRdp，电动机直接驱动主轴不能满足恒功率变速要求，因此需要串联一个有级变速箱，以满足主轴的恒功率调速范围。（5）确定转速级数取，则对于数控车床，为了加工端面时满足恒线速度切削的要求，应使转速有一些重复，故取Z=2（6）拟定转速图和功率特性图如图4.2.3拟定传动变速系统图拟定传动系统的原则是：在保证机床的运动和使用要求的前提下，运动传动链要尽可能的短而简单；传动效率高以及操作简单方便。首先要考虑某些结构方面的问题，考虑结构能否实现：如小齿轮的齿根圆是否大于轴的直径，大齿轮的顶圆是否会碰及相邻轴等；其次因考虑结构是否合理，如布置是否紧凑，操纵是否方便等。该机床采用双联滑移齿轮变速组，采用窄式排列结构，使机床结构紧凑。主轴变速拟采用通过滑移齿轮的移位来实现，需保证当齿轮2与齿轮4完全脱开啮合之后，齿轮3和齿轮6才能开始进入啮合，所以齿轮5与齿轮6相邻间的距离b要大于于滑移齿轮的宽度（齿轮2与齿轮宽度之和），一般b+, =14 mm。综合考虑个因素，拟订传动系统图。第5章数控车床的六角回转刀架的设计原理和依据回转刀架也称为转塔式刀架，它是数控车床上最常用，也是最简单的一种自动换刀装置。回转刀架使用回转头各刀座来安装或夹持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转分度定位来实现车床的自动换刀动作。回转刀架可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式，其上可安装4把、6把或更多的刀具，并可按数控装置的指令换刀。我国目前制造业中广泛使用的数控车床六角回转刀架虽然是上世纪开发的产品，但其结构具有当代自动换刀装置的典型结构，和相对成熟的技术使得它极具经济性是使用性，它仍是我国大部分中小企业广泛使用的数控车床部件。5.1数控车床的六角回转刀架的换刀工程图5.1所示为数控车床的六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。在加工轴类零件时可以换成四方刀架，它们底部测尺寸是相同的，互换更换起来非常方便，因此在数控车床中使用得很广泛。这种刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，其换刀过程如下四个步骤：图5.1 数控车床的六角回转刀架（1）刀架抬起。当数控装置发出换刀指令后，压力油由A进入压紧液压缸的下腔，活塞上升，刀架体抬起，使定位活动插销与固定插销脱离。同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮结合（2）刀架转位。当刀架抬起之后，压力油从C孔转入液压缸左腔，活塞向右移动，通过连接板带动齿条移动，使空套齿轮作逆时针方向转动，通过端齿离合器使刀架转过60。活塞的行程应等于齿轮节圆周长的1/6，并由限位开关控制。（3）刀架压紧。刀架转位之后，压力油从B孔进入压紧液压缸的上腔，活塞带动刀架体下降。缸体的底盘上精确地安装六个带斜楔的圆柱固定插销，利用活动插销消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。刀架体下降时，定位活动插销与另一个固定插销卡紧，同时缸体与压盘的锥面接触，刀架在新的位置定位并压紧。这时，端齿离合器与空套齿轮脱开。（4）转位液压缸复位。刀架压紧后，压力油从D孔进入转位油缸右腔，活塞带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮在轴上空转。如果定位和压紧动作正常，拉杆与相应的接触头接触，发出信号表示换刀过程已结束，可以继续进行切削加工。回转刀架除了采用液压缸驱动转位和定位销定位外，还可以采用电动机-马氏机构转位和鼠盘定位，以及其它转位和定位机构。5.2数控车床的六角回转刀架的设计要求回转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。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，加工过程中刀具位置不进行人工调整，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，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.0010.005mm）。5.3数控车床的六角回转刀架的机构设计中的几个主要问题1. 回转刀架的分度机构分度机构是回转刀架的核心机构之一，要特别处理好分度的准确性。2. 刀盘机构刀盘是刀具装填机构，也是分度机构直接作用的机构。刀盘在设计时要注意刀具的大小、材料的选择、大小和重量。3. 定位精度的保证必须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，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.0010.005mm）。4. 定位动作结束的反馈机构回转刀架的动作启动和结束是通过液压系统驱动的，而液压系统由数控系统的CNC控制，因此CNC系统必须获得反馈信号。5.4本章小结本章分析了六角回转刀架的设计依据，分析了六角回转刀架的结构及工作原理，提出了设计过程中要注意的几个问题。第6章数控车床的六角回转刀架的机构设计回转刀架，它是数控车床上最常用，也是最简单的一种自动换刀装置。回转刀架使用回转头各刀座来安装或夹持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转分度定位来实现车床的自动换刀动作。它相对成熟的技术使其具有经济性和实用性，目前，我过大部分中小企业还在使用六角回转刀架，常见于数控车床上的自动换刀装置的应用。本课题对数控车床的六角回转刀架的机构设计具有现实意义。6.1数控车床的六角回转刀架的分度机构结构设计回转刀架的工作原理简单来说，就是利用几何分度，在每个不同的分度上安装不同的刀具，并能根据指令进行转动定位。因此，分度机构是回转刀架的核心机构。6.1.1分度机构结构设计的总思路分度机构主要包括刀架主轴、主活塞、端齿盘离合器（分上下两个端齿盘）、分度齿条和分度活塞。因此，结构设计也围绕这五个方面进行。刀架主轴设计包括主轴的形状/尺寸设计、材料选择；主活塞设计包括其形状/尺寸、材料选择；端齿盘离合器的下端齿盘是不完全标准件，主要是上端齿盘是个特殊结构，要进行特别设计；分度齿条结构简单，主要考虑其长度；分度活塞主要考虑其与活塞杆连接的结构。分度机构主要作用是分度，其精度主要由液压系统和数控控制系统决定。而六角回转刀架的重复定位精度是由刀盘定位系统决定的，故分度机构定位精度没有作为重要设计要求。设计原则：保重分度性能，尽量用常用的材料和常见结构，减低成本。6.1.2分度机构的刀架主轴设计刀架主轴的作用主要是为刀盘的分度转动提供转轴和扭矩传动，为刀盘的升高和压紧提供动力传动。主轴的设计包括其形状/尺寸设计、材料选择。1.主轴的材料的选择。考虑到主轴作为刀架所受切削力的受力中心，材料应该选择具有一定强度和刚度的材料，同时由于经常转动和抬压刀盘，故要求其具有耐磨性。查表.4.1，考虑到最常用的轴类材料是45钢，故选用45钢，调质处理。表4.2列出了45钢的力学性能。表6.1表6.2优质碳素结构钢的力学性能力学性能|b/MPa: 600力学性能|s/MPa: 355力学性能|5(%): 16力学性能|(%): 40力学性能|AKU/J: 39由于刀架的分度旋转速度低、扭矩小，故刀盘转动时主轴受到的扭矩相对很小；当刀架定位完毕，刀具切削工件时，主轴受到切削力，和弯矩的作用，但是主轴外面有很厚的高强度铸钢包裹配合，同时45钢调制后具有很好的韧性和强度，力学性能良好，主要受力轴段轴径为30，所以不需要校核。2. 。主轴的形状结构主要考虑轴向零件的定位特点。主轴上的零件主要是主活塞和端齿盘离合器，轴的两端制造螺纹用于顶端连接刀盘和底端轴向固定端齿盘。结构形状及相关参数如图4.1所示。根据现有的回转刀架产品常见主轴轴径，取d1=d2=d3=30。轴环宽度b11.4d2，d2为安装主活塞处的轴径。则由上公式得：b11.430=4.2为了减少主轴的体积，选b1=4.2。图6.1主轴由机械设计手册查到轴肩高h=（0.070.1）d，其中d为零件所在轴径。故可得到如轴肩数据：h1=（0.070.1）d2=0.07300.130=2.13取h1=3，由此得轴环轴径：d6=d2+2h1=30+23=36。 b2处的轴段用于放置卡环，顶住主活塞的下端面，卡环的厚度取2，取b2=8，故得d7=26。为了在主轴下端固定端齿盘，必须有轴肩h2。取d5=26，则由h=（0.070.1）d得：h2=h=（0.070.1）d5=0.07260.126=1.822.6 ，取h2=2 。为了轴向固定下端齿盘，主轴底端用螺母固定下端齿盘。查下页的表4.3可得公称直径为M24,标记为M24 - 8h。轴的上端，制作螺纹用于固定连接刀盘的链接件。查下页的表4.3，可得公称直径为M24,标记为M24 - 8h。查机械设计手册，轴径1830, 轴的过度圆角全部取1.0 。6.1.3主活塞的设计主活塞仅仅在刀盘的升起和压紧时受到相对较小的轴向力，故可以选用较低强度的廉价材料。又考虑到必须保证气密性和制作难度应该尽量的降低，以降低成本，选用铸钢。常见的铸钢的力学性能如下表6.4所示。表6.3 螺纹标准表6.4 常见铸钢常温下力学性能表6.5液压缸内径公称直径由表可选择ZG340640。查上表6.5，获得活塞的公称直径d=100 。活塞厚度取b=20。主活塞的结构如下图，图4.2。图6.2 主活塞结构主活塞中心毂的倒角必须比与之配合的主轴的倒角大，故取2 。液压系统必须有良好的密封性，查手册得如下表，表4.6 。主轴轴径为30，查表取毂孔处的两个o型密封圈为：O型圈 303.55 -A - N - GB/T3452.1 - 2005 。查手册得表4.7，根据O圈外径100查得外圆轮廓的O圈为： O型圈 5.7 -A - N - GB/T3452.1 - 2005 。表6.6 液压密封圈（O圈）参数(内径)表6.7 液压密封圈（O型圈）参数（外径D）6.1.4端齿盘离合器的设计端齿盘是分度机构的核心，其关键之处是端齿盘的离合作用及上端齿盘的空套齿轮。1. 下端齿盘的设计。查相关手册得到端齿盘的常用牙型如下表4.8所示。由于分度机构的离合器传动时受到的载荷小，低速转动，考虑制造的成本，选择简单而实用矩形牙型端齿盘。表4.8端齿盘常见牙型端齿盘的材料选择，如下表4.9所示。低载荷低速，考虑常用材料，选用45钢。为了提高耐磨性和强度，进行调制处理。表4.9常用端齿盘材料端齿盘的结构几何参数如下表4.10所示。表6.10端齿盘几何参数牙齿外径D=(1.53)d ，取d=26，则计算得D=3978,取D=60 。牙齿内径D1=(0.70.75)D,代入数据计算得 D1=4245 。又由下表4.11得到：齿数Z=7,1=2443，2=2643，S=12.84,h=6 。表6.11齿数、齿高及几何角度2.上端齿盘的设计。上端齿盘是非标准件，分为上下两部分：上部的空套齿轮，下部的端齿盘端齿。下部分的端齿齿形参数跟下端齿盘参数相同，故这里设计的重点是上部分的空套齿轮的设计。由于端齿盘离合器低负荷低速运转，故由简化公式计算其参数，入下表4.12所示。表4.12简化公式式中：a 中心距，mm；小齿轮的分度圆直径，mm；m、端面模数及法面模数，mm；小齿轮的齿数；、齿宽系数；u齿数比，；复合齿形系数；许用接触应力（MP），简化基计算中近似去，为试验的接触疲劳极限应力（MP），；许用抗弯强度（MP），简化计算中可以近似取，为齿轮材料的抗弯疲劳强度的基本值，为抗弯强度计算的最小安全因数，可取；小齿轮传递的额定转矩，；K载荷系数，常用值1.22，当载荷平稳，齿宽系数较小，齿轮对轴承对称布置，轴的刚度较大，齿轮精度高（6级以上）及齿数轮的螺旋角较大时，应取较小值，反之取较大值。抗弯强度计算公式中的应代入及中的大值。由于端齿盘离合器工作在低载荷低扭矩条件下，故只需要按照上面的抗弯强度公式算出模数m的值，然后根据经验法对照现有产品参数进行适当修正即可。因为空套齿轮是与齿条啮合，在分度定位的动作过程中，要求齿条的行程至少使空套齿轮转动六分之一周，带动刀盘转过六分之一的圆周分度，所以齿条的有效啮合长度至少为六分之一的空套齿轮的分度圆圆周长。考虑到齿条的行程直接影响到刀架的体积空间，这里选择最近简单，但相对最稳定的分度方案：齿条的行程等于六分之一的空套齿轮的分度圆圆周长。即齿条的最大行程只能使刀盘转位六分之一圆周，但是节省了刀架的占位空间，使其适用于常见的小型廉价车床，同时简单的分度方案使得数控系统更加简单稳定。但是为了简化计算，这里取齿数比u的值为：u=1 ；是齿宽系数，= 。通常，对于直齿轮，=612 ，越大则齿宽b越大，齿轮轴向尺寸越大，安全性和成本提高，散热性能降低。反之亦然。由于空套齿轮在啮合转动的时候是处于低载荷低速度的条件下，故齿宽b不需要很大，但为了使使用简化公式计算出来的参数具有更好的安全性，不妨取的值为：=10；算出来的b值偏大，可根据实际经验适当修正即可。根据现场观察现有产品的分度转位的转速，目测转速n8.57线速度v=0.046，查机械设计手册单行本齿轮传动p16-73，表16.2-71，取齿轮的精度等级为8级，即IT8。查机械设计手册单行本齿轮传动p16-62，表16.2-59，选择45钢调质作为上端齿盘的材料。查机械设计手册单行本齿轮传动p16-65表16.2-65，得到如下的硬度数据：齿轮硬度300330HBS ，齿条硬度 260280 HBS 。图6.3 抗弯疲劳强度基本值又由上图6.3查得：齿轮=460；齿条=430 。故得：；。取齿数=26，则查课本机械设计p200，表10-5得到：齿形系数；校正系数；所以;所以值较大的;转矩与扭转转惯量J有关。根据实际现有产品目测，设刀盘为高h=145, 直径为D=294的铸钢圆柱体。查阅材料手册，得铸钢的密度为。由体积公式得刀盘的体积V=；由质量与密度的关系得刀盘的质量M 。由扭转惯量与扭矩的关系得J=，代入数据计算得=744。事实上，刀盘是六角形的，而且内部有很大的减重槽，实质质量比上面估算的质量的十分之一还要低。但考虑到刀盘转动时遇到摩擦力等等阻碍因素，取估算质量的十分之一左右的质量进行下一步的计算。此时可取=67.7。把上面所有相关参数代入简化公式，计算得。对照m的标准值，取，这样保证了齿轮在其主要受力方向上有足够的强度。由模数与分度圆的关系得，计算得=91 。由得b=35。因为是大大人为的增大，且空套齿轮在轴向方向受到的力很小，基本可以忽略，故参照现有产品参数，选择b=14。总结空套齿轮的参数：模数；分度圆直径=91；齿宽b=14。上端齿盘的结构图如下图4.4所示：图4.4 上端齿盘结构6.1.5分度活塞的设计分度活塞作用主要是将液压能量转化为齿条动能，使得空套齿轮可以转动，又使齿条可以复位。其行程跟齿条行程相同，约为六分之一的空套齿轮分度圆的周长。活塞直径。由下表4.12，取活塞直径D=50。厚度b=35。表4.12液压缸内径公称直径分度活塞及其活塞杆的零件装配图如下图4.5所示。图6.5 分度活塞及其活塞杆的零件装配图6.2精定位机构活动插销机构设计精定位是六角回转刀架最终的定位，精定位的精度直接反映于刀架的重复定位精度，六角回转刀架的精定位采用活动插销的定位方式。6.2.1定位原理、设计思路在刀架的底座均布六个固定插销轴，在刀盘底部的对应位置均布六个插销孔，当刀盘抬起时，插销孔被拉起脱离插销轴，当分度转动介绍后，刀盘大致地转到插销轴的正上方，然后液压力作用使刀盘带动插销孔下压。而在插销轴的顶端是个半圆球头，其坚硬的球型曲面使插销孔与之配合的时候能够自动修正分度转位的误差。对于重复定位精度，主要决定于插销定位机构的定位误差。由于回转刀架的重复定位误差为0.0010.005，所以要求定位误差。6.2.2材料选择作为六角回转刀架的最重要的定位机构，有较严格的精度要求，同时又是相对运动频繁的机构，故材料的选择必须使其具有高强度，高刚度，高耐磨性。可选择合金钢40Cr。6.2.3活动插销机构的结构设计插销轴的顶端是个球头，其球面在刀盘下压的时候能带动插销孔向下压，插销轴的顶端球头曲面能够使插销孔自动对心，从而达到定位目的。插销轴结构简单，其结构和尺寸见下图4.6所示。图6.6 插销轴结构图插销孔的结构及尺寸如下图6.7所示。图6.7 插销孔结构图6.2.4插销机构的公差带设计国家要求优先采用基孔制，故孔的基本偏差为H，由国标优先推荐的常用配合中试选H7/n6，由下表6.13查得如下数据：表6.13 标准公差孔的公差为0.018，上偏差ES=0.018，下偏差EI=0；轴的公差为0.011，上偏差es=0.023，下偏差ei=0.012 。则定位误差=0.003即，所以所选择的公差配合H7/n6复合重复定位精度要求。插销机构的配合如下图4.8所示。图6.8 定位插销机构的公差配合图6.2.5对插销轴进行校核因为插销定位机构决定了六角回转刀架的重复定位精度，同时作为过盈配合，当刀架受到切削力时，刀架底座上均布的六个插销结构先于主轴受力，所以该机构是非常重要的受力机构，要进行校核检验。确定切削力。查金属切削手册，得切屑力y方向上的受力公式：，车床切削外圆是Y方向的受力系数；查表得其值为1795；背吃刀量，mm；对于常见的车床外圆切削，取其常见的大值为5 ；f进给量，查表并取大值为1.4;把上述具体数据代

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