毕业设计（论文）-数控车床六角回转刀架结构设计及典型零部件加工工艺设计.doc

全套设计加扣 3012250582毕 业 设 计设计题目：数控车床六角回转刀架结构设计及典型零部件加工工艺设计 系 别： 机电工程系 班 级： 13机本2班 姓 名： 指 导 教 师： 2017年5月28 日21. 绪论71.1 概述71.2 数控车床回转刀架的发展趋势71.3 国内数控回转刀架的现状81.4 本课题主要研究设计内容82. 数控车床六角回转刀架整体结构设计92.1 机床刀架的工作原理92.1.1 数控车床刀架的基本要求92.1.2 数控车床刀架的功用92.2 总体方案的确定102.3 刀架基本结构、工作原理及动作顺序102.3.1 数控刀架基本结构112.4 刀架转位机构设计112.5 刀架定位机构设计112.5.1 端齿盘的应用122.5.2 端齿盘的特点122.6 电动机选择及安装形式的确定132.6.1 电动机型号选择132.6.2 电动机电压和转速的选择132.6.3 电动机结构及安装形式的确定132.7 本章小结133. 运动设计及刀架主参数确定143.1 运动设计143.2 刀架主参数确定143.2.1 中心高确定143.2.2刀架工位数确定143.3 本章小结144. 刀架零件设计、计算及校核154.1 蜗杆蜗轮选用及校核154.1.1蜗杆副材料选择154.1.2 确定蜗杆头数，蜗轮齿数154.1.3 计算蜗轮154.1.4 计算传动中心距164.1.5 蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算164.2 蜗杆轴结构设计及校核174.2.1 蜗杆轴材料选择174.2.2 初算轴径174.2.3 蜗杆轴结构设计184.2.4 轴的受力分析194.2.5 校核轴的强度214.2.6 校核键连接的强度224.3 齿盘结构设计224.3.1 齿数Z的确定224.3.2 端齿盘外径224.3.3 齿根角（啮合斜角）224.3.4 端齿盘齿形角244.4动力刀架传动部分254.4.1 刀架轴的结构设计及计算254.5 本章小结275.典型零部件的加工工艺设计285.1蜗杆材料285.2加工定位基准285.2.1粗基准的选择285.2.2精基准的选择285.3工艺路线拟定285.4工艺卡片295.5工件的安装295.5.1在双顶尖间295.6机床的选择305.7刀具的选择315.8量具的选择315.9切削用量的选择315.9.1主轴转速的确定315.9.2进给速度的确定315.9.3被吃刀量的确定315.6本章小结326.轴承的选择336.1轴承所受的负荷336.2 轴承的转速336.3 调心要求336.4 允许的空间336.5 安装与拆卸336.6 本章小结337. 刀架体设计34结 论36参考文献37谢辞38数控车床六角回转刀架结构设计及典型零部件加工工艺设计摘 要我国的数控机床行业与世界先进制造行业相比，存在很大的差距，而重要的原因是功能部件行业赶不上数控机床的发展。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，几年来受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。国际上数控机床的发展日新月异，我国数控转塔刀架行业亦发生了根本性的改变，但是，产能只是满足量的一面，低档次产品价格低廉、功能不齐、适应性差，其生命力亦不会太强。只有满足质的方面、满足数控机床性能要求方面的产品才是最重要的。数控车床刀架的发展趋势是：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三个主要方向发展。根据加工的对象不同，刀架有四工位刀架、六工位刀架和八（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有四把、六把或更多刀具，并按数控装置的指令换刀。本课题研究的是数控车床最重要的部件之一：旋转刀架。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。在某种程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。本文主要对六工位卧式电动刀架的机械设计和典型零部件加工工艺的设计。并对以上部分运用UG做出三维图，对电动刀架有了更直观的了解。最后本文提出了对电动刀架的一些意见和改良措施。关键词：数控机床 旋转刀架 六角Structural design of six angle turret of CNC lathe and design of typical parts processing technologyAbstractThere is a big gap between the CNC machine tools industry and the advanced manufacturing industry in the world, and the important reason is that the main function parts industry cant keep up with the progress of CNC machine tools. Numerical control lathe is an important part of many varieties of CNC machine tools. It occupies a very important proportion in CNC machine tools, and has been paid much attention to by many people for a few years, and has made a rapid breakthrough.The CNC machine forward change rapidly in our country, CNC turret industry is also a fundamental change, however, can only meet the amount of a low quality, price is not high, lack of function and adaptability is not high, the service life is not so high. Unless important breakthroughs are made in the quality area, the quality of the product is most significant.The development trend of NC lathe tool holder is: with the rapid development of CNC lathe, NC turret toward the rapid change tool, electro-hydraulic combination drive and servo drive such trends. The grinding machine can be divided into eight parts, the tool post is divided into four stations, a tool post, a six station tool post, and a disc type axial loading knife holder in various positions. The rotating turret is equipped with four, six and more cutters according to different requirements, and then the tool is changed according to the order of the numerical control device.The main research direction of this paper is: rotating tool post. The relatively important part of the machine tool is the rotating tool post. The cutting tool is fixed on the tool post for machining parts, so the cutting performance and the cutting efficiency of the machine tool are directly reflected by the turret. In some aspects, the structure and performance of the turret reflects the design and manufacturing technology level of the machine tool.The design of this paper is aimed at the mechanical design of six position horizontal power tool holder and the design of typical parts processing technology. And carries on the above content to carry on the UG drawing three dimensional chart, causes us to observe that the electric tool holder is opposite intuitively is easy to understand. At the end of this article, we have found some opinions and improvements on the electric tool holder.Key words: CNC machine tool rotating turret six corne37全套设计加扣 30122505821. 绪论1.1 概述数控机床是集机械、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，几年来受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。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水平和制造技术水平。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。传统的车床例如CA6140的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率效率低，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。本课题研究的是数控车床最重要的部件之一：旋转刀架，通过初步了解了设计题目（电动回转刀架）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 数控车床回转刀架的发展趋势近30年的发展，数控刀架逐渐演变为电动和液动两大类别。电动刀架以欧洲为代表，液动刀架以日本技术为基础，日本、韩国和我国台湾省为代表。液压刀架采用液压马达驱动，采用间歇分度机构品行共扼凸轮分度和预定位，液压松开刹紧，位置信号用组合传感器发出。随着主机技术向高速、复合方向发展，数控刀架技术也向高速化、复合方向发展。主要表现在：（1）高速化 开放式伺服电机及驱动技术的发展，使伺服电机驱动刀架技术发展成为现实。伺服电机代替了预定位置装置、发信装置，简化了刀架结构，松开、刹紧采用液压。伺服刀架提高了换刀速度。（2）复合化 车削中心的出现，使刀架技术向复合化更高层次发展。带铣削功能的动力刀架，一般采用普通刀架外加伺服主轴电机驱动动力刀具，刀盘采用VDI（Virtual Device Interface）刀盘，钻铣主轴最高转速可达12000r/min，功率22Kw。近几年出现B轴、Y轴联动带铣削头刀架，从而使机床达到五轴联动。1.3 国内数控回转刀架的现状在各大机床厂家的不懈努力下，我国在数控刀架生产开发方面有了较大突破，特别是在及时跟踪国外先进技术，不断开发推出新品，满足主机配套发展的需要等方面有了长足发展。作为数控车床的核心功能部件之一，数控刀架虽然取得了较大进步，但与国外的水平相比，仍有一定的差距，成为制约主机发展的瓶颈因素之一。1.4 本课题主要研究设计内容本课题为数控车床六角回转刀架结构设计及典型零部件加工工艺设计，该刀架能够在一次装夹中完成多道工序，使加工范围扩大，大大提高了加工精度和生产效率。本次设计的主要内容为：1.刀架总体结构设计 2.传动结构设计 3.分度机构设计 4.典型零部件设计 5.典型零部件加工工艺。其中分度机构设计和传动机构设计为本次设计重点，决定了数控刀架的整体精度。2. 数控车床六角回转刀架整体结构设计2.1 机床刀架的工作原理2.1.1 数控车床刀架的基本要求（1）满足工艺过程所提出的要求 刀架上能布置足够多的刀具，能够方便而正确的加工各工件表面，实现工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架装夹刀具尽可能多，且可以方便转位。（2）在刀架上要能牢固的安装刀具 安装刀具时还应能精确的调整刀具的位置，以保证刀具和工件间精确的相对位置。刀架的运动精度将直接反应到被加工工价的几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架运转的终点到位应准确。而且这种精度保持性要好，以便于长期保持刀具的正确位置。（3）刀架应有足够的刚度 由于刀具的类型、尺寸各异，质量相差较大，刀具在自动转向过程中方向变化较复杂，而且有些刀架还直接承受切削力，考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀架必须有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。（4）可靠性高 由于刀架和自动换刀装置在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也很高，所以必须充分重视它的可靠性。（5）刀架换刀时间尽量短，以利于提高生产效率。（6）操作方便安全。2.1.2 数控车床刀架的功用数控车床刀架是各类数控车床的核心配套附件之一。它大多采用步进电机（或伺服电机，或液压马达）驱动，它可按主机的编程要求完成刀架的自动换刀动作，以实现数控车床加工程序的自动化和高效化。因此，刀架的性能和结构往往直接影响到机床的切削性能、切削效率和体香了机床的设计和制造技术水平。2.2 总体方案的确定数控车床刀架大体上可分为转塔式刀架和直排式刀架两大类。转塔式刀架又分立式数控转塔刀架和卧式数控转塔刀架，本文着重讨论卧式数控转塔刀架。卧式数控转塔式刀架为一种回转轴线与安装几面平行的、可装夹多把刀具或工具，采用数字信息指令控制的刀架。它利用装夹于刀盘上的非动力刀架和动力刀夹来夹持各种不同用途的刀具或工具，刀盘根据机床编程的指令转过若干个工位，是下一道工序所用的刀具达到指定的工位，来实现主机的自动换刀动作。其驱动转塔刀架的动力源有电机传动和液压传动两大类。根据两种转塔刀架的特点和本次设计任务的要求选定设计的转塔刀架为卧式数控转塔刀架。2.3 刀架基本结构、工作原理及动作顺序2.3.1 数控刀架基本结构图2-1 卧式简易数控刀架结构数控车床刀架基本结构有：（1）驱动装置 有电机驱动或液压驱动（2）分度装置 主要分间歇分度机构和连续分度机构（3）预定位装置 到达所需工位后停止分度运动，以便于齿盘正确啮合。（4）松开刹紧装置 齿盘的松开刹紧，为了完成快速刹紧和得到足够大的刹紧力，松开和刹紧一般选用液压和机械等来实现。（5）精定位装置 刀具切削时需要很高的刚性和定位精度，因此刀架都选用齿盘副为精定位元件。（6）发信号装置 发信号装置为霍尔元件（7）装刀装置 包括刀盘、刀架及夹刀装置2.3.2 电动刀架基本工作原理 （1）执行换刀动作前，由控制系统发出指令，给电磁离合器通电，收缩弹簧，取消端齿盘所受压力； （2）电机启动低速正转，驱动蜗轮蜗杆转过360/n（n为端齿盘齿数），使动端齿盘后移； （3）当动端齿盘后移到一定距离时，光电开关检测到动端齿盘后移到位，给控制系统反馈信号，此时电机可提高转速旋转到制定刀位； （4）即将到达预选位时，光电开关发令让电机降低转速，到达指定位置时，光电开关给控制系统反馈信号，切断电磁离合器供电，此时弹簧复位，给动端齿盘作用力，与静端齿盘啮合，实现精确定位2.3 刀架转位机构设计本设计采用小功率异步电机驱动蜗杆、蜗轮实现刀架转位，转位的速度和角位移均可通过半闭环反馈进行精确控制加以实现， 如图2-2所示图2-2交流电机驱动的刀架转位机构在旋转刀架上，为了提高刀架的转位分度精度，采用了单头双导程蜗杆，以便在使用中随时调整蜗杆蜗轮的传动间隙，实现准确的转位分度，保证刀架工作的可靠性。2.4 刀架定位机构设计目前在刀架的定位机构中多采用锥销定位和端齿盘定位。由于圆柱销和斜面销定位是容易出现间隙，圆锥销定位精度高。它进入定位孔时一般靠弹簧力或液压、气动，圆锥销磨损后仍可以消除间隙，以获得较高的定位精度。本设计用端齿盘机构实现精定位。2.4.1 端齿盘的应用 端齿盘又称多齿盘、细齿盘、鼠牙盘，实际有自动定心功能的精密分度定位元件，广泛应用与加工中心、柔性单元、数控机床、测量仪器、各种高精度间歇式圆周分度装置、多工位定位机构、以及其他需要精密分度的各种设备上。如数控车床中的多工位自动回转刀架，铣床及加工中心用的回转工作台及其他分度装置中都采用端齿盘作为精定位元件。端齿盘的齿形有直齿和弧齿两种，直齿端齿盘由于加工方便、定位精度及重复定位精度高而最受欢迎。端齿盘实际上相当于一堆齿数相等同的离合器，其啮合过程与离合器的啮合类似。2.4.2 端齿盘的特点在分度及定位装置中，一般利用端齿盘作为其精确定位元件。它具有以下特点：（1）分度精度高 在一副端齿盘中，实际分度误差等于所有齿单个分度误差的平均值的平均值。即： （2-1）此为端齿分度的“误差平均效应”。由于误差平均效应，使分度精度大大提高，是端齿盘的分度精度可高达0.1。且齿数越多分度越高。端齿盘啮合齿是沿圆周向心分布的，一对齿盘啮合时具有自动定心作用，所以回转轴的精度及其在使用中的磨损对定心精度几乎没有影响。（2）分度范围大 端齿盘的分度大小与齿数有关。端齿盘的齿数可任意确定，以适应各种分度需要。例如齿为360齿的端齿盘，最小分度值为1。用差动端齿分度装置，即利用两副齿数不同的端齿盘叠在一起并作相对分度运动时，分度范围更大。（3）精度的重复性和持久性好 精度的重复性和持久性好重复定位精度可达0.02。一般的机械分度装置的精度，随着分度装置的使用而出现磨损，将逐渐降低分度精度。但端齿盘在使用过程中，却相当于上下齿盘在不断地对研，因此使用越久，齿面接触面积越大，上下齿盘啮合越好，分度精度的重复性和持久性也就越好而且有可能提高精度。（4）刚性好 因所有齿形沿圆周方向均匀分布，上下齿盘啮合时齿面无间隙，故啮合时能自动定中心，不论承受的是切向力、径向力还是轴向力，整个分度装置形成一个良好的刚性整体。1）机构紧凑，使用方便 2）维护方便 3）不能进行任意连续分度端齿盘定位由两个齿形相同的端齿面齿盘相啮合而成，由于啮合时各个齿的误差相互抵偿，起着均化误差的作用，定位精度高。齿盘的齿形角一般有等于90和60两种，齿盘的齿数选择应根据所要求的分度数以及齿盘外径D的大小来确定。齿形半角和齿数Z与齿顶半角的关系满足 （2-2）例如=45，=150， =36，=45，=120，=45，一般齿盘外径均在100-800mm之间，且，定位基准外径，重合厚度均已标准化。本设计中齿盘参数详见零件设计部分。2.5电动机选择及安装形式的确定2.5.1 电动机型号选择六角回转刀架所需驱动功率非常小，仅需克服螺纹传动阻力，并能提供一定程度的夹紧力，电机负载平稳，对启动、制动屋特殊要求，为长期运行的机械装置，因此可以选择小功率一般异步电机。2.6.2 电动机电压和转速的选择电机转速的确定。电动机的额定转速是根据生产机械的要求而选定的，在确定电动机的额定转速时，必须考虑传动机构的传动比值，两者互相配合，经过技术、经济全面比较才能确定。通常，电机的转速不低于500r/min。因为当功率一定时，电动机转速越低，则其尺寸越大，价格越高，而且效率也越低，如选择高速电动机，势必加大机械减速机构的传动比，致使机械传动部分变得复杂。对于要求快速频繁启动、制动的机械，电动机的转动惯量与额定转速的平方乘积最小时，能获得最好的启动制动效果。综合考虑，选择电动机额定转速为900r/min。根据以上分析，并参考相关数控车床厂家电机型号，确定本设计的电动机为小功率可调速电动机，其具体参数为：额定功率90W，额定电压220V，额定转速901300r/min，额定效率0.6。2.5.3 电动机结构及安装形式的确定为满足刀架外形较小的情况，并根据电机相关参数，确定采用立式安装形式，此结构端盖上有凸缘，凸缘有螺孔，并有止口，借凸缘平面定位安装。2.6本章小结本章为总体结构设计部分，主要讲了机床刀架基本要求及功用，以及总体方案的确定。阐述了刀架定位机构和转位机构的原理并选定了定位销与齿盘结合定位的方案。最后说明了电动机的选用原则并最终选择了小功率可调速电机作为本次设计的驱动的电动机。3. 运动设计及刀架主参数确定3.1 运动设计 本设计的数控车床六角回转刀架采用小功率可调速电动机驱动，蜗轮蜗杆传动，电动机额定转速为nd=901300r/min，功率90w，暂选定900r/min作为计算参数。首先，确定转位时间及传动比分配。为满足一定的加工效率，45换刀时间不超过1.8s，180换刀时间不超过2.9s，刀架转位在2.9s-1.8s=1.1s时间内转角为180-45=135。则蜗轮最小转速：nmin=/t 带入数据，可得nmin=/t=（135/360）/(1.160)=20.5（r/min）又知电动机转速 nd=900r/min则总降速比 i= nd/ nmin代入数据得 i44采用单头双导程涡轮传动。一般，因此不必在蜗杆端加齿轮加速机构，使用单蜗轮传动就能满足降速比要求，取Z2=44。3.2 刀架主参数确定3.2.1 中心高确定中心高指主轴轴线至刀架底面的垂直距离，根据设计数控车床型号，选择刀架中心到刀架底部中心高为63mm。3.2.2刀架工位数确定 刀架工位数是数控车床用刀架的第二主参数，应根据数控车床上所加工零件的工序数量来选择，若加工零件越复杂，工序数量越多，一般选择的刀架的工位数也越多，本设计为数控车床六角旋转刀架设计，选择六工位。3.3 本章小结数控车床六角旋转刀架的传动非常简单，通过电动机驱动蜗杆机构，再通过螺纹机构传递动力，用端面销粗定位，端齿盘精定位。传动比的确定要满足转位时间要求。根据这些要求，确定蜗杆机构传动比为44，确定了本次设计数控车床刀架的主参数。4. 刀架零件设计、计算及校核4.1 蜗杆蜗轮选用及校核4.1.1蜗杆副材料选择考虑到传递功率不大，转速也不高，蜗杆选用45#钢制造，调质处理，齿面硬度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 =261MPa,接触应力循环次数=60jn2=蜗轮齿的许用接触应力H=214MPa。4.1.2 确定蜗杆头数，蜗轮齿数选取 Z1=1,Z2=iZ1=444.1.3 计算蜗轮按齿面接触疲劳强度确定模数m和蜗杆分度圆直径 式中 蜗轮端面模数，=2mm； 蜗轮分度圆直径，88mm； 作用在蜗轮上的转矩； 蜗轮材料的许用应力，MPa； 材料弹性系数。（1） 确定作用于蜗轮上的转矩，按，初取，则 蜗杆输入功率，P1=90W则T2=440.569.55106(0.09/900)=2.353104Nm（2）确定载荷系数 （4-3）式中 使用系数； 动载荷系数； 工作载荷系数。查取使用系数；假设蜗轮圆周速度，取动载荷系数，工作载荷系数，故 （3）确定许用接触应力查取许用接触应力（4）确定材料弹性系数 对于青铜或铸铁蜗轮与钢制蜗杆配对时，取（5）确定模数m和蜗杆分度圆直径将数据代入式m2d1/mm39KTZE/Z2H2中，得m2d1/mm39KTZE/Z2H2=912.353104160/(44220)2= 57.94 由3表9.1，按mm，选取=2mm，=22.4mm4.1.4 计算传动中心距蜗轮分度圆直径 （4-4）代入数据，得d2=mZ2=244=88mm中心距=（d1+d2)/2（4-5）则=（d1+d2)/2=(22.4+88)/2=55.2mm 4.1.5 蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算（1）蜗杆几何尺寸计算分度圆直径： =22.4mm，直径系数：q=11.2，蜗杆头数：，分度圆导程角 （4-8）代入数据，得 蜗杆轴向齿距 mm，蜗杆齿顶圆直径 mm，蜗杆齿根圆直径：mm，蜗杆轴向齿厚：mm，蜗杆轴向齿距：mm （2）蜗轮齿数计算变位系数：验算传动比：i=Z2/Z1=44/1=44,蜗轮分度圆直径：d2=mZ2=88mm，蜗轮齿顶圆直径：da2=d2+2ham=92mm，蜗轮齿根圆直径：df2=d2-2hf2=85.6mm，蜗轮齿宽：b2(0.670.75)da1，取b2=0.75da1=0.7526.4=19.8mm=mm，取mm蜗轮三维建模如图4-1：图4-1 蜗轮模型4.2 蜗杆轴结构设计及校核4.2.1 蜗杆轴材料选择因传递功率不大，并对质量及结构尺寸无特殊要求，故选用45#钢，调制处理。4.2.2 初算轴径对于转轴，按钮转强度确定轴的最小直径，由材料力学可知，轴受转矩作用时，其强度条件为 mm （4-9）式中 轴的直径，mm； 轴剖面中最大扭转剪应力，MPa； 轴传递的功率，kW； 轴的转速，r/min； 许用扭转剪应力，MPa； 抗扭剖面模量。对于45#钢，/MPa=，按电机所能提供的最大功率=0.09kW，则 dmin=4.925.42mm 考虑键槽的影响，取dmin=5.421.05=5.7mm4.2.3 蜗杆轴结构设计图4-2 蜗杆轴结构设计草图 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。 d6轴上有一个键槽，故槽径增大5%d6dmin(1+5%)=5.7mm ,根据同步轮选取情况，d6选取10mm，长度L6选取30mmd1=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。所选轴承类型为深沟球轴承，型号为6001，B=8mm，D=28mm，L1、L5为与轴承配合的轴段，查轴承宽度为8mm，端盖宽度为20mm，则d1=d5=12mm，L1=8mm，L5=28mmd2、d4起固定轴承作用，定位载荷高度可在（0.070.1）d1范围内，并根据轴承安装要求确定d2=d4=15.5mm，d3为蜗杆与蜗轮啮合部分，故d3=17.6mmL3为蜗杆部分长度L3（11+0.06Z2）m=27.28mm圆整L3取28mmL2尺寸长度与刀架体的设计有关，故设计L2=31mmL4尺寸选取39mm轴的总长为164mm。完成的结构设计草图如图4-2，三维模型如图4-3。图4-3 蜗杆模型图4.2.4 轴的受力分析 （1）蜗杆传动受力分析如图4-4图4-4 蜗杆传动的受力分析蜗杆蜗轮传动的力矩 （4-10） （4-11）式中 蜗杆轴的传递功率，90W； 蜗杆轴的转速，900r/min； 蜗轮蜗杆传动的效率，=0.6。代入数据，得T1/N.mm=9.55106P1/n=9.551060.09/900=955N.mmT2/N.mm=T1=440.69.55102=2.52104N.mm 蜗轮蜗杆受力： （4-12） （4-13） （4-14）则 =85.3N =450N Fr1=-Fr2=163.7N（2） 计算支撑反力，如图4-5（a）、（b）在水平面上 （4-15）则R1H/N= -40.48 R2H/N= （4-16）则R2H/N= 123.22在垂直平面上Rv/N=L2Ft/（L2+L3）则R1v/N=45.87 R2v/N=39.43 轴承I的总支撑反力 （4-17）则 R1/N= 62.3 （4-18）则 R2/N=129.4 (3) 画弯矩图，如图4-5（c）、（d）、（e）在水平面上 剖面左侧 MaH/（N.mm）=R1H.L3=42.2549=2070.25 剖面右侧 MaH/（N.mm）=R2H.L2=123.2257=7023.54在垂直平面上 剖面左侧MaV/(N.mm)=R1V.L3=45.8749=2247.63 剖面右侧 MaV/(N.mm)=R2V.L2=39.4357=2247.51 合成弯矩Ma/（N.mm）= 剖面左侧Ma/（N.mm）= 3206.1 剖面右侧 Ma/（N.mm）= 7457.5 （4）画转矩图，如图4-5（f）图4-5 蜗杆轴受力4.2.5 校核轴的强度 剖面右侧，因弯矩大，还有转矩，故剖面右侧为危险剖面。由3表10.1抗弯剖面模量 抗扭剖面模量 弯曲应力 扭剪应力 =0.87 按弯扭联合强度进行校核，蜗杆轴单向转动，转矩可按脉动循环处理，取折合系数，则当量应力 21.95已知轴的材料为45#钢，调质处理，由3表10.1 查得MPa。显然，故轴的剖面右侧满足要求。4.2.6 校核键连接的强度键连接的挤压应力 （4-19）式中 同步轮轴段直径，mm； 平键尺寸，mm。 考虑到连接处轴径d1=12mm，结合同步轮的尺寸，选取A型普通平键，由GB/1905-79选取键的尺寸bh=44，l=25mm。可得 =3.18取轴、键及同步轮的材料为钢，查机械设计手册得MPa，显然，故强度足够。4.3 齿盘结构设计4.3.1 齿数Z的确定齿数可根据分度要求，即需要分度的最小分度值来确定。 （4-20）例如最小分度角度，则齿。本设计中，数控车床旋转刀架采用六工位，安装六把刀，最小分度值为60，为满足精度要求，设计，可以实现最小值为5整数倍的分位。故可以实现分度要求。4.3.2 端齿盘外径端齿盘的外径主要由设计结构所允许的空间范围来确定。在结构允许的情况下，外径越大越好，这样可以增强分度或定位机构的稳定性。本次设计中，由于结构限制，取齿盘最大外径D=100mm。4.3.3 齿根角（啮合斜角）对于直齿端齿盘，为例保证在齿宽方面上的啮合质量，加工端齿时必须调整分度盘回转轴心线和工作谈倾斜斜角，即齿根角或啮合斜角（如图4-6），以保证齿盘大端和小端的齿厚与齿槽宽度相等。图4-6 端齿盘剖视图图4-7 单齿俯视示意图 图4-8 单齿外径展开示意图由以上分析可知：Zmin=360/=5由图4-7得 y=（0.5D）sin（0.5） =2.1666mm 图4-9 端齿盘剖面及受力分析由图4-9得 Tan=H/D=2.1666/100= 0.021666可知齿根角 4.3.4 端齿盘齿形角端齿盘的齿形角已标准化，通常取40、60、90等。齿形角的选取，应考虑作用在端齿盘上的负荷力矩及锁紧力的大小，如图4-9所示。将作用于齿盘上每齿的切向外力和轴向锁紧力沿着齿面方向进行分解，如图4-10所示，应满足一下条件：图4-10 齿面受力分析 （4-21）即 可以得出，在外载不变时，齿形角越小，所需锁紧力也越小，即自锁性越强，但齿相应变深，齿厚变小；齿形角越大，需要的锁紧力也越大，即承受力外扭矩的能力下降，但齿高变低，端齿啮合的高度下降，可使端齿抬起量减小，结构紧凑。同时也说明了加大外径有利于提高端齿盘的承载能力。 因此，在选取齿形角时，应考虑作用在端齿盘上的负荷（力矩）及锁紧力的大小，同时受齿形加工刀具的限制，本设计采用90齿形角。端齿盘三维建模见图4-11： 图4-11 端齿盘模型4.4动力刀架传动部分4.4.1 刀架轴的结构设计及计算 1. 轴是组成刀架的重要零部件之一，在设计当中主要考虑的是轴的刚度，而碳钢与合金钢的弹性模数相差很小，所以通常选用轴的材料35和45钢，这里选用的是45钢，进行调质处理，以改善装配工艺和保证装配的精度。 2. 这次刀架中用到了以下几种固定方式： 1）常用的是运用轴肩，其结构简单，定位可靠。2）螺母的轴向定位，其定位可靠、装拆方便，但是会增加零件的数量，常用双螺母或圆螺母与止动垫圈固定，运用在轴承的固定上。3）轴套也是用到比较多的，它的结构简单、定位可靠，轴不开槽、钻孔等，可以提高轴的强度。4）弹性挡圈其结构简单、紧凑、工艺性好，但是应力集中较大，适合轴向力小的场合，在这里主要用于轴承的固定。5）轴端挡圈装拆方便可以承受大的轴向力、振动，用于轴端固定零件。7）其次平键，其承受载荷不大。 8）紧定螺钉结构简单，不仅可以纵向定位，还能轴向定位，承受不大的轴向力。 3. 由刀架装配图可知，刀架主轴的支承方式为两端游动支承，其一端与刀盘固连，另一端与液压缸的活塞间隙配合，同时起到左端支承作用。而轴的中间部位由刀盘至液压缸的方向分别与推力球轴承和从动盘相连，双列圆柱滚子轴承与滚针轴承起左端支承作用。已知伺服电机的功率为0.09kW，电机转速n1=900r/min，取涡轮蜗杆效率为=0.56。根据主轴最大切向许用力矩为0.7KN，最大轴向许用力矩为0.8KN，选取轴端轴承为双列圆柱滚子轴承，型号为NN3006，规格为305519，刀盘端轴承为双向推力角接触轴承，型号为234411BM,规格为559044。 1) 先求出刀架主轴上的传递功率、转速和转矩 P2=P=0.090.56=0.0504kW n3=900/44=20.45r/minT3=9550000(P3/n3）=23536.4Nmm 2) 初步确定轴的最小直径由式 可初步估算设计轴的最小直径式中：为系数，轴的材料不同，则的值会不同； 为轴传递的功率，单位为； 为计算截面处轴的直径，单位为mm； 为轴的转速，单位为；选取轴的材料为45钢，调质处理。根据表153，取，于是得14.18mm从而取轴的最小直径为dmin=15mm，由选取的轴承型号确定此处直径为d1=30，L1=30mm；3） 主轴左端刀盘安装处所承受最大力矩为10000N设定刀尖处相对直径为180mm则轴端最大转动力矩T=1.8106Nmm查表得轴的许用转应力为60MPa按照许用转应力计算公式d1min=53.13mm从而取主轴左端轴最小直径为d1min=54mm，由所选取轴承确定此处直径为d4=55mm，L4=44+36（紧固螺纹）=80mm由整体设计得出剩余各轴端直径及长度尺寸如下：L2=38mm，d2=35mmL3=20mm，d3=50mmL5=50mm，d5=60mmL6=31mm，d6=100mm 图4.1刀架轴示意图4.5 本章小结本章为本次设计中最重要的章节，进行了主要零部件的设计计算及校核。包括蜗轮蜗杆的设计及校核、蜗杆轴的设计校核、连接键的设计校核以及端齿盘的参数的设计校核。5.典型零部件的加工工艺设计 对本课题所设计的典型零件选取，进行加工工艺设计，认真详实的确定加工顺序，切削用量，进给量，切削速度，制定工艺路线，确保产品的质量，本课题选取蜗杆作为典型零部件进行工艺设计，方案如下。5.1蜗杆材料本设计选取蜗杆材料为45#钢，并调质处理HB240-280，齿面淬火硬度HRC45-55。5.2加工定位基准 从结构上分析，蜗杆分为套装蜗杆、整体蜗杆，本设计采取的是整体蜗杆，因此确定以中心孔作为加工基面，对中心孔的要求较高，应该有保锥，保证光洁度和接触面积，每道工序都应检查和修正中心孔，轴承支撑面应保证与中心孔的同轴度及自身的几何精度，在半加工和精加工工序前，都应检查轴承支撑面径向、跳径和端面的轴向摆动是否在公差范围内。5.2.1粗基准的选择 按照粗基准的选择原则，夹住外圆在一次装夹中把大部分表面加工出来，能保证外圆和中心孔同轴度及端面与轴线的垂直度。5.2.2精基准的选择选择设计基准作为精基准，可以避免定位基准选择和设计基准不重合而引起的基准不重合误差。基准的统一有利于保证各表面间的位置精度，避免基准转换带来的误差，并且各工序所采用的夹具比较统一，可减少家居设计和制造工作。当有同时有两个加工面时，可以互为基准反复加工。在选取基准时，应选取工件上精度较高，尺寸较大的表面作为基准，保证其可靠性，并考虑工件的装夹和加工方便。5.3工艺路线拟定本设计采取的为整体蜗杆，因