数控专业毕业设计 .doc

毕 业 设 计 论文 说 明 书 题 目 数控加工中心盘式刀库设 计 姓 名 曾庆杰 编 号 平顶山工业职业技术学院 2011 年 月 日 平顶山工业职业技术学院 毕 业 设 计 论文 任 务 书 姓名 曾庆杰 专业 机电一体化 数控方向 任 务 下 达 日 期 年 月 日 设计 论文 开始日期 201 年 月 日 设计 论文 完成日期 2011 年 月 日 设计 论文 题目 数控加工中心盘式刀库设计 A 编制设计 B 设计专题 毕业论文 指 导 教 师 系 部 主 任 年 月 日 平顶山工业职业技术学院 毕业设计 论文 答辩委员会记录 机械工程系 系 机电一体化 数控方向 专业 学生 曾庆杰 于 2011 年 月 日 进行了毕业设计 论文 答辩 设计题目 数控加工中心盘式刀库设计 专题 论文 题目 数控加工中心盘式刀库设计 指导老师 答辩委员会根据学生提交的毕业设计 论文 材料 根据学生答辩情况 经答 辩委员会讨论评定 给予学生 毕业设计 论文 成绩为 答辩委员会 人 出席 人 答辩委员会主任 签字 答辩委员会副主任 签字 答辩委员会委员 平顶山工业职业技术学院毕业设计 论文 评语 第 页 共 页 学生姓名 曾庆杰 专业 机电一体化 数控方向 年级 08 级 三 班 毕业设计 论文 题目 曲轴的加工工艺及夹具设计 评 阅 人 指导教师 签字 年 月 日 成 绩 系 科 主任 签字 年 月 日 毕业设计 论文 及答辩评语 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 1 页 摘摘 要要 加工中心是典型的集高技术于一体的机械加工设备 它的发展代表了一个国家设计制造 的水平也大大提高了劳动生产率 降低了劳动成本 改善了工人的工作环境 降低了工人的 劳动强度 自动换刀刀库的发展俨然已超越其为数控加工中心配套的角色 在其特有的技术 领域中发展出符合机床高精度 高效率 高可靠度及多任务复合等概念的独特产品 刀库作 为加工中心最重要的部分之一 它的发展也直接决定了加工中心的发展 本论文完成的是盘 式刀库的总体设计 传动设计 结构设计以及传动部分的运动和动力设计 这种刀库在数控 加工中心上应用非常广泛 其换刀过程简单 换刀时间短 定位精度高 总体结构简单 紧 凑 动作准确可靠 维护方便 成本低 本刀库减速传动部分分两级减速 一级传动部分采 用齿轮减速装置 二级传动部分采用蜗轮蜗杆减速装置 此种设计方案可提高输出轴的传动 平稳性能 即提高刀盘的运转平稳性 本刀库满载装刀 24 把 采用单环排列方式排放 按 就近选刀原则选刀 关键词 加工中心 刀库 数控加工 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 2 页 Abstract Machining center is a typical set of high tech machining equipment in one its development represents a country s level of design and manufacture greatly improved labor productivity reduce labor costs improved working environment and reduce the labor of workers strength The development of automatic Tool Change s tool house in recent years seems to have gone beyond the NC Center for supporting the role of technology in their unique areas of development to meet the high precision machine tools high efficiency and reliability and more complex tasks such as the concept of unique products The tool house as a processing center one of the most important part it has a direct bearing on the development of the processing center s development This paper completed the overall design transmission design structure design and the transmission part s movement and dynamic design of the disc tool house Such a tool house in the CNC Machining Center is widely used the tool change is simple tool change time is short high precision positioning overall structure is simple and compact Action is accurate and reliable convenient maintenance and low cost The slowdown part in the transmission of the tool house includes two parts the first part of the transmission is gear deceleration device the second transmission part of the transmission is Worm Gear deceleration device such design can increase the output shaft of the transmission smooth performance improve the smooth functioning of the tool house The tool house which can load with the maximum of 24 tools use single ring arrangement of emissions and according to the principle of the nearest to election tools Key words Machining centers Tool house NC 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 3 页 目录目录 摘摘 要要 1 ABSTRACABSTRAC 2 1 引言引言 4 1 1 数控加工中心概述 4 1 2 数控加工中心的分类 4 1 3 加工中心的主要加工对象 5 1 4 加工中心的特点 7 1 5 加工中心刀库的形式 8 1 6 换刀装置的形式 9 2 总体方案的确定总体方案的确定 10 2 1 刀库主要参数 10 2 2 电动机的初选 10 2 3 确定传动装置的总传动比和分配传动比 11 2 4 确定各轴转速 转矩和功率 12 2 5 电动机的校核 14 3 刀库设计与校核刀库设计与校核 16 3 1 齿轮传动的计算 16 3 2 轴的校核 20 3 3 滚动轴承的校核 25 3 4 蜗轮蜗杆的设计 26 3 5 键的校核 26 4 刀具交换装置刀具交换装置 28 4 1 换刀简介 28 4 2 换刀过程 28 结论结论 29 致谢致谢 30 参考文献参考文献 31 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 4 页 1 引 言 1 1 数控加工中心概述 数字控制是 20 世纪中期发展起来的一种自动控制技术 是用数字化信号进行控制的一 种方法 16 采用数控技术进行控制的机床 称为数控机床 8 加工中心 Machining Center 简称 MC 是一种备有刀库并能自动更换刀具对工件进行多工序加工的数控机床 它是适应 省力 省时和节能的时代要求而发展起来的 它综合了机械技术 电子技术 计算机软件技 术 气动技术 拖动技术 现在控制理论 测量及传感技术以及通讯诊断 刀具和应用编程 技术的高技术产品 将数控铣床 数控镗床 数控钻床的功能聚集在一台加工设备上 且增 设有自动换刀装置和刀库 可以在一次安装工件后 数控系统控制机床按不同工序自动选择 和更换刀具 自动改变机床主轴转速 进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能 依次完成多面和多工序的端平面 孔系 内外倒角 环形槽及攻螺纹等加工 4 随着电子技术的迅速发展 以及各种性能良好的传感器的出现和运用 加工中心的功能 日趋完善 这些功能包括 刀具寿命的监视功能 刀具磨损和损伤的监视功能 切削状态的 监视功能 切削异常的监视 报警和自动停机功能 自动检测和自我诊断功能及自适应控制 功能等 1 加工中心还与载有随行夹具的自动托板进行有机连接 并能进行切屑自动处理 使得加工中心成为柔性制造系统 计算机集成制造系统合自动化工厂的关键设备和基本单元 1 2 数控加工中心的分类 1 2 1 按照机床形态分类 1 卧式加工中心 指主轴轴线为水平状态设置的加工中心 卧式加工中心一般具有 3 5 个运动坐标 常见的有三个直线运动坐标 沿 X Y Z 轴方向 加一个回转坐标 工作台 它能够使工件一次装夹完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工 卧式加工中心较立式 加工中心应用范围广 适宜复杂的箱体类零件 泵体 阀体等零件的加工 但卧式加工中心 占地面积大 重量大 结构复杂 价格较高 1 2 立式加工中心 指主轴轴心线为垂直状态设置的加工中心 立式加工中心一般具 有三个直线运动坐标 工作台具有分度和旋转功能 可在工作台上安装 个水平轴的数控转 台用以加工螺旋线零件 立式加工中心多用于加工筒单箱体 箱盖 板类零件和平面凸轮的 加工 立式加工中心具有结构简单 占地面积小 价格低的优点 3 龙门加工中心 与龙门铣床类似 适应于大型或形状复杂的工件加工 4 万能 加工中心 万能加工中心也称五面加工中心小工件装夹能完成除安装面外的所有面的加工 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 5 页 具有立式和卧式加工中心的功能 常见的万能加工中心有两种形式 一种是主轴可以旋转 900 既可象立式加工中心一样 也可象卧式加工中心一样 另一种是主轴不改变方向 而工 作台带着工件旋转 900 完成对工件五个面的加工 在万能加工中心安装工件避免了由于二次 装夹带来的安装误差 所以效率和精度高 但结构复杂 造价也高 1 2 1 2 2 按换刀形式分类 1 带刀库机械手的加工中心 加工中心换刀装置由刀库 机械手级组成 换刀动作 由机械手完成 2 机械手的加工中心 这种加工中心的换刀通过刀库和主轴箱配合动作来完成换刀 过程 3 转塔刀库式加工中心 一般应用于小型加工中心 主要以加工孔为主 加工中心常按主轴在空间所处的状态分为立式加工中心和卧式加工中心 加工中心的主 轴在空间处于垂直状态的称为立式加工中心 主轴在空间处于水平状态的称为卧式加工中心 主轴可作垂直和水平转换的 称为立卧式加工中心或五面加工中心 也称复合加工中心 按 加工中心立柱的数量分 有单柱式和双柱式 龙门式 7 1 2 3 按数控系统功能分类 加工中心根据数控系统控制功能的不同分 有三轴二联动 三轴三联动 四轴三联动 五轴四联动 六轴五联动等 三轴 四轴是指加工中心具有的运动坐标数 联动是指控制系 统可以同时控制运动的坐标数 从而实现刀具相对工件的位置和速度控制 11 1 2 4 按工作台的数量和功能分类 有单工作台加工中心 双工作台加工中心 和多工作台加工中心 1 2 5 按加工精度分类 1 普通加工中心 普通加工中心 分辨率为 1 m 最大进给速度 15 25m min 定 位精度 l0 m 左右 2 高精度加工中心 高精度加工中心 分辨率为 0 1 m 最大进给速度为 15 100m min 定位精度为 2 m 左右 介于 2 l0 m 之间的 以 5 m 较多 可称精密级 3 1 3 加工中心的主要加工对象 加工中心适宜于加工复杂 工序多 要求较高 需用多种类型的普通机床和众多刀具夹 具 且经多次装夹和调整才能完成加工的零件 其加工的主要对象有箱体类零件 复杂曲面 异形件 盘套板类零件和特殊加工等五类 4 6 1 3 1 箱体类零件 箱体类零件一般是指具有一个以上孔系 内部有型腔 在长 宽 高方向有一定比例的 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 6 页 零件 这类零件在机床 汽车 飞机制造等行业用的较多 箱体类零件一般都需要进行多工 位孔系及平面加工 公差要求较高 特别是形位公差要求较为严格 通常要经过铣 钻 扩 镗 铰 锪 攻丝等工序 需要刀具较多 在普通机床上加工难度大 工装套数多 费用高 加工周期长 需多次装夹 找正 手工测量次数多 加工时必须频繁地更换刀具 工艺难以 制定 更重要的是精度难以保证 加工箱体类零件的加工中心 当加工工位较多 需工作台多次旋转角度才能完成的零件 一般选卧式镗铣类加工中心 当加工的工位较少 且跨距不大时 可选立式加工中心 从一 端进行加工 1 3 2 复杂曲面 复杂曲面在机械制造业 特别是航天航空工业中占有特殊重要的地位 复杂曲面采用普 通机加工方法是难以甚至无法完成的 在我国 传统的方法是采用精密铸造 可想而知其精 度是低的 复杂曲面类零件如 各种叶轮 导风轮 球面 各种曲面成形模具 螺旋桨以及 水下航行器的推进器 以及一些其它形状的自由曲面 这类零件均可用加工中心进行加工 铣刀作包络面来逼近球面 复杂曲面用加工中心加工时 编程工作量较大 大多数要有自动 编程技术 1 3 3 异形件 异形件是外形不规则的零件 大都需要点 线 面多工位混合加工 异形件的刚性一般 较差 夹压变形难以控制 加工精度也难以保证 甚至某些零件的有的加工部位用普通机床 难以完成 用加工中心加工时应采用合理的工艺措施 一次或二次装夹 利用加工中心多工 位点 线 面混合加工的特点 完成多道工序或全部的工序内容 1 3 4 盘 套 板类零件 带有键槽 或径向孔 或端面有分布的孔系 曲面的盘套或轴类零件 如带法兰的轴套 带键槽或方头的轴类零件等 还有具有较多孔加工的板类零件 如各种电机盖等 端面有分 布孔系 曲面的盘类零件宜选择立式加工中心 有径向孔的可选卧式加工中心 1 3 5 特殊加工 在熟练掌握了加工中心的功能之后 配合一定的工装和专用工具 利用加工中心可完成 一些特殊的工艺工作 如在金属表面上刻字 刻线 刻图案 在加工中心的主轴上装上高频 电火花电源 可对金属表面进行线扫描表面淬火 用加工中心装上高速磨头 可实现小模数 渐开线圆锥齿轮磨削及各种曲线 曲面的磨削等 7 8 1 4 加工中心的特点 加工中心 Machining Center 是典型的集高新技术于一体的机械加工设备 它的发展 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 7 页 代表了一个国家设计 制造的水平 因此在国内外企业界都受到高度重视 如今 加工中心 已成为现代机床发展的主流方向 加工广泛应用于机械制造中 8 9 与普通数控机床相比 它具有以下几个突出特点 1 4 1 工序集中 加工中心备有刀库并能自动更换刀具 对工件进行多工序加工 使得工件在一次装夹后 数控系统能控制机床按不同工序 自动选择和更换刀具 自动改变机床主轴转速 进给量和 刀具相对工件的运动轨迹 以及其他辅助功能 现代加工中心更大程度地使工件在一次装夹 后实现多表面 多特征 多工位的连续 高效 高精度加 工 即工序集中 这是加工中心 最突出的特点 1 4 2 对加工对象的适应性强 加工中心生产的柔性不仅体现在对特殊要求的快速反应上 而且可以快速实现批量生产 提高市场竞争能力 1 4 3 加工精度高 加工中心同其他数控机床一样具有加工精度高的特点 而且加工中心由于加工工序集中 避免了长工艺流程 减少了人为千扰 故加工精度更高 加工质量更加稳定 1 4 4 加工生产率高 零件加工所需要的时间包括机动时间与辅助时间两部分 加工中心带有刀库和自动换刀 装置 在一台机床上能集中完成多种工序 因而可减少工件装夹 测量和机床的调整时间 减少工件半成品的周转 搬运和存放时间 使机床的切削利用率 切削时间和开动时间之比 高于普通机床 3 4 倍 达 80 以上 1 4 5 操作者的劳动强度减轻 加工中心对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的 操作者除了操作键盘 装卸零 件 进行关键工序的中间测量以及观察机床的运行之外 不需要进行繁重的重复性手工操作 劳动强度和紧张程度均可大为减轻 劳动条件也得到很大的改善 1 4 6 经济效益高 使用加工中心加工零件时 分摊在每个零件上的设备费用是较昂贵的 但在单件 小批 生产的情况下 可以节省许多其他方面的费用 因此能获得良好的经济效益 另外 由于加 工中心加工零件不需手工制作模型 凸轮 钻模板及其他工夹具 省去了许多工艺装备 减 少了硬件投资 还由于加工中心的加工稳定 减少了废品率 使生产成本进一步下降 1 5 加工中心刀库的形式 加工中心使用的刀库最常见的形式是圆盘式刀库和机械手换刀刀库 2 1 5 1 圆盘式刀库 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 8 页 圆盘式刀库应该称之为固定地址换刀刀库 即每个刀位上都有编号 一般从 1 编到 12 18 20 24 等 即为刀号地址 操作者把一把刀具安装进某一刀位后 不管该刀具更 换多少次 总是在该刀位内 1 制造成本低 主要部件是刀库体及分度盘 只要这两样零件加工精度得到保证即 可 运动部件中刀库的分度使用的是非常经典的 马氏机构 前后 上下运动主要选用气缸 装配调整比较方便 维护简单 一般机床制造厂家都能自制 2 刀号的计数原理 一般在换刀位安装一个无触点开关 1 号刀位上安装挡板 每 次机床开机后刀库必须 回零 刀库在旋转时 只要挡板靠近 距离为 0 3mm 左右 无触 点开关 数控系统就默认为 1 号刀 并以此为计数基准 马氏机构 转过几次 当前就是几 号刀 只要机床不关机 当前刀号就被记忆 刀具更换时 一般按最近距离旋转原则 刀号 编号按逆时针方向 如果刀库数量是 18 当前刀号位 8 要换 6 号刀 按最近距离换刀原则 刀库是逆时针转 如要换 10 号刀 刀库是顺时针转 机床关机后刀具记忆清零 3 固定地址换刀刀库换刀时间比较长国内的机床一般要 8 秒以上 从一次切削到另 一次切削 4 圆盘式刀库的总刀具数量受限制 不宜过多 一般 40 刀柄的不超过 24 把 50 的不超过 20 把 大型龙门机床也有把圆盘转变为链式结构 刀具数量多达 60 把 8 13 1 5 2 机械手刀库 机械手刀库换刀是随机地址换刀 每个刀套上无编号 它最大的优点是换刀迅速 可靠 1 制造成本高 刀库有一个个刀套链式组合起来 机械手换刀的动作有凸轮机构控 制 零件的加工比较复杂 装配调试也比较复杂 一般由专业厂家生产 机床制造商一般不 自制 2 刀号的计数原理 与固定地址选刀一样 它也有基准刀号 1 号刀 但我们只能 理解为 1 号刀套 而不是零件程序中的 1 号刀 T1 系统中有一张刀具表 它有两栏 一栏 是刀套号 一栏是对应刀套号的当前程序刀号 假如我们编一个三把刀具的加工程序 刀具 的放置起始是 1 号刀套装 T1 1 号刀 2 号刀套装 T2 3 号刀套装 T3 我们知道当主轴上 T1 在加工时 T2 刀即准备好 换刀后 T1 换进 2 号刀套 同理 在 T3 加工时 T2 就装在 3 号刀套里 一个循环后 前一把刀具就安装到后一把刀具的刀套里 数控系统对刀套号及 刀具号的记忆是永久的 关机后再开机刀库不用 回零 即可恢复关机前的状态 如果 回 零 那必须在刀具表中修改刀套号中相对应的刀具号 3 机械手刀库换刀时间一般为 4 秒 从一次切削到另一次切削 4 刀具数量一般比圆盘刀库多 常规有 18 20 30 40 60 等 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 9 页 5 刀库的凸轮箱要定期更换起润滑 冷却作用的齿轮油 8 13 1 6 换刀装置的形式 换刀装置的形式有回转刀架换刀 更换主轴换刀 更换主轴箱换刀 带刀库的自动换刀 系统 1 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 10 页 2 总体方案的确定 连轴器 电 动 机 III轴 II轴 I轴 图 2 1 系统设计简图 2 1 刀库主要参数 载刀量 24 把 主轴鼻端 刀具形式 BT40 刀具直径 80mm 平均重量 7Kg 初选刀库直径 660mm 刀盘最低转速 60r min 由于刀具形式为 BT40 其刀具直径为80mm 按初选的刀库直径660mm 来排列可 知每把刀之间的间隔约为 6mm 符合安装要求 刀库的系统传动部分的简图如上图 2 1 所示 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 11 页 2 2 电动机的初选 1 选择电动机类型 按工作要求和条件 选用三相异步电动机 电压 380V Y 型 2 选择电动机的容量 初选电动机型号为 Y2 712 2 其主要参数如下表 1 表 2 1 需添加表名 型号额定功率满载转速额定转矩最大转矩质量 Y2 712 20 5528202 22 3 电动机输出转矩 9550 N m d T m d n P 9550 N m 2820 55 0 1 86 N m 在此论文中 分别为轴承 齿轮传动 包括蜗轮蜗杆 的传动效率 1 2 取 0 98 滚子轴承 0 97 齿轮精度为 8 级 不包括轴承效率 1 2 3 确定电动机转速 刀库工作刀库转盘所必需满足的转速最低为 n 60 min r 根据传动比合理取值 取一级齿轮的传动比 i2 二级涡轮蜗杆减速器传动比 i20 1 2 则总传动比合理范围为 i40 故电动机转速约为 a n in 40 2400 d a 60 min r 2 3 确定传动装置的总传动比和分配传动比 由选定电动机满载转速 n 和工作机主动轴转速 n 可得传动装置总传动比为 m 2 1 n n i m a 总传动比为各级传动比 的乘积 即 1 i 2 i 3 i n i 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 12 页 电动机型号为 Y2 712 2 满载转速 n 2820 m min r 1 总传动比 由式 1 47 n n i m a 60 2820 2 分配减速器的各级传动比 按展开式布置 考虑润滑条件 得2 19 5 1 i 2 i 则此时的输出转速为 n 72 31 a m i n 5 192 2820 min r 2 4 确定各轴转速 转矩和功率 1 各轴转速 2 2 0 1 i n n m min r 式中 电动机满载转速 m n 电动机至 轴的传动比 0 i 以及 2 3 II n 101 ii n i n mI min r 2 4 2102 iii n i n n mII III min r 由式 2 3 2 5 得 I 轴 1410 0 1 i n n m 2 2820 min r II 轴 1410 II n I n min r III 轴 72 31 102 ii n i n n mII III 5 192 2820 min r 2 各轴输入功率 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 13 页 kW 2 5 dI PP 3 kW 2 6 12 III PP 3212 kW 2 7 23 IIIII PP 3223 式中 分别为轴承 齿轮传动的传动效率 2 3 由式 5 7 得 I 轴 0 55 0 98 0 54kW dI PP 01 II 轴 0 539 0 98 0 97 0 51kW 12 III PP 32 d P III 轴 0 51 0 40 kW III P 3223 IIII PP 80 0 98 0 I III 轴的输出功率则分别为输入功率乘轴承效率 0 98 例如 I 轴输出功率为 0 53kW 其余类推 98 0 II PP 3 各轴输入转矩 N m 2 8 010 iTT dI 其中为电动机的输出转矩 按下式计算 d T 9550 N m 2 9 d T m d n P 所以 9550 N m 2 10 010 iTT dI 010 i n P m d 9550 N m 2 11 121 iTT III120110 ii n P m d 9550 N m 2 12 232 iTT IIIII231201210 iii n P m d 9550 N m 2 13 34 IIIIV TT 34231201210 iii n P m d 由式 8 13 电动机轴输出转矩 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 14 页 9550 9550 1 86 N m d T m d n P 2820 55 0 I III 轴的输入转矩 I 轴 9550 010 iTT dI 01 m d n P 0 i 1 860 97 2 3 61N m II 轴 III TT 1 0 97 1 T 3 610 97 3 50 N m III 轴 232 iTT IIIII212 iTII 3 5019 50 980 80 53 51 N m I III 轴的输出转矩则分别为各轴的输入转矩乘轴承效率 0 98 例如 I 周的输出转矩为 3 61 0 98 3 54 N m 其余类推 98 0 II TT 运动和动力参数计算结果如下表 2 2 表 2 2 需添加表名 转矩 T N m 功率 P kW 轴名 输入输出输入输出 转速 n min r 传动 比 i 效率 电动机轴1 860 55282020 96 I 轴3 613 540 540 531410 10 95 II 轴3 503 430 510 501410 19 50 78 III 轴53 5152 440 400 3972 31 1 000 97 2 5 电动机的校核 1 转矩校核 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 15 页 加载在刀盘转轴上的重力为 刀库旋转刀架的重力 其中刀架厚度为 15mm G1 5 6 4 0 015 0 16 0 06 0 03 g 3 10 4 2 6 0 2 55 0 4 2 2 0 2 12 0 0 03 10 150N 刀库转盘的重量 其中转盘厚度为 30mm G2 70 24 5 6 0 15 4560Ng 3 10 4 2 66 0 则可得刀库作用在轴 3 上的转矩 T 3 Gd3 0 004 4560 150 0 06 N m 1 13 N m 可得 T 3 n 故 d a 60 min r m min r m d 此电动机的转速也满足刀库的转速要求 综合考虑电动机和传动装置的尺寸 转矩 价格和带传动 减速器的传动比 可见此电 动机比较合适 因此选定电动机型号为 Y2 112 2 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 16 页 3 刀库设计与校核 3 1 齿轮传动的计算 1 选择齿轮类型 精度等级 材料及齿数 1 选用直齿轮 2 加工中心为一般工作机器且轻质载荷 故选用 7 级精度 GB10095 88 3 材料选择 选择小齿轮材料为 40 调质 硬度为 280HBS 大齿轮材料为 45 钢 r C 调质 硬度为 240HBS 二者材料硬度差为 40HBS 4 选小齿轮齿数 20 传动比为 2 大齿轮齿数 2 20 40 1 zi 2 z 2 按齿面接触强度设计 由设计计算公式 10 9a 进行试算 即 2 32 t d1 3 21 1 H E d Z u uKT 1 确定公式内的各计算数值 1 试选载荷系数 1 3 t K 2 计算小齿轮传递的转矩 N mm 1 T 1 1 5 10 5 95 n P 1410 54 0 10 5 95 5 0 3657 N mm 4 10 3 由表 10 7 选取齿宽系数 1 d 4 由表 10 6 查得材料的弹性影响系数 189 8 E Z2 1 a MP 5 由表 10 21d 按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限 600 大齿轮的接 1limH a MP 触疲劳强度极限 550 2limH a MP 6 由式 10 13 计算应力循环次数 60 60 1410 1 2 8 365 8 1 441 1 N h jLn1 9 10 0 251 2 N 75 5 10441 1 9 9 10 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 17 页 7 由图 10 19 取接触疲劳寿命系数 0 95 0 96 21 1HN K 2HN K 8 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1 安全系数 S 1 由式 10 12 得 0 0 0 95 600 570 H 1 S KHN 1lim1 a MP a MP 0 96 550 528 H 2 S KHN 2lim2 a MP a MP 2 计算 1 试算小齿轮分度圆直径 代入 中较小的值 t d1 H 2 32 t d1 3 21 1 H E d Z u uKT 2 32mm 3 2 4 528 8 189 2 12 1 103657 0 3 1 22 6mm 由于机床实际的尺寸关系 这里小齿轮的分度圆直径取为 40mm t d1 2 计算圆周速度 v v 1 08 100060 11 nd t 100060 51440 s m s m 3 计算齿宽 b 根据机床经验公式 齿宽为模数的 6 8 倍 这里模数先试取 2 故 b 6 8 m 16mm 这里取 b 20mm 4 计算齿宽与齿高之比 h b 模数 40 20 mm 2 mm t m 1 1 z d t 齿高 h 2 25 2 25 2 mm 4 5 mm t m 10 67 h b 096 5 353 54 5 计算载荷系数 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 18 页 根据 v 1 46 7 级精度 由图 10 8 查得动载系数 1 06 21 s m v K 直齿轮 1 H K F K 由表 10 2 查得使用系数 1 25 A K 由表 10 4 用插值法查得 7 级精度 小齿轮相对支承非对称布置时 1 420 H K 由 10 67 1 420 查图 10 13 得 1 35 故载荷系数 h b H K F K 1 25 1 06 1 1 420 1 8815K A K v K H K H K 6 按实际的载荷系数校正所得的分度圆直径 由式 10 10a 得 40 45 246mm 1 d t d13 t K K 3 3 1 8815 1 7 计算模数 m m mm 2 26mm 1 1 z d 20 246 45 3 按齿根弯曲强度设计 由式 10 5 得弯曲强度的设计公式 21 为 m 3 2 1 1 2 F SaFa d YY z KT 1 确定公式内的各计算数值 1 由图 10 20c 查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限 500大齿轮的弯曲强度 1FE a MP 极限 380 2FE a MP 2 由图 10 18 取弯曲疲劳寿命系数 0 88 0 90 1FN K 2FN K 3 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S 1 4 由式 10 12 得 314 29 F 1 S K FEFN11 4 1 50088 0 a MP a MP 244 29 F 2 S K FEFN22 4 1 38090 0 a MP a MP 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 19 页 4 计算载荷系数 K K 1 25 1 06 1 1 35 A K v K F K F K 1 789 5 查取齿形系数 由表 10 5 查得 2 80 2 40 1Fa Y 2Fa Y 6 查取应力校正系数 由表 10 5 查得 1 55 1 67 1Sa Y 2Sa Y 7 计算大 小齿轮的并加以比较 F SaFaY Y 0 01381 1 11 F SaFaY Y 29 314 55 1 80 2 0 01640 2 22 F SaFa YY 29 244 67 1 40 2 大齿轮的数值大 2 设计计算 m mm 3 2 4 01640 0 201 103657 0789 12 0 81 mm 故可知上面所预选的模数 m 2 符合设计要求 20 1 z m d t 1 2 40 大齿轮齿数 2 20 40 2 z 4 几何尺寸计算 1 计算分度圆直径 m 20 2 40 mm 1 d 1 z m 40 2 80 mm 2 d 2 z 2 计算中心距 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 20 页 a mm 60mm 2 21 dd 2 8040 3 计算齿轮宽度 根据机床实际设计取值 取 20mm 15mm 1 B 2 B 5 结构设计及绘制齿轮零件图 3 1 图 3 1 需添加图名 3 2 轴的校核 受力分析图及弯扭矩图 图 3 2 需添加图名 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 21 页 D Z Y X Fz1 Fy1 Ft Fr Fz2 Fz3Fz4 Fy2 ABc 图 3 3 需添加图名 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 22 页 图 图 图 图 图 3 4 需添加图名 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 23 页 1 计算作用在轴上的作用力 蜗轮 由于轴 3 的输入转矩 53 51 Nm 3 T 则由式 3 T 3 F 3 d 为涡轮的分度圆直径 62 25mm 3 d 3 d 可得 53 51 0 06225 859 60N 3 F 3 T 3 d 这个力是作用在蜗轮上 对轴 3 产生转矩 由已知导程角和齿形角可算出其余的力 蜗轮的受力情况可由蜗杆的受力图分析 Fa Fr Ft 圆周力 859 60N t F 3 F 径向力 tan tan 1774 36N r F a F 0 20 tan 60 859 周向力 4875N a F 0 10tan t F 为刀库旋转刀架的重力 其中刀架厚度为 15mm 4z F 5 6 4 0 015 0 16 0 06 0 03 4z Fg 3 10 4 2 6 0 2 55 0 4 2 2 0 2 12 0 0 03 10 150N 为刀库转盘的重量 其中转盘厚度为 30mm 3z F 图 3 5 需添加图名 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 24 页 70 24 5 6 0 15 3z Fg 3 10 4 2 66 0 4560N 2 计算支座反力 a 垂直面上的轴承的支承力 由 0 和以左齿轮中点 A 的弯矩平衡得 z F 即 150 4560 859 60 4z F 3z F t F 2z F 1z F 2z F 1z F 168 89 46 75 4z F 3z F t F 2z F 可得 10790N 5220N 1z F 2z F b 水平面上的轴承的支承力 由 0 和以右齿轮 B 中点的弯矩平衡得 y F 即 1774 36N 1y F 2y F r F 1y F 2y F 75 29 1y F r F 可得 686 09N 1088 27N 1y F 2y F 3 水平面上的弯矩 79 11 85N M CY M 4Z F 168 89 431 04 N M 左AY M 4Z F 3z F 75 46 431 04 N M 右AY M 2z F t F 29 151 38 N M DY M 2z F 4 垂直面上的弯矩 46 31 56N M 左DZ M 1y F 29 31 56N M 右DZ M 2y F 5 两平面上的弯矩的合成 431 04 N M A M 22 AyAZ MM 154 62 N M D M 22 DyDZ MM 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 25 页 6 计算当量弯矩 由图可看出 A 处为危险截面 计算 A 截面的当量弯矩 因为是单向回转轴 所以扭转 切应力应视为脉动循环应力 取折算系数 0 6 A 处 432 23N M A M 2 3 2 TM A 7 弯扭合成强度校核 M 20 01 M A W M A 3 61 0 23 432 a P a P 因为 D 点比 A 点多出 Z 方向的弯矩 虽然 D 点在 Y 方向上的弯矩不是最大的 但也应 校核一下 D 点的强度 157 92 N M D M 2 3 2 TMD M 7 31M D W MD 3 61 0 92 157 a P a P 由上述计算可知 A 点比 D 点更加危险 根据选定的轴的材料 45 号钢 调质处理 由查 表得 60 M 因为 故强度足够 此轴符合设计要求 1 a P A 1 3 3 滚动轴承的校核 3 轴上的轴承的校核 1 径向载荷 根据轴的分析 可知 A 点总支反力 10811 79N 2 点总支反力 1r F 2 1 2 1zy FF 2r F 5332 24 N 两轴承的周向力同为 2438 65N 2 2 2 2zy FF 1a F 2a F 2 a F 2 当量动载荷 根据有轻微冲击的工况查表得出载荷系数 1 1 p f 1 轴承 0 226 e 故查表可得 X 1 Y 0 故 1 1 r a F F 1 1 10811 79 11892 97N 1 P p f 1r F 2 轴承 0 457 故只需验算轴承 A 轴承预 r C 1 P 2 P 期寿命与整机预期寿命相同 为 8 年 365 天 12 小时 10220 小时 10340 43h 10220h 60 10 11 6 P Cf n L rt h 3 10 36 97 11892 10 2 35 6060 10 其中 为温度系数 1 轴承工作温度小于 120 轴承具有足够寿命 t f t f 0 3 4 蜗轮蜗杆设计 取中心距 a 80mm 传动比为 i 19 5 模数 m 3 15 齿数为 Z1 2 Z1 39 其它 0 1 2 X 0 290710 3 5 键的校核 校核 3 轴上蜗轮上的键为代表 由 3 轴的细部结构设计 选定键 1 为 11mm 11mm 24mm 齿轮轴段 d Lhb 60mm 键的接触高度0 5h 0 5 11mm 5 5mm 传递的转矩 T 53 51N m 查表得键静联接 k 时的挤压许用应力 100MP 键 齿轮轮毂 轴的材料均为方 45 钢 调质 p a 15 15M 故键联接强度足够 kld T 3 102 60245 5 1051 532 3 a P p 图 3 6 需添加图名 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 27 页 4 刀具交换装置 4 1 换刀简介 换刀过程的完成依靠连轴器上布置的三个轴转角 转速测量定位装置 三个传感器传输 平顶山工业职业技术学院毕业设计说明书 论文 第 28 页 的数据经过软件分析可以对刀库刀盘的转速和转角进行准确定位 从而快速 准确地找到所 需刀号 使其位于换刀位上 为接下来的换刀做好准备 刀具选定后 换刀开始 4 2 换刀过程 A B C O 如图 4 1 所示 当刀具选定后 滑块 A 沿着活塞杆向上滑动 带动拨叉 B 使得刀套 C 绕 O 点旋转 从而使刀具完成倒刀过程 倒刀结束后 D 点受压 如图 4 2 使得钢珠向外扩张 刀具松动从而可以实现换刀 换刀 完成后 D 点松开 钢珠重新受压 刀具被加紧 刀套再由垂直方向转回水平方向 完成整 个换刀动作 D 图 4 1 需添加图名 图 4 2 需添加图名 平顶山工