江苏大学京江学院,液压转塔刀架设计(带CAD图）
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江苏大学京江学院,液压转塔刀架设计(带CAD图）,江苏,大学,学院,液压,刀架,设计,CAD
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方案参考图J I A N G S UU N I V E R S I T Y 本科毕业设计 （论文）液压转塔刀架设计The Design of hydraulic turret学院名称： （四号宋体）专业班级： （四号宋体）学生姓名： （四号宋体）指导教师姓名：（四号宋体） 指导教师职称： （四号宋体）年月25目 录第1章 绪论11.1 研究的工程背景及意义11.2 伺服转塔刀架概述21.2.1产品系列类型21.2.2基本性能及可靠性要求3第2章 具有防撞保护功能的液压转塔刀架总体结构方案62.1液压转塔刀架的整体方案设计与选择62.1.1 液压转塔刀架的整体方案设计62.1.2液压驱动的刀架工作原理62.1.3 刀架定位精度及重复定位精度72.2 液压转塔刀架传动部分方案设计72.3 液压转塔刀架的分度机构方案设计72.4 液压转塔刀架动力刀具方案设计92.4.1 齿轮传动的分类和特点102.4.2 齿轮传动类型选择的原则11第3章 转位机构子系统结构设计123.1 液压马达的选用123.2 一级减速齿轮系计算及选用16第4章 端齿盘子系统结构设计（及优化）194.1 刀架轴的结构设计及计算194.2 液压缸的设计204.2.1 选择液压缸类型204.2.2 液压缸内径D和活塞直径d的计算214.3 碟形弹簧的计算及选用214.4 轴承的选用234.5 端齿盘的选用244.5.1端齿盘的应用244.5.2端齿盘的特点244.5.3 端齿盘的设计25第5章 具有防撞保护功能的结构设计27结 论28致 谢29参 考 文 献30液压转塔刀架设计专业班级： 学生姓名： 指导教师： 职称：摘要:装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术范围覆盖很多领域。经济型数控车床，对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两方面来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统，由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制。所以，数控车床与卧式车床相比应具有有更好的精度以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。转塔刀架是转塔车床的重要部件之一，也是本次毕业设计的主要设计内容。转塔刀架上可以安装多把刀架，由电液控制实现自动循环。转塔刀架主要用于零件的钻、扩、铰孔、攻丝等加工工序。并且转塔刀架也可自动顺序转位，进行自动走刀，依次参加切削。关键词：车床，刀架设计，转塔刀架，回转盘Design of hydraulic turretAbstract:This issue is of the hydraulic turret design, equipment industry technology and modernization of determine the level and degree of modernization of the national economy as a whole, numerical control technology and equipment is the development of emerging high-tech industry and sophisticated industries enabling technologies and basic equipment, and core technologies and equipped with the most advanced manufacturing technologies available today. CNC technology is digital information on mechanical and process control technologies, CNC is equipped with CNC technology represented by the new technologies for traditional manufacturing industries and the formation of penetration in emerging manufacturing electromechanical products, which covers many areas of technology. CNC lathes to guarantee and improve the accuracy of the machined part, achieved mainly through two: one is the control system accuracy; the second is the mechanical precision of the machine itself. NC lathe feed drive system, because of the need to position and velocity at the same time to realize automatic control of feeding displacement of. So, compared to horizontal lathes and CNC lathe should have better accuracy. To ensure that the mechanical drive system of transmission accuracy and smoothness.Turret lathe turret is an important part of the graduation design of the main design elements. The turret can be installed on many knives, controlled by electro-hydraulic automatic cycle. Turret is mainly used for parts of the drilling, expansion, reaming, tapping and other processes. And the turret can also be automatically transferred sequentially, automatically passes, in order to participate in the cutting.Keywords: lathe, turret design, turret, Rotary第1章 绪论 1.1 研究的工程背景及意义机床作为整个制造行业的母机，发展水平关乎整个国民经济的发展，其战略地位不言而喻。中国机床行业在九五、十五、十一五期间连续保持了高速发展，年间，我国数控机床产量年均复合増长达。尽管如此，当前国内中高档数控机床的进口率仍居高不下。造成这种现状一方面由于国内髙端产品的市场空缺，另一个重要原因则是由于国内中档机床产品的可靠性水平相比同类进口产品仍有较大差距。现代机床制造业，遵循现代工业制造体系的发展趋势，在对机床的加工性能、机床可靠性及其制造和使用成本等各方面的极致追求的驱动下，已经实现了功能部件专业分工制造、机床主机厂分系统全球采购功能部件再装配集成的生产模式。在这种模式下，由于机床主要结构件，如床身、工作台、主轴箱等本身可靠性相对较高，因此机床各功能部件的可靠性就成为确定整体机床可靠性的关键因素。而事实上，国内多年的实践经验和绕计数据都表明，数控机床功能部件的发展滞后，特别是产品可靠性不足己成为制约国内高水平数控机床发展的瓶颈。随着数控机床、数控系统及数控转塔刀架本身技术的发展，数控机床与数控刀架的结合带来了机床功能跨越式的提高，如数控车床结合数控动力刀架就形成车统复合加工中也，可实现多种复杂形状零件切削的工序集中；如装备带轴或轴的动为刀架，即实际増加了加工中必机床切削运动的可控自由度。数控转塔刀架的装备，从换刀速度的提高、被切削工件装夹基准的统一、切削进刀运动可控自由度的增加等方面大大提升了数控机床的加工效率、及精度及复杂曲面成型切削的能力，从而使机床成为现代制造系统中柔性生产线的关键节点装备。很明显，数控刀架理应被提升到机床重要功能部件的行列，因为送才符合数控刀架組件系统在机床切削加工整体动力学过程中的功能作用。进一步地，从加工切削过程来看，作为直接夹持刀具或同时传谨刀具切削转动（对动力刀架）的系统组件，数控刀架直接承受着动态切削载荷，因此其动态性能显然是机床整体动态性能的重要部分；数控刀架的定位精度和重复定位精度，直接影响着加工零件的精度和一致性；而其自身的可靠性，固然直接影响整体机床的可靠性水平。2011年底，中国机床工具工业协会再次提出十二五期间我国机床行业的王项重点任务，为顺应当今世界数控机床高速、高效、高精、柔性和复合加工的发展趋势，特别指出加速提升中高档数控系统和功能部件配套能力，是行业十二五期间面临的金牌任务。对数控刀架这一功能部件而言，伺服转塔刀架是由中档产品跨入高档产品的桥梁，其开发具有承前启后的意义：一方面，与中档成熟产品液压转塔刀架相比，其主要优点在于采用伺服电机代替液压马达提供转位动力，使得换刀速度大大提高，且一般而言伺服电机的可靠性要优于液压马达。而两种产品的工作原理和结构构型非常相似，因此伺服刀架的产品开发可充分借鉴液压刀架的经验；另一方面，高档产品伺服动力刀架是伺服转塔刀架作为本体，加装动力传动机构（一般为齿轮机构）所构成，通过一次装卡可完成车、錯、钻、锐等工序，实现零件的复合加工，因此开发稳定可靠的伺服转塔刀架是进一步研发高档伺服动力刀架产品的基础。正是基于上工程背景，本课题在高档数控机床与基础制造装备科技重大专项SLT系列伺服转塔动力刀架产业化关键技术开发与应用等项目的资助下，伺服转塔刀架作为研究对象，致力于产品开发阶段的可靠性研究工作。1.2 伺服转塔刀架概述1.2.1产品系列类型根据主机配套场合的不同，伺服转塔刀架在行业中的应用层次属于中高档产品，截止到目前，国内数控转塔刀架的主要规模企业（包括：常州新墅数控设备有限公司、烟台环球机床附件集团有限公司、常州宏达机床数控设备有限公司、沈阳机床股份有限公司数控刀架分公司）均未向市场正式推出成熟产品。而国外主要刀架生产企业，如意大利BARUFFALDI、DUPLOMATIC及德国SAUTER均已有十几年的伺服转塔刀架生产销售历史，产品技术参数高、性能稳定可靠，并且系列齐全，之为基础的高档伺服动力刀架产品同样丰富。图1.1图1.3分别展示了以上三家企业的典型伺服刀架产品，可看出不同品牌产品的功能升级均遵循模块化加装的思路。SAUTER产品为例，0.5.440系列伺服转塔刀架采用液压锁紧，具有超高速定位功能，刀座可径向或轴向固定安装在刀盘上，但本身不具备动力刀功能；在此基础上，欲増加统、钻等加工能力，即可外带伺服驱动动力传动系统升级为0.5.433系列或0.5.435系列双伺服动力刀架产品，分别实现轻向出刀或轴向出刀的动力刀功能。考虑到改善产品结构紧凑，减少零部件构造式提高可靠性水平，对基础伺服转塔刀架结构进行一定程度的改造，升级成0.5.450（456）系列单伺服动力刀架；更进一步地，欲增加机床切削运动的可控自由度，即可加装轴进给系统升级为0.5.435系列产品，使得配备该刀架的机床成为具有偏屯、槽化加工能力的四轴车削中也。从上分析可看出，开发出具有良好静态、动态、精度特性，且运行稳定可靠的伺服转塔刀架产品是朝着高档系列化功能部件升级的关键基础。TB系列伺服转塔刀架TBMA系列轴向出刀双TBM民系列径向出刀单YAX系列轴伺伺服动力刀架 服动力伺服动力刀架服动力刀架图.1BARUFFALDI伺服刀架产品SM（A）系列伺服转塔刀架MDT系列轴向出刀SMBR（BA）系列径TMY-BR（BA）系双伺服动力刀架（轴）向出刀单伺服动 列径(轴)向出刀Y 动力刀架 轴单伺力刀架图1.2 DUPLOMATIC伺服刀架产品0.5.440系列伺服转0.5.433（435）系列径0.5.450（456）系列径 0.5.453系列径向塔刀架 （轴）向出刀双伺服动 （轴）向出刀单伺服动 出刀Y轴单伺服动力 力刀架 力刀架 刀架图1.3 SAUTER伺服刀架产品1.2.2基本性能及可靠性要求伺服转塔刀架的核心、基本功能是装夹刀具自动换刀，并直接参与切削加工全过程。为保证所加工零件的尺寸精度、形状精度、位置精度及表面质量，作为动作执行部件的刀樂自身必须具备高刚度和高精度性能水平；同时，加工效率的保障很大程度上依赖于刀架稳定可靠运行。刚度是衡量刀架抵抗受力变形的能力，根据静态力和动态力的不同分别对应为静刚度、动刚度。静刚度一般通过检测在一定扭矩静态加载下，刀架上规定测点的弹性变形量来确定，若测试结果不超过规定值则认为刀架满足静刚度要求。动刚度的检测目前在国内刀架企业尚未执行，其主要难点在于还未建立合理通用的测试方法：一方面，动载荷是复杂变量，仅考虑均值、幅值的影响就难给出类似静载荷大小阔值的加载标准；另一方面，动刚度与位移（速度、加速度）频率响应函数等动态特性具有函数关系，当前者不易测量或不敏感时，转而测试其他动态特性往往更为有效，因此该项性能测试的具体方法及合格标准的定量界定往往需要依据具体的载荷环境制定。刀架精度一般指在机床上所体现的辅助切削加工精度项，直接影响着刀位点的位置控制，影响着加工零件的尺寸精度和形位精度。主要包括刀架在锁紧状态下，与安装刀盘基准面、基准孔的位置精度，及机床安装基准面与刀具安装面的位置精度。一般来说，为满足刀架精度要求，往往通过刀盘装配后整体精加工的方式减小装配误差的影响。在各项精度检验项目中，重复定位精度度量了刀盘回转至相同工位时的定位准确度，与刀架内部核也零部件端齿盘的精度密切相关，由于该项性能指标直接影响着一批零件加工的一致性，因此对该项检测的重要性被特别关注。刀架可靠性是指产品在规定时长内保持预定性能水平、无故障完成规定功能的能力，直接牵制着所匹配化床的整体性能、运行稳定性和工作效率。具体来说，刀架的基本功能是夹持刀具自动换刀，若出现了换刀不到位、乱刀或者不转位现象，则需停机维修，相应的机床加工任务搁置；同时，刀架作为切削加工的直接参与部件，其自身的刚度、精度及动态特性都将最终反映在零件的加工质量上，若设计的性能指标难保持，则机床整体性能和运行稳定性也相应得衰减。综上所述，作为中档成熟产品液压转塔刀架的升级产品，伺服转塔刀架采用伺服电机代替液压马达提供转位动力源，带来了换刀速度的显著提升；驱动组件的简化使得整体结构更为紧凑。显然，由于两款产品的相似性较高，因此可充分借鉴帮助新产品的开发研制。而可靠性是产品各个零部件间相互协调保持稳定运行的综合反映，若其可靠性水平不能得到保证，仍然会成为机床整体可靠性的短板，而其所具有的快速换刀优势也无法带来配套机床效率的提升。可靠性贯穿于产品全寿命周期过程，而作为基础的固有可靠性则依赖于设计研制阶段的全面研究。第2章 具有防撞保护功能的液压转塔刀架总体结构方案2.1液压转塔刀架的整体方案设计与选择2.1.1 液压转塔刀架的整体方案设计刀架是车床的重要组成部分，车削中心的液压转塔刀架可安装各种非动力辅助刀夹和动力刀夹进行切削，用于夹持切削用的刀具,因此其结构直接影响到车床的切削性能和切削效率。刀架采用端齿分度，转位由交流伺服电动机驱动，刀位由二进制绝对编码器识别，动力刀具由变频液压马达驱动，通过同步齿形带等将动力传递到刀夹。根据前部分对机床刀架类型、性能及其使用场合的综合比较，并结合现有数控车床的实例，本次设计的车削中心液压转塔刀架拟采用液压驱动的动力转塔刀架。该刀架的换刀动作分为刀盘抬起、刀盘分度转位和刀盘锁紧三个步骤，其中刀盘抬起由单作用液压缸来实现，刀盘锁紧由碟形弹簧复位来实现，而刀盘的分度转位是由圆柱凸轮分度机构来实现的，由液压马达驱动凸轮轴实现分度。2.1.2液压驱动的刀架工作原理液压驱动的转塔刀架，是用液压缸夹紧，液压马达驱动分度，端齿盘副定位，当刀架接收到转位指令后，液压油进入液压缸的右腔，通过活塞推动中心轴将刀盘左移，使定位副端齿盘脱离啮合状态，为转位作好准备。当刀盘处于完全脱开位置时，行程开关发出转位信号，液压马达带动转位凸轮旋转，凸轮依次推动回转盘上的柱销。使回转盘通过键带动中心轴及刀盘做分度运动。凸轮每转一周拨过一个柱销。使刀盘旋转1/n周（n为刀架的工位数）。中心轴的尾端固定着一个有n个齿的凸轮，当中心轴和刀盘转过一个工位时，凸轮压合计数开关一次，开关将此信号送入控制系统。当刀盘旋转到预定工位时，控制系统发出信号使液压马达刹车，转位凸轮停止运动，刀架处于预定位状态。与此同时，碟形弹簧复位，通过活塞将中心轴拉回，端齿盘副啮合。精确定位，刀盘便完成定位和夹紧动作。刀盘夹紧后，中心轴尾部压下发出转位结束信号。 图2.1 转塔刀架示意图2.1.3 刀架定位精度及重复定位精度定位精度是指转塔到位后，刀架指定工位把刀孔中心线与设计中心线在竖直平面内的偏差。重复定位精度是指刀架各工位反复锁紧多次后的偏差平均值。由于该刀架转塔到位前，控制刀架初定位的霍尔元件发出信号使控制液压马达的电磁阀断电，此时液压马达内部的机械自锁部件使液压马达停在预定位置上，所以刀架具有较高的定位精度和重复定位精度。2.2 液压转塔刀架传动部分方案设计本次设计的转塔刀架是通过液压驱动来实现刀架抬起动作，当刀架轴尾部检测装置触碰到微动开关，刀架开始转位，而转位动作是由圆柱凸轮分度机构来实现的，换刀时间为1s，最后一个动作为刀架琐紧动作，由端齿盘来进行琐紧定位。2.3 液压转塔刀架的分度机构方案设计生产和日常生活中，经常需要某些机构的主动件连续运动，从动件产生“动作停止动作”的间歇运动，实现这种运动的机构，称为间歇运动机构。常用的间歇运动机构有棘轮机构、槽轮机构、不完全齿轮机构和凸轮式间歇机构等。它们广泛用于自动及半自动机床的进给机构、送料机构、刀架转位机构及包装机等机构中。1)棘轮机构主要由棘轮、棘爪、摇杆、制动爪和机架等组成。按照结构特点，可分为具有轮齿的棘轮机构和摩擦式棘轮机构两大类。其特点结构简单，转角大小改变较方便，但它的动力不大，且传动平稳性差，因此只适用于转速不高的场合，如各种机床和自动机床进给机构中。2)槽轮机构由主动拨盘、从动槽轮及机架组成。槽轮机构有外啮合槽轮机构和内啮合槽轮机构两种。其结构简单，工作可靠，进入和脱离啮合时运动平稳；由于槽轮的转角大小无法调节，故只能用于定转角的间歇运动机构中。比如电影放映机上卷片机构等都是槽轮机构来实现的。3)不完全齿轮机构是由普通渐开线齿轮机构演化而成的。但不同的是轮齿不布满整个圆周，它可分为外啮合和内啮合两种。其结构简单，制造方便，从动轮的运动时间和静止时间比例可不受结构的限制。其缺点是从动轮在进入和脱开啮合时，都有严重的刚性冲击，故一般只用于低速、轻载场合。4)凸轮间歇运动机构是由凸轮、转盘及机架组成的。凸轮间歇运动机构有两种形式，一种是圆柱凸轮间歇运动，另一种是蜗杆凸轮间歇运动机构。这种凸轮机构可以通过调整凸轮与转盘中心距来消除滚子与凸轮突脊接触的间隙。这种转位机构依靠凸轮轮廓强制刀架作转位运动，运动规律完全取决于凸轮轮廓形状。圆柱凸轮是在圆周面上加工出一条两端有头的凸起=轮廓，从动回转盘（相当于刀架体）端面有多个柱销，销子数量与工位数相等。当圆柱凸轮按固定的旋转方向运动时，有的柱销会进入凸轮轮廓的曲线段，使凸轮开始驱动回转盘转位，与此同时有的圆柱销会与凸轮轮廓脱离，当柱销接触的凸轮轮廓由曲线段过渡到直线段时，即使凸轮继续旋转，回转盘也不会转动，即完成了一次刀盘分度转位动作。如此反复下去，就能实现多次的刀架换刀操作。由于凸轮是一个两端开口的非闭合曲线轮廓，所以当凸轮正反转进均可带动刀盘正反两个方向的旋转。这种转位机构转位速度高、精度较低，运动特性可以自由设计选取但制造较困难、成本较高、结构尺寸较大。这种转位机构可以通过控制系统中的逻辑电路或PC程序来自动选择回转方向，以缩短转位辅助时间。凸轮间歇运动机构的优点是：传动可靠、平稳，转盘可以实现任何运动规律，以适应高转速要求；可以改变凸轮曲线槽所对应的角，改变转动与停歇时间比值；转盘停歇时，一般就依靠凸轮棱进行定位，不需要附加定位装置。但凸轮加工要求精度高。常用于需间歇转位的分度装置和要求步进动作的机械中，如多共位立式半自动机床工作盘的转位、轻工业包装机等9。图2.2 圆柱凸轮分度机构结合上述三种转位机构的转位机理和特点，并结合实际情况，本次设计的车削中心液压转塔刀架决定采用间歇分度机构圆柱凸轮分度转位机构。如图3.3。2.4 液压转塔刀架动力刀具方案设计车削加工中心自驱动动力刀具主要由三部分组成：动力源，变速传动装置和自驱动力刀具附件（钻孔附件和铣削附件）。采用变频液压马达作为其动力源，圆柱齿轮传动作为其变速传动装置。目前齿轮技术可达到的指标：圆周速度v=300m/s，n=105r/min，传递的功率P=105kW，模数m=(0.004100)mm，直径d=1mm152.3mm。2.4.1 齿轮传动的分类和特点 其特点： 1） 瞬时传动比恒定。非圆齿轮传动的瞬时传动比又能按需要的变化规律来设计。2）传动比范围大，可用于减速或增速。3）速度（指节圆圆周速度）和传动功率的范围大，可用于高速(v40m/s)、 中速和低速(v25m/s)的传动功率可从小于1W到105W。4）传动效率高，一对高精度的渐开线圆柱齿轮，效率可达99%以上。5）结构紧凑，适用于近距离传动。6）制造成本较高，某些具有特殊齿形或精度很高的齿轮，因需要专用 或高精度的机床、刀具和量仪等，故制造工艺复杂，成本高。7）精度不高的齿轮，传动时噪声、振动和冲击大，污染环境。8）无过载保护作用。2.4.2 齿轮传动类型选择的原则 1）满足使用要求，如对传动结构尺寸、重量、功率、速度、传动比、寿命、可靠性的要求等。对以上要求应作全面的、深入分析，满足主要的要求，兼顾其他。如对大功率长期运转的固定式设备，则着重于齿轮的寿命长和提高齿轮的传动效率；对短期间歇运动的移动式设备，应要求结构紧凑为主；对重要的齿轮传动，则要求可靠性高。 2）考虑工艺条件，如制造厂的工艺水平、设备条件、生产批量等。 3）考虑合理性、先进性和经济性等。由于本次设计的液压转塔刀架动力刀具传递范围和切削功率比较大以及加工的难易程度，为了满足要求，所以选择以渐开线圆柱齿轮传动来实现动力刀具的旋转。 第3章 转位机构子系统结构设计3.1 液压马达的选用刀架液压马达的选择应同时满足刀架运转的负载扭矩和起动时的加速扭矩的要求。1)刀架负载扭矩的计算动力刀架负载扭矩估算方法如下：由于这种刀架的负载扭矩主要用来克服刀具质量的不平衡，估算按如下的情况进行：用平均重力的刀具插满刀盘的半个圆，根据工艺要求所需的各种刀具，确定每个刀具的（包括刀柄）平均重力，而其重心则设定为离刀架回转中心2/3半径处。由以上的方法可知，由于是8工位动力转塔刀架，因而插满刀盘的半个圆需要4把刀具。设工艺要求所需的每个刀具的平均重力=4.9N；刀盘的回转中心直径D=312.5mm。则有 2) 刀架加速扭矩的估算 （4-3） 式中 -刀架换刀时的电动机转速(r/min); -加速时间,通常取150200ms; -电动机转子惯量(),可查样本; -负载惯量折算到电动机轴上的惯量(). 3) 负载惯量折算到电动机轴上的惯量的估算 （4-4） 式中 -各旋转件的转动惯量(); -各旋转件的角速度(); -各直线运动件的质量(); -各直线运动件的速度(); -液压马达的角速度().4)各旋转件的转动惯量的估算由刀架的结构简图可知,刀架在完成换刀动作时,液压马达带动其旋转的部件共3个,它们分别是从动盘,刀架主轴和刀盘。因而只需估算这三者的传动惯量即可。(1) 刀盘转动惯量的计算 其主要尺寸如下：刀盘外径D1=382mm；刀盘与刀架主轴相连的孔径d1=80mm；刀盘宽P=69mm。 则刀盘的转动惯量 =1.13 (2)刀架主轴的转动惯量按如下的方法估算：刀架主轴的最大直径dmax=119mm；最小直径dmin=36mm；刀架主轴长度取l=503.3mm 则刀架主轴的转动惯量 =0.2237 （3）从动盘的转动惯量的计算 其主要尺寸如下：从动盘分度圆直径D2=117mm，宽度P=20mm则从动盘的转动惯量 =0.0028 求得圆柱凸轮的分度圆直径Dh32=50mm圆柱凸轮的转动惯量 =0.0002 (4) 联轴器转动惯量的计算 由于联轴器已标准化，查表取联轴器的转动惯量 (5) 对各旋转件的角速度作如下设定： 液压马达的角速度；凸轮的角速度；从动盘的角速度 刀架主轴的角速 ；刀盘转位时的角速度 。则将以上计算所得的数据代入下式： 得负载惯量折算到电动机轴上的惯量=0.000373 取；刀架换刀时液压马达的转速；伺服电动机转子转动惯量Jm=0.00003。则刀架加速扭矩 = 6) 液压马达输出扭矩的估算 液压马达的输出扭矩应同时满足刀架负载扭矩和加速扭矩之和，将以上计算的刀架负载扭矩和加速扭矩换为液压马达轴上的输出扭矩的公式为： （4-5）式中-传动效率取0.75。则有考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，电动机额定转矩应为的1.21.5倍。所以取经查阅手册，选择液压马达BM-R80。根据参数，选型为BM-R80.3.2 一级减速齿轮系计算及选用设计的动力刀具部分主轴最高转速n3=3000r/min，增速传动，希望提高承载能力。使动力刀具能够承受高的切削力。本次设计初步传动链初选定数据如图4.5，z4与z5的中心距为a45=85mm，z1与z2的中心距a12=156mm，z2与z3的中心距a23=165mm，带动动力刀具的齿轮z1最高转速设定n1=4500r/min，n4=2825r/min，求z1、z2、z3、z4、z5。如图3.4：图3.1 1) 初选模数m 对于硬齿面外啮合的闭式传动，可按m=(0.0160.0315)a=(0.0160.0315)85=1.362.67mm，查表13.1-2得m=2.5mm。 2）求传动比i45=n3/n4=3000/2825=1.06 3)求z4 和 z5根据式d4=mz4=2.533=82.5mmda=(z4+2)m=(33+2)2.5=87.5mmdf=(z4-2.5)m=(33-2.5)2.5=76.25mm z5=i45z4=1.0633=35d5=mz5=2.535=87.5mmda=(z5+2)m=(35+2)2.5=92.5mmdf=(z5-2.5)m=(35-2.5)2.5=81.25mm4)选用大齿轮z2根据整体尺寸的紧凑性初步确定分度圆d2=250mm，m=2.5mm。z2=d2/m=250/2.5=100 da=(z2+2)m=(100+2)2.5=255mm df=(z2-2.5)m=(100-2.5)2.5=243.75mm5)求出z1 和 z3根据 得: z1=24.8 取整得: z1=25d1=mz1=2.525=62.5mmda=(z1+2)m=(25+2)2.5=67.5mmdf=(z1-2.5)m=(25-2.5)2.5=56.25mm 中心距: 同理： 得: z3=32d3=mz3=2.532=80mmda=(z3+2)m=(32+2)2.5=85mm df=(z3-2.5)m=(32-2.5)2.5=73.75mm 6) 验证传动比符合要求。第4章 端齿盘子系统结构设计（及优化）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。6）花键的纵向固定，其承载能力高，定心性、导向性好，装拆方便，不过制造困难，在这次设计中运动的是矩形花键，主要用在分度机构转盘与刀架轴、凸轮的纵向定位中。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。已知液压马达的功率为0.3kW，液压马达转速n1=1400r/min，取圆柱凸轮效率为=0.96。如图4.11) 先求出刀架主轴上的传递功率、转速和转矩 P2=P=0.30.96=0.288kWn3=60/8=7.5r/min 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，于是得从而取轴的最小直径为dmin=36mm；轴的最大直径为dmax=119mm。图4.1刀架轴示意图4.2 液压缸的设计4.2.1 选择液压缸类型液压缸按其结构的形式，可以分为活塞缸、柱塞缸和伸缩缸等。（1）活塞式液压缸 双杆活塞缸缸筒固定的双杆活塞缸，活塞两侧的活塞直径相等，它的进、出油位于缸筒两端。当工作压力和输入流量相同时，两个方向上输出的推力F和速度v是相等的。 这种安装形式，工作台移动范围约为活塞有效行程的三倍，占地面积大，使用于小型机械。 单杆活塞缸由于只在活塞的一端有活塞杆，使两腔的有效工作面积不相等，因此在两腔分别输入相同流量的情况下，活塞的往复运动速度不相等。他的安装也有缸筒固定和活塞杆固定两种，进、出口的布置根据安装方式而定；但工作台移动范围都为活塞有效行程的两倍11。由于该液压缸主要用于驱动刀架主轴的直线往反运动.故选用双作用单杆活塞缸。4.2.2 液压缸内径D和活塞直径d的计算计算液压缸的内径和活塞杆直径都必须考虑到设备的类型，例如在金属切削机床中，对于动力较大的机床(刨床、拉床和组合机床)一定要满足牵引力的要求，计算时要以力为主;对于轻载高速的机床(磨床、珩磨机和研磨机等)一定要满足速度的要求，计算时要以速度为主。由于本刀架的抬起动作是在数控车床脱离切削时完成的，因而在换刀过程中并没有承受切削力的作用，所以进油压力不需要很大，此次设计进油压力确定为低压02.5MPa，然后根据进油压力查表20-6-3可初步选定速比=1.33(计算速比主要是为了确定活塞杆的直径和要否设置缓冲装置。速度不宜过大或过小，以免产生过大的背压或造成因活塞杆太细导致稳定性不好。) 可按下式初步选取d值： (4-1) 根据活塞杆侧公式(4-2)式中 F2 液压缸的理论拉力； p 供油压力；D 缸筒内径； d 活塞杆直径。根据式4-1和式4-2得D=94.8mm，查液压设计手册表20-6-2选D=100mm，再根据表20-6-9中选得缸筒外径D1=121mm，根据表20-6-16选出d=50mm。 4.3 碟形弹簧的计算及选用碟形弹簧是用钢板冲压成形的截锥形压缩弹簧。 它有四个特点：（1）刚度大能以小变形承受大载荷，适合于轴向空间要求小的场合。（2）具有变刚度的性质碟形弹簧压平变形量h0和厚度t的比值不同，其特性曲线 也不同。根据液压缸内径100mm，查机械设计手册表7.2-2碟形弹簧的系列、尺寸和参数选出弹簧D=100mm，d=51mm,t=6mm,h0=2.2mm,H0=8.2mm。 D-弹簧外径 d-弹簧内径 t-厚度 h0-压平时变形量 H0-自由高度已知上述选用的碟形弹簧参数，采用对合组合形式弹簧组合，抬起时需要承受载荷F1=20009.8=19600N。如图4.3。（1）求f1由弹簧的直径比C=，从表7.2-5查得K1=0.686，K2=1.211，K3=1.362。碟簧是无支承面的，K4=1。 计算得到 FC 弹簧压平时载荷（N）； K1、K2、K3、K4计算系数；由此变形量f1=0.28h0=0.282.2=0.616mm，总变形量fz=60.616=3.696mm。（2）疲劳破坏的关键部位由和C=1.96从图7.2-3查得疲劳破坏的关键部位在点。（3） 计算应力 当f1=0.616mm时 图4.2 碟形弹簧示意图4.4 轴承的选用1. 轴承内部结构轴承内部一般由内圈、外圈、滚动体和保持架组成-通常称为四大件。对于密封轴承，再加上润滑剂和密封圈（或防尘盖）-又称六大件。2. 轴承分类与特点总的可以分为球轴承和滚子轴承两大类。球轴承分为深沟球轴承、角接触球轴承、调心球轴承、推力球轴承、推力角接触球轴承。滚子轴承分为圆柱滚子轴承、滚针轴承、圆锥滚子轴承、调心滚子轴承、推力圆柱滚子轴承、推力滚子轴承、推力圆锥滚子轴承、推力调心滚子轴承。刀架轴向所选轴承的特点：深沟球轴承1.转速高2.精度高3.噪声、振动小4.主要承受径向载荷5.也能承受一定轴向载荷6.制造简单，成本低 滚针轴承1.转速较高2.能承受较高的径向载荷（比径向尺寸相同的其他轴承承受的径向载荷大）3.不能承受轴向载荷4.刚性较高推力球轴承1.转速低2.只能承受单面轴向载荷3.轴圈和座圈不能倾斜3. 轴承的转速滚动轴承的转速主要受容许运转温度的限制，摩擦阻力较低的轴承产生的内热较小,最适合高速运转，只承受径向载荷时，深沟球轴承或圆柱滚子轴承的容许转速最高,但若承受联合载荷时，角接触球轴承的容许转速最高12。本次刀架轴从动盘以左使用深沟球轴承和滚针轴承来承受径向载荷，右端使用推力球轴承来承受轴向载荷。4.5 端齿盘的选用4.5.1端齿盘的应用端齿盘又称多齿盘、细齿盘、鼠牙盘，是具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、组合机床、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它分度装置中都采用端齿盘作为精确定位元件。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、定位精度及其重复定位精度高而最受欢迎。端齿盘实际上相当于一对齿数相同的离合器，其啮合过程与离合器的啮合类似。4.5.2端齿盘的特点目前在刀架的定位机构中多采用锥销定位和端面齿盘定位。由于圆柱销和斜面销定位时容易出现间隙，圆锥销定位精度较高，它进入定位孔时一般靠弹簧力或液压力、气动力，圆锥销磨损后仍可以消除间隙，以获得较高的定位精度。端齿盘定位由两个齿形相同的端面齿盘相啮合而成，由于齿合时各个齿的误差相互抵偿，起着误差均化的作用，定位精度高。端齿盘定位的特点：（1）定位精度高 由于端齿盘定位齿数多，且沿圆周均布，向心多齿结构，经过研齿的齿盘其分度精度一般可达左右，最高可过以上，一对齿盘啮合时具有自动定心作用。所以中心轴的回转精度、间隙及磨损对定心精度几乎没有影响，对中心轴的精度要求低，装置容易。（2）重复定位精度好 由于多齿啮合相当于上下齿盘的反复磨合对研，越磨合精度越高，重复定位精度也越好。（3）定位刚性好，承载能力大，两齿盘多齿啮合。由于齿盘齿部强度高，并且一般齿数啮合率不少于90%，齿面啮合长度不少于60%，故定位刚性好，承载能力大。4.5.3 端齿盘的设计动齿盘与静齿盘是数控刀架的两个主要零件。其精度决定刀架性能的好坏。为了保证端齿盘的定位精度和刚度，对端齿盘做以下技术要求：端齿盘材料采用40Cr，齿部渗氮后磨齿加工；齿宽接触率为70%以上；齿高接触为啮合高度85%以上，两齿盘啮合时的接触齿数应在90%以上，接触不良的齿不啮合；安装基准孔轴线对分度中心的位置度，一般取0.020.04mm，对精密齿盘应在0.01mm以内；安装基准端面对分度的平行度，一般取0.010.04mm，对精密齿盘应在0.01mm以内。本刀架采用标准直齿端齿盘，齿的啮合深度通常设计为45mm，由于本刀架的液压系统采用变量泵，可获得所需的琐紧力满足刀架刚度要求，所以本次设计将齿的啮合深度设计为4mm。这一设计也可减少活塞的行程，节省功率。查得有关标准得出以下参数：端齿盘外径d：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。 根据车削中心液压转塔刀架的总体结构和外径系列选取d=180mm。齿数z：根据JB/T 4316.1-1999查得当外径d=180mm时，齿数可以为60和 72两种，它们的最小分度角分别为和，因为本次设计的液压转塔刀架 工位数为8工位，转一个工位从动盘需要转过角度，应该是最小 分度角的倍数关系，所以选取最小分度角为，从而选取z=72。 齿长F：F=10mm齿盘厚度：H/2+m=21.24mm齿距t: t=7.85mm齿厚S：S=3.93mm全齿高h: h=5mm齿顶高m: m=1.24mm第5章 具有防撞保护功能的结构设计目前，我国数控立式车床、数控龙门镗铣床、立式加工中心等机床，大部分是拥有转塔刀架结构的，为了防止由于操作者的误操作，导致转塔刀架发生碰撞事故，此类机床都会设有转塔刀架防撞保护装置。据市场调研发现，目前大多的防撞保护装置采用的是以下结构：即在左右刀架相近的一端安装两防撞支架，防撞支架前端装有保护橡胶垫和感应开关，橡胶垫与撞块无间隙接触。此种结构在两刀架靠近时，撞块会先发生碰撞；然后压缩保护橡胶垫作为一种缓冲，继续压缩，使感应开关发出报警信号；反馈机
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