小型自动车床旋转刀架设计.doc

大 连 民 族 学 院 本 科 毕 业 设 计（论 文）小型自动车床旋转刀架设计学 院（系）： 机电信息工程学院 专 业： 机械设计制造及其自动化学 生 姓 名： 王殿远 学 号： 2007022613 指 导 教 师： 刘德庸 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 大连民族学院小型自动车床旋转刀架设计摘 要自动车床今后将向中高当发展，中档采用普及型自动车床刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有伺服刀架、液压刀架、立式刀架等品种，预计近年来自动车床刀架的需求量将会大大增加。自动车床刀架的发展趋势是：随着自动车床的发展，自动车床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。本部分主要对卧式车床电动刀架的机械设计和尾座的设计。并且对以上部分运用CAD软件做图，从而对电动刀架有更直观的了解。最后对自动车床电动刀架的发展提出个人意见和个人展望。关键词：自动车床、电动刀架、回转刀架- -小型自动车床旋转刀架设计Abstract CNC lathe in the future will be high when the development of mid-range universal CNC turret with matching high-end model with power tool holder, both servo turret, hydraulic turret, vertical turret and other species, is expected to demand in recent years, CNC turret Volume will increase. CNC turret trend is: With the development of CNC lathes, CNC turret began to fast tool change, electro-hydraulic servo drive combo drive and direction. According to different processing object, a square turret, hexagonal turret, and eight (or more) stations of the disc cutter knife and other forms of axial loading. Were installed on a rotating turret four, six or more knives, according to the instructions of CNC tool change device. This part of the main electric turret lathe tailstock mechanical design and design. And the use of CAD software to do more than part of the diagram, the electric knife to have a more intuitive understanding. Finally, the development of CNC turret lathe made of electric personal opinions and personal outlook.Keywords: CNC lathe、electric knife、rotary tool holder- II -目 录摘 要IAbstractII1 引言11.1 概述11.2 自动车床自动回转刀架的发展趋势11.3 自动车床刀架的设计要求21.4 主要技术参数22 自动车床电动刀架的设计32.1 刀架的工作原理32.2 步进电机的选用32.3 蜗杆及蜗轮的选用与校核42.4 蜗杆轴的设计62.5 蜗轮轴的设计112.6 中心轴的设计122.7 齿盘的设计132.8 轴承的选用143 刀架体设计16结 论17参 考 文 献18致 谢19小型自动车床旋转刀架设计1 引言1.1 概述自动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效率和切削性能。从某方面说，刀架的性能和结构体现了机床的设计和制造技术水平。随着自动车床的不断进步和发展，刀架的结构形式也在不断更新。其中按换刀方式的不同，自动车床的刀架系统主要有排式刀架、回转刀架和带刀库的自动换刀装置等多种方式。传统的车床中的CA6140的刀架上只能安装一把刀，换刀的速度很慢，换刀后还须重新对刀，从而导致精度不高，生产效率低，已经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。自1958年首次研制成功数控加工中心自动换刀装置以来，自动换刀装置的机械结构和控制方式不断得到完善和改进。自动换刀装置相当于车床的心脏，它是加工中心的重要执行机构。自动换刀装置的形式多种多样，目前常见的有：更换主轴头换刀、回转刀架换刀以及带刀库的自动换刀系统。 初步了解了自动车床刀架的发展概况，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帮衬作用。对一些参数的进行了解同时按照准则来完成刀架设计。1.2 自动车床自动回转刀架的发展趋势自动车床刀架的发展趋势是：随着社会的进步，自动车床刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。目前我国自动车床刀架以电动为主，分为卧式和立式两种。立式刀架有四、六工位两种形式，主要用于简易、方便的自动车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可以正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能型的自动车床。此外卧式车床刀架还有伺服驱动刀架和液动刀架。电动刀架是自动车床重要的执行机构，合理的选择电动刀架，并且正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率、节省准备时间、消除人为误差，提高加工精度地一致性等等。此外，连续的工作能力和加工工艺得适应性也会有明显的提高。特别是在加工形状相对繁琐的零件时，在控制系统能提供相应的控制指令时，很关键的一点是自动车床应该配备易于控制的电动刀架，以便一次性安装各种所需的刀具，从而，灵活、方便的完成各种复杂形状的加工。自动车床刀架的市场分析：我国自动车床的刀架正在向中高档趋势发展中档采用的是普及型自动车床的刀架，而高档则采用动力型刀架其中包含液压刀架、伺服刀架、立（卧）式刀架等品种。最近几年需求量很大,平均每年需求量达到10002000台。目前自动车床的发展目的在于减少制造周期和提高加工的精度。为了实现上述目的就必须对车床本身进行改进：如更换刀架从而使唤到速度加快、开发多种多样的复合式加工的机种。现如今成型的机种如双主轴多刀塔、刀塔同时进行加工车削中心、五轴联动车铣复合中心、车磨复合加工机床等等。上述这些机种都很好的缩短制造周期和提高加工精度。不仅仅提高了劳动生产率也是加工出的产品更加合理化。自动车床刀架作为数控机床重要的功能部件，其性能直接影响机床的性能和可靠性，机床的刀架最容易发生故障。这就要求设计的刀架具有具有定位精度高、转位快、切向扭矩大的特点。自动车床刀架的原理采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。1.3 自动车床刀架的设计要求我在设计过程中，本着以下几条设计要求（1）创造性的利用所需要的物理性能（2）判别功能载荷及其意义（3）预测意外载荷（4）创造有利的载荷条件（5）提高合理的应力分布和刚度（6）应用基本公式求最佳尺寸和相称尺寸（7）根据性能组合选择材料（8）在整体零件和储备零件之间精心的进行选择（9）进行功能设计以适应制造工艺和降低加工成本的要求1.4 主要技术参数（1）电机功率(w) 60（2）重复定位精度：（mm）0.005（3）电机转速（r/min）14002 自动车床电动刀架的设计2.1 刀架的工作原理微机程序发出换刀信号，刀架控制箱继电器动作，电机正转，通过蜗杆蜗轮副，螺纹副将上刀体上升到一定位置时，拨盘起作用，带动定位销，定位销带动上刀体旋转到可需刀位。发信盘（霍尔元件）电路发出刀架信号，刀架控制继电器使电机反转，反靠销初定位，上刀体下降，端齿盘啮合，完全精定位动作，并使刀架锁紧，电机停转，并向微机发出信号，加工开始。电机减速机构升降机构上刀体上升转位信号符合粗定位机构上刀体下降精定位刀体锁紧电机停转换刀答信加工顺序执行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。刀架抬起：当数控系统发出换刀的命令后, 通过接口电路使电机正转, 经传动装置、驱动蜗杆蜗轮机构、蜗轮带动丝杆螺母机构逆时针旋转 ,此时由于齿盘处于啮合状态，在丝杆螺母机构转动时，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 :当圆套逆时针旋转150时，齿盘完全脱开，此时销钉准确进入圆套中的凹槽中，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中的某一个选通,当磁性板与被选通的霍尔开关对齐后,霍尔开关的反馈信号驱使电机反转,插销在弹簧力作用下进入反靠盘地槽中进行粗定位，上刀架体停止转动，电机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机构使上刀架移到齿盘重新啮合, 实现精确定位。刀架压紧:刀架精确定位后，电机反转，夹紧刀架，当上下两齿盘增加到一定夹紧力时， 电机经数控装置停止反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。2.2 步进电机的选用现如今很多机械加工需要少量进给。为了是实现微量进给，必须使用精密的传感器并且形成闭环系统，才能实现微量进给。步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机都可以作为驱动元件实现微量进给。开环系统中通常采用步进电机作为执行机构。主要步进电机具有以下好处：成本低定位准确无误差积累调速范围较宽低频率特性比较好直接采用数字系统进行控制转动惯量小，启动、停止方便选用步进电机作为驱动单元，其机构比较简单，主要是变速齿轮副、滚珠丝杠副，以克服间隙和爬行等缺陷。由于脉冲当量一般比较大，如0.01mm，在数控系统中为了保证加工精度，通常采用步进电机的细分驱动技术。因为刀架上升、下降各旋转150，刀架转位至少需要90，所以蜗轮转的角度=390n0.36r/s=21.6r/min,为了方便计算n取24r/min蜗轮蜗杆传动比为45电动机转速n=i*z1=45由于刀架只需小功率驱动，为了减少成本，选用JD60电动机，其转速为1400r/min,额定功率为60W。 步进电机2.3 蜗杆及蜗轮的选用与校核 涡轮蜗杆 2.3.1 选择传动的类型 因为传递的功率不大，转速较低，选用2A蜗杆，精度8级。2.3.2 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。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，先对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： （1）确定作用在蜗轮上的转距T2 Z1=2，估取效率=0.8，则： T2=T*i=3.4968N.M （2）确定载荷系数K因为工作载荷稳定，估取载荷分布不均系数K=1；使用系数KA选取KA=1.15；由于转速不高，冲击不大，取动载系数KV=1.1；则： K=KA*K*KV=1*1.15*1.1=1.2711.27 （3）确定弹性影响系数ZE 因选用的铸锡磷青铜蜗杆和蜗轮相配，则： （4）确定接触系数Z 假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值=0.30，从而查出Z=3.14。 （5）确定许用应力H 由于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，查得蜗轮的基本许用应力H=268MPA。 在电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙性的，故初步选定其寿命系数为KHN=0.93，则：H= KHNH=0.93268=246.64247MPA （6）计算中心距 取中心距a=50mm，m=1.25mm，蜗杆分度圆直径d1=22.6mm，这时d1/a=0.448，查表可得接触系数=2.72，因此以上计算结果可用。 蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算 （1）蜗杆 分度圆直径：d1=8mm直径系数：q=17.94蜗杆头数：Z1=1分度圆导程角：=31137蜗杆轴向齿距：PA=3.96mm；蜗杆齿顶圆直径：da1=d1+2ha*m=32.3mm蜗杆齿根圆直径：df1=d1-2(2ha+c)*m=24.18mm蜗杆轴向齿厚：Sa=1/2*m=2.514mm蜗杆轴向齿距：Pa1=m=1.6=5.04mm（2）蜗轮轮齿数：Z2=45变位系数=0验算传动比：i=Z2/Z1=45/1=45蜗轮分度圆直径：d2=mZ2=72mm蜗轮喉圆直径：da2=d2+2ha2=93.6蜗轮喉母圆直径：rg2=a-1/2*da2 =50-1/2*93.6=3.17蜗轮齿顶圆直径：da2=d2+2ha*m=75.3mm蜗轮齿根圆直径：df2=d2-2(ha-c)*m=68.18mm蜗轮外圆直径：当z=1时，de2da2+2m=78.5mm2.4 蜗杆轴的设计2.4.1 蜗杆轴的材料选择，确定许用应力根据轴主要传递蜗轮的转矩，为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 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=15.16mm2.4.3 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,便于安装和加工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相关，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=21.94mm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Ft=2T1/d1 其中d1=28mm则 径向力 切向力 轴向受力分析 求水平方向上的支承反力 水平方向支承力求水平弯矩,并绘制弯矩图 水平弯矩图求垂直方向的支承反力查表得：，其中， 垂直方向支承反力求垂直方向弯矩，绘制弯矩图求合成弯矩图，按最不利的情况考虑计算危险轴的直径 查表得：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，查表得：取则 则：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，为小功率减速传动装置，选用45号钢，正火处理， -1=55MPa2.5.2 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，根据文献得取公称直径为d3=44mm，螺距P=12mm，H=6.5mm查表得：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 轴的主要作用是定位作用，只承受部分弯矩，为空心轴，因此只需校核轴的刚度。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=17mm d3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=210GPayy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 齿盘主要用于精确夹紧和定位，齿形选用三角齿形，上下齿盘由于需相互啮合，参数可以相同 当蜗轮轴旋转150时，上刀架上升5mm，齿盘的齿高取4mm 由 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，由式得 按齿根抗弯强度设计计算抗弯疲劳许用应力，取抗弯疲劳安全系数SF=1.4弯曲疲劳强度验算故满足弯曲疲劳强度要求。2.8 轴承的选用 推力球轴承 深沟球轴承滚动轴承是现代机器生产中应用广泛的部件之一。它的工作原理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，滚动轴承功率消耗少、摩擦力小、启动容易等优点。而且我们常用的滚动轴承大部分已经标准化，因此使用滚动轴承时，只要根据具体的工作环境来正确选择轴承的尺寸和类型。查看轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问题。以及验算轴承的承载能力。2.8.1 轴承的类型考虑到轴各个方面的误差会直接影响到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。这种轴承可以同时承受轴向载荷及径向载荷，安装时可调整轴承的游隙。然后根据安装使用寿命和尺寸选出轴承的型号为：6203。2.8.2 轴承的游隙及轴上零件的调配轴承的欲紧和游隙是用端盖下的垫片来调整的，这样使工作方便些。2.8.3 滚动轴承的配合 滚动轴承是标准件，为了使轴承很好的互换和大量的生产，轴承外径与外壳的配合采用基轴制配合，即以轴承的外径尺寸为基准。轴承内孔与轴的配合采用基孔制配合，即以轴承内孔的尺寸为基准。2.8.4 滚动轴承的润滑由于电动刀架工作时转速很高，并且连续不断的工作，温度也很高。所以采用油润滑。当转速越高，应采用粘度越低的润滑油。当载荷越大，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防止灰尘，水，酸气和其他杂物等进入轴承内部，并且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种类。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。如果主要是为了防止外物浸入，密封唇应朝外。如果是为了油封，密封唇应朝内。3 刀架体设计图3.1 车床总体装配图 设计刀架体便要想好刀架体的内部零件和刀架体的外部零件的的关系以及刀架体内部零件的布置。需要考虑一下问题： （1）满足刚度和强度的要求。刀架体是夹持刀架的，其刚度不仅仅影响传动零件的工作情况还会影响部件的加工精度。 （2）结构设计合理。在刀架体结构设计方面，刀架体的开孔位置、支点安排和连接结构等都需要有利于提高刀架体的刚度和强度。 （3）工艺性好。其中包含毛坯制造、机械零件加工及热处理、装配的调整、安装固定、吊装运输、维护修理等各方面的工艺性。 （4）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。大部分可以通过热处理进行强化，有较好的塑性和足够的强度。 我所设计的下刀架体采用HT150铸造。结 论本次设计选用了四工位刀架，通过电机驱动，涡轮蜗杆的传动，有效的实现了缩短换刀时间,减少多次安装零件引起的误差。本次设计的四工位自动回转刀架结构相对简单，满足时间短、刀具重复定位精度高、储存足够的刀具以及安全可靠等设计要求。电动刀架在结构上必须具有良好的刚度及强度，以减少刀架在切削力作用下的位移变形与承受粗加工时的切削抗力作用，从而提高加工精度。车削加工的精度在很大程度上取决于刀尖的位置，对于自动车床来说，加工过程