数控车床自动回转刀架结构设计

机电机电 05 105 1 班班 哈尔滨理工大学哈尔滨理工大学 课程设计说明书课程设计说明书 设计题目 数控车床自动回转刀架设计题目 数控车床自动回转刀架 结构设计结构设计 班级 班级 学号 学号 姓名 姓名 指导老师 指导老师 日期 日期 2008 9 242008 9 24 机电机电 05 105 1 班班 设计任务 题目 数控车床自动回转刀架结构设计 任务 设计一台四工位立式回转刀架 适用于 C616 或 C6132 经济型数空 车床 要求绘制自动回转刀架的机械结构图 推荐刀架所用电动机的额定功率 为 90W 额定转速 1480r min 换刀时要求刀架转动的速度为 40r min 减速装置 的传动比为 i 37 总体结构设计 1 减速传动机构的设计 普通的三项异步电动机因转速太快 不能直接驱动刀架进行换刀 必须经 过适当的减速 根据立式转位刀架的结构特点 采用蜗杆副减速时最佳选择 蜗杆副传动可以改变运动的方向 获得较大的传动比 保证传动精度和平稳性 并且具有自锁功能 还可以实现整个装置的小型化 2 上刀体锁紧与精定位机构的设计 由于刀具直接安装在上刀体上 所以上刀体要承受全部的切削力 其锁紧 与定位的精度将直接影响工件的加工精度 本设计上刀体的锁进玉定位机构选 用端面齿盘 将上刀体和下刀体的配合面加工成梯形端面齿 当刀架处于锁紧 状态时 上下端面齿相互啮合 这时上刀体不能绕刀架的中心轴旋转 换刀时 电动机正转 抬起机构使上刀体抬起 等上下端面齿脱开后 上刀体才可以绕 刀架中心轴转动 完成转位动作 3 刀架抬起机构的设计 要想使上 下刀体的两个端面齿脱离 就必须设计适合的机构使上刀体抬 起 本设计选用螺杆 螺母副 在上刀体内部加工出内螺纹 当电动机通过蜗杆 涡轮带动蜗杆绕中心轴转动时 作为螺母的上刀体要么转动 要么上下移动 当刀架处于锁紧状态时 上刀体与下刀体的端面齿相互啮合 因为这时上刀体 不能与螺杆一起转动 所以螺杆的转动会使上刀体向上移动 当端面齿脱离啮 合时 上刀体就与螺杆一起转动 设计螺杆时要求选择适当的螺距 以便当螺杆转动一定的角度时 使得上 刀梯与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态 下图为自动回转刀架的传动机构示意图 详细的装配图在一号图纸上 三 自动回转刀架的工作原理 自动回转刀架的换刀流程如下图 图上表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置 其中上部的圆柱销 2 和下部的反靠销 6 起着重要作用 当刀架处于锁紧状态时 两销的情况如图 A 所示 此时反靠销 6 落在圆盘 7 的十字槽内 上刀体 4 的端面齿和下刀体的端面齿处于啮合状态 上下端面 齿在图中未画出 需要换刀时 控制系统发出刀架转位信号 三项异步电动机正向旋转 通 过蜗杆副带动蜗杆正向转动 与螺杆配合的上刀体 4 逐渐抬起 上刀体 4 与下 刀体之间的端面齿慢慢脱开 与此同时 上盖圆盘 1 也随着螺杆正向转动 上 盖圆盘 1 通过圆柱销与螺杆联接 当转过约时 上盖圆盘 1 直槽的另一端 1700 转到圆柱销 2 的正上方 由于弹簧 3 的作用 圆柱销 2 落入直槽内 于是上盖 圆盘 1 就通过圆柱销 2 使得上刀体 4 转动起来 此时端面齿已完全脱开 机电机电 05 105 1 班班 上盖圆盘 1 圆柱销 2 以及上刀体 4 在正转的过程中 反靠销 6 能够从反 靠圆盘 7 中十字槽的左侧斜坡滑出 而不影响上刀体 4 寻找刀位时的正向转动 上刀体 4 带动磁铁转到需要的刀位时 发信盘上对应的霍尔元件输出低电 平信号 控制系统收到后 立即控制刀架电动机反转 上盖圆盘 1 通过圆柱销 2 带动上刀体 4 开始反转 反靠销 6 马上就会落入反靠圆盘 7 的十字槽内 至 此 完成粗定位 此时 反靠销 6 从反靠圆盘 7 的十字槽内爬不上来 于是上 刀体 4 停止转动 开始下降 而上盖圆盘 1 继续反转 其直槽的左侧斜坡将圆 柱销 2 的头部压入上刀体 4 的销空内 之后 上盖圆盘 1 是下表面开始与圆柱 销 2 的头部滑动 再次期间 上 下刀体的端面齿逐渐啮合 实现精定位 经 过设定的延时时间后 刀架电动机停转 整个换刀过程结束 由于蜗杆副具有自锁功能 所以刀架可以稳定地工作 蜗杆 涡轮减速 销连接 螺杆 螺母 霍尔元件触发 蜗杆 涡轮减速 刀架电动机正转 螺杆正转上盖圆盘旋转 上刀体抬起 到位回答上刀体旋转 端面齿错开 圆柱销落入上盖圆 盘 刀架电动机旋转螺杆反转 反靠销反靠端面齿啮合 上刀体下降 粗定位 电动机停转延时锁紧精定位 机电机电 05 105 1 班班 图 自动回转刀架的换刀流程 上盖圆盘转动方向 b b b b 1 上盖圆盘 2 圆柱销 3 弹簧 4 上刀体 5 圆柱销 6 反靠销 7 反靠圆盘 上盖圆盘转动方向 上盖圆盘转动方向 上盖圆盘转动方向 主要传动部件的设计 1 蜗杆副的设计计算 自动回转刀架的动力源是三相异步电动机 其中蜗杆与电动机直联 刀架转位 时蜗轮与上刀体直联 已知电动机额定功率 90W 额定转速 1480r min 1 1 上刀体设计转速 40r min 蜗杆副的传动比 i 37 刀架从转位到锁紧 2 1 2 时 需要蜗杆反向 工作载荷不均匀 启动时冲击较大 今要求蜗杆副的使用 寿命 10000h 1 蜗杆的选型 GB T10085 1988 推荐采用渐开线蜗杆和锥面包络蜗杆 本 设计采用结构简单 制造方便的渐开线型圆柱蜗杆 2 蜗杆副的材料 刀架中的蜗杆副传动的功率不大 但蜗杆转速干 一次 蜗杆的材料选用 45 钢 其螺旋齿面要淬火 硬度为 45 55HRC 以提高 其表面耐磨行 蜗轮的转速较低 其材料主要考虑耐磨性 选用铸锡磷 青铜 ZCuSn10P1 采用金属模制造 3 按齿面接触疲劳强度进行设计 刀架中的蜗杆副采用闭式传动 多因齿 面胶合或点蚀而失效 因此 进行载荷计算时 先按齿面接触疲劳强度 进行设计 再按齿根弯曲疲劳强度进行校核 按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式 a 3 2 2 4 1 式中 a 蜗杆副的传动中心距 单位 mm K 载荷系数 作用在涡轮上的转矩 单位 N mm 2 2 弹性影响系数 ZE 许用接触应力 单位为 MPa 机电机电 05 105 1 班班 从式 4 1 算出蜗杆副的中心距 a 之后 根据已知的传动比 i 35 查表选择一个合适的中心距 a 值 以及相应的蜗杆 蜗轮参数 1 确定作用在蜗轮上的转矩 设蜗杆头数 1 蜗杆副的传动效率 2 1 0 8 由电动机的额定功率 90W 可以算出蜗轮传动的功率 1 2 再由蜗轮的转速 40r min 求得作用在蜗轮上的转矩 1 2 9 55 9 55 25 47N m 22923N mm 2 2 2 1 2 2 确定载荷系数 K 载荷系数 K KA KB K 其中 KA 为使用系数 有表 6 3 查得 由于工作载荷不均匀 启动时冲击较大 因此取 KA 1 15 为齿向分 布系数 因工作载荷在启动和停止时有变化 故取 KB 1 15 为动载系 数 由于转数不高 冲击不大 可取 K 1 05 则载荷系数 K KA KB K 1 39 使用系数使用系数 工作类型 IIIIII 载荷性质均匀 无冲击不均匀 小冲击不均匀 大冲击 每小时起动次数 50 起动载荷小较大大 KA11 151 2 3 确定弹性影响系数 ZE 铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时 从有关 手册查的弹性影响系数 ZE 160Mpa 1 2 4 确定接触系数 先假设蜗杆分度圆直径 d1 和传动中心距 a 的比 值 d1 a 0 35 查表的 Zp 2 9 1 铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力 H MPa 蜗杆螺旋面的硬度 蜗轮材料铸造方法 45HRC 45HRC 砂模铸造 150180 铸锡磷青铜 ZCuSn10P1 金属模铸造 220268 砂模铸造 113135 铸锡锌铅青铜 ZCuSn5Pb5Zn5金属模铸造128140 5 确定许用接触应力 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜 ZCuSn10P1 金 属模制造蜗杆螺旋齿面硬度大于 45HRC 可查表的蜗轮的基本许用应力 268MPa 已知蜗杆为单头 蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的 次数 j 1 蜗轮转数 40r min 蜗杆副的使用寿命 10000h 2 则应力循环次数 机电机电 05 105 1 班班 N 60j n2 2 4 10 7 寿命系数 KHN 0 693 许用接触应力 KHN 186MPa 6 计算中心距 将以上各参数带入 4 1 求得中心距 a 47 1 mm 查表取 a 63 已知蜗杆头数 1 设模数 m 1 6mm 得蜗杆分度圆直 1 径 d1 28mm 这时d1 a 0 59 查表得接触系数 2 35 因为 1 1 较大 所以上述计算结果可用 2 4mm 今取螺杆的 螺距 P 6mm 2 确定其他参数 采用单头梯形螺杆 头数 n 1 牙侧角 150 外螺纹大径 50mm 牙顶间隙 0 5mm 基本牙