数控车床的六角回转刀架的机构设计结构设计.doc

数控车床的六角回转刀架的机构设计结构设计第一章 绪论1.1前言数控技术是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。数控技术也叫计算机数控技术，它是采用计算机实现数字程序控制的技术。这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的运动轨迹和外设的操作时序逻辑控制功能。由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入操作指令的存储、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可通过计算机软件来完成，处理生成的微观指令传送给伺服驱动装置驱动电机或液压执行元件带动设备运行。传统的机械加工都是用手工操作普通机床作业的，加工时用手摇动机械刀具切削金属，靠眼睛用卡尺等工具测量产品的精度的。现代工业早已使用电脑数字化控制的机床进行作业了，数控机床可以按照技术人员事先编好的程序自动对任何产品和零部件直接进行加工了。这就是我们说的数控加工。数控加工广泛应用在所有机械加工的任何领域，更是模具加工的发展趋势和重要和必要的技术手段。由于数控机床要按照程序来加工零件，编程人员编制好程序以后，输入到数控装置中来指挥机床工作。程序的输入是通过控制介质来的。目前，制造业已经进入了数控化时代。数控技术诞生于上世纪的后期，但是，数控技术的智能化、自动化发展的开端正是现在。提高数控技术和生产力成为了各个各家、地区、企业使自己处于竞争中的有利地位的重要手段。数控技术成为当今制造业的核心研究领域之一。1.2数控技术的发展趋势随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面。1.高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。2. 5轴联动加工和复合加工机床快速发展采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。3. 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。4重视新技术标准、规范的建立关于数控系统设计开发规范如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范(OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界3个最大的经济体在短期内进行了几乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国在2000年也开始进行中国的ONC数控系统的规范框架的研究和制定。数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。国际上正在研究和制定一种新的CNC系统标准ISO14649（STEPNC)，其目的是提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。STEP-NC的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个制造业，将产生深远的影响。目前，欧美国家非常重视STEP-NC的研究，欧洲发起了STEP-NC的IMS计划(1999.1.12001.12.31)。1.3我国数控机床的现状与发展前景目前，中国已成为全球最大的机床消费国，也是世界上最大的数控机床进口国。过去只用于航空,汽车工业的数控机床，现在已越来越广泛的成为其他制造行的必要设备, 而且技术发展也相当快速,令人惊叹。然而，我国的机械加工设备的数控化率，在1999 年仅为58，现在大约在1520之间。我国数控技术水平的提高已迫在眉睫。我国目前各种门类的数控机床都能生产，水平参差不齐，有的是世界水平，有的比国外落后1015 年，但如果有国家的大力支持，追赶起来也不是什么太大的问题，例如：2004 年，沈阳机床集团收购了德国西思机床公司，意义很大，如果大力消化技术，可以缩短不少差距。大连机床公司也从德国引进了不少先进技术。上海一家企业购买了日本著名的机床制造商池贝。中国的制造业要实现从大国到强国，从低端到高端，从中国制造到中国创造的转变，一是要高技术化，二是要技术升级。当前，我国社会经济飞速发展使得中国制造技术正在发生日新月异的变化。但是，中国目前只是非创新产品的制造大国，靠劳动力、价格、资源和非竞争性的比较优势，在低端产品上占有一席之地。数控机床是现代制造业的关键设备，一个国家数控机床的产量和技术水平在某种程度上代表了这个国家制造业技术水平和竞争力。最近10 年来，随着我国国民经济持续快速健康发展，为满足制造业需求，国家每年花费10 多亿美元引进数控机床，使我国制造业数控设备出现了大幅度快速增长的态势，我国的数控技术的发展呈现出前所未有的广阔前景。但与国外相比，我国制造数字化技术应用水平还比较低。面对这种挑战，我们一方面认识到自己的不足，另一方面要消化、吸收国外的先进技术，缩短与他们之间的差距，致力于解决提高数控设备工业应用水平，实现高速高效加工技术，具有重大的现实意义和深远意义。1.4自动换刀技术及数控车床的自动换刀装置数控机床的的出现对提高生常理、改进产品质量以及改善劳动条件等已经发挥了重要的作用。为了进一步压缩非切削时间，多数数控机床往往在一次装夹中完成多工序加工。在这类多工序的数控机床中，必须待用自动换刀装置。快速自动换刀技术是以减少辅助加工时间为主要目的，综合考虑机床的各方面因素，在尽可能短的时间内完成刀具交换的技术方法。由此技术研制出来的产品叫做自动换刀装置。自动换刀装置应当满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储存量、刀库体积小以及安全可靠等基本要求。数控车床是常见的数控机床，根据数控车床开发的自动换刀装置因数控车床的形式、工艺范围和刀具的种类与数量不同而具有不同的形式，目前常用的是回转刀架式和带刀库的自动换刀装置。回转刀架也称为转塔式刀架，它是数控车床上最常用，也是最简单的一种自动换刀装置。回转刀架使用回转头各刀座来安装或夹持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转分度定位来实现车床的自动换刀动作。回转刀架可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式，其上可安装4把、6把或更多的刀具，并可按数控装置的指令换刀。我国目前在生产中广泛使用的数控车床，而六角回转刀架虽然是上世纪开发的产品，但其结构具有当代自动换刀装置的典型结构，且其实用性和较低的造价使得他仍被广泛应用于中小企业中。本课题是关于数控车床的六角回转刀架的机构设计。1.5本课题研究的内容1、对自动换到技术和自动换刀装置进行介绍。包括其结构、工作原理、相关数控技术的研究进展方向。2、分析数控车床的六角回转刀架的发展，分析数控车床的六角回转刀架工作原理和结构组成。3、分析数控车床的六角回转刀架设计的原理和依据。 4、提出一套可行数控车床的六角回转刀架设计方案。5、对本文进行总结。第二章 自动换刀技术发展在第一章绪论中主要阐述了制造业在经济发展中的核心地位，通过工业革命的意义说明了新技术在制造业发展中应用的重要启示，由此展现当今发展数控技术的重要性和必然性。同时展示了当今数控技术的发展特点，说明了自动换刀装置是目前数控技术自动化、自能化重要研究课题之一。本章将继续并相对详细地介绍自动换刀技术及其常见装置。2.1自动换刀技术产生的背景及其意义虽然数控技术在上世纪初就诞生于美国高校，但是其自动化还是不成熟的。例如，最初的数控系统是最简单的打孔机输入的计算机，但是数控编程部分的工作也是不少的工作量。又如我国90年代的制造业工厂大部分还是使用手工进给的老旧车床。90年代中期，出现了大量的改造式数控机床，例如旧车床加数控系统。但这些改造只能使部分的进给功能自动化，生产还是离不开工人频繁的艰苦劳动。精度提高也是很有限的。当然同期间西方国早就完成了其初步太空计划，也就是说，他们的数控技术发展已经使得世界最领先的位置，其产品精度也是当时最高级别的。可是，人们发现，尽管加工相对以前有了极大的的自动化和智能化，但是非切削时间还有很多的缩短空间，尤其是换刀的工序，原来的手工换刀耗时耗力，而且每次换刀都要重新对刀，不可避免的加入了人为精度误差。上世纪中后期，西方国家投入大量资源对自动换刀技术进行研究。到上世纪末，自动换刀装置已经在西方、欧洲、日本等发达地区普及。自动换刀装置的普及，极大地提高生产率和产品精度。典型的应用就是数控加工中心的机械手换刀和车削中心卧式换刀装置。美国在21世纪初高调发布和实施了新的太空计划探索火星，并取得实质性的进展，充分展现了其航空器所达到的制造精度。无疑，这些数控技术的发展又使人类制造技术达到新的高度。2.2自动换刀装置的形式目前主要自动换刀装置有：回转刀架、换主轴换刀、更换主轴箱换刀和带刀库的自动换刀系统。2.2.1回转刀架式自动换刀装置 回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，常用于数控车床。可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令换刀。回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.0010.005mm）。一般情况下，回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧等。回转刀架按其工作原理分为若干类型，如图2.1所示。图2.1a)所示为螺母升降转位刀架，电动机经弹簧安全离合器到蜗轮副带动螺母旋转，螺母举起刀架使上齿盘与下齿盘分离，随即带动刀架旋转到位，然后给系统发信号螺母反转锁紧。图2.1 回转刀架的类型及其工作原理 图2.1(b)所示为利用十字槽轮来转位及锁紧刀架（还要加定位销），销钉每转一周，刀架便转1/4转（也可设计成六工位等）。 图2.1(c)所示为凸台棘爪式刀架，蜗轮带动下凸轮台相对于上凸轮台转动，使其上、下端齿盘分离，继续旋转，则棘轮机构推动刀架转90，然后利用一个接触开关或霍尔元件发出电动机反转信号，重新锁紧刀架。 图2.1(d)所示为电磁式刀架，它利用了一个有10kN左右拉紧力的线圈使刀架定位锁定。 图2.1(e)所示为液压式刀架，它利用摆动液压缸来控制刀架转位，图中有摆动阀芯、拨爪、小液压缸；拨爪带动刀架转位，小液压缸向下拉紧，产生10kN以上的拉紧力。这种刀架的特点是转位可靠，拉紧力可以再加大，但其缺点是液压件难制造，还需多一套液压系统，有液压油泄漏及发热问题。 图2.2所示为数控车床的六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。这种刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，其换刀过程如下：（1）刀架抬起。当数控装置发出换刀指令后，压力油由A进入压紧液压缸的下腔，活塞上升，刀架体抬起，使定位活动插销与固定插销脱离。同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮结合。图2.2 数控车床的六角回转刀架（2）刀架转位。当刀架抬起之后，压力油从C孔转入液压缸左腔，活塞向右移动，通过连接板带动齿条移动，使空套齿轮作逆时针方向转动，通过端齿离合器使刀架转过60。活塞的行程应等于齿轮节圆周长的1/6，并由限位开关控制。（3）刀架压紧。刀架转位之后，压力油从B孔进入压紧液压缸的上腔，活塞带动刀架体下降。缸体的底盘上精确地安装六个带斜楔的圆柱固定插销，利用活动插销消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。刀架体下降时，定位活动插销与另一个固定插销卡紧，同时缸体与压盘的锥面接触，刀架在新的位置定位并压紧。这时，端齿离合器与空套齿轮脱开。（4）转位液压缸复位。刀架压紧后，压力油从D孔进入转位油缸右腔，活塞带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮在轴上空转。如果定位和压紧动作正常，拉杆与相应的接触头接触，发出信号表示换刀过程已结束，可以继续进行切削加工。回转刀架除了采用液压缸驱动转位和定位销定位外，还可以采用电动机-马氏机构转位和鼠盘定位，以及其它转位和定位机构。图2.3 换主轴换刀2.2.2换主轴换刀更换主轴换刀是带有旋转刀具的数控机床的一种比较简单的换刀方式。这种主轴头实际上就是一个转塔刀库，如图2.3所示。主轴头有卧式和立式两种，通常用转塔的转位来更换主轴头，以实现自动换刀。在转塔的各个主轴上，预先安装有各工序所需要的旋转刀具，当发出换刀指令时，各主轴头依次地转到加工位置，并接通主运动，使相应的主轴带动刀具旋转。而其它处于不加工位置上的主轴都与主运动脱开。这种更换主轴换刀装置，省去了自动松、夹、卸刀、装刀以及刀具搬运等一系列的复杂操作，从而缩短了换刀时间，并提高了换刀的可靠性。但是由于空间位置的限制，使主轴部件结构尺寸不能太大，因而影响了主轴系统的刚性。为了保证主轴的刚性，必须限制主轴的数目，否则会使结构尺寸增大。因此，转塔主轴头通常只适用于工序较少、精度要求不太高的机床，例如数控钻、铣床等。2.2.3更换主轴箱换刀有的数控机床像组合机床一样，采用多主轴箱，利用更换主轴箱达到换刀的目的，如图2.4所示。主轴箱库8吊挂着备用主轴箱27。主轴箱两端的导轨上，装有同步运行的小车和，它们在主轴箱库与机床动力头之间运送主轴箱。根据加工要求，先选好所需的主轴箱，待两小车运行至该主轴箱处时，将它推到小车上，小车载着主轴箱与小车同时运动到机床动力头两侧的更换位置。当上一道工序完成后，动力头带着主轴箱1上升到更换位置，夹紧机构将主轴箱1松开，定位销从定位孔中拨出，推杆机构将主轴箱1推到小车上，同时又将小车上的待用主轴箱推到机床动力头上，并进行定位夹紧。与此同时，两小车返回主轴箱库，停在下次待换的主轴箱旁的空位。也可通过机械手10在刀库9和主轴箱1之间进行刀具交换。这种换刀形式，对于加工箱体类零件，可以提高生产率。图2.4 更换主轴箱换刀2.2.4带刀库的自动换刀系统此类换刀装置由刀库、选刀机构、刀具交换机构及刀具在主轴上的自动装卸机构等四部分组成，应用最广泛。图2.5所示为刀库装在机床的工作台（或立柱）上的数控机床的外观图。图2.5 刀库与机床为整体式的数控机床 图2.6 刀库与机床为分体式的数控机床图2.6所示为刀库装在机床之外，成为一个独立部件的数控机床的外观图。此时，刀库容量大，刀具可以较重，常常要附加运输装置来完成刀库与主轴之间刀具的运输。带刀库的自动换刀系统,整个换刀过程比较复杂。首先要把加工过程中要用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上,在机床外进行尺寸预调整后,插入刀库中。换刀时根据选刀指令在刀库上选刀，由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具，进行刀具交换，然后将新刀具装入主轴，将用过的刀放回刀库。采用这种自动换刀系统，需要增加刀具的自动夹紧、放松机构、刀库运动及定位机构，常常还需要有清洁刀柄及刀孔、刀座的装置，因而结构较复杂。其换刀过程动作多、换刀时间长。同时，影响换刀工作可靠性的因素也较多。为了缩短换刀时间，可采用带刀库的双主轴或多主轴换刀系统，如图2.7所示。由图可知，当水平方向的主轴在加工位置时，待更换刀具的主轴处于刀换刀位置，由刀具交换装置预先换刀，待本工序加工完毕后，转塔头回转并交换主轴（即换刀）。这种换刀方式，换刀时间大部分和机加工时间重合，只需转塔头转位的时间，所以换刀时间短，转塔头上的主轴数目较少，有利于提高主轴的结构刚度，刀库上刀具数目也可增加，对多工序加工有利。但这种换刀方式难保证精镗加工所需要的主轴精度。因此，这种换刀方式主要用于钻床，也可以用于铣镗床和数控组合机床。 图2.7 双主轴头换刀2.3自动换刀装置未来的发展方向随着数控技术的发展，自动换刀装置将朝高速换刀、更大刀具储存量和更好的互换性方向发展。第三章 数控车床的六角回转刀架的设计原理和依据回转刀架也称为转塔式刀架，它是数控车床上最常用，也是最简单的一种自动换刀装置。回转刀架使用回转头各刀座来安装或夹持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转分度定位来实现车床的自动换刀动作。回转刀架可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式，其上可安装4把、6把或更多的刀具，并可按数控装置的指令换刀。我国目前制造业中广泛使用的数控车床六角回转刀架虽然是上世纪开发的产品，但其结构具有当代自动换刀装置的典型结构，和相对成熟的技术使得它极具经济性是使用性，它仍是我国大部分中小企业广泛使用的数控车床部件。3.1数控车床的六角回转刀架的换刀工程图3.1所示为数控车床的六角回转刀架，它适用于盘类零件的加工。在加工轴类零件时可以换成四方刀架，它们底部测尺寸是相同的，互换更换起来非常方便，因此在数控车床中使用得很广泛。这种刀架的全部动作由液压系统通过电磁换向阀和顺序阀进行控制，其换刀过程如下四个步骤（1）刀架抬起。当数控装置发出换刀指令后，压力油由A进入压紧液压缸的下腔，活塞上升，刀架体抬起，使定位活动插销与固定插销脱离。同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮结合（2）刀架转位。当刀架抬起之后，压力油从C孔转入液压缸左腔，活塞向右移动，通过连接板带动齿条移动，使空套齿轮作逆时针方向转动，通过端齿离合器使刀架转过60。活塞的行程应等于齿轮节圆周长的1/6，并由限位开关控制。（3）刀架压紧。刀架转位之后，压力油从B孔进入压紧液压缸的上腔，活塞带动刀架体下降。缸体的底盘上精确地安装六个带斜楔的圆柱固定插销，利用活动插销消除定位销与孔之间的间隙，实现反靠定位。刀架体下降时，定位活动插销与另一个固定插销卡紧，同时缸体与压盘的锥面接触，刀架在新的位置定位并压紧。这时，端齿离合器与空套齿轮脱开。（4）转位液压缸复位。刀架压紧后，压力油从D孔进入转位油缸右腔，活塞带动齿条复位，由于此时端齿离合器已脱开，齿条带动齿轮在轴上空转。图3.1 数控车床的六角回转刀架如果定位和压紧动作正常，拉杆与相应的接触头接触，发出信号表示换刀过程已结束，可以继续进行切削加工。回转刀架除了采用液压缸驱动转位和定位销定位外，还可以采用电动机-马氏机构转位和鼠盘定位，以及其它转位和定位机构。3.2数控车床的六角回转刀架的设计要求回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.0010.005mm）。3.3数控车床的六角回转刀架的机构设计中的几个主要问题回转刀架的分度机构1.分度机构是回转刀架的核心机构之一，要特别处理好分度的准确性。2.刀盘机构,刀盘是刀具装填机构，也是分度机构直接作用的机构。刀盘在设计时要注意刀具的大小、材料的选择、大小和重量。3.定位精度的保证,必须选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.0010.005mm）。定位动作结束的反馈机构4.回转刀架的动作启动和结束是通过液压系统驱动的，而液压系统由数控系统的CNC控制，因此CNC系统必须获得反馈信号。3.4本章小结本章分析了六角回转刀架的设计依据，分析了六角回转刀架的结构及工作原理，提出了设计过程中要注意的几个问题。第四章 数控车床的六角回转刀架的机构设计回转刀架，它是数控车床上最常用，也是最简单的一种自动换刀装置。回转刀架使用回转头各刀座来安装或夹持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转分度定位来实现车床的自动换刀动作。它相对成熟的技术使其具有经济性和实用性，目前，我过大部分中小企业还在使用六角回转刀架，常见于数控车床上的自动换刀装置的应用。本课题对数控车床的六角回转刀架的机构设计具有现实意义。4.1数控车床的六角回转刀架的分度机构结构设计 回转刀架的工作原理简单来说，就是利用几何分度，在每个不同的分度上安装不同的刀具，并能根据指令进行转动定位。因此，分度机构是回转刀架的核心机构。4.1.1分度机构结构设计的总思路分度机构主要包括刀架主轴、主活塞、端齿盘离合器（分上下两个端齿盘）、分度齿条和分度活塞。因此，结构设计也围绕这五个方面进行。刀架主轴设计包括主轴的形状/尺寸设计、材料选择；主活塞设计包括其形状/尺寸、材料选择；端齿盘离合器的下端齿盘是不完全标准件，主要是上端齿盘是个特殊结构，要进行特别设计；分度齿条结构简单，主要考虑其长度；分度活塞主要考虑其与活塞杆连接的结构。分度机构主要作用是分度，其精度主要由液压系统和数控控制系统决定。而六角回转刀架的重复定位精度是由刀盘定位系统决定的，故分度机构定位精度没有作为重要设计要求。设计原则：保重分度性能，尽量用常用的材料和常见结构，减低成本。4.1.2分度机构的刀架主轴设计刀架主轴的作用主要是为刀盘的分度转动提供转轴和扭矩传动，为刀盘的升高和压紧提供动力传动。主轴的设计包括其形状/尺寸设计、材料选择。1.主轴的材料的选择。考虑到主轴作为刀架所受切削力的受力中心，材料应该选择具有一定强度和刚度的材料，同时由于经常转动和抬压刀盘，故要求其具有耐磨性。查表.4.1，考虑到最常用的轴类材料是45钢，故选用45钢，调质处理。表4.2列出了45钢的力学性能。表4.1表4.2优质碳素结构钢的力学性能力学性能|b/MPa: 600力学性能|s/MPa: 355力学性能|5(%): 16力学性能|(%): 40力学性能|AKU/J: 39由于刀架的分度旋转速度低、扭矩小，故刀盘转动时主轴受到的扭矩相对很小；当刀架定位完毕，刀具切削工件时，主轴受到切削力，和弯矩的作用，但是主轴外面有很厚的高强度铸钢包裹配合，同时45钢调制后具有很好的韧性和强度，力学性能良好，主要受力轴段轴径为30，所以不需要校核。主轴的形状结构主要考虑轴向零件的定位特点。主轴上的零件主要是主活塞和端齿盘离合器，轴的两端制造螺纹用于顶端连接刀盘和底端轴向固定端齿盘。结构形状及相关参数如图4.1所示。根据现有的回转刀架产品常见主轴轴径，取d1=d2=d3=30。轴环宽度b11.4d2，d2为安装主活塞处的轴径。则由上公式得：b11.430=4.2为了减少主轴的体积，选b1=4.2。图4.1主轴由机械设计手册查到轴肩高h=（0.070.1）d，其中d为零件所在轴径。故可得到如轴肩数据：h1=（0.070.1）d2=0.07300.130=2.13取h1=3，由此得轴环轴径：d6=d2+2h1=30+23=36。 b2处的轴段用于放置卡环，顶住主活塞的下端面，卡环的厚度取2，取b2=8，故得d7=26。 为了在主轴下端固定端齿盘，必须有轴肩h2。取d5=26，则由h=（0.070.1）d得：h2=h=（0.070.1）d5=0.07260.126=1.822.6 ， 取h2=2 。为了轴向固定下端齿盘，主轴底端用螺母固定下端齿盘。查下页的表4.3可得公称直径为M24,标记为M24 - 8h。轴的上端，制作螺纹用于固定连接刀盘的链接件。查下页的表4.3，可得公称直径为M24,标记为M24 - 8h。查机械设计手册，轴径1830, 轴的过度圆角全部取1.0 。4.1.3主活塞的设计主活塞仅仅在刀盘的升起和压紧时受到相对较小的轴向力，故可以选用较低强度的廉价材料。又考虑到必须保证气密性和制作难度应该尽量的降低，以降低成本，选用铸钢。常见的铸钢的力学性能如下表4.4所示。表4.3 螺纹标准表4.4 常见铸钢常温下力学性能表4.5液压缸内径公称直径由表可选择ZG340640。查上表4.5，获得活塞的公称直径d=100 。活塞厚度取b=20。主活塞的结构如下图，图4.2。图4.2 主活塞结构主活塞中心毂的倒角必须比与之配合的主轴的倒角大，故取2 。液压系统必须有良好的密封性，查手册得如下表，表4.6 。主轴轴径为30，查表取毂孔处的两个o型密封圈为：O型圈 303.55 -A - N - GB/T3452.1 - 2005 。查手册得表4.7，根据O圈外径100查得外圆轮廓的O圈为： O型圈 5.7 -A - N - GB/T3452.1 - 2005 。表4.6 液压密封圈（O圈）参数(内径)表4.7 液压密封圈（O型圈）参数（外径D）4.1.4端齿盘离合器的设计端齿盘是分度机构的核心，其关键之处是端齿盘的离合作用及上端齿盘的空套齿轮。1、下端齿盘的设计。查相关手册得到端齿盘的常用牙型如下表4.8所示。由于分度机构的离合器传动时受到的载荷小，低速转动，考虑制造的成本，选择简单而实用矩形牙型端齿盘。表4.8端齿盘常见牙型端齿盘的材料选择，如下表4.9所示。低载荷低速，考虑常用材料，选用45钢。为了提高耐磨性和强度，进行调制处理。表4.9常用端齿盘材端齿盘的结构几何参数如下表4.10所示。表4.10端齿盘几何参数牙齿外径D=(1.53)d ，取d=26，则计算得D=3978,取D=60 。牙齿内径D1=(0.70.75)D,代入数据计算得 D1=4245 。又由下表4.11得到：齿数Z=7,1=2443，2=2643，S=12.84,h=6 。表4.11齿数、齿高及几何角度 2、上端齿盘的设计。上端齿盘是非标准件，分为上下两部分：上部的空套齿轮，下部的端齿盘端齿。下部分的端齿齿形参数跟下端齿盘参数相同，故这里设计的重点是上部分的空套齿轮的设计。 由于端齿盘离合器低负荷低速运转，故由简化公式计算其参数，入下表4.12所示。表4.12简化公式式中：a 中心距，mm；小齿轮的分度圆直径，mm；m、端面模数及法面模数，mm；小齿轮的齿数；、齿宽系数；u齿数比，；复合齿形系数；许用接触应力（MP），简化基计算中近似去，为试验的接触疲劳极限应力（MP），；许用抗弯强度（MP），简化计算中可以近似取，为齿轮材料的抗弯疲劳强度的基本值，为抗弯强度计算的最小安全因数，可取 ；小齿轮传递的额定转矩，；K载荷系数，常用值1.22，当载荷平稳，齿宽系数较小，齿轮对轴承对称布置，轴的刚度较大，齿轮精度高（6级以上）及齿数轮的螺旋角较大时，应取较小值，反之取较大值。抗弯强度计算公式中的应代入及中的大值。由于端齿盘离合器工作在低载荷低扭矩条件下，故只需要按照上面的抗弯强度公式算出模数m的值，然后根据经验法对照现有产品参数进行适当修正即可。因为空套齿轮是与齿条啮合，在分度定位的动作过程中，要求齿条的行程至少使空套齿轮转动六分之一周，带动刀盘转过六分之一的圆周分度，所以齿条的有效啮合长度至少为六分之一的空套齿轮的分度圆圆周长。考虑到齿条的行程直接影响到刀架的体积空间，这里选择最近简单，但相对最稳定的分度方案：齿条的行程等于六分之一的空套齿轮的分度圆圆周长。即齿条的最大行程只能使刀盘转位六分之一圆周，但是节省了刀架的占位空间，使其适用于常见的小型廉价车床，同时简单的分度方案使得数控系统更加简单稳定。但是为了简化计算，这里取齿数比u的值为：u=1 ；是齿宽系数，= 。通常，对于直齿轮，=612 ，越大则齿宽b越大，齿轮轴向尺寸越大，安全性和成本提高，散热性能降低。反之亦然。由于空套齿轮在啮合转动的时候是处于低载荷低速度的条件下，故齿宽b不需要很大，但为了使使用简化公式计算出来的参数具有更好的安全性，不妨取的值为：=10； 算出来的b值偏大，可根据实际经验适当修正即可。 根据现场观察现有产品的分度转位的转速，目测转速n8.57线速度v=0.046，查机械设计手册 单行本 齿轮传动p16-73，表16.2-71，取齿轮的精度等级为8级，即IT8。查机械设计手册 单行本 齿轮传动p16-62，表16.2-59，选择45钢调质作为上端齿盘的材料。查机械设计手册 单行本 齿轮传动p16-65表16.2-65，得到如下的硬度数据：齿轮硬度300330HBS ， 齿条硬度 260280 HBS 。图4.3 抗弯疲劳强度基本值又由上图4.3查得：齿轮=460；齿条=430 。故得：；。取齿数=26，则查课本机械设计p200，表10-5得到：齿形系数 ；校正系数；所以;所以值较大的;转矩与扭转转惯量J有关。根据实际现有产品目测，设刀盘为高h=145, 直径为D=294的铸钢圆柱体。查阅材料手册，得铸钢的密度为。由体积公式得刀盘的体积V=；由质量与密度的关系得刀盘的质量M 。由扭转惯量与扭矩的关系得J=，代入数据计算得=744。事实上，刀盘是六角形的，而且内部有很大的减重槽，实质质量比上面估算的质量的十分之一还要低。但考虑到刀盘转动时遇到摩擦力等等阻碍因素，取估算质量的十分之一左右的质量进行下一步的计算。此时可取=67.7。把上面所有相关参数代入简化公式，计算得 。对照m的标准值，取，这样保证了齿轮在其主要受力方向上有足够的强度。由模数与分度圆的关系得，计算得=91 。由得b=35。因为是大大人为的增大，且空套齿轮在轴向方向受到的力很小，基本可以忽略，故参照现有产品参数，选择b=14。总结空套齿轮的参数：模数；分度圆直径=91；齿宽b=14。上端齿盘的结构图如下图4.4所示：图4.4 上端齿盘结构4.1.5分度活塞的设计分度活塞作用主要是将液压能量转化为齿条动能，使得空套齿轮可以转动，又使齿条可以复位。其行程跟齿条行程相同，约为六分之一的空套齿轮分度圆的周长。活塞直径。由下表4.12，取活塞直径D=50。厚度b=35。表4.12液压缸内径公称直径分度活塞及其活塞杆的零件装配图如下图4.5所示。图4.5 分度活塞及其活塞杆的零件装配图4.2精定位机构活动插销机构设计精定位是六角回转刀架最终的定位，精定位的精度直接反映于刀架的重复定位精度，六角回转刀架的精定位采用活动插销的定位方式。4.2.1定位原理、设计思路在刀架的底座均布六个固定插销轴，在刀盘底部的对应位置均布六个插销孔，当刀盘抬起时，插销孔被拉起脱离插销轴，当分度转动介绍后，刀盘大致地转到插销轴的正上方，然后液压力作用使刀盘带动插销孔下压。而在插销轴的顶端是个半圆球头，其坚硬的球型曲面使插销孔与之配合的时候能够自动修正分度转位的误差。对于重复定位精度，主要决定于插销定位机构的定位误差。由于回转刀架的重复定位误差为0.0010.005，所以要求定位误差 。4.2.2材料选择作为六角回转刀架的最重要的定位机构，有较严格的精度要求，同时又是相对运动频繁的机构，故材料的选择必须使其具有高强度，高刚度，高耐磨性。可选择合金钢40Cr。4.2.3活动插销机构的结构设计插销轴的顶端是个球头，其球面在刀盘下压的时候能带动插销孔向下压，插销轴的顶端球头曲面能够使插销孔自动对心，从而达到定位目的。插销轴结构简单，其结构和尺寸见下图4.6所示。图4.6 插销轴结构图插销孔的结构及尺寸如下图4.7所示。图4.7 插销孔结构图4.2.4插销机构的公差带设计国家要求优先采用基孔制，故孔的基本偏差为H，由国标优先推荐的常用配合中试选H7/n6，由下表4.13查得如下数据：表4.13 标准公差孔的公差为0.018，上偏差ES=0.018，下偏差EI=0；轴的公差为0.011，上偏差es=0.023，下偏差ei=0.012 。则定位误差=0.003即，所以所选择的公差配合H7/n6复合重复定位精度要求。插销机构的配合如下图4.8所示。图4.8 定位插销机构的公差配合图4.2.5对插销轴进行校核因为插销定位机构决定了六角回转刀架的重复定位精度，同时作为过盈配合，当刀架受到切削力时，刀架底座上均布的六个插销结构先于主轴受力，所以该机构是非常重要的受力机构，要进行校核检验。确定切削力。查金属切削手册，得切屑力y方向上的受力公式：，车床切削外圆是Y方向的受力系数；查表得其值为1795；背吃刀量，mm；对于常见的车床外圆切削，取其常见的大值为5 ；f进给量，查表并取大值为1.4;把上述具体数据代入上面公式计算得：=9834.07N;查金属切削手册，得切屑力y方向上的受力公式：,车床切削外圆时x方向的受力系数，查表得其值为1069；其余参数和取值同上。代入数据计算得=9177.51N；则由上得到在水平面上每个插销轴受到的剪力F为：/6 ;代入数据计算得F=13451.23N;由设计手册得剪切强度公式： ；材料的许用切应力，MPa ;d材料剪切面的直径，mm；F剪切力，N。查手册得40Cr的为800MPa，取安全系数k=1.5，则=把d=14，F=13451.23nN，代入上式得=87.38MPa ， =533.33MPa 。4.2.6校核结论结论：由校核结果知道插销定位机构有足够的强度和安全性，由定位误差的计算和检验，知道插销定位机构能满足重复定位的要求。4.3 刀夹衬套的设计简述刀夹衬套用于与夹持刀具的刀夹柄配合而使之与刀盘连接。目前使用的刀夹很多，有些设计已经标准化。本课题针对目前国内常见的数控车床六角回转刀架的刀夹对刀夹衬套进行设计。下图4.9是常见的刀夹外形。图4.9常见车削刀具刀夹其常见的刀夹刀柄的直径为20、30、40、60等等，最常用于车床的是直径为30的刀夹刀柄。本课题针对直径为30的刀夹刀柄对刀夹衬套进行设计。其结构如下图4.10所示。考虑到切削切削过程中刀夹衬套会受到大量的切削热，而合金钢有热硬性的特性，故选用合金钢为衬套的材料，牌号是40Cr。图4.10刀夹衬套总结第一，本设计的内容总结。查阅了有关数控技术发展的基础上，对数控技术的发展、新技术应用对制造业的影响、研究自动换刀装置对制造业的积极意义做了介绍。对六角回转刀架的原理和设计依据做了详细的阐述，并对数控车床的六角回转刀架展开机构设计。设计部分分开两大部分，一部分是回转刀架的核心机构分度转位机构，另一部分是直接影响回转刀架功能性的精定位机构插销地位机构。在简单结构高稳定性的思路指导下，本课题的设计特色在于用插销定位机构替代了现有产品常见的弹簧式活