毕业论文-8刀位液压星型刀塔设计【全套图纸】

目录1绪论111毕业设计的背景及目的212刀塔概况及发展趋势4121刀塔概况4122刀塔发展趋势513现代数控机床的特点及发展趋势6131现代数控机床的特点6132现代数控机床的发展趋势8133现代技术给机床业带来的新动向102刀塔的设计及计1121刀塔的功能,类型和应满足的要求11211机床刀塔的功能12212机床刀塔的类型12213机床刀塔应满足的要求1322数控车床刀塔总体方案设计与选择14221刀塔的整体方案设计14222车床刀塔的转位机构方案设计14223刀塔定位机构方案设计1523车床刀塔的工作原理1624刀塔的设计计算17241液压马达的选型计算17242刀盘设计与计算18243齿轮的计算18244刀塔主轴的计算383液压系统设计与计算3931刀塔液压控制系统液压泵及油泵电动机的选择计算39311液压油泵的选择39312油泵电动机功率的选择计算3932液压缸的设计42321选择液压缸类型42323以速度为主计算液压缸的内径和活塞杆直径42DD33数控车床液压系统原理设计43331液压回路的原理434致谢455参考文献461绪论11毕业设计的背景及目的现代工业发展其实就是制造工艺的发展，而这其中一个非常重要的因素就是制造工具机床的发展。现代机床的发展都趋向于自动化、复合化以及高速化。而作为制造业主力军的数控机床来说，它的发展更是日新月异。制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争1。当前，数控机床发展迅猛，一方面向高速、高效、高精度方面发展，同时，在制造行业中广泛存在原有设备的数控改造和系统升级问题。作为关键附件，高性能的刀塔对于提高机床整体运行的可靠性、稳定性和效率有着重要意义，数控刀塔是由数控系统来控制的，因此，在刀塔本身性能提高的情况下，如何实现控制任务就显得十分重要了。国内数控车床转塔刀架的设计和生产都是依赖先进国家的，而且产品的性能方面跟国外还有一定的差距，期待开发设计一种性能最优，最有实用价值的转塔刀架，来适应市场，替代进口产品低价位的数控车床用转塔刀架，占领国内市场，并达到国际领先水平，为国产机床工业的发展作出贡献。数控车床今后将向中高当发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，预计近年来对数控刀架需求量将大大增加，随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展，因此对刀塔的设计以及它本身性能的研究就显得十分重要。机床拥有量在一定程度上标志着国家的制造能力的大小。因此,我国对机床工业的发展十分重视,经过40多年的努力,目前我国已是机床生产的大国之一,机床的年产量超过16万台,各类机床品种已达2500多个,年产值达220亿元,机床产业已是我国国民经济的重要组成部分。我国的机床拥有量也是惊人的，在八十年代初已达到328万台以上,居世界第二位。目前初略估计,我国机床拥有量已接近400万台。但是也应看到,我国所拥有的机床,大约有一半以上是质量较差的,还有相当数量的机床的役龄已超2030年,且数控机床、精密加工机床在整个机床拥有量中的所占的比例很小。另一方面,我国所制造的机床中,现代数控、精密的机床所占比例也很小,整个机床产值与机床产量之比很不相称,机床的质量和可靠性也不能适应现代制造业的需要。因此,在我国目前所拥有的数控和精密加工机床中,多数是从国外进口的2。近十多年来,我国在技术改造上,一改以往传统的强调在原来旧机床上进行改进的做法,而是用购置大量新的各类数控机床来实施技术更新。如一汽的轿车生产线、建设集团的汽车空调器生产线,都大量使用数控机床、加工中心和机电一体化的专用加工设备,使工厂生产率、加工质量和加工自动化程度都有了极大的提高,能与世界先进的同类工件加工生产线相媲美。航天工业总公司近年来花了数亿元购置了数百台各类数控机床、机械加工中心,并先后建立了CAD、CAM和FMC试点。所有这一些,形成了一种巨大的推动力,促我国工艺技术和管理人员的素质。也使加工产品的功能和精度有了长足的进步。在技术引进上,八十年代我国就引进了FANUC的技术,与SIEMENS也有合作,对促进我国数控系统的开发也起到过一定的促进作用。但我国数控技术更新换代的步伐很慢,且所引进的技术含量也值得商榷,尤其在引进技术时着眼促进形成我国自己的技术基础上考虑不够,这是值得引起注意的一个问题。在引进数控机床等贵重设备时,普遍目的性很强,以满足加工需要。但从整体上看,引进的数控设备几乎是“万国牌的,尤其是数控系统,这给维修造成了困难,从长远考虑,将会影响设备的正常使用和利用率。另外在引进设备时着意选择功能更全、精度更高的,甚至还考虑日后更为复杂的加工对象。这种超前的做法,其结果,不仅加大了投资力度,而且还导致许多功能长期不用的浪费。况且,当前机床型号更新极快,以德国DECKEL公司为例,刚接收型号为DC30、DC40的订货,数月后即宣布由DC35、DC45替代；又如德国LEITZ公司的三坐标测量机数控系统,刚销售的为UMESS系统,但很快就为QUINDOS所取代。因此有许多设备的功能尚未使用就已经过时。数控机床的大量推广使用,充分发挥数控机床的作用,合理管理,提高开动率是十分重要的国外统计资料表明,普通机床的最好开动率不超过15,而数控机床的开动率可高达85，而从调查我国引进数控机床使用情况来看,管理和使用情况参差不齐,开动率一般不超过50,且也有只达到30以下开动率的管理不够完善的原因很多,大致有1引进的设备种类繁多,增加了管理的复杂性2数控系统的种类很多,增加了管理的工作量3引进的软件由于装备不同而不能充分运用4同一地区引进同一设备数量过多,超过所需很多而使设备闲置3。本次的课题是8位星型液压刀塔设计，该机构可以一次装夹8把动力刀，可以在加工过程中一次性的进行多道工序的加工，大大提高了加工精度和生产效率。本次设计的主要内容是1）对刀塔的结构，刀塔的传动形式以及驱动方式的设计；2）刀塔与刀座的连接形式、刀座的选择；3刀具的交换动作设计、交换时间以及定位锁紧计算；4刀塔其他辅助部件的设计其结构尺寸进行选择设计，根据课题所要求的刀塔的驱动方式，对其进行设计进而加以优化。本课题的意义在于1）根据设计要求，在最短的时间内设计出最优的8位星型刀塔结构，并对其进行动力驱动；2）减少物质的浪费，用最少的材料设计出满足其设计要求及加工精度的刀塔结构；3为解决同类问题即关于刀塔的结构形式、刀塔的驱动方式，提供一种研究方法；4培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力；5强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；6）使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；7）培养正确的设计思想和工程经济观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。12刀塔概况及发展趋势121刀塔概况刀塔是数控车床非常重要的部件,数控车床根据其功能，刀塔上可安装的刀具数量一般为8把、10把、12把或者16把，有些数控车床可以安装更多的刀具。刀塔的结构形式一般为回转式，刀具沿圆周方向安装在刀塔上，可以安装径向车刀、轴向车刀、钻头、镗刀。车削加工中心还可安装轴向铣刀、径向铣刀。少数数控车床的刀塔为直排式，刀具沿一条直线安装。数控车床可以配备两种刀塔1专用刀塔由车床生产厂商自己开发，所使用的刀柄也是专用的。这中刀塔的优点是制造成本低，但缺乏通用性。2通用刀塔根据一定的通用标准，而生产的刀塔，数控车床什产厂家可以根据数控车床的功能要求进行选择配置。目前动力刀塔主要可分为两大主流，一是日系工具机大厂自行开发的动力刀塔，另一个则是刀塔制造厂商所开发的动力刀塔。目前国内数控刀塔以电动为主，分为立式和卧式两种。立式刀塔有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床；卧式刀塔有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。另外卧式刀塔还有液动刀塔和伺服驱动刀塔4。如下图是上海六馨刀塔。图11上海六馨生产的刀塔图图12上海六馨生产的刀塔图122刀塔发展趋势当前，国产数控机床发展迅猛，并向高速、高效、高精度、柔性化、环保方面发展。我国数控机床的快速发展，急需数控机床附件的大力跟进，也就是说好马还须配好鞍。国产数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀塔配套，高档采用动力型刀塔，兼有液压刀塔、伺服刀塔、立式刀塔等品种，预计近几年对数控刀塔需求量将大大增加。数控刀塔今后的发展趋势是随着数控车床的发展，数控刀塔开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展，具体来说有一下几个方面1）刀塔转位时间最短，且转位准确。刀塔的质量主要取决于换刀时间和故障率。2）刀塔定位精度高、动作迅速、稳定可靠。因为数控机床的切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置。由于在加工过程中刀尖位置不进行人工调整，因此，转塔刀塔在结构上必须有良好的强度和刚性，以及合理的定位结构，以保证转塔刀塔在每一次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度。3）可多刀夹持，双向转位和任意刀位就近选刀。4）应用范围广，维修方便等特点。刀塔设计正在向模块化、标准化、高速化方向发展5。13现代数控机床的特点及发展趋势131现代数控机床的特点纵观二十世纪以来,特别是近十多年来,机床借助于微电子、计算机技术的飞速进步,正向着高精度、多功能、高速化、高效率、复合加工功能、智能化等方向迈进,明显地反映出时代的特征,其主要表现为1高精度化当代工业产品对精度提出了越来越高的要求,仪器、钟表、家用电器等等都有相当高精度的零件,典型的高精度零件如陀螺框架、伺服阀体、涡轮叶片、非球面透镜、光盘、磁头、反射鼓等,这些零件的尺寸精度要求均在微米、亚微米级。因此,加工这些零件的机床也必须受到需求的牵引而向高精度发展。如中等规格的普通机加中心的定位精度,八十年代初为0012MM300MM,到了九十年代初,已提高为00020005MM全程如瑞士DIXI公司的座标镗铣中心。航天工业是当今高精度数控加工机床发展的典型的受益工业部门之一。第一代惯性器件、伺服机构等高精度仪表零件的高精度关键部位的尺寸精度均在1LM以下。而当前第二代惯性器件,以动马达为例,其关键部位的尺寸精度已提高到0102MM,为适应这种要求,机床主轴回转精度已达到01MM以下。当前一些透镜、磁盘等的精度也已要求01MM以下的精度,为适应这种需要,数控机床和机械加工中心也必须提高精度,才能与之相适应。为此,在计算机技术发展的推动下,各种加工精度补偿技术得到应用和发展。机床的结构材料,在高精度机床上也已开始普遍使用各种性能稳定、温度影响小新型材料如花岗岩、人造花岗岩、精密陶瓷、INVAR、SUPERINVAR、ZERODUR等。典型的实例有瑞士STUDER的精密磨床S系列,其床身采用人造花岗岩日本东京精密公司的三坐标测量机结构件大多是花岗岩,而关键部位采用的是精密陶瓷德国HEIDENHAIN公司的高精度光栅尺,是用公司ZERODUR制造,其精度达02200MM。为了保证机床的直线性精度,导轨普遍采用双V型,超高速主轴则采用SI3N4陶瓷滚珠的轴承。2高速度化提高生产率是机床技术发展的的永恒主题,这也表现在提高机床主轴的转速上。在八十年代中期,中等规格的机加中心的最高转速为40006000R/MIN而传统机床的转速均在3000R/MIN以下而到了九十年代,则达到了800012000R/MIN,甚至达到50000R/MIN。为了适应主轴的高速化,滚珠轴承采用油气润滑、喷雾润滑、环下润滑,使用陶瓷滚珠轴承等,各种新型轴承如静压轴承、动压轴承、磁力悬浮轴承等也开始得到应用。另一方面,为提高生产率,缩短工具交换和托板交换等非切削时间也有很大的进步。如数控车床的刀塔_转位时间已从130S,减少到0406S机加中心的换刀机构的改进,换刀时间也从510S减少到13S托板交换时间则由1220S减少到610S,有的少到25S坐标轴的快速移动目前已提高到1824M/MIN,甚至达到3040M/MIN。所有这些对缩短非切削时间都起了很大的作用。上述各项措施突出表明了高速化对提高生产率的作用。3高柔性化当代产品的多样化和个性化,对机床提出了更高的柔性加工要求。如车削加工中心可以进行铣削、钻孔铣削加工中心可以车削、钻孔、攻丝切削与磨削可在一台机床上完成最近还有一家日本公司为满足用户需要,将电加工与切削加工集成于一台机床上完成。这种将各种加工功能在一台机床上进行集成,均是为了能在一台机床上实现一次装夹就能完成不同工件的不同的加工要求,以充分展示机床加工的柔性。而机械加工中心的出现,正是适合了这种发展趋势,并与当代产品的多样化和个性化发展默契配合。单件、小批量产品的传统加工,许多精密零件的生产准备时间很长,如惯性平台的四大件,以往的小批量的生产准备周期要长达一年半以上,而使用机械加工中心,则可在同一机械加工中心上逐个完成台体、外环、内环和基座这四大件的加工,成套提供装配,大大缩短了生产准备周期和加工时间。4高度自动化自动化是指在全部加工过程中,减少人的“介入”,而能自动地完成规定的任务。传统的自动化往往与大批量生产加工联系在一起,使用大量专用机床和组合机床。而目前可以通过数控机床和机械加工中心,不仅能在大批量生产中实现自动化加工,也可在小批量、多品种产品的加工中实现自动化生产。另外还应注意的是自动化的“面”也在不断扩展,如自动编程、自动换刀、自动上下料工件、自动加工、自动检测、自动监控、自动诊断、自动对刀、自动传输、自动调度、自动管理等等。自动化程度的提高,进一步推动了标准化和进线的生产能力。机械加工的自动化大大提高了生产率,但检测计量往往是一个薄弱环节。如复杂箱体的加工,在机械加工中心上的加工周期已缩短到几个小时,而传统检测,则需要几倍于加工时间。而今生产型三坐标测量机进入生产线,缓解了这种矛盾,使自动化更加全面。另外,数控机床也有了自动检测的系统如英国RENISHAW公司的测量系统,使在线检测成为现实,检测自动化更加完善。5造型宜人化当一台机床展示时,是其外观给人们留下第一形象。近年来,机床造型的宜人化已成为一门学科,宜人化的内容,除了外观、颜色之外,考虑操作使用时方便、省力等人体学知识也是一个重要的方面。好的数控机床不仅要功能齐全、操作可靠安全、性能良好,而且要成为外观宜人和符合操作人体学的一件艺术品。6高的可靠性这是一项硬指标,好的数控机床的无故障工作时间MTBF目前已达到30000H以上,甚至更高。航天工业总公司在仪表可靠性方面积累有相当丰富的经验,这可以移植到机床数控系统上来。如在技术管理上通常使用的元件筛选、在线装配、整机调试及环境试验、全面质量管理等等都可有借鉴之处6。132现代数控机床的发展趋势为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，数控未来仍然继续向开放式、基于PC的第六代方向、高速化和高精度化、智能化等方向发展。1开放式为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国、欧共体及日本发展开放式数控的计划等。2基于PC的第六代方向基于PC所具有的开放性、低成本、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系统。远程通讯，远程诊断和维修3高速化、高效化机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。90年代以来，随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具，大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统（含监控系统）和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元（电主轴，转/MIN）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60120M/MIN，切削进给速度高达60M/MIN）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展，高速直线电机的推广应用，开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床以满足汽车、农机等行业的需求。还由于新产品更新换代周期加快，模具、航空、等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。4高精度化精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（10NM），其应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工（三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等）。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺，发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，以适应现代科技的发展。随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要，近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由10M提高到5M，精密级加工中心的加工精度则从35M，提高到115M。5高可靠性数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率PT99以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。MTBF大于3000小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为101的话（数控的可靠比主机高一个数量级）。此时数控系统的MTBF就要大于333333小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。6智能化随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断提高，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面。（1）应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，达到改进系统运行状态的目的。（2）引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统中，以工艺参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。（3）引入故障诊断专家系统（4）智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得最佳的运行。综上所述，由于数控机床不断采纳科学技术发展中的各种新技术，使得其功能日趋完善，数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要，数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势6。133现代技术给机床业带来的新动向飞快的科技进步,给机床发展提出了更高的期望和要求,在这种需求的带动下,机床的设计朝着性能价格比更高、构造更合理新颖、更为用户服务方面着想发展,出现了一些新的动向。摘其要点简介如下1廉价数控机床的涌现近年来,全球机床业界掀起了一阵廉价加工中心的高潮,其发展速度极快,成为近几年国际机床展览会中的“宠儿”。与过去的数控机床相比,其特点是售价极低。这一方面应归功于计算机技术的高速进步,数控系统广泛采用个人计算机PC,更具开发能力,更能实现高精度加工,提高分辨率,改善伺服跟踪系统,使控制功能更可靠,而价格随PC机的下降而大幅度下降。另一方面,追数控机床“全功能”的心态被实际生产需要所替代,数控机床只保留实用的功能,删除多余功能,从机构上大幅度减少零件数量。廉价数控机床的设计要点是紧密结合工艺,从生产实际需要出发,提高质量,降低成本。廉价数控机床的出现和发展,展示了机床发展的基本趋势。2）全新结构的数控机床最早在美国IMTS94机床博览会上,出现了被称为“六条腿”的机床。这种新型结构机床的六条腿能自由伸缩,没有导轨和拖板,也称为虚轴机床VIRTUALAXISMACHINE。其精度相当于测量机,比传统机械加工中心高210倍刚度为传统机械加工中心的5倍对零件轮廓的加工效率是传统加工中心的510倍。这种机床结构设想是德国STEWART1962年提出的,称之为数学造型机床,今天借助计算机技术的进步得以实现。目前展示的这种机床有美国INGERSOLL公司的DCTAEDRALHEXAPOD,GIDDING加上现代科学使数控系统不断进步和极快的更新换代,给旧机床的维修和配件更换带来了太多的困难。为适应这种快速的变化,世界上一些著名的机床制造公司开始专门承接机床的改造翻新RETROFIT业务,如美国著名的得宝DEVLINGBULLARD、辛辛那提CINCINNATIMILACRON等公司就开展了这种业务,不仅进行旧机床的维修,还能根据用户要求对旧机床进行改造,赋于旧机床“二次革命”,而价格不到相同功能和质量的新机床的2/31/2。这种行业已在世界三大机床博览会的展示台上占据了重要位置,引起了参观者很大兴趣7。2刀塔的设计及计21刀塔的功能,类型和应满足的要求211机床刀塔的功能机床上的刀塔是安放刀具的重要部件，许多刀他还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀塔，转塔车床的转塔刀塔，回轮式转塔车床的回轮刀塔，自动车床的转塔刀塔和天平刀塔等。这些刀塔既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力作用，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展，机床的刀塔也有了许多变化，特别是数控车床上采用电液换位的自动刀塔，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。这种刀库和换刀机械手组成的自动换刀装置，就成为加工中心的主要特征。212机床刀塔的类型按换刀方式的不同，数控车床的刀塔系统主要有回转刀塔、排式刀塔和带刀库的自动换刀装置等多种形式,下面对这三种形式的刀塔作简单的介绍。1）排式刀塔一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。它的结构形式为夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板上。刀具的典型布置方式如图4所示。这种刀塔在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。宝鸡机床厂生产的CK7620P全功能数控车床配置的就是排式刀塔。2）回转刀塔回转刀塔是数控车床最常用的一种典型换刀刀塔，一般通过液压系统或电气来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀塔或圆盘式刀塔，并相应地安装4把、6把或更多的刀具。回转刀塔的换刀动作可分为刀塔抬起、刀塔转位和刀塔锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀塔根据刀塔回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀塔和卧式刀塔两种。3）带刀库的自动换刀装置上述排刀式刀塔和回转刀塔所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀塔，对刀具的数目也有一定限制。当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。A回转刀塔B排式刀塔图21机床刀塔类型结构图213机床刀塔应满足的要求1）满足工艺过程所提出的要求。机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀塔能够布置足够多的刀具，而且能够方便而正确地加工各工件表面，为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀塔可以方便地转位。2）在刀塔以要能牢固地安装刀具，在刀塔上安装刀具进还应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。以保证刀具和工件间准确的相对位置。刀塔的运动精度将直接反映到加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀塔的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀塔运转的终点到位应准确。面且这种精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。3）刀塔应具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，而且有些刀塔还直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀塔必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。4）可靠性高。由于刀塔在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。5）刀塔是为了提高机床自动化而出现的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生产率。目前自动换刀装置的换刀时间在086秒之间不等。而且还在进一步缩短。6）操作方便和安全。刀塔是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀塔设计好坏的指标。刀塔上应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀塔的手柄（或手轮）要省力，应尽量设置在便于操作的地方。22数控车床刀塔总体方案设计与选择221刀塔的整体方案设计刀塔是车床的重要组成部分，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。根据前部分对机床刀塔类型、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8刀位星型液压刀塔。该刀塔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，其中刀盘抬起和刀盘锁紧由液压来实现，而刀盘的分度转位于液压马达驱动。222车床刀塔的转位机构方案设计一般来说，机床刀塔的转位机构主要有以下几种1）液压（或气动）驱动的活塞齿条齿轮转位机构这种由液动机驱动的转位机构调速范围大、缓冲制动容易，转位速度可调，运动平稳，结构尺寸较小，制造容易，因而应用较广泛。而转位角度大小可由活塞杆上的限位档块来调整。也有采用气动的，气动的优点是结构简单，速度可调，但运动不平稳，有冲击，结构尺寸大，驱动力小。故一般多用于非金属切削的自动化机械和自动线的转位机构中。2）圆柱凸轮步进式转位机构这种转位机构依靠凸轮轮廓强制刀塔作转位运动，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（相当于刀塔体）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，就能实现多次的刀塔换刀操作。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89。3）液压马达驱动的刀塔转位随着现代技术的发展，可以采用液压马达驱动齿轮副（消除间隙）实现刀塔转位，转位的速度和角位移均可通过霍尔检测元件定位，因而这种转位机构转位速度精度高，结构简单、实现容易10。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，本次设计的刀塔采可采用第三种转位机构，液压马达驱动齿轮副带动刀盘转位。223刀塔定位机构方案设计目前在刀塔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，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、3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。考虑到端面齿盘具有以上的各种优点，因而本次设计的刀塔采用端面1112。23车床刀塔的工作原理下图21所示为回转刀塔的结构图，刀塔的松开和夹紧以及刀盘的分度转位分别由液压系统和液压马达来实现。安装刀具的刀盘与主轴固定连接，换刀时，液压缸注入压力油，俩个与端齿盘固定的活塞拉动静端齿盘向右移动，使得与动端齿盘脱开，既所谓的刀盘松开。当刀盘松开之后，微机判断是正转还是反转，进而液压泵给马达供如压力油，带动刀盘旋转，既所谓的换刀，另外指出，此次设计主轴带动刀盘换刀，是通过液压马达带动齿轮副，并且通过拨叉使扭矩传递到主轴，进而带动刀盘旋转的。刀盘旋转指定刀位后，液压马达带刀盘停止转动，与静端齿盘固定的俩个液压缸动作，活塞向左移动，使得经端齿盘和动端齿盘啮合，完成精定位和刀盘的锁紧。而当刀盘而刀盘的粗定位由霍尔元件实现，精定位由端齿盘的啮合来完成（端面齿盘齿形为梯形状）。当加工工件时，即动力刀座驱动，首先通过拨叉把马达到刀盘的传动链断掉，然后为了使扭矩传递到刀座上，通过液压泵把压力油注入缸体右腔，活塞向左移动，传动链则变成液压马达齿轮副锥齿轮副刀座。此时再刀盘紧锁的状态下，动力刀加工工件。于是如此循环往复。图21八刀位星型液压装配图24刀塔的设计计算241液压马达的选型计算假设用直径为40MM的8齿圆柱铣刀，铣削宽度为25MM的铸铁，铣刀05O,FZ005MM/R,AP4MM则可计算铣削力为086074352810FC99292N取最大铣削速度VC188M/MIN则10VCDN4968R/MI取5铣削时，消耗功率为FCVP6092183KW通过查液压传动控制手册得到CMK1系列齿轮马达，型号为CMK1008P28,额定转速为1800R/MIN,理论输出转矩为2063NM242刀盘设计与计算刀盘相邻刀位换刀时间为01S，则换刀时刀盘的转速为75R/MIN14602故14875I24则13424NI24可选择126I34输入功率20680/MIN950PNR389KW为防止根切，小齿轮齿数17Z243齿轮的计算高速级齿轮计算1）选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数1根据途中传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动2传动速度不高，故选用7级精度（GB1009588）3材料选择，由表101选择，小齿轮材料为40CR调质，硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS,二者材料硬度相差为40HBS4选小齿轮齿数为20齿，大齿轮的齿数260Z12按齿面接触强度设计由设计计算公式21进行试算，即13122ETHKTUZD（21）1确定公式各值试选载荷系数K113计算小齿轮传递的转矩51190PTN53810426NM查表选齿宽系数1D查表查的材料的弹性影响系数1289EZMPA查图得按齿面硬度查的小齿轮得接触疲劳强度极限，大齿轮的接触LIM160HMPA疲劳强度极限为LIM250HMPA由式613计算应力循环次数16HNNJL6018002（2830015）15551026N105259210查表接触疲劳寿命系数9HNK205计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数S1，则1LIM1HNKS096540MPA2LIM2HNKS09515225MPA2计算试算小齿轮分度圆直径,代入中较小的值LTDH13122ETHKTUZD（2）4306789537224MM计算圆周速度V160LTDN372480351M/S计算齿宽BDLTM计算齿宽与齿高之比BH模数1TDLMZ3724018612MM齿高M2225MM225186124188MM所以889BH计算载荷系数根据V351M/S7级精度查图取系数如下动载荷系数KV122直齿轮1HF由表查得使用系数KA1由表用插值法查得7级精度小齿轮相对支承非对称布置时1423H由889，查图1013得BH1423H5F故载荷系数AVHK1122114231736按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，由式（23）得13TTKD（23）1TT31762440991MM计算模数M1DMZ4092205MM3）按齿根弯曲强度设计由式（24）得弯曲强度的设计公式为132FASDKTYMZ（24）（1）确定公式内的各计算数值由图1020C查的小齿轮的弯曲疲劳强度极限150FEMPA大齿轮的弯曲疲劳强度极限238由图1018取弯曲疲劳寿命系数105FNK28计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S14由式（1012）得1FNEKS085430357MPA2FNEKS0831423886MPA计算载荷系数KAVFK12351647查取齿形系数查得26522261FAY2FAY查表查得15817641SAY2SAY计算大、小齿轮的，并加以比较FAS1FASY2658307001379261438FASY001644大齿轮的数值较大（2）设计计算132FASDKTYMZ4321647016141MM对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数M大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数M的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算的的模数141，并就近圆整为标准值M15MM，按接触强度算的的分度圆直径37224MM，算出小齿轮齿数1D1DZM3724525大齿轮齿数Z26251504）几何尺寸计算（1）计算分度圆直径1DZM375MM2Z15015225MM（2）计算中心距12DA37513125MM（3）计算齿轮宽度1DB1375375MM取375MM40MM1B2B低速级齿轮计算1选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数1根据途中传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动2传动速度不高，故选用7级精度（GB1009588）3材料选择，由表101选择，小齿轮材料为40CR调质，硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢（调质），硬度为240HBS,二者材料硬度相差为40HBS4选小齿轮齿数为Z320齿，大齿轮的齿数Z4420802按齿面接触强度设计由设计计算公式（21）进行试算1确定公式各值试选载荷系数KT13计算小齿轮传递的转矩5223910PTN58051234NM已知数据经过高速级齿轮副传动，假设传递效率为098，则输出到低速级齿轮功率为2098P3812KW1326N80300R/MIN查表选齿宽系数1D查表查的材料的弹性影响系数1289EZMPA按齿面硬度查的小齿轮得接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳强LIM360HPA度极限为LIM460HMPA计算应力循环次数3HNNJL60300283001591260345N91260483接触疲劳寿命系数09HNK45计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数S1，由式（1012）得3LIM3HNKS0961540MPA4LIM4HNKS09515225MPA2计算试算小齿轮分度圆直径,代入中较小的值3TDH33122ETHKTUZD53408912计算圆周速度V3601TDN87401079M/S计算齿宽B3DTB16874668746MM计算齿宽与齿高之比BH模数3TDMZ687420343MM齿高5TH225343772MM所以890BH计算载荷系数根据V1079M/S7级精度查图表得动载荷系数KV09直齿轮1HF查表得使用系数KA1查表用插值法查得7级精度小齿轮相对支承非对称布置时154H由111，查图1013得BH23F故载荷系数AVHK10911511359按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径，得3TTKD3159687470292MM计算模数M3DZ702935146MM3按齿根弯曲强度设计由弯曲强度的设计公式（24）计算（1）确定公式内的各计算数值查表得小齿轮的弯曲疲劳强度极限350FEMPA大齿轮的弯曲疲劳强度极限4380FE查图取弯曲疲劳寿命系数3085FNK46计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S14得3FNEKS0851430357MPA4FNEKS083123886MPA计算载荷系数KAVFK109511359查取齿形系数查表得2652183FAY4FAY查表得1581793SAY4SAY计算大、小齿轮的，并加以比较F3FASY26518070013794218936FASY001644大齿轮的数值较大（2）设计计算32FASDKTYMZ5321534106428MM对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数M大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数M的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，可取由弯曲强度算的的模数28，并就近圆整为标准值M3MM，按接触强度算的的分度圆直径68746MM，算出小齿轮齿数3D3DZM687423大齿轮齿数Z4423924几何尺寸计算（1）计算分度圆直径3DZM23369MM4DZM923276MM（2）计算中心距342DA6971725MM（3）计算齿轮宽度3DB16969MM取369BM470BM由于此时高速级大齿轮转速为75R/MIN，而需要铣削速度需要达到1500R/MIN，所以传动比可分配为4756/IN7531100420RI为了简单计算，在分好传动比的基础上，着重考虑锥齿轮的相关计算如下1选定齿轮传动类型、材料、热处理方式、精度等级。（1）齿轮类型由设计要求知选用标准直齿锥齿轮。（2）通用减速器的传动精度范围为68级，故选用7级精度。（3）查表选用小齿轮的材料为40CR调质处理，硬度为280HBS；大齿轮的材料为45钢（调制处理），硬度为240HBS。二者材料的硬度差为40HBS（4）初选小齿轮的齿数为Z118，则大齿轮的齿数为Z241872。按齿面接触疲劳强度计算由公式（21）计算小齿轮分度圆直径确定公式内各参数值试选载荷系数KT13小齿轮传递转矩955106P/N1443104NMM1T齿宽系数R取033材料弹性影响系数查得ZE1898MPA查表得小齿轮的接触疲劳强度极限MPAH601LIM大齿轮的接触疲劳强度极限52LI计算应力循环次数N160N1JLH60140012830015605109N2151109计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数S1MPASKHNH521LIM102LI12）计算1试算小齿轮分度圆直径D1，代入中较小的值HD1292368MM225013HEZURKT2计算小齿轮的圆周速度V3297M/S6XDMN3计算齿宽BRTD1/289012UB/R得RBRT293MMR4计算MTMTD1/Z1368/182045计算载荷系数根据小齿轮的圆周速度V3297，7级精度，查图得动载荷系数KV103齿间载荷分配系数KHAKFA1使用系数KN100齿向载荷分布系数KHKF15KHBE查表得KHBE125，则KHKF151251875齿形系数和应力校正系数YFAYSA由于当量齿数ZV1Z1/COS221ZV2Z2/COS90242查表得YFA1265YSA1158YFA2216YSA2181故载荷系数KKAKVKHAKH193按实际载荷系数校正所得的分度圆直径D1D140MM31/ZK计算模数MD1/Z140/182221）按齿根弯曲强度设计由设计计算公式（25）MFSAYUZRK定公式内各参数值1由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限1FEMPA60大齿轮的弯曲疲劳强度极限2382由图差得弯曲疲劳寿命系数KFN1085KFN2093取弯曲疲劳安全系数S14得KFN1/SF11FEMPA630KFN2/S2244计算载荷系数KKAKVKFAKF19315齿形系数YFA1265YFA2216YSA1158YSA21816计算大、小轮的并加以比较FSAY0013791FSA0017432FSYM193MMFSAYUZRKT150143212对比计算结果，得齿面接触疲劳强度计算的模数M大于齿根弯曲疲劳强度的模数。由于齿轮模数M的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直径有关，可取弯曲强度算得的模数193，并圆整为标准值M2MM。接触强度算得的分度圆直径D140MM，算出小齿轮齿数Z1D1/M40/220大齿轮齿数Z224080这样设计出的齿轮传动，既满足了齿面接触疲劳强度，又满足了齿根弯曲疲劳强度，并做到结构紧凑，避免浪费。2）齿轮几何尺寸计算1计算分度圆直径D1Z1M20240MMD2Z2M160MM2计算齿轮宽度BRRD1784MMR21UB033784259MM计算公式名称代号小齿轮大齿轮分锥角ARCTANZ1/Z21403190140375972吃顶高HAHAHAM1M2MM齿根高HFHFHACM12B24MM分度圆DDD1MZ140MMD2160MM齿顶圆DDADA1D12HACOS419MM1DA21620MM齿根圆DDFDF1D12HFCOS354MMDF211588MM锥距RD18252U齿根角FTANHF/R167F顶锥角A161A872FA根锥角F95FF95F分度圆齿厚SSM432/当量齿数ZVZZ/COS411V1Z6532V齿宽BBR2