毕业设计说明书

1、绪论毕业设计是培养学生实践的重要环节之一。它是在大学教学课程，机 械课程设计，金工实习等教学环节的基础上进行的。毕业设计的主要目的是培养我们综合运用所学基础知识、专业知识和 专业技术知识及技能来分析、解决一般工程技术问题，使我们建立正确的 设计思想，掌握工程设计的一般程序规则和设计方法，为走上工作岗位打 下一定的基础。通过毕业设计能进一步扩大和深化自己所学的基础知识、基本理论和 基本技能，提高自己的设计计算能力制图能力，是我们懂得如何编写技术 性文件，正确使用技术资料、手册及相关的工具书，更能培养我们严肃认 真、一丝不苟和实事 的工作作 风。从而实 现 从学生向 工程 技术人 员的过渡 。本设

2、计题目为“ 数控 机床回转刀架设计”，它是根据实际情况，针 对用 户需求而提出的毕业设计，是一次综合性、应用性、和实践性强的设计过 程。本次设计得到老师的悉心指导，并提出了许多宝贵意见和建议，在此 深表感。由于本人设计能力有限，实践经验不足，本设计中错误、不妥之 处再所难免，敬请各位老师批评指正。自动回转刀架的工 作 原理图 1.1 自 动 回 转 刀 架 的 换 刀 流 程图 1.2 表 示自动回 转刀 架在换刀 过程中有关的销的位置 。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 落在反 靠圆盘 7 的十字槽，上

3、刀体 4 的端面齿和下刀的端面齿处于啮合状态（上 下端面齿在图 a 中未画出）。需要换刀时，控制系统发出刀架的转位信号，三相异步电动机正向旋 转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，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 150 度时，上 盖圆盘 1 直槽的另一端转到圆柱销 2 的正上方，由于弹簧 3 的作用，圆柱 销 2 落入直槽，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），如图 b 所示。a) b)c) d)图 1.2 刀

4、架 转 位 过 程 中 销 的 位 置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a) 换刀开始时，圆柱销 2与上盖圆盘 1可以相对滑动b) 上刀体 4完全抬起后，圆柱销 2落入上盖圆盘 1槽，上盖圆盘 1将 带动圆柱销 2 及上刀体 4 一起转动c) 上刀体 4 连续转动时，反靠销 6 可从反靠圆盘 7 的槽左侧斜坡滑出d) 找到刀位后，刀架电动机反转，反靠销 6 反靠，上刀体停转，实现 粗定位上盖圆盘 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，

5、如图 c 所示 。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，至此，完成粗定位，如图 d 所示。此时反靠销 6 从反靠圆盘 7 的 十字槽爬不上来，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的销孔，之后， 上盖圆盘 1的下表面开始与圆柱销 2 的头部滑动。在些期间，上、下刀本 的端面齿逐渐啮合，实现 定位 ，经 过设定的延时时间后，刀 架电动机停转，

6、 整个换刀过和结束。由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可稳定的工作。2 总体结构设计2.1 减速机 构的设 计电 动 机 选 择 三 步 相 异 步 电 动 机 ， 额 定 功 率 900W， 额 定 转 速 为 1440r/min ， 而 刀架转速设定 30r/min ， 由于 转速 较高 不能 直接驱动刀 架， 因此必须经过适当的减速。采用蜗杆副减速，蜗杆副传动可以改变运动的 方向，获得较大的传动比，以保证传动精度和平稳性并能自锁，可以减少 整个装置的空间，比较精简。2.2 上刀体 锁紧与 精定位 机构的设 计上刀架锁紧与精定位将直接影响工件的加工精度，因为刀具直接安装 在上刀体上，所以刀体

7、要承受全部的切削力，因此对它的选择很重要，在 设计中选择端面将上刀体与下刀体的配合加工成梯形的端面齿。采用梯形 的端面齿，刀架处于锁紧时，下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架 的中心轴转动；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，完成转位工作。2.3 刀架抬 起机构 的设计在上述过程中欲使上下刀体的两个端面齿脱离。就必须设计分离机 构，在此选择螺杆螺母副，并在上刀体部加工出螺纹，当电动机通过蜗 杆蜗轮带动螺杆绕中心轴转动时，而将上刀体看做螺母，要么转动，要 么上下移动。两种情况，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

8、时上刀体不能与螺杆一起转动，转动会使上刀体向上 移动。当端面齿脱离啮合时，上刀体就和螺杆一同转动，在设计螺杆时要 注意螺距的选择，而螺距的选择是否合理非常重要，选择适当以便当螺杆 转动一定角度时，使上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。图 2.1 自 动 回 转 刀 架 的 传 动 结 构 示 意 图推力轴承 3 螺 杆螺母 机构 4 端面齿盘 5 发靠圆盘 6 三相 异 步电动机 7 联轴器 8 蜗杆副 9 反靠销 10 圆 柱销 11 上盖圆 盘 12 上刀体3 主要传动部件的设计计算3.1 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

9、蜗杆 与上刀体 直联。已知电动机额定功率 P1 =900W，额定转速 n1 =1440r/min ， 上 刀 体 设 计 转 速 n2 =30r/min, 则 蜗 杆 副 的 传 动 比 i=1440/30=48 。刀 架从 转位到锁紧时 ，需 要蜗杆反 向，工作载荷不均 匀， 起动时冲击较大，今要求蜗杆的使用寿命 Lh =10000h ，因此对蜗杆的型号材 料的选择以及齿面接触疲劳强度计算相当重要。3.1.1 蜗 杆的选型GB/T10065-1998 推荐 采 用阿 基米德（ZA 蜗杆）和锥面 包络 蜗杆 （ZK 蜗杆）。 本设 计 采用阿基米德型圆柱蜗杆 （ZA型 ）。3.1.2 蜗 杆的

10、 材 料刀架中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此，蜗杆的材 料选用 45 钢，其 螺旋齿面要求淬火，硬 度为 45 55HRC，以 提高表面耐磨 性， 选 用锡 磷 青铜 ZCuSn10P1，采 用 金属 模 铸造 。3.1.3 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，多因齿面脱离 危险合或 点蚀 而失效。因 此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行校核。按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为：2ZEZa 3 KT2 E （3.1）H式中 a蜗杆 副的 传动中心 距， 单位为 mm；K 载荷系 数；T 2 作用 在蜗 轮上 的转 矩 T2，单位为

11、Nmm；ZE 弹 性影 响系 数， 单位 为 MP1/2；Zp接触系数；H 许 用 接 触 应 力 ， 单 位 为 MPa。从 式 （ 3.1 ） 算 出 蜗 杆 副 的 中 心 距 a 之 后 ， 根 据 已 知 的 传 动 比 i=48, 从 附录 1 中选择一个 合适 的中 心距 a值， 以及相应的蜗杆、 蜗轮 参数。（1）确定作用在蜗杆上的转矩 T2设蜗杆头数 Z1=1，蜗杆的传动效率取=0.8 。由电动机的额定功率 P1=90W，可以算得蜗轮传递的功率 P2=P1，再由蜗轮的轮转速 n2 =30r/min求得作用在蜗轮上的转矩：T2 9.55P2 /n 9.55P1 /n2 9.55

12、 80 0.8/30N m 20373N mm（2）确 定载 荷系数 K根据载荷情况查表 ，选 K=1.39（3）确定弹性影响系数 ZE铸锡磷青铜蜗轮与蜗杆相配时,从有关手册查得弹性影响系数 ZE =160MPa1/2 。（4）确定接触系数 ZP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 ，从附录 3 中可 查 得接 触 系数 Z P =2.9 。（5）确定许用接 触应 力 H根据蜗轮 材料 为铸 锡磷 青铜 ZCuSn10P1、金属模铸造蜗杆螺 旋齿 面硬 度大于 45HRC，可从附录 4 中查得蜗轮的基本许用应力 H =268MPa。已知 蜗杆 为 单头，

13、蜗轮 每 转一 转 时每 个 轮齿 啮 合的 次 数 J=1 ；蜗 轮 转速 n2=30r/min; 蜗杆副的使用寿命 Lh =10000h 。则应力循环次数N=60Jn2 Lh=6013010000=1.8 10 7寿命系数：KNH 8 107/N 0.929许用应力：H =KH H N =0.929 268MPa=249MPa（ 6） 计 算中 心 距将以上各参数代入式（3.1 ），求得中心距：a 3 1.39 20373 （160 2.9/249）2 mm=46.2mm查附录 1， 取中 心距 a=50mm，已知蜗 杆头数 Z1=1，设 模数 m=1.6mm， 得蜗杆 分度圆直径 d1=

14、20mm。为时 d1/ a=0.4 ，由附录 3 得接 触系数 Z =2.74 。因 为 Z Z，所以上述计算结果可用。3.1.4 蜗 杆和蜗轮的主 要参 数与几何尺寸由蜗杆和蜗轮的基本尺寸和主要参数，算得蜗杆和蜗轮的主要几何尺 寸后，即可绘制蜗杆副的工作图。(1) 蜗杆参数与 尺寸头 数 Z1=1， 模 数 m=1.6mm，轴 向 齿 距 Pa= m=5.027mm， 轴 向 齿 厚 Sa=0.5 m=2.514mm，分 度圆直径 d1=20mm，直 径系数 q=d1/m=12.5 ，分 度圆 导程角 =arctan(z 1/q)=4 o 34 26 。取齿顶高系数 h a*=1，径向间隙系

15、数 c*=0.2 ，则齿顶圆直 径da1=d1+2ha* m=20mm+211.6mm=23.2mm齿根圆直径df1=d1-2m(ha * +c * )=20- 21.6 (1+0.2)mm=16.16mm。(2) 蜗轮参数与 尺寸齿 数 Z2=46 ， 模 数 m=1.6mm， 分 度 圆 直 径 d2=mZ2=1.6 48mm=76.8m，m 变位系数x2= a-(d 1+d2)/2/m=50-(20+76.8)/2/1.6=1蜗轮齿根圆直径df 2 =d2 -2m(h a*-x 2+ c * )=76.8- 21.6 (1 -1+0.2)mm=76.16mm蜗轮齿顶圆弧半径r g2=a-

16、d a2/2=(50-83.2/2)mm=8.4mm(3) 校核蜗轮齿 根弯 曲疲 劳强 度即检验下式是否成立：F =( 1.53KT 2/d 1d2m)YFa2Y F(3.2)式中 F 蜗 轮齿 根弯曲应力，单位为 MPa；YFa2 蜗 轮齿 形系 数 ；Y螺旋角影响系数； F 蜗 轮 的 许 用 弯 曲 应 力 ， 单 位 为 MPa。由 蜗杆 头 数 Z1=1， 传动 比 i=48 ， 可以 算 出蜗 轮 齿数 Z2=iZ 1=48。则蜗轮的当量齿数3Zv2=Z2/cos 3 =48.46根据蜗轮变位系数 x2=1 和当量齿数 ZV2=48.46 ，查附录 6，得 齿形系数 ：YFa2=

17、1.95螺旋角影响系数：Y=1- /140 =0.967根据蜗轮的材料和制造方法，查 附录 5，可 得蜗轮基本许用弯曲应力： F =56MPa蜗轮的寿命系数：KFN= 9 106 /N = 9 106/1.8 107 =0.725蜗轮的许用弯曲应力： F= F KFN=560.725MPa=40.6MPa将以上参数代入（3.2 ），得蜗轮齿根弯曲应力：=1.53 1.39 20373= 20 76.8 1.61.95 0.967MPa33.2MPa可见 F F, 蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。3.2 蜗杆轴 的设计3.2.1 蜗 杆轴的材料选 择， 确定许用应力 考虑轴主要传递蜗轮的转矩，为普通

18、用途中小功率减速传动装置。选用 45 号钢，正 火处理， b 600MPa 。3.2.2 按 扭转强度初步 估算 轴的最小直径ca(aT)2 13.3 )扭转切应力为脉动循环变应力，取 a 0.6 抗弯截面系数 W 0.1d3取 dmin 15.14mm3.2.3 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，直径和长 度。图 3.1 轴 的 形 状 ， 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

19、 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(0.07 0.1 ) d1围。d2 d1 2a 19.38 20.04 mm ，故 d2取 20mm。d3为蜗杆与 蜗轮 啮合部分 ，故 d3 28mm。d4 d2 20mm， 便于 加工 和安 装。L1为与轴承配合的轴段，则 L1 =12mm。L2尺 寸长度与 刀架体的 设计 有关，蜗 杆端面到 刀架 端面距离 为65mm， 故 L2 =43mm。L3为蜗杆部分长度 L3 (11 0.06z2)m 21.92mm，圆整 L3取30mm。L4取55mm， L5

20、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210mm。3.2.4 蜗 杆轴 的 校核作用在蜗杆轴上的圆周力Ft2T1d13.4 )T1 9550000 P 9550000 10.56 N.mm 2.16 105 N.mm1 n 467其 中 d1 28mm ， 则Ft2T3d31.29 104 N径向力Fr F ttan1.29 104 tan20 4.69 103 N切向力4NFBHFn cos30Fr cos60 1.37 104 cos30 4.69 103 cos601.42

21、FBVFr sin60Fn sin30 4.69 103 sin 60 1.37 104 sin302.79104N103N求水平方向上的支承反力图 3.3 水 平 方 向 支 承 力FBH L2 FAH (L1 L2 ) 03FAH 5.4 103 NFCH FBH FAH 1.42 104 5.4 103 8.8 103(N)求水平弯矩,并绘制弯矩图3M BH FAH L1 1.59 103 N m图 3.4 水 平 弯 矩 图求垂直方向的支承反力F切 9.81CF apXFy f YFy vZFy KF (3.5 )查表得， CF 142， XF 0.73 ， YF 0.67， ZF 0

22、 其中 ap 6mm， f 0.6mm/r， v 100m/ minX Y ZF切 9.81CF apXFy f Fyv Fy K F 9.81 142 60.73 0.60.67 N 3658N图 3.5 垂 直 方 向 支 承 反 力F BVL2F切 L3 FAV (L1 L2) 0FAV 1.99 103NFCV FBV FAV F切 2.79 103 1.99 103 3.66 1032.86 103(N)求垂直方向弯矩，绘制弯矩图M BV FAV L1 586.1N mM CV F切 L3 441N m图 3.6 垂 直 弯 矩 图求合成弯矩图，按最不利的情况考虑MB M BH2 M

23、BV2(1.59 103)2 586.12 N m 1.69 103N mM C M CV 441N m图 3.7 合 成 弯 矩 图计算危险轴的直径Med 0.1 1(3.6)查教材机械设计表 1 75， 则16.3 得，材料为 38CrM0AIA调质的许用弯曲应力dB3 1.69 106mm 25.4mm0.1 75所以该轴符合要求3.3 蜗轮轴 的设计3.3.1 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 普通中小功率减速传动装置，选用 45 号钢，正火处理，查教材机械设计表 16.3 得弯 曲许 用应 力和 对称 循环 应力 状态下的许用应力分别为 b 600MPa

24、 ， 1b 55MPa 。3.3.2 按 扭转强度，初 步估 计轴的最小直 径3Me3.8 )0.1 1查教材机械设计表 16.3 得，取 45 号调质钢的许用弯曲应力 1 60 ，676.31030.160596103mm 48.3mm3dBdC0.1 6046.3mm由于轴的平均直径 为 34mm，因 此该 轴安 全。3.3.3 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 68mm。d2为 蜗轮轴轴 径最 小部分取 34mm。 d3轴段与上刀架体有螺纹联接，牙形选梯形螺纹，根据表，取公称直 径 为 d3 44mm ，

25、 螺 距 P 12mm ， H 6.5mm 。查 表 得 ，外 螺 纹 小 径 为 31mm，、外 螺 纹 中 径 为 38mm，螺 纹 大 径 为 45mm， 螺纹 小 径为 32mm， 旋 合长 度 取 55mm。L2 尺 寸 长 度 为 34mm，蜗 轮 齿 宽 b2 当 z1 3时 ， b2 0.75dal 15.6mm ，取b2 15mm 。3.4 中心轴 的设计3.4.1 中心轴的材料选择, 确定许用应力考虑到轴主要起定位作用，只承受部分弯矩，为空心轴，因此只需校 核轴的刚度即可。选用 45 号钢，正火处理，查教材机械设计表 16.3 得弯 曲 许 用 应 力 和 对 称 循 环

26、应 力 状 态 下 的许 用 应力 分 别 为 b 600MPa ， 1b 55MPa 。3.4.2 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 19mm，T 19mm， D 35mm ，所以 d2 17mm。d3与轴承配合，轴承类型为推力球轴承，型号 51204 ， d 25mm， d1 27mm ， T 15mm， D 47mm。分 配 各 轴 段 的 长 度 L1 80mm， L2 93mm ， L3

27、 20mm 。3.4.3 轴 的校 核轴横截面的惯性矩I 64(D4 d4) 1993.16mm车 床 切 削 力 F=2KN， E=210GPa3ql 32 103 19536EI36 210 103 1993.165.9 103qay (4l a)24EI2 10 145324 210 1993.16(4 195 145)8.44 103mm因此By y 中心轴满足刚度条件3.5 齿盘的 设计3.5.1 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。3.5.2 确 定齿 盘 参数考虑齿盘主要用于精确定位和夹紧，齿形选用三角齿形，上下

28、齿盘由 于需相互啮合，参数可相同，当蜗轮轴旋转 150时 ，上刀架上升 5mm， 齿盘的齿高取 4 mm， 由3.9 )h (2ha* c*)m得算式 4= ( 2 1+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 2 1 0.25) 2 405mm 。 取齿盘圆直径 d 为 120 mm。外圆直径为 140mm 。齿 顶 高 ha ha*m 1 2mm。齿 根 高 hf (ha* c* )m 2.5mm。齿 数 z 38齿宽 b 10mm齿 厚 s m/2 3.14m

29、m齿盘高为 5 mm3.5.3 按 接触疲劳强度 进行 计算（1）确定有关计算参数和许用应力36 p1 6 60 10 3 0.75T 9.55 1069.55 10617906.25 N ?mmn 24（2）取载荷系数 kt 1.5（3）由 教材 机械设计表 12.13 得齿 宽系数 d 1.0（4）由教材机械设计表 12.12 得材料的弹性影响系数 Ze 189.8 MPa ， 取20 ， 故 ZH 2.5 。（5）由 教材 机械设计图 12.17 （c）得H lim1 380 ， H lim 2 380（6）Lh =60241（8 30015） ， N 2 =5.18 1077）由教材机械设计第三章中的数据得接触疲劳寿命系数Z N11.1 ， ZN 2 1.18）计算接触疲劳许用应力， 取安全系数 SH1，由教材机械设计式（ 12.11 ） 得ZN1 Hlin1H1SH362MPaH2ZN1 Hlin1SH362MPa按齿根抗弯强度设计由教材机械设计式 （12.17 ）得 抗弯 强度的设 计公 式为3 2kT12 (YFaYSa)dZ1(3.10)确定公式的各参数数值1）由 教材 机械设计图 12.23 （c）得 抗弯 疲劳强度 极限F lim1 F lim 2160 MPa（2）由 教材 机械设计中图 12.24 得 抗弯疲劳寿命系数YN1 1.