四工位电动刀架机械结构设计CAD图纸+说明书
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CA6140车床四工位电动刀架机械结构设计目录前言1第一章 绪论31.1国内外数控车床的研究状况与成果31.2数控刀架的发展趋势41.3 数控电动刀架的开发应用4第二章 数控车床自动换刀装置52.1概述52.2 ATC刀具自动换刀形式62.3 数控车床刀架的功能、类型和满足的要求72.3.1数控车床刀架的功能82.3.2数控机床刀架的类型82.3.3数控机床刀架应满足的要求9第三章 四工位电动刀架总体方案设计113.1调查研究与资料收集113.1.1课题的调查研究113.1.2资料收集113.2四工位电动刀架的整体方案设计113.3步进电机的选用133.4 蜗杆与蜗轮的选用与校核153.5蜗杆轴的设计173.6蜗轮轴的设计193.7中心轴的设计223.8齿盘的设计233.9轴承的选用26第四章 刀架体的设计27结论28致谢29参考文献：30前言 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。自从20世纪60年代世界上第一台数控机床问世以来，随着计算机技术、微电子技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术和机械制造技术等各相关领域的发展，数控技术已成为现代先进制造系统(FMS，CIMS等)中不可缺少的基础技术。由于机床数控系统技术复杂，种类繁多。现在数控机床的“使用难、维修难”问题，已经是影响数控机床有效利用的首要问题。 工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一个工人，一把刀，一台机床”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重1。 本课题为CA6140普通车床改成数控四工位电动刀架机械结构设计，该刀架能够在一次装夹中完成多道工序，使加工范围扩大，大大提高了加工精度和生产效率。本次设计的主要内容为：1CA6140普通车床改造数控四工位电动刀架总体布局设计；2电动刀架传动部分设计 3电动刀架刀具设计；4.外文资料的翻译。 第一章 绪论1.1国内外数控车床的研究状况与成果 我国从1958年开始研究数控机床，一直到20世纪60年代中期还处于研制开发时期。当时，一些高等院校，科研单位研制出试样样机，是从电子管起步的。 1965年，国内开始研制晶体管数控系统。20世纪60年代末至70年代初研制成了劈锥数控铣床，数控非圆齿轮插齿机。CIL18晶体管数控系统及Z53K1G立式数控铣床。 从20世纪70年代开始,数控技术在车，铣 ，镗,磨，齿轮加工，电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海，北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平差，致使数控系统的可靠性,稳定性末行到解决，因此末能广泛推广。 20世纪80年代，我国从昌本发那科公司引进了3,5,6,7等系列的数控系统和直流伺服电机，直流主轴电机等制造技术，以及引进美国GE公司的MCI系统和交流伺服系统，德国西门子VS系列可控硅调速装置，并进行了商品化生产.这些系统可靠性高，功能齐全。与此同时，还自行开发了3、4、5轴联动的数控系统以及双电机驱动的同步数控系统(用于火焰切割机)和新品种的伺服电机，推动了我国数控机床稳定发展，使我国数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。 1985年，我国数控机床的品种有了新的发展。数控机床品种不断增多，规格齐全。许多技术复杂的大型数控机床，重型数控机床都相继研制出来。为了跟踪国外现代制造技术的发展，北京机床研究所研制出了JCS-FMS-1型和2型的柔性制造单元和柔性制造系统。这个时期，我国在引进，消化国外技术的基础上，进行了大量开发工作。一些较高档次的数控系统(5轴联动)，分辨率为0.02的高精度数控系统，数字仿型数控系统为柔性单元配套的数控系统都开发出来了，并造出样机。 我国的数控技术经过“六五”，“七五”，“八五”，到“九五”的近20年的发展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发，生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业。“十五”攻关开发的成果：华中号、中华号、航天号和蓝天号4种基本系统建立了具有中国自主版机的数控技术平台。具有中国特色济型数控系统经过这些年来的发展，有了较大的提高。它们逐渐被用户认可，在市场上站住了脚2。 目前我国数控机床生产厂有100多家，生产数控机床配套产品的企业有300余家，产品品种包括八大类2000种以上。目前已新开发出数控系统80余种，分为3种型级，即经济型，普及型和高级型。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段，数控机床新开发品种300余种，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到期际上20世纪80年代中期水平，部分达到90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。1.2数控刀架的发展趋势 数控刀架的发展趋势是：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。 目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。立式刀架有四、六工位两种形式，主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、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。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。数控刀架的市场分析：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架配套，高档采用电动型刀架，兼有气刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，近年来需要量可达10001500台。1.3 数控电动刀架的开发应用 数控电动刀架是以回转分度实现刀具自动交换及回转电动刀具的传动。因此技术含量高，已趋向专业化开发生产。所以对数控电动刀架的研究开发及应用已引起数控机床行业重视。 典型数控电动刀架一般由电动源（电机或油缸、气马达）、机械传动机构、预分度机构、定位机构、锁紧机构、检测装置、接口电路、刀具安装台（刀盘）、电动刀座等组成。数控电动刀架的动作循环为：T指令（换刀指令）刀盘放松转位刀位检测预分度精确定位刀盘锁紧结束信号。第二章 数控车床自动换刀装置2.1概述 自动换刀装置的形式是多种多样的，有刀库式和电动式，虽然换刀过程、选刀方式、刀库结构、机械手类型等各不相同，但都是在数控装置及可编程序控制器控制下，有电动机或气或气动机构驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。我们把这种为实现多工序的连续加工，在加工中心或车削中心中，可进行刀具的选择与交换的装置叫自动换刀装置（automatic tool change 简称ATC）。 自动换刀装置是数控车床最普遍的一种辅助装置，它可使数控车床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度3。 我国对加工中心的需求一直是有增无减，同时，加工中心自动换刀装置的开发也有长足的发展。对于卧式加工中心来说，有从用于JCS-013的独立式自动换刀装置到用于TH6350、TH6363、TH6380和TH63100的TB51.02双层缸式通用机械手加链式刀库（北京机床研究所设计并制造）的自动换刀装置；对于立式加工中心来说，有从用于JCS-018的气液型鼓轮式自动换刀装置到用于XH715B和XH715C的多凸轮联动型鼓轮式自动换刀装置。特别是用于TH715B和TH715C的多凸轮联动型鼓轮式自动换刀装置，他的研制成功，为我国自动换刀装置设计与制造翻开了崭新的一页，自1991年鉴定后批量生产，已累计生产了50多台，由于其结构简单，迅速可靠（刀对刀2.5s），受到广大国内外用户的一致好评。 加工中心和车削中心自动换刀装置的发展趋势是四个方向：一是高速、可靠，追求的目标是换刀时间尽量的短，以换取加工中心和车削中心的高效性；二是简单实用、造价低、使用可靠，但换刀速度不快。 自动换刀装置开发技术要全面注意下列五个方面： 1）自动换刀装置的可靠性与优化设计研究。通过对自动换刀装置进行可靠性分析研究，找出其薄弱环节，通过改进设计，使自动换刀装置故障率大大减少，保证百万次以上正常换刀的品质。通过对自动换刀装置进行多目标的优化设计，使其动态性能达到最优，进而提高自动换刀装置的性能，降低其制造成本，使刀对刀换刀时间对40刀柄不大于1s，达到世界先进水平。 2）自动换刀装置的系列化与CAD设计。使自动换刀装置适用国内厂家的各种产品，以便得到推广和使用。即达到厂家一旦提出的参数：不同刀柄型号，刀库容量等的自动换刀装置，使厂家立即投入生产，并且是处于国内先进水平的。 3）自动换刀装置制造技术研究。针对自动换刀装置中关键零件的制造技术进行研究，以提高其制造质量和降低制造成本。 4）自动换刀装置新技术的研究。跟踪国际加工中心和车削中心自动换刀装置的发展主流，研究自动换刀装置的新工作原理及新技术。 5）自动换刀装置产业化研究。自动换刀装置由专业厂生产比现有各厂家自行生产可降低成本，也能保证质量，同时在我国有巨大的市场，因此，在技术研究的基础上，应研究使我国的自动换刀装置生产走上产业化的道路，建立生产自动换刀装置的基地。 自动换刀装置的设计应满足以下基本要求： 1）换刀时间短，以减少非加工时间。 2）减少换刀动作对加工范围的干扰。 3）刀具重复定位精度高。 4）识刀、选刀可靠，换刀动作简单可靠。 5）刀库刀具存储量合理。 6）刀库占地面积小，并能与主机配合，使机床外观协调美观。 7）刀具装卸、调整、维修方便，并能得到清洁的维护4。 2.2 ATC刀具自动换刀形式 为进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心机床，如车削中心、镗铣加工中心、钻削中心等等。这类多工序加工的数控机床在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换到装置，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。自动换到装置应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储备量、占地面积小、安全可靠等特性5。 各类数控机床的自动换到装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围见表1-1。 表1-1 自动换刀装置类型 类别型式 特点 适用范围电动式 回转刀架多为顺序换刀，换刀时间短、结构简单紧凑、容纳刀具较少各种数控车床，数控车削加工中心 电动头顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集中在电动头上，结构紧凑。但刚性较差，刀具主轴数受限制数控钻、镗、铣床刀库式 刀具与主轴之间直接换刀 换刀运动集中，运动不见少。但刀库容量受限 各种类型的自动换刀数控机床。尤其是对使用回转类刀具的数控镗、铣床类立式、卧式加工中心机床 要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置类型 用机械手配合刀库进行换刀 刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，刀库容量大2.3 数控车床刀架的功能、类型和满足的要求数控电动刀架是加工中心、数控车床必备的机床附件，尤其适用全功能数控车床。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，高性能的数控电动刀架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，数控电动刀架是由数控系统来控制的，因此，在电动刀架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。2.3.1数控车床刀架的功能数控机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架，电动车床的电动刀架，回轮式电动车床的回轮刀架，自动车床的电动刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀具，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，机床的刀架也有了许多变化，特别是数控车床上采用电(液)换位的自动刀架，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6。因此，刀架的性能和结构往往直接影响到机床的切削性能、切削效率和体现了机床的设计和制造技术水平7。2.3.2数控机床刀架的类型按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架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架作简单的介绍。 1. 排式刀架 排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。其结构形式为：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2.1所示。这种刀架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架。 2. 回转刀架 回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，一般通过气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、六方刀架或圆盘式刀架，并相应地安装4把、6把或更多的刀具。回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀架根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀架和卧式刀架两种。 3. 带刀库的自动换刀装置 上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，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)回转刀架 (b) 排式刀架 图2.1 机床刀架类型结构图2.3.3数控机床刀架应满足的要求 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，要求刀架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，所以要求刀架可以方便地转位。 2） 在刀架以要能牢固地安装刀具，在刀架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。刀架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，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架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） 刀架应具有足够的刚度。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，而且有些刀架还直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀架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。由于刀架在机床工作过程中，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） 刀架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0.86秒之间不等。而且还在进一步缩短。 6） 操作方便和安全。刀架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，往往是评价刀架设计好坏的指标。刀架上应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀架的手柄（或手轮）要省力，应尽量设置在便于操作的地方。 第三章 CA6140普通车床改造四工位电动刀架总体设计3.1调查研究与资料收集3.1.1 课题的调查研究 从国内外市场调研结果看，国内对数控车床电动刀架的设计和生产都是依赖于先进国家的，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，最有实用价值的电动刀架，适应市场，替代进口产品低价位的数控车床用电动刀架，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。车削加工中心是目前国际上比较前端的一种数控机床，可以进行多工序加工，如车削、钻削、铣削等。有关人士指出，数控机床附件及其配套功能附件是我国机床工具制造业“十五”计划重点发展产品。虽然我国数控机床产品附件的研制由无到有，取得了显著成绩，但与国外先进水平相比还是有一定差距的。为确保国产数控机床的大发展，就必须把数控机床附件尽快搞上去。为此他们建议国家有关部门，尽快制定有关鼓励、扶持国产数控机床附件发展的相关政策，加大数控机床附件行业科研和技术改进投入，使国产数控机床附件行业有一个大发展。而且电动刀架是数控机床附件中尤为重要的一个部件，把这一技术提高是我们义不容辞的事情。3.1.2资料收集课题涉及到的有关知识包括：数控机床结构、车削加工中心、自动换刀装置等等方面；其次还包括一些机械设计、机械传动、气、间歇分度机构等方面的知识，在校图书馆借阅了一些关于本次设计有关的资料，而且还在网上搜索了一些相关资料：1）现代实用机床设计手册；2）实用机床设计手册；3）机械设计手册；4）数控车床设计；5）数控机床结构与维修等等。3.2电动刀架的整体方案设计 回转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。图2.1为螺旋升降式四方刀架，其工作过程如下： 刀架抬起 当数控系统发出换刀指令后, 通过接口电路使电机正转, 经传动装置2、驱动蜗杆蜗轮机构1、蜗轮带动丝杆螺母机构8逆时针旋转 ,此时由于齿盘4、5处于啮合状态，在丝杆螺母机构8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4、5 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9逆时针转过150时，齿盘4、5完全脱开，此时销钉准确进入圆套9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10 中的某一个选通,当磁性板11 与被选通的霍尔开关对齐后,霍尔开关反馈信号使电机反转,插销7在弹簧力作用下进入反靠盘 6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8使上刀架移到齿盘4、5 重新啮合, 实现精确定位。 刀架压紧 刀架精确定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿盘增加到一定夹紧力时， 电机由数控装置停止反转，防止电机不停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。3.3 步进电机的选用许多机械加工需要微量进给。要实现微量进给，步进电机、直流伺服交流伺服电机都可作为驱动元件。对于后两者，必须使用精密的传感器并构成闭环系统，才能实现微量进给。在开环系统中，广泛采用步进电机作为执行单元。这是因为步进电机具有以下优点：直接采用数字量进行控制;转动惯量小，启动、停止方便；成本低；无误差积累；定位准确；低频率特性比较好；调速范围较宽；采用步进电机作为驱动单元，其机构也比较简单，主要是变速齿轮副、滚珠丝杠副，以克服爬行和间隙等不足。通常步进电机每加一个脉冲转过一个脉冲当量；但由于其脉冲当量一般较大，如0.01mm，在数控系统中为了保证加工精度，广泛采用步进电机的细分驱动技术。因为刀架上升、下降各转150，刀架转位至少需90，所以蜗轮转的角度=390由课题要求的刀架选位少于3Sn0.36r/s=21.6r/min,为便于计算n取24r/min蜗轮蜗杆传动比为45电动机转速n=i*z1=45考虑刀架只需小功率驱动，为减少生产成本，选用JD60电动机，其转速为1400r/min,额定功率为60W。 图3.2四工位电动刀架示意图3.4蜗杆及蜗轮的选用与校核3.4.1 选择传动的类型考虑到传递的功率不大，转速较低，选用2A蜗杆，精度8级，GB10089-883.4.2 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，为了节约贵重的有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT150制造。由表17-6查得 h=200MPa，f=51MPa3.4.3按接触强度确定主要参数根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按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： (3-1)（1）确定作用在蜗轮上的转距T2按Z1=2，估取效率=0.8，则T2=T*i=3.5382N.M (3-2)（2）确定载荷系数K因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数K=1；由使用系数KA表从而选取KA=1.15；由于转速不高，冲击不大，可取动载系数KV=1.1；则K=KA*K*KV=1*1.15*1.1=1.2651.27 (3-3)（3）确定弹性影响系数ZE因选用的铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配，故 （4）确定接触系数Z先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值=0.30，从而可查出Z=3.12。（5）确定许用应力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45HRC，从而可查得蜗轮的基本许用应力H=268MPA。因为电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙性的，故初步定位、其寿命系数为KHN=0.92，则H= KHNH=0.92268=246.56247MPA (3-4)（6）计算中心距 (2-5) 取中心距a=50mm，m=1.25mm，蜗杆分度圆直径d1=22.4mm，这时=0.448，从而可查得接触系数=2.72，因为Z，因此以上计算结果可用。蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算蜗杆 分度圆直径：d1=8mm 直径系数：q=17.92， 蜗杆头数：Z1=1 分度圆导程角：=31138 蜗杆轴向齿距：PA=3.94mm； (3-6) 蜗杆齿顶圆直径： (3-7)蜗杆齿根圆直径： （3-8）蜗杆轴向齿厚：=2.512mm (3-9)蜗杆轴向齿距： （3-10）蜗轮 蜗轮齿数：Z2 =45 变位系数=0 验算传动比：i=/=45/1=45 (3-11) 蜗轮分度圆直径：d2=mz2=72mm (3-12) 蜗轮喉圆直径：da2=d2+2ha2=93.5 (3-13) 蜗轮喉母圆直径：rg2=a-1/2 da2 =50-1/293.5=3.25 (3-14) 蜗轮齿顶圆直径： （3-15） 蜗轮齿根圆直径： （3-16） 蜗轮外圆直径：当在z=1时， （3-17）3.5 蜗杆轴的设计3.5.1 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，为普通用途中小功率减速传动装置。选用45号钢，正火处理，3.5.2 按扭转强度初步估算轴的最小直径 （3-18） 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=15.14mm3.5.3 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=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,便于加工和安装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有关，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=21.92mm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220mm3.5.4蜗杆轴的校核作用在蜗杆轴上的圆周力 (3-19) 其中d1=28mm则 径向力 (3-20) 切向力 (3-21)图3.1 轴向受力分析 (3-22) (3-23)求水平方向上的支承反力 图3.2 水平方向支承力 (2-25)求水平弯矩,并绘制弯矩图图3.3 水平弯矩图求垂直方向的支承反力 (3-26) 查文献9表2.24，其中， （3-27)图3.4 垂直方向支承反力 求垂直方向弯矩，绘制弯矩图图3.5 垂直弯矩图求合成弯矩图，按最不利的情况考虑 (2-28)图3.6 合成弯矩图计算危险轴的直径 (3-29) 查文献9表151，材料为调质的许用弯曲应力，则 所以该轴符合要求。3.5.5 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 ，。查文献9表62，取则 (2-30)该键符合要求。由普通平键标准查得轴槽深t=30mm,毂槽深t1=2.3mm3.6 蜗轮轴的设计3.6.1 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， -1=55MPa 3.6.2 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。3.6.3 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，根据文献表8-45取公称直径为d3=44mm，螺距P=12mm，H=6.5mm查表8-46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=15mm3.7 中心轴的设计3.7.1 中轴的材料选择,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， -1=55MPa3.7.2 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=17mmd3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图3.7 中心轴受力图分配各轴段的长度L1=80mm,L2=93mm,L3=20mm3.7.3 轴的校核轴横截面的惯性矩 车床切削力F=2KN,E=210GPa (3-31) (3-32)因此yy中心轴满足刚度条件3.8 齿盘的设计3.8.1 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3.8.2 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4mm由 (3-33)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5mm3.8.3 按接触疲劳强度进行计算确定有关计算参数和许用应力 (3-35)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9-34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（9-44）得 (3-36) 按齿根抗弯强度设计由式（9-46）得抗弯强度的设计公式为 (3_37)确定公式内的各参数数值由文献图9-37查得，抗弯疲劳强度极限由文献图9-38查得，抗弯疲劳寿命系数YN1=1.0，YN2=1.0查图取计算抗弯疲劳许用应力，取抗弯疲劳安全系数SF=1.4 由式（9-47）得 (3-38)弯曲疲劳强度验算 (3-39)故满足弯曲疲劳强度要求3.9 轴承的选用滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。它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，滚动轴承摩擦力小，功率消耗少，启动容易等优点。并且常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，因此使用滚动轴承时，只要根据具体工作条件正确选择轴承的类型和尺寸。验算轴承的承载能力。以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问题。3.9.1 轴承的类型考虑到轴各个方面的误差会直接传递给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。此类轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷，安装时可调整轴承的游隙。然后根据安装尺寸和使用寿命选出轴承的型号为：62033.9.2 轴承的游隙及轴上零件的调配轴承的游隙和欲紧时靠端盖下的垫片来调整的，这样比较方便。3.9.3 滚动轴承的配合 滚动轴承是标准件，为使轴承便于互换和大量生产，轴承内孔于轴的配合采用基孔制，即以轴承内孔的尺寸为基准；轴承外径与外壳的配合采用基轴制，即以轴承的外径尺寸为基准3.9.4 滚动轴承的润滑 考虑到电动刀架工作时转速很高，并且是不间断工作，温度也很高。故采用油润滑，转速越高，应采用粘度越低的润滑油；载荷越大，应选用粘度越高的。3.9.5 滚动轴承的密封装置轴承的密封装置是为了阻止灰尘，水，酸气和其他杂物进入轴承，并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。即如果是为了油封，密封唇应朝内；如果主要是为了防止外物浸入，密封唇应朝外。第四章 刀架体设计刀架体设计首先要考虑刀架体内零件的布置及与刀架体外部零件的关系，应考虑以下问题： (a) 满足强度和刚度要求。因为刀架体的刚度不仅影响传动零件的正常工作，而且还影响部件的工作精度。 (b) 结构设计合理。如支点的安排、开孔位置和连接结构的设计等均要有利于提高刀架体的强度和刚度。 (c) 工艺性好。包括毛坯制造、机械加工及热处理、装配调整、安装固定、吊装运输、维护修理等各方面的工艺性。 (d) 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。多数可通过热处理进行强化，有足够的强度和较好的塑性。 本次设计的下刀架体采用HT150铸造，其具体结构见零件图。结 论本次设计采用了四工位刀架，通过电机驱动，涡轮蜗杆的传动，有效的实现了缩短辅助时间,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比较简单，满足时间短,刀具重复定位精度够,足够的刀具存储以及安全可靠等基本要求。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和减少刀架在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。由
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