数控车床自动回转刀架设计

1、徐州工程学院 专业综合训练课程设计说明书课题名称：数控车床自动回转刀架机械装置设计学生姓名：某某 学 号 ：专业名称：机械设计制造及其自动化班 级 ：10机电指导教师： 2013 年 月 日目录 1 引言-11.1概述-11.2数控车床自动回转刀架的发展趋势-1 1.3各种刀架的简介-1 1.3.1简易经济型数控刀架-1 1.3.2 高精度型数控刀架-1 2 数控车床自动回转刀架设计-1 2.1 数控立式四工位抬起式自动刀架传动方案的分析和拟定-1 2.2 刀架的设计参数 - 3 2.3动力参数的确定-3 2.3.1 选择电机类型 -3 2.3.2 电机容量的设计计算-3 3 传动机构的设计计

2、算-4 3.1蜗杆传动的设计计算 -4 3.1.1 选择蜗杆传动类型 -5 3.1.2 选择材料-5 3.1.3 按齿面接触疲劳强度设计-5 3.1.4 蜗轮蜗杆的主要参数及尺寸-6 3.1.5 校核齿根弯曲疲劳强度-7 3.1.6 精度等级和表面粗糙度的确定-8 3.1.7 蜗轮蜗杆的结构-8 3.1.8 蜗杆传动的热平衡计算-8 3.2 丝杆螺母传动的设计计算：-9 3.2.1 丝杆材料的选择-9 3.2.2 螺母材料的选择-9 3.3 定位机构的设计-11 3.3.1 插销的设计计算-11 3.3.2 预定位机构与反靠机构-12 3.3.3 精定位机构多齿盘的设计-13 3.3.4蜗杆轴

3、的校核-17 4章总结-18 5参考文献-190设计内容计算及说明结论 1引 言1.1 概述数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。随着数控车床的不断发展，刀架结构形式也在不断翻新。其中按换刀方式的不同，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。传统的车床例如CA6140的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进。自1958年首次研

4、制成功数控加工中心自动换刀装置以来，自动换刀装置的机械结构和控制方式不断得到改进和完善。自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有：回转刀架换刀，更换主轴头换刀以及带刀库的自动换刀系统。1.2 数控车床自动回转刀架的发展趋势 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。 1.3 各种刀架简介1.3.1 简易经济型数控刀架目前主要为立式四工位,通常采用双插销机构实现转位和预定位,电机采用右置式或转塔式。一般只能单向转位,采用齿轮,蜗杆传动,螺旋副加紧,多齿盘精定位。此种刀架价格便宜,适用于要求不高的数控机床

5、,在我国应用最为广泛。但是,该刀架工位少,回转空间大,易发生干涉,所以正向工序长,回转空间小的卧式刀架过渡。1.3.2 高精度型数控刀架目前一般多为卧式八工位到十二工位。分为抬起式和不抬起式。抬起式其缺点是转阻塞度不能过高,只能单向回转；不抬起式采用行星齿轮机构或三联分齿盘精定位,转位采用平行分度凸轮(又叫共辄凸轮)或槽轮机构此种刀架目前正逐渐推广。2数控车床自动回转刀架设计2.1 数控立式四工位抬起式自动刀架传动方案的分析和拟定（1）传动方案的拟定采用蜗轮蜗杆传动和螺旋副加紧、双插销预定位、端面多齿盘精定位、霍尔元件发讯。（2）传动方案简图图2-1 传动方案简图（3）传动方案分析a. 传动机

6、构采用蜗轮蜗杆传动的主要优点：降速比大,结构紧凑,工作平稳无噪声。能阻滞扭转振动。当蜗杆螺旋升角小于摩擦角时,有反向自锁作用。其主要缺点是 : 发热大,加工复杂,需要有与蜗杆参数相同的涡轮滚刀,对装配误差较为敏感。螺旋副加紧采用丝杠螺母机构传动,其特点是：用较小的扭矩转动丝杠(或螺母),可使螺母(或丝杠)获得较大的轴向牵引力。可达到很大的降速传动比,使降速机构大为简化,传动链得以缩短。能达到较高的传动精度。传动平稳,无噪声。在一定条件下能自锁,即丝杠螺母不能进钉逆向传动。此特点特别适用 于作部件升降传动。由于蜗杆传动和丝杠螺母传动均能自锁,即夹紧机构双重自锁，不必再配置制动器。b. 定位机构双

7、差销预定位双差销定位,一般称为反靠定位。具有较高的定位精度和可靠性,并能在有冲击和振动的情况下稳定工作。磨损少,定位附加冲击小。定位精度保持性强。端面齿盘精定位优点 : 由于采用了多齿结构,所以定位精度高,一般可达，最高可达； 能自动定心,定位精度不受轴承间隙和正反转的影响(也称自由定心)； 齿面磨损对定位精度影响不大,随着不断使用磨合,定位精度有可能改善,精度保持性好； 承载能力强,定位刚性好。其齿面啮合长度一般不小于60%,齿数啮合率一般不低于90%； 适应性强,齿数的所有因数都可作为分度工位数,容易得到不等的分度； 重复定位精度稳定。缺点 :齿形加工较为复杂,转位、定位时动齿盘需要升降,

8、并要有夹紧装置,成本高。c. 数控转塔式四工位自动回转刀架传动方案的确定 :采用蜗轮-蜗杆传动 : 螺旋副加紧；电磁离合器制动 : 双插销机构预定位 ；端面齿盘精定位 : 霍尔元件发讯。2.2 刀架的设计参数 :（1） 定位精度：0.05mm;（2）重复定位精度: 土 0.002mm;（3） 适用机床：C6140;（4） 多齿盘直径：175(72 齿左右 );（5） 刀架工位数：四工位;（6） 定位控制元件：霍尔元件 ;（7） 电机的选用：电机的转速与设计刀架的回转速度有关 .先预定为1500min（8）刀座尺寸： 200*192 刀盘尺寸：200*1102.3动力参数的确定2.3.1 选择电

9、机类型 : 根据工作要求和条件 : 功率小,起动转矩低,运转平稳等,无需调速、长期反复工作，故选用 N 系列异步电动机。取转速为1400r/min。2.3.2 电机容量的设计计算 :由要求 :自锁力Q=1000 kgf500 kgf,此处取 Q=1000kgf 。螺旋副传动的牙型为梯形螺纹,可通过较小的扭矩获得较大的轴向力,并要求自锁。梯形螺纹的牙型角=,则牙型半角 P=,且有f=0.080.10。由于本刀架锁紧系统中的摩擦是由封闭系统弹性变形力所引起的,压力通常超过 3,其摩擦系数比一般23倍,取螺杆中径d=85mm.a.求当量摩擦角 : ，为保证电机驱动力矩消失后刀盘仍处于锁紧状态,丝杠螺

10、母传动必须满足自锁条件:,所以 max=11.7-1=10.7，由实验表明=46 有满意效果,故取 =5 。b.螺杆的转速 n1=28r/min（设计任务书给出） 可得出传动比： （3-1） 计算电机容量 ： （3-2） 其中 ,Pd 为电机所需功率 :Pw 为工作机所需工作功率；是由电动机至工作机主动端的总效率： （3-3） （3-4） 其中 分别为轴承、蜗轮蜗杆、联轴器、滑动丝杠的传动效率。取=0.98, =0.45( 自锁时传动效率 ), , （设计任务书给出）W （3-5） c. 计算螺杆上的扭矩 : （3-6）d. ，选取型号JW-5264 三相微型感应电机，其技术参数如下：电压 输

11、出功率转速输入功率质量380V120w1400r/min150w3.0kg额定电流起动转矩/:额定转矩最大转矩/额定转矩起动电流0.47(A)2.2>2.46表3-1 电机参数e. 各轴的运动动力参数 各轴转速 I 轴 ( 蜗杆轴 )=1400(r/min)II 轴 ( 丝杠螺母、刀盘 )=1400/28=50(r/min) 各轴输入功率I 轴 （3-7）II 轴 w （3-8）输出功率I 轴 （3-9）II 轴 （3-10）3传动机构的设计计算3.1蜗杆传动的设计计算 :3.1.1 选择蜗杆传动类型 :根据GB/T10085-1988的推荐，采用渐开线（ZI）蜗杆，这种蜗杆的端面齿廓是

12、渐开线，所以相当于少一个齿数。3.1.2 选择材料由于蜗杆传动效率不高，速度也只是中等 ,故蜗杆用45钢;因希望效率高些,耐磨性好些,故蜗杆螺旋要求淬火硬度为45-55HRC且心部调制蜗轮用铸锡青铜ZcusnlOP1,金属模铸造。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HT100制造。3.1.3 按齿面接触疲劳强度设计 :根据闭式蜗杆传动的设计准则,先根据齿面接触疲劳强度进行设计 , 再校核齿根弯 曲强度应有 : (4 1） a.用在蜗轮上的转矩：按，取效率则 (4 2) b.确定载荷系数K：因工作载荷较稳定,所以取齿向载荷分布系数 由表 11-5( 机械设计第七版 ) 中选取

13、使用系数 =1.15 由于转速不高,冲击不大,取动载荷系数 则 （4-3） c.确定弹性影响系数：由选用铸锡磷青铜涡轮和钢蜗杆相配合, 故 (4-4）d.确定接触系数:先假设蜗杆分度圆直径为和中心距 a 的比值从图 11-18( 机械设计第七版 ) 中可查得 =2.75e.确定许用接触应力：根据蜗杆材料为铸锡磷青铜ZCuSn10Pi金属模铸造,蜗杆硬度大于45HRC可以从 11-7( 机械设计第六版 ) 中查得涡轮的基本许用应力=268应力循环次数设计要求寿命为 12000h 则(涡轮每转一转,每个轮齿啮合的次数) (4-5)寿命系数： 则 (4-6)f.计算中心距 : (4-7)所以取中心距

14、为 5Omm ；因i=50，故从表11-12中取模数m=1.6mm 分度圆直径=20mm，则，从图11-18中可查得接触系数 ，故以上计算结果可用。3.1.4 蜗轮蜗杆的主要参数及尺寸:根据以上计算结果,从机械设计第七版第 242 页查得一组数据 :轴向齿距：直径系数： 齿顶圆直径：齿根圆直径：分度圆导程角：蜗杆的轴向齿厚：a.蜗杆的几何尺寸及参数 :轴向距： 直径系数： 齿根圆直径： 齿顶圆直径： 导程角： 轴向齿厚： b.蜗轮尺寸及几何参数: 齿数： 变位系数： 分度圆直径： 喉圆直径： 齿根圆直径： 喉圆母圆半径： 3.1.5 校核齿根弯曲疲劳强度 : (4-8) 当量齿数： (4-9)

15、 根据 从图11-19中( 机械设计第七版 ) 可查得齿形系数 螺旋角系数许用弯曲应力 从表 11-8( 机械设计第七版 ) 查得ZcuSn10Pi制造的蜗轮的基本许用弯曲应力 。寿命系数： (4-10) (4-11) (4-12)故弯曲强度不满足要求。改用铸铝铁青铜(ZcuAl10Fe3)砂模铸造，其许用应力： （4-13）则 （3-24） 所以强度满足。3.1.6 精度等级和表面粗糙度的确定:考虑到所设计的蜗杆传动是动力传动,属于通用机械减速器,从 GB10089-88 圆柱蜗杆、蜗轮精度中,选择8级精度,侧隙种类为f，标注为 8f GB10089-88.3.1.7 蜗轮蜗杆的结构 :蜗杆

16、的结构 :由于蜗杆螺旋部分的尺寸不大，蜗杆与轴制成一体。 蜗轮的结构 : 由于 D10Omm,故采用整体式铸造 .3.1.8 蜗杆传动的热平衡计算 :蜗杆传动效率低,所以工作时发热量大.在闭式传动中,如果产生的热量不能及时发散,将因温度不断升高,而使润滑油稀释,从而增大摩擦损失,甚至发生胶合.所以,必须根据单位时间的发热量 H 等于同时间内的散热量 H2 的条件进行热平衡计算.以保证泊温稳定地处于规定的范围内,在规定条件下,保持正常的工作温度所需要的散热能力,面积为： (4-14) P为蜗杆传递的功率；为蜗杆传递的效率；为箱体的表面传热系数取 （）为润滑油的工作温度，取为周围空气的温度，常温情

17、况取 (4-15) ，所以热平衡条件满足。3.2 丝杆螺母传动的设计计算：3.2.1 螺母材料的选择： 螺母材料选用铸锌铅青铜ZQSn6-6-3,虽然ZQSn10-1非常耐磨，但成本太高ZQSn6-6-3已经能满足要求。3.2.2 丝杆螺母几何尺寸的计算：a. 选用T55梯形螺纹丝杆，螺距t=12mm;b. 丝杆螺母尺寸： 大径：d=46mm 小径：=40mm 中径： 螺母外径： 螺母小径： 螺母中径：线速n=1。由于连接螺纹要求自锁性。故多用单线螺纹，若要求传动效率高则采用双线或三线螺纹。 导程：S=P=12mm 螺纹升角： 当量摩擦角：，由于选用的是的梯形螺纹，因而。当f=0.1时，此丝杆

18、能自锁。c. 丝杆螺母的传动效率和驱动扭矩的计算：效率：驱动扭矩M：设所受的轴向力P,则螺纹中径的圆周力为，驱动扭矩 ， （kgfcm） (4 16)d. 校核滑动螺旋传动： 滑动螺旋工作时，主要承受转矩及轴向拉力（或压力）的作用，同时在螺旋和螺母的旋合纹间较大的相对滑动。主要的失效形式是螺纹磨损。因此滑动螺旋的基本尺寸(即螺杆直径和螺母高度)，通常是根据耐磨性条件确定的。对于受力较大的传动螺旋，还应校核螺杆的危险截面以及螺母纹牙的强度，以防止发生塑性变形和断裂。对于精密传动螺纹还应该校核螺杆的刚度。 耐磨性校核： 图4-1 刀盘齿形图 作用于螺杆的轴向力主要是刀盘重力。 螺纹的承压面积（指螺

19、纹工作投影到垂直于轴向力的平面上的面积）为A(),螺纹中径（mm）螺纹工作高度h，螺纹螺距为P(mm),螺母高度H(mm),螺纹的工作圈数n=H/p. =43mm h=25mm P=12mm H=64mm n=H/P=5 则螺纹工作面的耐磨性条件为： （4-17）e. 强度计算： 空心轴工作时，承受轴向力Q和扭矩T的作用，螺杆切应力的作用。螺杆危险截面上既有压缩应力，又有切应力。在校核时根据第四强度理论，求出危险截面的应力。 (4-18） (4-19) (4-20) (4-21) ， (4-22) ， Q=216.86N T=216.86(5.08+8.82)43/2=1153.85Nmm (

20、4-23) (4-24) ,故强度满足要求。3.3 定位机构的设计：3.3.1 插销的设计计算：刀盘反靠时，刀盘与定位销受到定位槽的阻止，转速突然变为0，定位销受冲击载荷。可以用能量法近似计算插销的直径。下图给出的插销的力学模型。图4-2 插销的力学模型为反靠冲击载荷；为所引起的销子的弹性变形；II为销子伸出长度；I为销子的销孔内的长度。对直径为D的圆柱形销，有，冲击时刀盘的动能：，冲击过程中，销子获得的弹性变形能：，令，并且，即；可得：。式中：I刀盘转动惯量； 冲击瞬间刀盘角速度；E插销材料弹性摸量； J 插销截面惯性矩；W插销截面抗弯摸数； 插销材料许用应力。最后可得：选取最小的定位超程角

21、： 刀盘反靠时，角速度愈小，收冲击也愈小。根据预定定位盘槽的几何形状与尺寸，利用调整检测元件可获得很小的定位超程角，从而减小反向启动后的加速时间，明显减小。设定定位超程角与插销长度：当销子处于反靠定位状态时，即反靠销与定位分别插入各自的槽中，若此时刀盘进行反转，则在惯性力矩作用下反靠销极易沿周向滑动，使刀盘不能与反靠盘同步转动。所以应严格设定超程角。的大小应保证换向时定位销不在定位槽内。则插销尺寸应满足：反靠销长度，：定位销长度，L：反靠盘与预定位盘的间距，h：销槽与预定位槽的深度。其中I1式中各尺寸的制造公差及上下两盘装配的平行度公差可按一般精度IT8,补偿间隙，用修配可获得。3.3.2 预

22、定位机构与反靠机构： 预定位销中间采用弹簧，使之与销配合起来起定位作用。同时，预定位销的头部采用单斜面，由斜面作用使预定位销从槽中脱出。预定位销倾角 所以预定位盘的 槽的倾角也是，与之相配。 反靠盘上槽两边都有倾角，这是为了使反靠销能从两个方向脱出。 预定位盘和反靠盘的结构尺寸由零件图给出。3.3.3 精定位机构多齿盘的设计：1）原理与特点：多齿盘定位由两个齿数和齿形相同的端面齿盘啮合而成。通常，一个齿盘固定不动。另一个齿盘与分度回转部件固定连接。分度时，动齿盘抬起，与定位盘脱开，然后转位，当转位至要求位置后，动齿盘与定齿盘啮合并压紧。 本设计中，我们将定齿盘在刀体外壳上之固定，而动齿盘和丝杆

23、，刀盘装在一起，丝杆移动时，动齿盘随之脱开啮合，刀盘同时也移动，齿盘转位。到位后刀盘不再回转，往相反方向移动，从而夹紧工位。2）设计计算： 设计多齿盘装置的主要依据是分度工位数，定位精度，结构位置大小和工作载荷。 转化到齿盘上的工作载荷有扭矩Mn,倾覆力矩Mr,轴向离，径向力。 结构参数 、 、多齿盘的结构参数有齿形角，齿数 ，齿盘直径，模数，齿根槽宽和槽深等。、图4-4 多齿盘的结构（a）齿形角 当槽面间隙EF一定时，齿形角越小，EG越小，即定位精度夜高。但过小会削弱齿部刚性。通常=。（b） 齿数Z 齿数应是分度工位数的倍数，或所有需要的工位数的最小公倍数。齿数越多，分度精度越高。

24、但加工夜复杂。（c）齿盘直径D 齿盘直径可按扭矩Mn估算。一般D宜取大些，以提高定位精度和稳定性。（d）模数m 齿盘的模数m=D/Z，它仅起到表示齿形大小的作用，不须选取标准值。 M的常用范围为26mm.（e）齿宽按载荷大小选取，一般为825mm，B太大不利于提高分度定位精度。(f ) 齿根槽宽b 一般取b0.81mm。其他有关几何参数按以下公式计算： (4-25) (4-26)序号名称符号确定原则或计算公式结果1齿盘外径D按扭矩Mn估算D,D应根据结构取大些，以利于提高分度定位精度。1752齿宽BB大利于提高齿盘承载能力，但不利于提高分度精度。103齿数ZZ是工位数的倍数，精度要求高时宜放大

25、，但加工困难724模数MM=V/Z,常用26。25外径上节矩TT=4.716齿形角载荷小精度高时宜取小值。607理论齿高H见公式4.088齿根槽宽B见公式1.359齿顶角2见公式10齿顶高见公式3.3811齿顶倾角见公式表3-1 具体参数如下表： 夹紧力计算夹紧力应保证在最大工作载荷下仍能保持两齿盘的紧密啮合，但过大的夹紧力会引起齿盘变形。夹紧力W可按下式计算： (4-27) 式中：W 为夹紧力（N） Mn 为齿盘承受的扭矩（Nm） Mr 为齿盘承受的倾覆力矩（Nm） Fr 为齿盘承受的径向力（N） 为齿盘承受的轴向力（N），方向与W相同时，式中取“-”号，与W相反时取“+”. D 为齿盘直径

26、（m） 为齿形角（） 为摩擦角（）， 一般取 S 为安全系数，一般取S=11.5图4-5 夹紧力切削力F=1000kgf,其分力，可得，所以，所以，F=1000kgf =259.2kgf, =965.8kgf倾覆力矩又，可得 ， 驱动力矩安全系数S取1.3所以， 验算齿面挤压应力齿面挤压应力的验算公式： (4-28) 式中，为齿面挤压应力（Pa） 为计算齿数，0.5Z B为齿宽（m） 为齿的啮合高度 W 为夹紧力（N） S 为安全系数，去S=1.3 为许用挤压应力（Pa）,齿面淬硬的取=所以，满足要求 材料选择：齿盘的齿面要求有较高的硬度，内部有一定的韧性，要求材料的热变形较小，精密齿盘要求尺

27、寸稳定性好，齿盘材料选用40Cr，热处理齿部D0.3700 技术要求：(a) 相邻齿矩误差和累积误差：按回转部件的分度精度要求确定，根据刀具的精度要求，相邻齿矩误差和累积误差不(b)安装基准孔轴线分度中心的位置度：精密齿盘应该在0.01mm以内。（c）安装基准端面对分度平面的平行度：精密齿盘应在0.005mm以内。()齿面接触精度：齿面接触精度不仅影响风度精度，而且影响刚性，承载能力及稳定度。齿矩误差同时影响接触最小齿数和接触齿的分布。齿形半角影响高的方向的接触率；齿向误差影响齿宽方向的接触率。齿倾误差对齿高和齿宽方向的接触率均有影响。因为接触精度能综合标志上述各项误差的影响，实践中通常作为主要精度