数控车床六工位刀架毕业设计

1、数控车床六工位刀架设计第1章设计内容和要求设计数控车床六工位刀架及床身；电动功率：120w；电机转速：1400r/min；刀位数：6床身最大加工直径：400mm；刀尖到导轨距离：200mm。第2章刀架结构方案的确定2.1刀架结构方案刀架换刀过程工作原理:换刀信号一电机正转一刀架抬起一刀架转位f刀位信号f电机反转f初定位f精定位刀架压紧f电机过流停转一换刀结束。刀架的设计必须满足以下要求：切削刀具数量较多，可安装多种形式的刀具，至少应能安装同类表面加工所需各种的各种车外圆刀具或孔加工刀具，并且刀具易于更换和调正；须切削的空间太小。为了能加工最大规格零件，刀架上两把相邻刀具之间要有合适的距离，避免

2、刀具对工件、卡盘、尾座等发生干涉和碰撞；刀架大小要合理；换刀快速准确，在PC可编程序器及其软件配合下，可实现最短路线逻辑选刀；结构简单，定位夹紧可靠，强度高，能承受机床强力切削和连续长时间正常工作；定位精度高，且应具有较高的精度稳定性和保持性。2.1.1液压式结构六角回转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，其换刀动作可以分为以下四个步骤。刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，压力油由A孔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开。同时，活塞杆下端的端齿离合器与空套齿轮结合。刀架转位当刀架抬起之后，压力油由C孔转入液压缸左腔，活塞向右移动，通过连接板带

3、动齿条移动，使空套齿轮做逆时针方向转动，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。刀架压紧刀架转位之后，压力油由B孔进入压紧液压缸的上腔，活塞带动刀架体下降。中心轴轴套的底盘上精确的安装着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，从而实现可靠定位。刀架体下降时，定位活动插销与另一个固定插销卡紧，同时中心轴轴套与刀架套的锥面接触，刀架在新的位置定位并压紧。这里，端齿离合器与空套齿轮脱开。转位液压缸复位发架压紧之后，压力油由D孔进入转位液压缸右腔，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。推杆与相应的角头接

4、触，发出信号表示换刀过程已经完成2.1.2机械式结构螺旋升降立式刀架的数控车床，其电动换刀过程可以分为以下四个步骤。刀架抬起当数控装置发出换刀指令后，电机正转，并经联轴器、轴，滑键带动蜗杆、蜗轮、轴、轴套转动。轴套的外圆上有两处凸起，可在套筒内孔中的螺旋槽内滑动，从而举起与套筒相连的刀架及上端齿盘，使上齿盘与下端齿盘分开，完成刀架抬起动作。刀架转位刀架抬起后，轴套仍在继续转动，同时带动刀架转过60(若不到位，刀架还可继续转位120、180、240、300。、360。)，并由微动开关发出信号给数控装置。刀架压紧刀架转到位后，由微动开关发出的控制信号使电机反转，销使刀架定位而不随轴套回转，于是刀架

5、向下移动，上、下端六分度齿盘合拢压紧进行精确定位，而电机继续反转从而使中心轴产生向上的轴向力作用在推力球轴承上，轴承则用螺钉将压盖固定使推力球轴承不移动。电机停止刀架压紧后，蜗杆继续转动则产生轴向位移，压缩弹簧，套筒的外圆使开关动作，电机停止转动，从而完成一次转位。2.1.3方案分析液压式结构中液压系统需要良好的维护保养一由于液压部件是精密部件并在高压力之下使用，因此需要良好的维护保养，以防止生锈、腐蚀、污垢、油变质等等，所以必须保持清洁和使用适当的液压油。工作过程中损失大、效率低、发热大，液压元件加工精度高，造价高，当采用油作为传动介质的时候还需要注意防火问题。最后，液压系统的故障比较难查找

6、，对操作人员的技术水平要求较高。机械式结构中六分度齿盘只能实现单步分度，每次转位都要重复抬刀、转位、复位压紧的过程，当所选刀位与现处刀位数相差较大时，难以实现按最短路径逻辑选刀，刀架转位时间长，机械磨损大，而且当齿盘设计参数不合理时，容易产生刚性冲击，影响使用寿命。2.2定位（分度）方案的确定2.2.1弹簧销式定位弹簧销定位刀架结构是一种老结构。在六角刀架上，采用6个斜形圆槽于底面。定位销插入一个槽内，刀架转动时，定位销随着刀架的转动而在槽内移动，电机反转时，刀架由于定位销的初定位而下移。特点：（1）结构简单成本低；（2）确定刀具转动位置。缺点：采用定位销定位，接触性能和定位精度差。2.2.2

7、齿盘式定位端面六分度齿盘定位刀架结构（图2.1）除数控刀架外，普通车床上虚用的较少。刀架上，在电机反转，定位销初定位后，由端齿盘进行精定位，从面进行压紧和松开，特点：（1）采用端齿盘定位，齿盘接合力大，接触面越用越精确，刀架转位定位精度高；（2）结构比较简单，无故障，定位零件寿命高，成本低。上齿盘下齿盘接合图2.1端面六分度齿盘2.2.3单向转动斜面式分度的精定位可以用六斜面等高离合齿盘（如图2.2）。下齿盘上齿盘接合锁紧图2.2八斜面等咼齿盘六斜面等高齿盘结构类似于端面凸轮，但比端面凸轮结构简单,稳定性高，制造容易，既能用斜面作升程，使刀架体旋转、升降,又能起到离台器的作用，带动主轴旋转分度

8、，当端面齿使用磨损后，可以调正螺母消除间隙，保证刀架体与刀座间的锁紧和足够的刚性。回转刀架分度定位机构采用端面齿牙盘定位，其定位刚性高。由于齿牙盘定位有补偿作用，随使用时间增长定位精度相应提高，刀盘的刀位由PC控制，具有逻辑转位功能，刀架在下一任何工位直接定位而不需停顿，节省换刀时间4。2.2.4方案选定对比方案的优缺点，则选择机械式方案，再用弹簧销初定位，再用六斜面等高齿盘进彳丁精定位。第3章刀架部件计算分析3.1刀架部件的受力分析机床主电机功率为7.5kw，计算传动效率为n=0.8，加工直径为400mm，工件采用主轴转速n=10006000r/min，主切削力Fz=6120 x，x9S06

9、65X9.S06656120 x7二xlO冬0.8jtx400 x!000=286.527*MERGEFORMAT设计时切削分力比取PX:PY:PZ=0.4:0.4:l则PX=PY=114.6N刀架在切削过程中保持正常工作时，必须压紧力产生的力矩大于或等于车削时的三个分力PX、PY、PZ对刀架产生的颠覆力矩，即乞矽=0*MERGEFORMAT-Q2+-Qi-LiTi-LPx+hP,=*MERGEFORMATS=o*MERGEFORMAT-T2-Ti-lpz-hpy=、*MERGEFORMAT式中：L刀尖至刀架中心距离，*MERGEFORMAT=160mmH刀尖至刀架中心线距离，H=10mmL齿

10、牙盘啮合中心线至底盘距离，L=67mm11h刀尖至齿牙盘啮合中心线距离，h=30mmD齿牙盘的齿面中径，D=107mm六斜面等高离合齿盘的倾斜度为30。，用Q=Ttg3。代入上11二式*MERGEFORMATMERGEFORMATQ2-Tig3o-LiTi-LPx+kPY=0(31)-Qlg30+Ti-LPz-HPY=0、*(32)经求解口_(马口或胪一&)+&(尿绘30。+曲)厶+小0。一担弭j160(286.5g30-114.6)+114.6(10g30+30)=3567+=689.7N*MERGEFORMAT把（2）式整后用T代入12僅+丹齐-耳Fl)Q2=)ig30352(160 x2

11、8&F+10 x1146x639.7)107x30*MERGEFORMATQ=T】tg3J3&lN*MERGEFORMATT2二Q2tg30”=652.6N*MERGEFORMAT回转刀架刀盘用2根弹簧销增加阻尼，经计算弹簧力Q3=20.96N,3则作用于刀架的轴向力和圆周力分别为e=ei+e2+e3=30.9+1188.2+20.96轴向力：=1240.06*MERGEFORMAT圆周力:T=小22.S.3N*MERGEFORMAT3.2刀架步进电机的选择及功率计算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

12、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占：八、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。电机转速选为1400r/min，经变速后蜗轮轴转速为：=1叽存曲伽*MERGEFORMAT蜗杆传动在啮合齿面间的滑动速度：*MERGEF

13、ORMAT(33)式中：d蜗杆分度圆直径，d=28mm11n蜗杆转速，n=105.7r/min11入蜗杆分度圆上的导程角，入=50608丁_tt28x1400-6OxlOOOc0s5O6fO8ff=s*MERGEFORMAT查表得钢蜗杆与锡青铜蜗轮间的当量摩擦角P=5。5636V蜗杆为主动时绘(兄+q_Zg506f08ff-/g(506f08ff+556f36ff)*MERGEFORMAT考虑搅油损耗的效率，一般=0.94-0.99*MERGEFORMAT,取力=0.巧*MERGEFORMAT轴承效率，每对滚动轴承=0.94-0.99*MERGEFORMAT，取=0.99*MERGEFORMA

14、T整个刀架的传动效率期二旳沥=0.429*MERGEFORMAT两离合齿均为钢件，取钢一钢接触面的静摩擦系数f=0.15，则摩擦力为=7/=1342.3xO.15=2O1.3527*MERGEFORMAT两离合齿压紧时转动力矩为点132.5x10-3x191.175M=1J.-.2、.厂厂厂小厂卞，*MERGEFORMAT电动机功率：辺创冥込空=宓泅6060*MERGEFORMAT2=85.92fy*MERGEFORMAT根据电机标准和安全因素，取刀架电机功率为120W,经实践该刀架在强力切削等重载荷作用下，工作全部正常，达到设计要求。3.3确定齿盘及套筒螺旋槽的参数考虑齿盘主要用于精确定位和

15、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。3150i!-7磚冲由*MERGEFORMAT(34)150得*MERGEFORMAT，求得m=3.057取标准值m=3h604L605t=x=(2x+)x=2.31s完成一次刀架转位的时间*MERGEFORMAT3.4蜗轮蜗杆设计计算及强度校核选择传动的类型，精度等级和材料考虑到传递的功率不大，转速也不高，先用ZA蜗杆传动，精度8c(GB/T10089-1988).蜗杆用35CrMo,表面淬火,硬度为4550HRC。蜗轮轮缘先用ZCuSn10P1，金属模铸造。选择蜗杆、蜗轮

16、的齿数根据设计刀架的大小，中心距a=80mm,参考表1.8T1(查5)得传动比i=53，m=2.5，z=1，z=5123，x=-0.100，d=28mm，y=50608。n=1400r/min,n=n21121/i=1400/53=26.4r/min确定许用应力由5P389得屉=血凤忌*MERGEFORMAT(35)由表1.8-4查得血=220加蔚*MERGEFORMAT，%严的沁*MERGEFORMAT。按5图1.8-7查得匕小沁*MERGEFORMAT,再查图1.8-8采用浸油润滑Z=0.87。VS齿轮应力循环次数Nl=60jLh=60 x26.4xlx300 x5xSx0.4=7.6xl

17、06*MERGEFORMAT查图1.8-9得Z=1.05，Y=0.83NN=220 x0.87x1.05/=20W/m2*MERGEFORMAT=mm2*MERGEFORMAT接触强度设计由5P388得(mm3)*MERGEFORMAT(36)其中，载荷系数取K=1.2，蜗轮轴转矩为9550=9550120 x103x0.429264Nm=18.627*MERGEFORMAT代入上式畧F爲曲j2曲*MERGEFORMATmid1=2.5x283=44.25m*MERGEFORMAT满足蜗轮分度圆直径=2.5x53=132.5*MERGEFORMAT校核蜗轮齿面的接触强度由5P388*MERGE

18、FORMAT(37)查表得1.8-5得*MERGEFORMAT；按表1.8-39取KA=0.9(间歇工作)；取岛T1*MERGEFORMAT；取瓦=口*MERGEFORMAT；当v=02.07m/s时，查图1.8-8得Z=0.95。sVS贝Ij屉=吃？能Z对=220冥0.笳X0.91M1m朋=190.2./m品*MERGEFORMA=15519400 x18.628xl32.52x0.9xl.1x1.1=96.5D逛=.2N!myy?*MERGEFORMAT蜗轮齿根弯曲强度校核由5P388表1.8-38，齿根口_吨牛丫y弯曲强度验算公式*MERGEFORMAT(38),t.Zvy=r=53.6

19、4其中，按*MERGEFORMAT及X=-0.100*MERGEFORMAT查图1.2-37得Y=4.0,FS506r08ff1200.957*MERGEFORMAT,sR.Mmrn*MERGEFORMAT666x13.6x0.9x1.1x1.128x132.5x2.5*MERGEFORMAT几何尺寸计算已知：*MERGEFORMAT,i=l*MERGEFORMAT,厂力*MERGEFORMAT，珀=28咖*MERGEFORMAT,6=132.m*MERGEFORMAT，花=-0.100*MERGEFORMAT,20*MERGEFORMAT,则蜗杆齿顶圆直径：如=必+盹*=28+2x1x2.知

20、心33咖*MERGEFORMAT蜗杆齿根圆直径：耳1=1-加(1+0.2)=28-2x2.5(1+0.2)=22mm*MERGEFORMAT蜗杆齿宽：对王(11+0屁2)聊=(11+006X羽x2.习聊朋=芳.4血陀*MERGEFORMAT，取bj60mm蜗轮喉圆直径：da2=d2-2(*+x2)=132.5+2x2.5(1-0.100)=31mm*MERGEFORMAT蜗轮顶圆直径：兰+加=(1刃+2冥2为咖=142咖*MERGEFORMAT蜗轮齿宽:爼裁2%=0巧心mm=7A2m涨*MERGEFORMAT蜗轮齿顶圆弧半径：鬆二%-吩为咖=1琢*merGEFORMAT蜗轮齿根圆弧半径：:壮=

21、加肌+cm=(0.5x33+0.2x2.5)mm=7mm*MERGEFORMAT蜗杆轴向齿厚：知=0二伽=0J心切険=3血际*MERGEFORMAT蜗杆法向齿厚：知二和遇尸=3.倍匚曲朋=3.91朋聊*MERGEFORMATs2=(0.5tt+2x2tan&m=(0.5tt-2x0.lOOtan20)x25m澀蜗轮分度圆齿厚：*MERGEFORMAT蜗轮齿厚测量高度:礼=心山*MERGEFORMAT3.5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，回皿嗨*MERGEFORMAT。3.5.2确定蜗杆轴最小直

22、径#1=0.99,=1400/minVV14003.5.3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。L11(12(13(Hri:LI,1s图2.3蜗杆轴d1=10mm，d2=d5=10mm，d3=23mm，d4=17mmL1=38mm,L2=43mm,L3=67mm,L4=28mm,L5=39mm3.5.4蜗杆轴的校核作用在蜗杆轴上的圆周力由6P378得9)如杆P1r：|-|-.-1门TT.=9550-=955()其中*MERGEFORMAT纠珀抨=2知*MERGEFORMAT58.57272x0.82_N=0.028径向力耳=Ftlana:=58.57

23、tan20。=21.3227切向力F*=FJcosa=21.32_cos2022.69N图2.4轴向受力分析嘔=叭=21.32FV=Ft=22.6927求水平方向上的支承反力FAHLiFBH.L?LsD卜UH图2.5水平方向支承反力L=93mm,L=103mm,12L=42mm3f緒匸鸟月血沁厶+=oFah=月逍=捡一=21.3211.2=10.12“求水平弯矩,并绘制弯矩图=11.2x93xl03=1.04-Meh图2.6水平弯矩图求垂直方向的支承反力AL1.0卜BV.I_e:L?BfAVI-cV;图2.7垂直方向支承反力理=竺竺肿“6側切d50.012F+F切厶比IF（厶+厶）=-Fav-

24、=22.69-41.22-13&7=l.23M求垂直方向弯矩，绘制弯矩图M卵二巧卩厶=41.22汎笳汎10刁=3.83-Mcv=F?iL3=36.7xA2x0-3Nm=5.14Nm求合成弯矩图，按最不利的情况考虑M=+施卵=71042+3.832=3.97N-mMC=M=5.1ANmMeT二0.82N-rn*MERGEFORMAT(41)其中D基准最小直径，D=12mm22圆柱销与基准孔的配合间隙，=011MERGEFORMAT按第三强度理论进行强度校核，=2MPacr=MPa则蜗轮轴满足强度要求。第4章分度精度计算4.1精度计算弹簧销定位精度：（根据确定两定位销中心距尺寸心*MERGEFOR

25、MAT及其公差巫g*MERGEFORMATLx=Lg=32mm*MERGEFORMAT*MERGEFORMAT式中Lg工件中心距Lg=82mm盹*MERGEFORMAT工件中心距公差*MERGEFORMAT削边销的宽度b和B查表面24得b=Amm*MERGEFORMATRGEFORMATB=2=22=1*ME削边销与基准孔的最小配合间隙/*MERGEFORMAT=邀血+返书)=2W+0S0)=0.025_12*MERGEFORMATS=0.02533、LccLLcc*e*MERGEFORMAT圆锥销定位精度：（根据确定两定位销中心距尺寸点*MERGEFORMAT及其公差巫g*MERGEFORM

26、AT=53.5mm*MERGEFORMAT也七三辰蔦心=0皿咖*mergeformat式中Lg工件中心距Lg=53.5mm化*MERGEFORMAT工件中心距公差*MERGEFORMAT削边销的宽度b和B查表面24得bf=2mm*MERGEFORMAT5f=-0.5=2-0.5=1.5*MERGEFORMAT削边销与基准孔的最小配合间隙*MERGEFORMAT根据（41）其中D基准最小直径，D=12mm=0122圆柱销与基准孔的配合间隙,12扩(込+占龜-寸)2x2(0.05+0.025-0)门A.二二=0.0753得*MERGEFORMATAr*MERGEFORMAT齿盘分度精度为：=0.0

27、1加然*MERGEFORMAT总分度精度：氐=占+图+=0.0笳+0.0右+0.03右=0.1力気刑*MERGEFORMAT第5章标准件选择5.1轴承的选用圆锥滚子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。5.1.1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

28、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。5.1.2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。5.2圆锥销的用途主要用于定位，也可做固定零件、传递动力用，多用于经常拆卸场合。有1：50的锥度，便于安装。定位精度比圆柱销高，在受横向力时能够自锁，销孔需铰制。第6章结构设计6.1刀架体设计刀架体设计应考虑以下问题：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。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。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。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