数控车床刀架结构设计及计算

数控车床刀架结构设计及计算

1车床刀架的功能，类型和应满足的要求

1.1车床刀架的功能

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，转塔车床的转塔刀架，回轮式转塔车床的回轮刀架，自动车床的转

塔刀架和天平刀架等。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c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⑸。

1.2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。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全功能数控车末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沟位置，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1机床刀架类型结构图

1.3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，而且使用频织也高,

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0.8—6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。

2数控车床刀架总体方案设计与选择

1刀架的整体方案设计

刀架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架类型、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，本次设计的数控车床CK20拟采用回转刀架中的六

工位六方刀架。该刀架的换刀动作分为刀盘抬起、刀盘分度转位和刀盘锁紧三人步骤,

其中刀盘抬起和刀盘锁紧定位由液压来实现，而刀盘的分度转位于伺服电机驱动。

2车床刀架的转位机构方案设计

一般来说，机床刀架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。故一般多用亍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架作转位运动，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二轮廓，从动回转盘（相当

于刀架体）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

使凸轮继绫旋转，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，就能实现多次的刀架换刀操作。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。

3,伺服电机驱动的刀架转位

随着现代技术的发展，可以采用直流（或交流）伺服电机驱动蜗杆、蜗轮（消除

间隙）实现刀架转位，转位的速度和角位移均可通过半闭环反馈进行精确控制加以实

现，因而这种转位机构转位速度可以进行精确控制、精度高，结构简单、实现容易。

所以在现代数控机床中被广泛采用。

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，本次设计的数控车床

CK20决定采用第三种转位机构--伺服电机驱动的刀架转位。

3刀架定位机构方案设计

目前在刀架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±3“左右，最高可过0.4”以上，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、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乳故定位刚性好，承载能力大。

考虑到端面齿盘具有以上的各种优点，因而本次设计的刀架采用端面齿盘定位。

3车床刀架的工作原理

下图所示为回转刀架的结构图，刀架的松开和夹紧以及刀盘的分度转位分别由液

压系统和直流伺服电机来实现。5为安装刀具的刀黄，它与轴6固定连接，当刀架主

轴6带动刀盘旋转时，其上的端齿盘4和固定在刀盘上的端齿盘3脱开，旋转指定刀

位后，刀盘的定位由端齿盘的啮合来完成。活塞1支承在一对推力球轴承上，它们可

以通过推力球轴承带动刀架主轴来移动。当车床数控系统发出换刀指令后，刀架上的

液压缸右腔通入压力油，活塞1及轴6在压力油推动下向左移动，通过刀架主轴使端

齿盘3和4脱开啮合，实现刀盘抬起动作。随后伺服电机启动，带动蜗杆2和蜗轮7

转动，经刀架主轴6带或刀架的刀盘旋转，实现刀架换刀动作，转位的速度和角位移

均通过半闭环反馈系统进行精确控制。当刀盘旋转到指定的刀位后，数控系统发出信

号，指令伺服电机停转，这时，压力油进入液压缸的左腔，推动活塞1和刀架主轴6

向右移动，使端齿盘3和4重新啮合，实现刀盘锁动作。刀盘被定位夹紧并向数控系

统发出信号，于是刀架的转位、换刀循环完成。在车床自动工作状态下，当指定换刀

的刀号后，数控系统可以通过内部的运算判断，实行刀盘就近转位换刀，即刀盘既可

正转也可以反转。但当手动操作车床时，从刀盘方向观察，只充许刀盘顺时针转动换

刀。

1一油疵2一斜杆3一左说齿发4--右炭母盘5一刀盘6一刀累主轴7一蜗毙8一刀是体

图2数控车床回转刀架结构图

4刀架的设计计算

4.1驱动刀架的伺服电机的选择计算

刀架驱动电动机的选择应同时满足刀架运转的负载扭矩7＞和起动时的加速扭矩

TJ

的要求。

1）刀架负载扭矩7y的计算

回转刀架负载扭矩。估算方法如下：由于这种刀架的负载扭矩主要用来克服刀具

质量的不平衡，估算按如下的情况进行：用平均重力的刀具插满刀盘的半个圆，根据

工艺要求所需的各种刀具，确定每个刀具的（包括刀柄）平均重力皿人而其重心则

设定为离刀架回转中心2/3半径处。由以上的方法可知，由于该数控车床采用的是电

和液换位的6工位六方自动回转刀架，因而插满刀盘的半个圆需要3把刀具。设工艺

要求所需的每个刀具的平均重力WP=4.9N；刀盘的回转中心直径0=270〃〃〃。

I。19

则有7＞=4W/，・一O・：=3x4.9x—x0.27x：=1.764N・mm

2323

2）刀架加速扭矩7；的估算

6（）。'/

式中n,n----刀架换刀时的电动机转速（r/min）；

tj--加速时间，通常取150~200〃?s;

4--电动机转子惯量（依♦＞工可查样本；

“--负载惯量折算到电动机轴上的惯量（依

3）负载惯量折算到电动机轴上的惯量人的估算

及=2＞匍+2＞崂『一•苏

KI

式中为--各旋转件的转动惯量（依加2）;

切一-各旋转件的角速度（md/s）;

八一-各直线运动件的质量（攵g）；

Ui--各直线运动件的速度（m/5）;

co—伺服电机的角速度（md/s）.

4）各旋转件的转动惯量4的估算

由刀架的结构简图可知，刀架在完成换刀动作时，伺服电机带动其旋转的部件共3

个，它们分别是蜗轮蜗杆副，刀架主轴和刀盘。因而只需估算这三者的传动惯量即可。

(1)刀盘转动惯量的计算

刀盘采用烟台环球公司生产的AK31系列数控转塔刀架的配套产品，其主要尺寸

如下:刀盘外径Di=320mm;盘也刀架主轴相连的孔径di=40mm；刀盘宽尸=56mm。

则刀盘的转动惯量/包\

21I2J⑴

1…s3”ffO.32?(0.04丫1\0.32?"04丫1

=-x7.85x!0x3.14x——------x0.056x-------+---

2[[2)I2JJ2)[2))

=0.452g•小

(2)刀架主轴转动惯量的计算

刀架主轴的转动惯量加按如下的方法估算：

刀架主轴的最大直径dmax=40/77/7?；最小直径4nMn=25/77/7?；刀架主轴长度取

I=390〃/〃o

则刀架主轴的转动惯量Ja2=~m(Y

2I"…2"皿‘J

2I2)I2)

二0.0048奴・〃/

(3)蜗轮蜗杆转动惯量的计算

蜗轮蜗杆的转动惯量小的估算方法如下：

设蜗轮的分度圆直径D,3=124〃?〃2；其与刀架主轴相连的孔径43=32.5〃〃〃；蜗轮齿宽

bh3=10/%〃？.

则蜗轮的转动惯量Jh31=~M

9

1rou小oi/f0.124?f0.0325VI…ff0.0124?f0.0325

2I2JI2JI2JI2J

=0.002kgm2

设蜗杆的分度圆直径Z>i?2=35.5〃〃7?;蜗杆长/=200〃"〃.

则蜗杆的转动惯量Jl,32=lMf—Y

2I2J

1…小c-f0.0355?“f0.0355

=—x7.85xl0x3.14x-----x0.2x-----

2I2）I2

=0.00024kg・m?

(4)连轴器转动惯量的计算

由于连轴器已标准化，查表取连轴器的转动惯量J/M=0.0003kg•nr

(5)对各旋转件的角速度作如下设定:

伺服电机的角速度@=1400X2T/60=146.5%〃5；

蜗杆的角速度532=1400X2TZ760=146.5%//s；

（\400\

蜗轮的角速度创3i=——义2兀/60=2.44/a//s；

I60）

刀架主轴的角速m2=(上如x24]/60=2.44%//s；

【60

(\400、

刀盘转位时的角速度(0)>\=----x2〃/60=2.44"?d/s。

I60；

则将以上计算所得的数据代入下式：得负载惯量折算到电动机轴上的惯量

々=2对射+2>崎2kg.m2

2.44\2.44\2.44146.5、2146.5

=0.45x+().0048x146.5J+0.(X)2+0.00024+0.0003

146.5Ju46.5J146.5J1146.5；

=0.00067kgan1

取力=160ms=0.16s；刀架换刀时伺服电机的转速=1400/7min；伺服电动机转子

转动惯量J，，，=O.OOOOMg.W0

则刀架加速扭矩T尸端⑷山N・m

二年部等、（°.皿。3+。颉67）

=0.32N・m

5）驱动电动机输出扭矩刀）的估算

驱动电动机的输出扭矩力）应同时满足刀架负载扭矩。和加速扭矩刀之和，将以上

计算的刀架负载扭矩和加速扭矩换为驱动电动机轴上的输出扭矩力）的公式为:

TD=TF+TFN・m

n

式中〃——传动效率取0.75。

mi士TTF+TF1.764十（）.32

则有TD=-------=------------=2.78N・m

0.75

考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂，电动机额定转矩7；应为0的1.2-1.5倍。

所以取r=1.3.70=1.3x2.78=3.6

经查阅西门子电机手册，选项用西门子1FT6交流伺服电动机。该电机的额定转速为

1500r/min,额定输出转矩为5"加，额定功率为0.4kW。

4.2蜗轮蜗杆的设计计算

4.1各参数的取定

本刀架的转位机构是采用直流伺服电机驱动蜗杆、蜗轮（消除间隙）实现刀架的

转位，其中蜗轮蜗杆副的传动比取i=60,伺服电机的转速取〃=1400r/min；刀架的

转位速度设计为m=23r/min=0.4〃s,由于刀盘为6工位刀盘，则该刀架换一次刀

的最大耗时不到Is。

4.2蜗轮蜗杆副的设计计算

设计的普通圆柱蜗杆传动的功率为〃=0.3hts蜗杆的转速为加=1400r/min,传

动比为五=60,传动反向，工作载荷稳定，但有不大的冲击，要求设计寿命为

心=12000/?。

对蜗轮蜗杆的设计计算如下；

(1).选择蜗杆传动类型

根据G4/T1(X)8-1988的推荐，采用渐开线蜗杆(Z/)。

(2).选择材料

根据库存材料的情况，并考虑到蜗杆传递的功率不大，速度只是中等，故蜗杆用

45铜；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为40-45HRC。

蜗轮用铸锡磷青铜ZC〃S”0尸1,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).按齿面接触疲劳强度进行设计

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，再校核齿根弯

曲疲劳强度。

1)确定作用在蜗轮上的转矩72

按Zi=l,估取效率"=0.8,则

T2=9.55X106二9.55x106°3><()，8N・mm=98369.IN•nmi

n\/i\21400/60

2)确定载荷系数K

因为工作载荷稳定，故取载荷分布不均系数为心=1;由西北工业大学机械原理

及机械零件教研室编著的《机械设计》教材表11-5选取使用系数心=1.15；由于转

速不高，冲击不大，可取动载系数Kv=1.05；则

K==15x1x1.05=1.2

3)确定弹性影响系数ZE

因选用的是铸锡青铜轮和钢蜗杆相配，故Z/r=160MP/。

4)确定接触系数

先假设蜗杆分度圆直径力和传动中心距a的比值M/a=0.35,从图11T8中可查

得32.9。

5)确定许用接触应力后可

根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZGdmOPl,金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度>45HRC,

可从表11-7中查得蜗轮的基本许用应力为[b〃]'=268A/E。

应力循环次数N=60力22〃=60xlx己”x12O(X)=1.7xlO7

60

I~~in7

寿命系数KHN=：-------a0.94

V1.7X107

则[aH]=j=0.94x268工250.8MR

6)计算中心距

j2

a>Ji.2x98369.1x|160x2,9|«73.93mm

vI250.8)

取中心距a=80mm,因i=60,故从表11-2中取模数为m=2mm,蜗杆分度圆直径

4=35.5〃"〃。这时di/a=35.5/80*0.44,从图11T8中可查得接触系数Z°=2.70,

因为Zo=2.70〈Z〃，因此以上计算的结果可用。

(2)蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸

1)蜗杆轴向齿距p4=7F/〃=3.14x2=6.28，〃〃2

直径系数q=d\lm=35.5/2=17.75mm

齿顶圆直径dm=di+21Km=35.5+2x2=39.5〃〃〃

齿根圆直径df\=ch-2(ham+c)=35.5-2x2=315mm

分度圆导程角/=tan(zi/^)-'=tan(l/17.75r'«3.22°

蜗杆轴向齿厚Sa=—Tim=—x3.14x2=3.14nvn

22

83,5

图3蜗杆的结构图

1)蜗轮蜗轮齿数Z2=62；变位系数X2=0.125

验算传动比i=2=丝=62,这时传动比误差为丝二的=0.03333^3.3%,是允许的。

Z2160

蜗轮分度圆直径di=mzi=2x62=124〃"〃

蜗轮喉圆直径dai=J2+2tn(ha+xa)=124+2x2x(14-0.125)=128.5〃〃〃

蜗轮齿根圆直df2=di--xi+c)=124-2x2x(1+0.125+1)=115.5nim

蜗轮咽喉母圆半径r2=a--dai=8()--x128.5=15.75/wn

R22

图4蜗轮的结构图

(4)校核齿根弯曲疲劳强度

6=1.53AT2H“2叵「]

did加L」

当量齿数Zv2=—=——=62.29

cos3rcos33.22

根据3二().125,Zv2=62.29,从图11T9中可查得齿形系数以2=2.25。

322

螺旋角系数Yp=\----r-=1-^^=0.977

140°140

许用弯曲应力[CFF]=[CFF]•KF>\!

从表11-8中查得由ZC〃S〃10Pl制造的蜗轮的基本许用弯曲应力

106

寿命系数KFN=—^-=0.565

1.7xl07

㈤二56x0.565=31.64MR

1.53x1.2x98369.1

(JF