畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-數(shù)控車床刀架設(shè)計(jì).doc

濟(jì)南大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)1 前言1.1 數(shù)控車床的現(xiàn)狀隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的形狀和機(jī)構(gòu)不斷改進(jìn)，對(duì)機(jī)械零件的加工質(zhì)量要求也越來越高；單件、小批生產(chǎn)的機(jī)械產(chǎn)品所占比重越來越大，特別是在造船、航空、及其國(guó)防工業(yè)的各個(gè)部門，加工批量少、精度要求高、形狀復(fù)雜的零件很多。像這樣的產(chǎn)品在一般的自動(dòng)機(jī)床或組合機(jī)床上加工就顯得很不經(jīng)濟(jì)、不合理，一般的機(jī)床有不能加工，所有就產(chǎn)生了數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床是集機(jī)械、電氣、液壓、氣動(dòng)、微電子和信息等多項(xiàng)技術(shù)為一體的機(jī)電一體化產(chǎn)品，是機(jī)械制造設(shè)備中具有高精度、高效率、高自動(dòng)化和高柔性化等優(yōu)點(diǎn)的工作母機(jī)。數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平高低及其在金屬切削加工機(jī)床產(chǎn)量中和總擁有量的百分比是衡量一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標(biāo)志之一。數(shù)控車床是數(shù)控機(jī)床的主要品種之一，它在數(shù)控機(jī)床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國(guó)的普遍重視并得到了迅速的發(fā)展。1.2 數(shù)控車床刀架簡(jiǎn)介隨著數(shù)控車床的不斷發(fā)展，刀具結(jié)構(gòu)形式也在不斷翻新。刀架主要分為低、中、高三個(gè)檔次。在國(guó)外，數(shù)控機(jī)床應(yīng)用越來越廣，數(shù)控車床將向中高檔發(fā)展，對(duì)數(shù)控刀架需求量將大大增加。數(shù)控刀架也向快速換刀、電液組合驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)等高檔方向發(fā)展。當(dāng)今，數(shù)控伺服刀架、動(dòng)力刀架等功能部件已成為衡量數(shù)控機(jī)床水平的重要標(biāo)志。其中轉(zhuǎn)塔動(dòng)架逐漸成為國(guó)際機(jī)床業(yè)刀架發(fā)展中一項(xiàng)主流應(yīng)用產(chǎn)品，逐漸國(guó)內(nèi)外立、臥式車床中廣泛應(yīng)用。數(shù)控車床刀架的驅(qū)動(dòng)方式主要有電驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)兩大類，電動(dòng)刀架操作方便，維護(hù)簡(jiǎn)單，應(yīng)用比較廣泛，但是就其穩(wěn)定性和可靠度來說它不如液壓刀架，所以在工藝性要求比較高的機(jī)床上，液壓刀架有其不可替代的位置7。目前國(guó)內(nèi)數(shù)控刀架以電動(dòng)為主，分為立式和臥式兩種。主要用于簡(jiǎn)易數(shù)控車床；臥式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋轉(zhuǎn)，就近選刀，用于全功能數(shù)控車床11-13。另外臥式刀架還有液動(dòng)刀架和伺服驅(qū)動(dòng)刀架。一個(gè)刀架可以安裝四把、六把或者更多把刀，以便一次裝夾所需的各種刀具，靈活 方便地完成各種幾何形狀的加工，能夠有效的提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，消除人為誤差，提高加工精度與加工精度的一致性等等。另外，加工工藝適應(yīng)性和連續(xù)穩(wěn)定的工作能力也明顯提高。1.3 數(shù)控刀架設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介數(shù)控車床具有圓柱面、端面車削以及圓柱中心鉆孔、攻絲等功能，可實(shí)現(xiàn)一機(jī)功能的集成化、多工序工藝的復(fù)合化。數(shù)控車床刀架是其必備裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)快速轉(zhuǎn)位，其刀具既具有徑向切削，又具有軸向切削功能，且定位精度高，轉(zhuǎn)位過程平穩(wěn)。刀架是直接完成切削加工的執(zhí)行部件，所以刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受粗加工時(shí)的切削抗力，并要求有較高的重復(fù)定位精度和換刀時(shí)間短、結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠等要求。本次設(shè)計(jì)為數(shù)控車床刀架的設(shè)計(jì)，該刀架為液壓驅(qū)動(dòng)，可以一次安裝十二把刀具。，該刀架的工作原理是當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令以后，液壓缸進(jìn)油通過活塞推動(dòng)中心軸使刀盤移動(dòng)，定位副端齒盤脫開；PLC發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，采用液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)圓柱分度凸輪進(jìn)行預(yù)分度，分度盤通過鍵帶動(dòng)中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)到指定刀位時(shí)液壓馬達(dá)剎車，轉(zhuǎn)位凸輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)；與此同時(shí)液壓缸通過活塞將中心軸和刀盤拉回，端齒盤嚙合，刀盤完成精定位和加緊動(dòng)作。其中圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是圓柱分度凸輪凹槽中心曲線采用正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線，分度柱銷的運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)為圓弧，圓柱分度凸輪凹槽可同時(shí)推動(dòng)兩個(gè)柱銷轉(zhuǎn)位，圓柱分度凸輪凹槽與柱銷之間無間隙，圓柱分度凸輪通過帶動(dòng)回轉(zhuǎn)輪上的柱銷使刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)刀架換刀動(dòng)作。其傳動(dòng)平穩(wěn)，沖擊較小，磨損較輕，從而提高了使用壽命。其結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。 圖1.1 圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)1-從動(dòng)盤 2-分度柱銷 3-凸輪 端齒盤定位是由兩個(gè)齒形相同的端面齒盤相而成，由于嚙合時(shí)各個(gè)齒的誤差相互抵消，起著誤差均化的作用，具有定位精度高、重復(fù)定位精度好、定位剛性好，承載能力大的特點(diǎn)。動(dòng)端齒盤與刀盤通過銷和螺釘連接在一起，靜端齒盤固定在箱體上。由于刀具在切屑時(shí)承受較大的切向扭矩，采用端齒盤嚙合的方法可以將扭矩傳遞到箱體上。在刀具工作時(shí)動(dòng)靜端齒盤嚙合在一起，共同抵抗加工時(shí)產(chǎn)生的切向扭矩；當(dāng)需要換刀時(shí)，動(dòng)靜端齒盤脫開，結(jié)合圓柱凸輪分度結(jié)構(gòu)和光電傳感器開關(guān)，實(shí)現(xiàn)精確換刀。其結(jié)構(gòu)如圖1.2所示。圖1.2 端齒盤 2 設(shè)計(jì)內(nèi)容和方案的選擇2.1 選題的背景和意義2.1.1 研究現(xiàn)狀工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都非常注重機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，為了用先進(jìn)技術(shù)和工藝裝備制造業(yè)，機(jī)械制造裝備工業(yè)得到先發(fā)展。對(duì)比之下，我國(guó)目前機(jī)械制造業(yè)的裝備水平還比較落后，表現(xiàn)在大部分工廠的機(jī)械制造裝備基本上是通用機(jī)床加專用工藝裝備，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重還非常低，導(dǎo)致“剛性”強(qiáng),更新產(chǎn)品速度慢，生產(chǎn)批量不宜太小，生產(chǎn)品種不宜過多；自動(dòng)化程度基本上還是“一個(gè)工人，一把刀，一臺(tái)機(jī)床”，導(dǎo)致勞動(dòng)生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。 因此，要縮小我國(guó)同工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的差距,我們必須在機(jī)械制造裝備方面大下功夫，其中最重要的一個(gè)方面就是增加數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造裝備中的比重。2.1.2 選題的目的和意義數(shù)控車床的刀架是機(jī)床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，因此其結(jié)構(gòu)直接影響機(jī)床的切削性能和切削效率。刀架的設(shè)計(jì)和布局對(duì)機(jī)床的整體布局有很大影響。回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，通過刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)換刀動(dòng)作，能夠?qū)崿F(xiàn)一次裝夾完成多道工序，提高了加工效率和速度，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)化。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，將數(shù)控技術(shù)、機(jī)械制圖、機(jī)械制造裝備及應(yīng)用及機(jī)械設(shè)計(jì)等在大學(xué)四年中所學(xué)知識(shí)貫穿起來，同時(shí)也是對(duì)自己綜合設(shè)計(jì)能力的一個(gè)鍛煉；另外數(shù)控行業(yè)是一個(gè)熱門的行業(yè)，希望能夠把握這次設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，多從設(shè)計(jì)中找到自己的不足，從而能夠提高自己，為今后從事本專業(yè)的工作運(yùn)用打下基礎(chǔ)，是自己能很快的融入社會(huì)。2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容數(shù)控車床的刀架是機(jī)床的重要組成部分。刀架用于夾持切削用的刀具，是直接完成切削加工的執(zhí)行部件，所以，刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛度，以承受粗加工時(shí)的切削抗力。由于切削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，所以要求數(shù)控車床選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證有較高的重復(fù)定位精度。此外，刀架的設(shè)計(jì)還應(yīng)滿足換刀時(shí)間短、結(jié)構(gòu)緊湊和安全可靠等要求。采用液壓驅(qū)動(dòng)，上下齒盤嚙合，液壓缸夾緊的工作原理，所以刀架可穩(wěn)定地工作。2.2.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則我們的設(shè)計(jì)過程中，本著以下幾條設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（1）創(chuàng)造性的利用所需要的物理性能和控制不需要的物理性能（2）判別功能載荷及其意義（3）預(yù)測(cè)意外載荷（4）創(chuàng)造有利的載荷條件（5）提高合理的應(yīng)力分布和剛度而重量達(dá)到最輕（6）應(yīng)用基本公式求相稱尺寸和最佳尺寸（7）根據(jù)性能組合選擇材料2.2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)容及參數(shù)（1）設(shè)計(jì)內(nèi)容 在設(shè)計(jì)進(jìn)程中要查閱至少十五篇國(guó)內(nèi)外比較前沿的文獻(xiàn)和一些比較權(quán)威的參考書籍，了解當(dāng)前數(shù)控刀架的現(xiàn)狀，掌握當(dāng)今數(shù)控車床的主要種類及其使用范圍，尤其對(duì)回轉(zhuǎn)刀架的性能水平（轉(zhuǎn)位速度、精確度、可靠度、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)等）進(jìn)行分析研究。在把握當(dāng)前形勢(shì)的基礎(chǔ)上根據(jù)現(xiàn)有知識(shí)設(shè)計(jì)一種數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架，使它能夠在現(xiàn)有技術(shù)水平和生產(chǎn)條件下滿足使用要求。本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)一種數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架。設(shè)計(jì)包括刀架的組成（刀架體、刀架驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行電機(jī)、傳送機(jī)構(gòu)、夾緊與定位裝置）與應(yīng)用、提出數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架總體設(shè)計(jì)方案、論證選擇最佳方案并對(duì)數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架進(jìn)行設(shè)計(jì)（電機(jī)的選擇、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的選擇和布置、夾緊裝置的選擇與設(shè)計(jì)、控制單元的選擇與設(shè)計(jì)）、典型零件的校核與計(jì)算等。（2）設(shè)計(jì)參數(shù) ：最大回轉(zhuǎn)直徑（mm）：460 最大車削直徑（mm）：230 最大工件切削長(zhǎng)度（mm）：650 刀架刀位數(shù)：12位 車削刀具規(guī)格：2020125 刀架分度時(shí)間：0.6sec./step2.3 設(shè)計(jì)方案隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，制造業(yè)的發(fā)展越來越成為經(jīng)濟(jì)模塊中比較重要的一部分。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都非常重視機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)床上的刀架是安放刀具的重要部件，許多刀架還直接參與切削工作，如臥式車床上的四方刀架，轉(zhuǎn)塔車床上的轉(zhuǎn)塔刀架，回輪式轉(zhuǎn)塔車床的回輪刀架和天平刀架等。這些刀架既安放刀具，而且還直接參與切削，承受極大的切削力作用，所以它往往成為工藝系統(tǒng)中的較薄弱環(huán)節(jié)。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床的刀架也有了許多變化，特別是數(shù)控車床上采用電液換位的自動(dòng)刀架，有的還使用兩個(gè)回轉(zhuǎn)刀盤。 在進(jìn)行刀架的設(shè)計(jì)時(shí)，我們有很多種方案可以選擇，數(shù)控車床的刀架系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀架、排式刀架和帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置等多種形式。方案一：回轉(zhuǎn)刀架回轉(zhuǎn)刀架是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀架，通過刀架的旋轉(zhuǎn)分度定位來實(shí)現(xiàn)機(jī)床的自動(dòng)換刀動(dòng)作，根據(jù)加工要求可設(shè)計(jì)成四方、六方刀架或圓盤式刀架，并相應(yīng)地安裝4把、6把或更多的刀架?；剞D(zhuǎn)刀架的換刀動(dòng)作可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位和刀架鎖緊等幾個(gè)步驟。它的動(dòng)作是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令完成的?；剞D(zhuǎn)刀架根據(jù)刀架回轉(zhuǎn)軸與安裝底面的相對(duì)位置，分為立式刀架和臥式刀架兩種。它所具有的優(yōu)點(diǎn)是：能在工件的一次裝夾中完成多個(gè)工序加工，縮短輔助時(shí)間，減少多次安裝所引起的加工誤差，必須帶有自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，并且回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上具有良好的強(qiáng)度和剛度，能夠承受粗加工時(shí)的切削抗力。結(jié)構(gòu)見圖2.1。圖2.1 臥式回轉(zhuǎn)刀架方案二：排式刀架排式刀架一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主。它的結(jié)構(gòu)形式為，夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機(jī)床的X坐標(biāo)軸方向排列在橫向滑板上。該刀架只能在一個(gè)方向移動(dòng)，不能夠?qū)崿F(xiàn)裝夾一次完成多個(gè)工序。方案三：帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置帶刀庫的自動(dòng)換刀系統(tǒng)由刀庫和刀具交換機(jī)構(gòu)組成。由于帶刀庫的自動(dòng)換刀裝置數(shù)控機(jī)床主軸箱內(nèi)只有一個(gè)主軸，設(shè)計(jì)主軸部件就有可能充分增強(qiáng)它的剛度，因而能滿足精密加工的要求。但是它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造苦難，成本較高，不適用于小批量的加工。由于轉(zhuǎn)塔刀架具有剛度大、重復(fù)定位精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)，所以刀架系統(tǒng)回轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)塔刀架。刀架的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)選擇，由于系統(tǒng)必須采用自動(dòng)刀架，所以可供選擇的方式有電驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)，雖然電動(dòng)刀架應(yīng)用比較廣泛，但就其穩(wěn)定性和可靠性來說，它不如液壓刀架。所以方案選擇應(yīng)用液壓刀架。大體液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的原理圖見圖2.2。所以最終方案選擇液壓回轉(zhuǎn)刀架。圖2.2 液壓系統(tǒng)控制回路1溢流閥 2,12單向閥 3,7,10二位四通電磁換向閥5壓力繼電器 4,8減壓閥 11行程開關(guān) 6,9壓力表 3 刀架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在刀架的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的時(shí)候要綜合考慮許多因素，比如技術(shù)要求、材料的選取、經(jīng)濟(jì)因素、工藝性能等。只有對(duì)刀架的結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境等有一個(gè)全面的了解，結(jié)合所學(xué)的知識(shí)選取合適的材料、零件及其考慮各種工藝，并且對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行校核才能制定出一個(gè)合理的設(shè)計(jì)方案。3.1 工作原理3.1.1 工作原理介紹控制系統(tǒng)發(fā)出換刀信號(hào)，通過PLC控制液壓系統(tǒng)的電磁閥，使液壓缸工作，動(dòng)端齒盤與靜端齒盤脫離嚙合，為轉(zhuǎn)位做好準(zhǔn)備，當(dāng)齒盤處于完全脫開位置時(shí)，行程開關(guān)發(fā)出轉(zhuǎn)位信號(hào)，液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，液壓馬達(dá)帶動(dòng)凸輪軸轉(zhuǎn)動(dòng)，通過圓柱凸輪分度機(jī)構(gòu)降速帶動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，刀盤轉(zhuǎn)到指定位置時(shí)，傳感器向控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，馬達(dá)停轉(zhuǎn)，液壓剛進(jìn)油驅(qū)動(dòng)刀盤軸，使動(dòng)端齒盤盤與靜端齒盤嚙合，完成定位，換刀過程結(jié)束。整個(gè)過程靠液壓系統(tǒng)與和PLC控制。3.1.2 具體設(shè)計(jì)方案 本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)題目是數(shù)控車床刀架的設(shè)計(jì)，經(jīng)過查閱資料和提出的各種方案的比較最終提出為液壓驅(qū)動(dòng)的十二個(gè)工位的回轉(zhuǎn)刀架。下圖3.1為數(shù)控車床十二個(gè)刀位的回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖。刀架的升起、轉(zhuǎn)位、夾緊等動(dòng)作都是有液壓驅(qū)動(dòng)的。具體工作原理是：當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令以后，液壓油進(jìn)入液壓缸8的右腔，使活塞帶動(dòng)中心軸6一起向左移動(dòng)，動(dòng)端齒盤2和靜端齒盤3脫離嚙合，當(dāng)齒盤完全脫離時(shí)PLC系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，液壓馬達(dá)帶動(dòng)凸輪軸7轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪軸通過凸輪曲線使分度柱銷帶動(dòng)回轉(zhuǎn)盤7轉(zhuǎn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)盤7通過花鍵連接帶動(dòng)中心軸6轉(zhuǎn)動(dòng)，刀盤1安裝安裝在中心軸上，從而使刀盤做分度轉(zhuǎn)動(dòng)。凸輪每轉(zhuǎn)一個(gè)周撥過一個(gè)柱銷，使刀盤旋轉(zhuǎn)一個(gè)工位。中心軸尾端壓合計(jì)數(shù)開關(guān)一次，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定工位時(shí)，開關(guān)將信號(hào)送入控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)使馬達(dá)剎車，凸輪停轉(zhuǎn)。同時(shí)液壓缸的左腔進(jìn)油，通過活塞將中心軸和刀盤拉回，動(dòng)靜端齒盤嚙合，刀盤完成精定位和夾緊動(dòng)作，系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)轉(zhuǎn)位動(dòng)作結(jié)束。 圖3.1 數(shù)控車床液壓刀架1-刀盤 2，3-端齒盤 4-回轉(zhuǎn)盤 5-分度柱銷6-中心軸 7-凸輪 8-液壓缸 3.2 總體設(shè)計(jì)3.2.1 液壓馬達(dá)的選擇由于液壓馬達(dá)通過平鍵和凸輪軸連接，而凸輪軸與分度柱銷和回轉(zhuǎn)盤共同組成了圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)，圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)在刀架設(shè)計(jì)中具有分度的作用。所以就要求馬達(dá)具有低速平穩(wěn)的性能，液壓馬達(dá)需選擇轉(zhuǎn)速恒定，所以宜選用柱塞式恒轉(zhuǎn)速馬達(dá)，額定轉(zhuǎn)速N=600r/min , 輸入壓力P=32MPa,壓力差p=0.8MPa,排量V=50Ml,效率=0.99計(jì)算馬達(dá)功率 （3.1）所以馬達(dá)的輸出功率為 （3.2） 3.2.2 軸的轉(zhuǎn)速和直徑 由于馬達(dá)的轉(zhuǎn)速為600r/min,所以通過鍵與馬達(dá)相連的軸的轉(zhuǎn)速也為600r/min。而設(shè)計(jì)參數(shù)上有刀架分度時(shí)間為0.6sec/step，所以刀架的轉(zhuǎn)速為 （3.3）所以中心軸的轉(zhuǎn)速為50r/min。由公式可得軸的直徑為 （3.4）式中為凸輪的傳動(dòng)效率為1。經(jīng)圓整取 3.2.3 液壓缸的選取和設(shè)計(jì)12液壓缸在刀架中能過提供動(dòng)力推動(dòng)中心軸左右移動(dòng)，從而端齒盤嚙合和分離。由于端齒盤嚙合和分離行程較短，所以要求液壓缸的行程較短。液壓缸的缸體通過螺釘與箱體連接在一起。由于活塞相對(duì)于缸體和中心軸左右移動(dòng)，所以活塞與缸體和中心軸之間應(yīng)為間隙配合，其中活塞和缸體為 ，活塞和中心軸之間為。經(jīng)過查取液壓書冊(cè)得出液壓缸的公稱壓力為P=4MPa，內(nèi)經(jīng)為160mm活塞桿的直徑為70mm，活塞行程為L(zhǎng)=25mm，缸的材料為45鋼，有公式得液壓缸的受力為 （3.5）得最大壓力為 (3.6)材料為45鋼，抗拉強(qiáng)度為所以比例極限為 （3.7）其中n為安全系數(shù) n=8缸筒壁厚為 （3.8）所以壁厚取3.2.3 圓柱凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 圓柱分度凸輪機(jī)構(gòu)屬于空間凸輪機(jī)構(gòu)，它是將輸入軸的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)變成輸出軸的間歇運(yùn)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)盤上的兩相鄰的滾子分別與定位凸緣的兩工作側(cè)面接觸而實(shí)現(xiàn)定位功能，不留間隙，還可以設(shè)置一定的預(yù)緊量，提高定位穩(wěn)定性，其結(jié)構(gòu)如圖3.2所示,當(dāng)前導(dǎo)滾子脫離凸輪曲線時(shí)，后續(xù)滾子即將進(jìn)入嚙合。工作時(shí)，凸輪作為主動(dòng)輪，回轉(zhuǎn)盤作為從動(dòng)旋轉(zhuǎn)分度凸輪回轉(zhuǎn)一定角度，滾子就可以進(jìn)入凸輪曲線凹槽中，并在凹槽中運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)過一定角度，形成回轉(zhuǎn)盤的間歇運(yùn)動(dòng)，完成了回轉(zhuǎn)盤分度的目的。采用凸輪驅(qū)動(dòng)的最大優(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)高速化，凸輪機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性高。6具體選取為圖3.2 圓柱凸輪分度機(jī)構(gòu)1-前導(dǎo)滾子 2-主滾子 3-后續(xù)滾子（1）選擇機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律；由凸輪的轉(zhuǎn)速和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，可以選定從動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為修正正弦運(yùn)動(dòng)規(guī)律；（2）分度數(shù)n和分度角由于和液壓馬達(dá)相連的軸轉(zhuǎn)速為600r/min，而刀架中心軸的轉(zhuǎn)速為50r/min，所以傳動(dòng)比為12。對(duì)于單頭圓柱凸輪分度機(jī)構(gòu)分度范圍為6-60。如n太小，壓力角很大，傳動(dòng)特征很差；但n太大，從動(dòng)盤徑向尺寸太大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使得慣性矩很大，功率消耗很大。取n=12，即凸輪轉(zhuǎn)一圈刀盤轉(zhuǎn)30度，即I=1。所以分度角為 （3.9）（3）動(dòng)靜比K和凸輪動(dòng)程角動(dòng)靜比取決于自動(dòng)機(jī)械的工藝要求，一般為給定值。取K=1/3，所以動(dòng)程角為 （3.10）（4）滾子尺寸有標(biāo)準(zhǔn)查取滾子直徑為r=10mm,（5）從動(dòng)盤節(jié)圓半徑rf 滾子軸線間的距離為H，有公式 （3.11）得H=33-50,取H=45.所以從動(dòng)盤節(jié)圓半徑為 （3.12）其中H為滾子軸線間距離； m為滾子數(shù)m=12；（6）凸輪尺寸從動(dòng)輪滾子寬度為 （3.13）取從動(dòng)滾子寬度為10mm。圓柱分度凸輪基圓直徑為 （3.14）其中為機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的最大無量綱速度；為許用最大壓力角。圓柱分度凸輪外徑為 （3.15）凸輪槽深度為 （3.16）其中為滾子銷軸軸頭伸長(zhǎng)長(zhǎng)度（7）中心距c凸輪軸線與從動(dòng)盤軸線之間的距離為 （3.17）式中，a為凸輪中心線偏離滾子起始與終止位置中心連線的距離； （3.18）得 取 得c=86(mm)（8）曲線的計(jì)算和修正5 該曲線是一條復(fù)合運(yùn)動(dòng)曲線，一方面要滿足滾子的運(yùn)動(dòng)軌跡是半徑為R0的圓弧，另一方面要滿足某種曲線的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和曲線升程。當(dāng)同樣采用等間隔直線逼近法時(shí)，根據(jù)余弦加速度曲線的位移公式得下圖3.3凸輪理論曲線上各點(diǎn)的坐標(biāo)值為 （3.19） （3.20）圖3.3 滾子運(yùn)動(dòng)軌跡及凸輪曲線展開圖由于凸輪的曲線還必須滿足滾子的運(yùn)動(dòng)軌跡是半徑R0的圓弧，所以應(yīng)該在凸輪理論曲線的基礎(chǔ)上增加一個(gè)Y向的補(bǔ)充運(yùn)動(dòng)，根據(jù)圖3.3推知曲線各點(diǎn)的修正值 （3.21）實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線的各點(diǎn)坐標(biāo)為:,3.2.4 端齒盤的設(shè)計(jì)在刀架中多采用銷和端齒盤定位2，由于銷易磨損容易出現(xiàn)間隙。而端齒盤定位齒數(shù)多，且沿圓周均布。齒形結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。端齒盤定位是由兩個(gè)齒形相同的端齒盤相互嚙合而成，定位精度較高。多齒嚙合重復(fù)定位性好，并且定位剛性好，承載能力大。圖3.4 端齒盤齒形3.2.5 刀盤的設(shè)計(jì) 刀盤是刀架設(shè)計(jì)的一個(gè)重要零件，該刀盤由于受力不大所以選用45號(hào)鋼。刀盤上安裝十二把刀具，刀具即具有徑向切削，又具有軸向切削，所以有20x20x125的方刀和BT40的圓刀各六把。要想使他們達(dá)到數(shù)控車床的最大回轉(zhuǎn)直徑為640mm，最大車削直徑為230mm，并且保證各刀具之間在換刀或加工時(shí)互不影響，必須做好刀具干涉圖。如圖3.5所示。圖3.5 刀盤布局及干涉圖3.2.6 箱體的設(shè)計(jì)箱體是刀架的重要零件之一，其結(jié)構(gòu)尺寸直接影響加工精度和加工效率，也影響著刀具之間的相對(duì)位置精度，同時(shí)也影響著刀架的壽命和性能。箱體工作能力的主要指標(biāo)是剛度，其次是強(qiáng)度和抗震性能，由于箱體安裝在斜導(dǎo)軌上，安裝導(dǎo)軌部分還應(yīng)要有足夠的耐磨性。同時(shí)還應(yīng)該具有良好的工藝性。由于軸等零件都安裝在箱體上，即使不直接和箱體接觸也通過軸承、螺釘?shù)葘⒘鬟f到箱體上，所以箱體主要承受壓力。鑄鐵具有好的減震性和耐磨性，并且易于鑄造和加工。所以箱體選擇材料為HT200。其強(qiáng)度和硬度都能滿足刀架的使用性能，是比較理想的材料。箱體主要根據(jù)軸及其軸上零件的布局來設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)上得出箱體的最小壁厚為10mm，在此基礎(chǔ)上合理設(shè)計(jì)箱體內(nèi)部和外形，使其能滿足刀架的工作要求。另外，設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)使所裝的零件和部件便于拆裝與操作。3.2.6 軸承端蓋的設(shè)計(jì)軸承端蓋是對(duì)軸承進(jìn)行軸向固定，同時(shí)還有防塵和密封的作用。軸承端蓋一般是將軸承傳遞過來的力在傳遞給箱體。軸承端蓋形式多種多樣，應(yīng)用場(chǎng)合也很廣泛。由于軸承安裝在軸的端部，所以選擇圖3.6所示的凸緣式軸承蓋。軸承的使用性能和箱體相似，故選材料為HT150。軸承外徑為D=55mm，根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)得知，軸承蓋端部安裝直徑為d3=6mm的四個(gè)螺釘固定在箱體上。螺釘孔的直徑為d0=d3+1=6+1=7（mm） （3.22）螺釘孔的定位尺寸為D0=D+2.5d3=55+2.56=70 (mm) （3.23）軸承蓋得最大尺寸為D2=D0+2.5d3=70+2.56=85（mm） （3.24）軸承蓋得壁厚為e=1.2d3=1.26=7.2 (mm) （3.25）支撐距離m根據(jù)結(jié)構(gòu)來確定，取m=8mm。3.2.7 標(biāo)準(zhǔn)件的選擇在刀架的設(shè)計(jì)過程中采用了好多標(biāo)準(zhǔn)件，如軸承、螺釘、螺栓、鍵、密封圈等。 （1）軸承的選擇 在凸輪軸上，由于凸輪軸有液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)做圓周運(yùn)動(dòng)，同時(shí)凸輪又帶動(dòng)回轉(zhuǎn)盤做圓周運(yùn)動(dòng)，所以該軸即受軸向力又受徑向力，受載中等，選用了中系列的角接觸球軸承。在中心軸，由于只是液壓缸左右腔進(jìn)油推動(dòng)軸左右移動(dòng)，使動(dòng)靜端齒盤脫離與嚙合，來完成換刀動(dòng)作。所以該軸只受軸向力，不受徑向力，并且受力不大，選用了輕系列的推力球軸承和圓柱滾子軸承。軸承選用清單見表3.1。 表3.1 軸承選用清單軸承代號(hào)軸承名單軸承對(duì)數(shù)GB/T301-1995推力球軸承512102GB/T292-1994角接觸球軸承7010AC1GB/T285-1987圓柱滾子軸承N213E2GB/T292-1994角接觸球軸承7006AC1（2） 螺釘、螺栓的選擇 螺紋緊固件聯(lián)接是工程上應(yīng)用最廣泛的一種可拆卸聯(lián)接方式。在刀架的設(shè)計(jì)多處用到了螺釘、螺釘?shù)穆?lián)接。（3） 鍵 鍵是用來實(shí)現(xiàn)軸與輪轂之間的周向固定以傳遞轉(zhuǎn)矩，還可以進(jìn)行周向定位。鍵的截面尺寸按軸的直徑來選擇，鍵的長(zhǎng)度按輪轂的長(zhǎng)度來確定。在設(shè)計(jì)中鍵只是用來傳遞轉(zhuǎn)矩，所以選擇了一個(gè)圓頭平鍵12840和一個(gè)圓頭平鍵6645。（4） 密封圈 液壓缸是對(duì)密封性要求較高的零件，當(dāng)液壓缸密封不好時(shí)，不僅因泄露污染環(huán)境，而且影響其工作性能和執(zhí)行原件的平穩(wěn)性。在本次設(shè)計(jì)中在活塞和缸體之間加入了o性密封圈和油溝式密封槽。4 軸上零件的布局軸是用來支撐回轉(zhuǎn)零件及傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，軸上結(jié)構(gòu)布置是否合理將直接影響軸的工作能力和軸上零件的工作可靠性，還會(huì)增加軸的制造成本和軸上零件裝配的困難。在設(shè)計(jì)中用到兩根軸來完成換刀動(dòng)作。（1） 第一根軸的布局第一根安裝凸輪位置直徑為40mm，而凸輪最小直徑為60mm，由于凸輪的最小直徑與軸的直徑相差不大，所以做成凸輪軸的形式。第一根軸的結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。圖4.1 凸輪軸的結(jié)構(gòu)布局（2） 中心軸的布局中心軸是刀架設(shè)計(jì)的核心部件，其性能直接決定刀具的加工質(zhì)量，所以中心軸要結(jié)構(gòu)緊湊，定位精確，并且剛性好。在本次設(shè)計(jì)中，刀盤軸采用雙支點(diǎn)單向固定的定位方式，在前端，運(yùn)用推力球軸承與圓柱滾子軸承配合的方式來滿足中心軸的工作要求。當(dāng)中心軸需要軸向運(yùn)動(dòng)或受到軸向沖擊是時(shí)，推力球軸承就承受軸向力，當(dāng)?shù)侗P軸需要轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，圓柱滾子軸承可以抵抗徑向壓力，后端的推力球軸承起到支承的作用。圖4.2 中心軸上的布局5 關(guān)鍵零件的校核5.1 鍵的校核（1） 液壓馬達(dá)上的鍵1因其軸上的鍵的作用只是傳遞扭矩，所以選用材料為45號(hào)鋼的圓頭平鍵。根據(jù)軸的直徑選擇鍵的bh為66，根據(jù)軸的長(zhǎng)度并參考鍵的長(zhǎng)度系列選擇鍵長(zhǎng)為L(zhǎng)=45mm。普通平鍵連接的強(qiáng)度條件為 （5.1）式中：T為傳遞的扭矩，Nm； k為鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h，mm； l為鍵的工作長(zhǎng)度，mm，圓頭平鍵l=L-b，b為鍵的寬度，mm； d為軸的直徑，mm； p為鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，MPa；由機(jī)械設(shè)計(jì)得p=120MPa，其中扭矩T為 （5.2）所以，得出此鍵滿足強(qiáng)度要求。（2） 中心軸上的鍵該鍵只需傳遞扭矩，所以選擇45號(hào)鋼的圓頭平鍵。根據(jù)軸的直徑選擇鍵的bh為128，根據(jù)軸的長(zhǎng)度并參考鍵的長(zhǎng)度系列選擇鍵長(zhǎng)為L(zhǎng)=40mm。普通平鍵連接的強(qiáng)度條件為 （5.3）式中：T為傳遞的扭矩，Nm； k為鍵與輪轂鍵槽的接觸高度，k=0.5h，mm； l為鍵的工作長(zhǎng)度，mm，圓頭平鍵l=L-b，b為鍵的寬度，mm； d2為軸的直徑，mm； p為鍵、軸、輪轂三者中最弱材料的許用擠壓應(yīng)力，MPa；由機(jī)械設(shè)計(jì)得p=120MPa，其中扭矩T為 （5.4）所以，得出該鍵也滿足強(qiáng)度要求。5.2 軸承的校核滾動(dòng)軸承依靠元件間的滾動(dòng)接觸來支撐傳動(dòng)零件，它具有摩擦阻力小，功率消耗少等優(yōu)點(diǎn)，并且絕大多數(shù)軸承都已標(biāo)準(zhǔn)化，所以滾動(dòng)軸承是機(jī)器中應(yīng)用最廣泛的零件之一。在中心軸上使端齒盤脫離和嚙合時(shí)主要承受軸向力，在換刀過程中主要承受徑向力，但這兩個(gè)過程不是同時(shí)發(fā)生，所以選擇了推力球軸承和圓柱滾子軸承。在凸輪軸旋轉(zhuǎn)時(shí)同時(shí)承受軸向力和徑向力，所以選擇了角接觸球軸承。根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)上查的軸承的基本額定動(dòng)載荷C的數(shù)值如下表5.1所示。表5.1 軸承基本額定動(dòng)載荷C軸承代號(hào)軸承名單軸承基本額定動(dòng)載荷C/KNGB/T301-1995推力球軸承5121048.5GB/T292-1994角接觸球軸承7010AC26.5GB/T285-1987圓柱滾子軸承N213E102GB/T292-1994角接觸球軸承7006AC15.2其中兩對(duì)角接觸球軸承在同一根軸上，角接觸球軸承7010AC比角接觸球軸承7006AC的基本額定動(dòng)載荷大，所以只需計(jì)算角接觸球軸承7006AC的壽命即可。由機(jī)械設(shè)計(jì)得軸承的基本額定壽命Lh為 （5.5）式中：C為基本額定動(dòng)載荷，具體數(shù)值見表5.1； n為軸承轉(zhuǎn)速，r/min； P為軸承載荷，N； 為指數(shù)，其中球軸承=3，滾子軸承=10/3； ft為溫度系數(shù)，由于軸承工作溫度低于120，所以取ft=1（1） 推力球軸承51210的壽命計(jì)算 其中軸承載荷P為1710.72N,軸承轉(zhuǎn)速n為60r/min，代入數(shù)值得(2) 角接觸球軸承7006AC的壽命計(jì)算 其中軸承載荷P為205.29N,軸承轉(zhuǎn)速n為200r/min，代入數(shù)值得（3） 圓柱滾子軸承N213E的壽命計(jì)算其中軸承載荷P為1710.72N,軸承轉(zhuǎn)速n為60r/min，代入數(shù)值得由計(jì)算得知以上軸承壽命較長(zhǎng)，均滿足要求。6 結(jié) 論通過這次設(shè)計(jì)，我對(duì)車床刀架特別是回轉(zhuǎn)刀架有了一個(gè)比較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，了解了回轉(zhuǎn)刀架的發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，熟悉了數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的種類，掌握了數(shù)控刀架的工作原理。在以上基礎(chǔ)上，成功的利用所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)出了一整套關(guān)于數(shù)控車床用液壓驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了給定參數(shù)的功能要求?，F(xiàn)在對(duì)所完成任務(wù)及對(duì)本次設(shè)計(jì)的體會(huì)總結(jié)如下：（1） 完成對(duì)數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的總體設(shè)計(jì)；在設(shè)計(jì)中，把數(shù)控技術(shù)和機(jī)械結(jié)構(gòu)本體有效地結(jié)合在一起，運(yùn)用了液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，圓柱分度凸輪進(jìn)行預(yù)分度，端齒盤進(jìn)行精確定位，液壓缸剎緊的工作原理。，將它們有效地組合在一起，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控車床刀架的功能。（2） 對(duì)零件設(shè)計(jì)并進(jìn)行關(guān)鍵零件的校核；充分考慮到數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)緊湊，工作安全，在設(shè)計(jì)中對(duì)數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架的各傳動(dòng)軸、凸輪機(jī)及部分標(biāo)準(zhǔn)件進(jìn)行了計(jì)算校核，從而保證了數(shù)控車床回轉(zhuǎn)刀架在工作過程中安全可靠，精確緊湊。（3） 對(duì)液壓系統(tǒng)有了一個(gè)比較系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)；設(shè)計(jì)