自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計(jì)說明書

1、20沈陽理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)專用紙目錄1緒論22自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理33 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)63.1 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)63.2 上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)63.3 刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)64主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算84.1 蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算84.2 蝸桿軸的設(shè)計(jì)114.3 蝸輪軸的設(shè)計(jì)174.4 中心軸的設(shè)計(jì)185 結(jié)論19參考文獻(xiàn)231 緒論數(shù)控車床上使用的自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架是一種最簡單的換刀裝置，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架是在一定的空間范圍內(nèi)，能執(zhí)行自動(dòng)松開、轉(zhuǎn)位、精密定位等一系列動(dòng)作的一種機(jī)構(gòu)。本次課程設(shè)計(jì)中，主要進(jìn)行了減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算，蝸桿軸的設(shè)計(jì)等部分

2、。對(duì)數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)刀架有了更深層次的了解。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架是在一定的空間范圍內(nèi)能執(zhí)行自動(dòng)松開、轉(zhuǎn)位以及精密定位等一系列動(dòng)作的一種機(jī)構(gòu)。使用這種新的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)功能更強(qiáng)，可靠性更穩(wěn)定，功率增大，結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。為了能在工件的一次裝夾中完成多個(gè)工序加工，縮短加工輔助時(shí)間，減少多次安裝所引起的加工誤差，充分發(fā)揮數(shù)控機(jī)床的效率，采用“工序集中”的原則，采用自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛性，以承受粗加工時(shí)的切削抗力，為了保證轉(zhuǎn)位之后具有髙的重復(fù)定位精度，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架還需要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)。2 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理圖2.1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架

3、的換刀流程如下：首先，刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，通過渦輪蝸桿減速，蝸桿正轉(zhuǎn)，通過銷連接，上蓋圓盤旋轉(zhuǎn)，繼而端面齒錯(cuò)開。同時(shí)，上刀架抬起，然后上刀體旋轉(zhuǎn)?；魻栐|發(fā)后，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。通過渦輪蝸桿減速，使螺桿反轉(zhuǎn)，上刀體下降，粗定位。然后精定位。延時(shí)鎖緊后電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。 當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí),兩銷的情況如圖a所示，此時(shí)反靠銷6落在反靠圓盤7的十字槽內(nèi)，上刀體4的端面齒和下刀的端面齒處于嚙合狀態(tài)（上下端面齒在圖a中未畫出）。需要換刀時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架的轉(zhuǎn)位信號(hào)，三相異步電動(dòng)機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，通過蝸桿副帶動(dòng)螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)，與螺桿配合的上刀體4逐漸抬起，上刀體4與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；與此同時(shí)，上蓋圓盤1也隨著

4、螺桿正向轉(zhuǎn)動(dòng)（上蓋圓盤1通過圓柱銷與螺桿聯(lián)接），當(dāng)轉(zhuǎn)過約150度時(shí)，上蓋圓盤1直槽的另一端轉(zhuǎn)到圓柱銷2的正上方，由于彈簧3的作用，圓柱銷2落入直槽內(nèi)，于是上蓋圓盤1就通過圓柱銷2使得上刀體4轉(zhuǎn)動(dòng)起來（此時(shí)端面齒已完全脫開），如圖b所示。由于蝸桿副具有自鎖功能，所以刀架可穩(wěn)定的工作。a) b) 圖2.2 刀架轉(zhuǎn)位過程中銷的位置1上蓋圓盤 2圓柱銷 3彈簧 4上刀體 5圓柱銷 6反靠銷 7反靠圓盤3 回轉(zhuǎn)刀架總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)包括減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算等3.1 減速機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)電動(dòng)機(jī)選擇三步異相電動(dòng)機(jī)，額定功率為90W，額定轉(zhuǎn)

5、速為1440r/min，而刀架轉(zhuǎn)速設(shè)定30r/min，由于轉(zhuǎn)速較高不能直接驅(qū)動(dòng)刀架，因此必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)臏p速?？刹捎梦仐U副減速，蝸桿副傳動(dòng)可以改變運(yùn)動(dòng)的方向，獲得較大的傳動(dòng)比，以保證傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性并能自鎖。3.2 上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上刀架鎖緊與精定位將直接影響工件的加工精度，因?yàn)榈毒咧苯影惭b在上刀體上，所以刀體要承受全部的切削力，因此對(duì)它的選擇很重要，在設(shè)計(jì)中選擇端面將上刀體與下刀體的配合加工成梯形的端面齒。采用梯形的端面齒，刀架處于鎖緊時(shí)，下端面齒相互嚙合，這時(shí)上刀體不能繞刀架的中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)；換刀時(shí)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，抬起機(jī)構(gòu)使上刀體抬起，等上下端面齒脫開后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)，完

6、成轉(zhuǎn)位工作。3.3 刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)在上述過程中欲使上下刀體的兩個(gè)端面齒脫離。就必須設(shè)計(jì)分離機(jī)構(gòu)，在此選擇螺桿螺母副，并在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當(dāng)電動(dòng)機(jī)通過蝸桿蝸輪帶動(dòng)螺桿繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，而將上刀體看做螺母，要么轉(zhuǎn)動(dòng)，要么上下移動(dòng)。兩種情況，當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時(shí)，上刀體與下刀體的端面齒相互嚙合，因?yàn)檫@時(shí)上刀體不能與螺桿一起轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使上刀體向上移動(dòng)。當(dāng)端面齒脫離嚙合時(shí)，上刀體就和螺桿一同轉(zhuǎn)動(dòng)，在設(shè)計(jì)螺桿時(shí)要注意螺距的選擇，而螺距的選擇是否合理非常重要，選擇適當(dāng)以便當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，使上刀體與下刀體的端面齒能夠完全脫離嚙合狀態(tài)。圖3.1為自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖 圖3.1 自動(dòng)回轉(zhuǎn)

7、刀架的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖1發(fā)信盤 2推力軸承 3螺桿螺母機(jī)構(gòu) 4端面齒盤 5發(fā)靠圓盤 6三相異步電動(dòng)機(jī) 7聯(lián)軸器 8蝸桿副 9反靠銷 10圓柱銷 11上蓋圓盤 12上刀體4 主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算4.1 蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的動(dòng)力源是三相異步電動(dòng)機(jī)，其中蝸桿與電動(dòng)機(jī)直聯(lián)，刀架轉(zhuǎn)位時(shí)蝸桿與上刀體直聯(lián)。已知電動(dòng)機(jī)額定功率P1=90W，額定轉(zhuǎn)速n1=1440r/min，上刀體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速n2=30r/min,則蝸桿副的傳動(dòng)比i=1440/30=48。刀架從轉(zhuǎn)位到鎖緊時(shí)，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，起動(dòng)時(shí)沖擊較大，今要求蝸桿的使用壽命Lh=15000h。 4.1.1 蝸桿的選型GB/T10065-1

8、998推薦采用阿基米德（ZA蝸桿）和錐面包絡(luò)蝸桿（ZK蝸桿）。本設(shè)計(jì)采用阿基米德型圓柱蝸桿（ZA型）。4.1.2 蝸桿的材料刀架中的蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速較高，因此，蝸桿的材料選用45鋼，其螺旋齒面要求淬火，硬度為4555HRC，以提高表面耐磨性，選用錫磷青銅ZCuSn10P1，采用金屬模鑄造。4.1.3 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)刀架中的蝸桿副采用閉式傳動(dòng)，多因齒面脫離危險(xiǎn)合或點(diǎn)蝕而失效。因此，在進(jìn)行承載能力計(jì)算時(shí)，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。按蝸輪接觸疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)計(jì)算的公式為： (4.1)式中 蝸桿副的傳動(dòng)中心距，單位為mm； K載荷系數(shù)； T2作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T2，單位

9、為N·mm； 彈性影響系數(shù)，單位為MP1/2； 接觸系數(shù)； 許用接觸應(yīng)力，單位為MPa。從式（4.1）算出蝸桿副的中心距之后，根據(jù)已知的傳動(dòng)比i=48,從附錄1中選擇一個(gè)合適的中心距值，以及相應(yīng)的蝸桿、蝸輪參數(shù)。（1） 確定作用在蝸桿上的轉(zhuǎn)矩T2設(shè)蝸桿頭數(shù)Z1=1，蝸桿的傳動(dòng)效率取=0.75。由電動(dòng)機(jī)的額定功率P1=90W，可以算得蝸輪傳遞的功率P2=P1·，再由蝸輪的輪轉(zhuǎn)速n2=30r/min求得作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩：T2=9.55P2/n2=9.55P1/n2=9.55×80×0.75/30N·m=19435N·mm（2） 確定載荷

10、系數(shù)K載荷系數(shù)K=KAKKv。其中KA為使用系數(shù)，由附錄2查得，由于工作載荷不均勻，起動(dòng)時(shí)沖擊較大，因此取KA=1.15；K為齒向載荷分布系數(shù)，因工作載荷在起動(dòng)和停止時(shí)有變化，故取K=1.15；Kv為動(dòng)載系數(shù)，由于轉(zhuǎn)速不高、沖擊不大，可取Kv=1.05。剛載荷系數(shù)：K=KAKKv=1.15×1.15×1.051.39（3） 確定彈性影響系數(shù)ZE鑄錫磷青銅蝸輪與蝸桿相配時(shí),從有關(guān)手冊(cè)查得彈性影響系數(shù)ZE=160MPa1/2。（4） 確定接觸系數(shù)先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1和傳動(dòng)中心距的比值d1/=0.35，從附錄3中可查得接觸系數(shù)=2.9。（5） 確定許用接觸應(yīng)力根據(jù)蝸輪材料為鑄

11、錫磷青銅ZCuSn10P1、金屬模鑄造蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，可從附錄4中查得蝸輪的基本許用應(yīng)力=268MPa。已知蝸桿為單頭，蝸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)每個(gè)輪齒嚙合的次數(shù)J=1；蝸輪轉(zhuǎn)速n2=30r/min;蝸桿副的使用壽命Lh=10000h。則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60Jn2Lh=60×1×30×15000=2.7×107壽命系數(shù)：KHN=0.929許用應(yīng)力：=KHN=0.929×268MPa=249MPa（6） 計(jì)算中心距將以上各參數(shù)代入式（4.1），求得中心距：mm=45.3查附錄1，取中心距=60mm，已知蝸桿頭數(shù)Z1=1，設(shè)模數(shù)m=2mm，得

12、蝸桿分度圓直徑d1=20mm。為時(shí)d1/=0.33，由附錄3得接觸系數(shù)Z=2.74。因?yàn)閆Z，所以上述計(jì)算結(jié)果可用。4.1.4 蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸由蝸桿和蝸輪的基本尺寸和主要參數(shù)，算得蝸桿和蝸輪的主要幾何尺寸后，即可繪制蝸桿副的工作圖。（1） 蝸桿參數(shù)與尺寸頭數(shù)Z1=1，模數(shù)m=2mm，軸向齒距Pa=m=6.282mm，軸向齒厚Sa=0.5m=3.141mm，分度圓直徑d1=20mm，直徑系數(shù)q=d1/m=10，分度圓導(dǎo)程角=arctan(z1/q)=5º4232。取齒頂高系數(shù) ha*=1，徑向間隙系數(shù)c*=0.2，則齒頂圓直徑da1=d1+2ha*m=20mm+2

13、15;1×2mm=24mm齒根圓直徑df1=d1-2m(ha*+c*)=20-2×2×(1+0.2)mm=15.2mm。（2） 蝸輪參數(shù)與尺寸齒數(shù)Z2=46，模數(shù)m=2mm，分度圓直徑d2=mZ2=2×48mm=96mm，變位系數(shù)x2=-(d1+d2)/2/m=60-(20+96)/2/1.6=1.25蝸輪喉圓直徑da2=d2+2m(ha*+x2)=96+2×2×(1+1.25)mm=95mm蝸輪齒根圓直徑df2=d2-2m(ha*-x2+ c*)=96-2×2×(1-1.25+0.2)mm=84.5mm（3） 校

14、核蝸輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度即檢驗(yàn)下式是否成立： =（1.53KT2/d1d2m）×YFa2Y (4.2)式中 蝸輪齒根彎曲應(yīng)力，單位為MPa；YFa2蝸輪齒形系數(shù)；Y螺旋角影響系數(shù)；蝸輪的許用彎曲應(yīng)力，單位為MPa。由蝸桿頭數(shù)Z1=1，傳動(dòng)比i=48，可以算出蝸輪齒數(shù)Z2=iZ1=48。則蝸輪的當(dāng)量齒數(shù)Zv2=Z2/cos3=48.46根據(jù)蝸輪變位系數(shù)x2=1和當(dāng)量齒數(shù)ZV2=48.46，查附錄6，得齒形系數(shù)：YFa2=1.95螺旋角影響系數(shù)：Y=1-/140°=0.967根據(jù)蝸輪的材料和制造方法，查附錄5，可得蝸輪基本許用彎曲應(yīng)力：=56MPa蝸輪的壽命系數(shù)：KFN=0.72

15、5蝸輪的許用彎曲應(yīng)力：=KFN=56×0.725MPa=40.6MPa將以上參數(shù)代入（4.2），得蝸輪齒根彎曲應(yīng)力：=（1.53×1.39×19435）/(20×84.5×2) ×1.95×0.967MPa=43.2MPa可見,蝸輪齒根的彎曲強(qiáng)度滿足要求。4.2 蝸桿軸的設(shè)計(jì)4.2.1 蝸桿軸的材料選擇，確定許用應(yīng)力考慮軸主要傳遞蝸輪的轉(zhuǎn)矩，為普通用途中小功率減速傳動(dòng)裝置。選用45號(hào)鋼，正火處理， 。4.2.2 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度初步估算軸的最小直徑 （4.3）扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取抗彎截面系數(shù)取4.2.3 確定各軸段的直徑

16、和長度根據(jù)各個(gè)零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀，直徑和長度。圖4.1 軸的形狀，直徑和長度 可選，同一軸上的軸承選用同一型號(hào)，以便于軸承座孔鏜制和減少軸承類型軸上有一個(gè)鍵槽，故槽徑增大5%。,圓整。所選軸承類型為深溝球軸承，型號(hào)為6203， ，。起固定作用，定位載荷高度可在（0.070.1）范圍內(nèi)。，故取18mm。為蝸桿與蝸輪嚙合部分，故。，便于加工和安裝。為與軸承配合的軸段，查軸承寬度為12mm，端蓋寬度為10mm，則L1=22mm。尺寸長度與刀架體的設(shè)計(jì)有關(guān)，蝸桿端面到刀架端面距離為60mm，故L2=42mm。為蝸桿部分長度，圓整取25mm。取55mm，在刀架體部分長度為（12+8）

17、mm，伸出刀架部分通過聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)相連長度為50mm，故。兩軸承的中心跨度為120mm，軸的總長為215mm。4.2.4 蝸桿軸的校核作用在蝸桿軸上的圓周力 （4.4）其中，則 徑向力 切向力 圖4.2 軸向受力分析 求水平方向上的支承反力 圖4.3 水平方向支承力 求水平彎矩,并繪制彎矩圖圖4.4 水平彎矩圖求垂直方向的支承反力 （4.5） 查表得，其中， 圖4.5 垂直方向支承反力 求垂直方向彎矩，繪制彎矩圖圖4.6 垂直彎矩圖求合成彎矩圖，在最壞的情況下考慮圖4.7 合成彎矩圖計(jì)算危險(xiǎn)軸的直徑 (4.6)查教材機(jī)械設(shè)計(jì)表16.3得，材料為調(diào)質(zhì)的許用彎曲應(yīng)力，則所以該軸符合要求。4.2.

18、5 鍵的選取與校核考慮到，實(shí)際直徑為17mm，所以強(qiáng)度足夠，由GB1095-79查得，尺寸，的A型普通平鍵。按公式 （4.7）進(jìn)行校核，。查表得，取則 該鍵符合要求。由普通平鍵標(biāo)準(zhǔn)查得軸槽深，轂槽深t。4.3 蝸輪軸的設(shè)計(jì)4.3.1 蝸輪軸材料的選擇，確定需用應(yīng)力考慮到軸主要傳遞蝸輪轉(zhuǎn)矩，為普通中小功率減速傳動(dòng)裝置，選用45號(hào)鋼，正火處理，查教材機(jī)械設(shè)計(jì)表16.3得彎曲許用應(yīng)力和對(duì)稱循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)下的許用應(yīng)力分別為，。 4.3.2 按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度，初步估計(jì)軸的最小直徑 （4.8）查教材機(jī)械設(shè)計(jì)表16.3得，取45號(hào)調(diào)質(zhì)鋼的許用彎曲應(yīng)力，則由于軸的平均直徑為34mm，因此該軸安全。4.3.3 確定各軸段的直徑和長度根據(jù)各個(gè)零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長度，即蝸輪輪芯為68mm。為蝸輪軸軸徑最小部分取34mm。軸段與上刀架體有螺紋聯(lián)接，牙形選梯形螺紋，根據(jù)表，取公