數(shù)控車床自動回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)與控制設(shè)計

1、課程設(shè)計課設(shè)題目：數(shù)控車床自動回轉(zhuǎn)刀架機電系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)：機械電子工程班級：12機電1班姓名：達達學號：20210410290232指導老師：萬智輝2021年12月目錄1.1 概述31.2 數(shù)控車床自動回轉(zhuǎn)刀架的開展趨勢31.3 自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理42.1 蝸桿副的設(shè)計計算52.2 蝸桿軸的設(shè)計82.3 蝸輪軸的設(shè)計142.4 中央軸的設(shè)計152.5 齒盤的設(shè)計162.6 軸承的選用173.1刀架體的設(shè)計184.1結(jié)論195.1參考文獻20第1節(jié)自動回轉(zhuǎn)刀架總體設(shè)計1.1 概述數(shù)控車床的刀架是機床的重要組成局部.刀架用于夾持切削用的刀具,因此其結(jié)構(gòu)直接影響機床的切削性能和切削效率.在一定程度

2、上,刀架的結(jié)構(gòu)和性能表達了機床的設(shè)計和制造技術(shù)水平.隨著數(shù)控車床的不斷開展,刀架結(jié)構(gòu)形式也在不斷翻新.其中按換刀方式的不同,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換刀裝置等多種形式.自1958年首次研制成功數(shù)控加工中央自動換刀裝置以來,自動換刀裝置的機械結(jié)構(gòu)和限制方式不斷得到改良和完善.自動換刀裝置是加工中央的重要執(zhí)行機構(gòu),它的形式多種多樣,目前常見的有：回轉(zhuǎn)刀架換刀,更換主軸頭換刀以及帶刀庫的自動換刀系統(tǒng).初步了解了設(shè)計題目電動刀架及開展概況,設(shè)計背景,對刀架有了一些印象,對整理設(shè)計思路安排設(shè)計時間有很好的輔助作用.對一些參數(shù)的進行了解同時按準那么要求來完成設(shè)計.1.2 數(shù)

3、控車床自動回轉(zhuǎn)刀架的開展趨勢數(shù)控刀架的開展趨勢是：隨著數(shù)控車床的開展,數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅(qū)動和伺服驅(qū)動方向開展.目前國內(nèi)數(shù)控刀架以電動為主,分為立式和臥式兩種.主要用于簡易數(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.另外臥式刀架還有液動刀架和伺服驅(qū)動刀架.電動刀架是數(shù)控車床重要的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),合理地選配電動刀架,并正確實施限制,能夠有效的提升勞動生產(chǎn)率,縮短生產(chǎn)準備時間,消除人為誤差,提升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)定的工作水平也明顯提升：尤其是在加工幾何形狀較復雜的零件時,除了限制系統(tǒng)能提供相應(yīng)的限制指令外

4、,很重要的一點是數(shù)控車床需配備易于限制的電動刀架,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.數(shù)控刀架的市場分析：國產(chǎn)數(shù)控車床將向中高檔開展,中檔采用普及型數(shù)控刀架配套,高檔采用動力型刀架,兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種.數(shù)控刀架的高、中、低檔產(chǎn)品市場數(shù)控刀架作為數(shù)控機床必需的功能部件,直接影響機床的性能和可靠性,是機床的故障高發(fā)點.這就要求設(shè)計的刀架具有具有轉(zhuǎn)位快,定位精度高,切向扭矩大的特點.它的原理采用蝸桿傳動,上下齒盤嚙合,螺桿夾緊的工作原理.1.3 自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理回轉(zhuǎn)刀架的工作原理為機械螺母升降轉(zhuǎn)位式.工作過程可分為刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位、刀架定位并壓緊

5、等幾個步驟.圖1.1為螺旋升降式四方刀架,其工作過程如下：刀架抬起當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后,通過接口電路使電機正轉(zhuǎn),經(jīng)傳動裝置、驅(qū)動蝸桿蝸輪機構(gòu).蝸輪帶動絲桿螺母機構(gòu)逆時針旋轉(zhuǎn),此時由于齒盤處于嚙合狀態(tài),在絲桿螺母機構(gòu)轉(zhuǎn)動時,使上刀架體產(chǎn)生向上的軸向力將齒盤松開并抬起,直至兩定位齒盤脫離嚙合狀態(tài),從而帶動上刀架和齒盤產(chǎn)生“上抬動作.刀架轉(zhuǎn)位當圓套逆時針轉(zhuǎn)過150°時,齒盤完全脫開,此時銷釘準確進入圓套中的凹槽中,帶動刀架體轉(zhuǎn)位.刀架定位當上刀架轉(zhuǎn)到需要到位后旋轉(zhuǎn)90°、180°或270°,數(shù)控裝置發(fā)出的換刀指令使霍爾開關(guān)中的某一個選通,當磁性板與被選通的

6、霍爾開關(guān)對齊后,霍爾開關(guān)反應(yīng)信號使電機反轉(zhuǎn)標銷在彈簧力作用下進入反靠盤地槽中進行粗定位,上刀架體停止轉(zhuǎn)動,電機繼續(xù)反轉(zhuǎn),使其在該位置落下,通過螺母絲桿機構(gòu)使上刀架移到齒盤重新嚙合,實現(xiàn)精確定位.刀架壓緊刀架精確定位后,電機及許反轉(zhuǎn),夾緊刀架,當兩齒盤增加到一定火緊力時,電機由數(shù)控裝置停止反轉(zhuǎn),預防電機不停反轉(zhuǎn)而過載毀壞,從而完成一次換刀過程.圖1.1螺旋升降式四方刀架第2節(jié)主要傳動部件的設(shè)計計算2.1蝸桿副的設(shè)計計算自動回轉(zhuǎn)刀架的動力源是三相異步電動機,其中蝸桿與電動機直聯(lián),刀架轉(zhuǎn)位時蝸輪與上刀體直聯(lián).電動機額定功率R=120W額定轉(zhuǎn)速ni=1440r/min,上刀體設(shè)計轉(zhuǎn)速n2=45r/mi

7、n,那么蝸桿副的傳動比i=上=1440/45=32.刀架從轉(zhuǎn)出位到鎖緊時,需要蝸桿反向,工作載荷不均勻,起動時沖擊較大,今要求蝸桿副的使用壽命Lh=10000ho1蝸桿的選型GB/T10085-1988推薦采用漸開線蝸桿ZI蝸桿和錐面包絡(luò)蝸桿ZK蝸桿.本設(shè)計采用結(jié)構(gòu)簡單、制造方便的漸開線型圓柱蝸桿ZI型.2蝸桿副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以提升外表耐磨性；蝸輪的轉(zhuǎn)速較低,其材料主要考慮耐磨性,選用鑄錫磷青銅ZCuSnl0P1,采用金屬模鑄造.3按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計刀架中的蝸桿副采用閉式傳動,多因

8、齒面膠合或點蝕而失效.因此,在進行承載水平計算時,先按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計,再按齒根彎曲疲勞強度進行校核.按蝸輪接觸疲勞強度條件設(shè)計計算的公式為：zzz2a3,KT2jH1確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T2設(shè)蝸桿頭數(shù)Z1=1,蝸桿副的傳動效率取q=0.8.由電動機的額定功率Pi=90W可以算得蝸輪傳遞的功率P2=R4,再由蝸輪的轉(zhuǎn)速n2=30r/min求得作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩：T2錯誤！未找到引用源.=9.55比錯誤！未找到引用源.n2=9.55雪錯誤！未找到引用源.=20.373Nm=20373Nmmn22確定載荷系數(shù)K載荷系數(shù)K=KKbKv,.其中Ka為使用系數(shù),由表6-3查得,由于工作載荷不均

9、勻,起動時沖擊較大,因此取K=1.15;Kb為齒向載荷分布系數(shù),因工作載荷在起動和停止時有變化,故取Kb=1.15;K為動載系數(shù),由于轉(zhuǎn)速不高、沖擊不大,可取=1.05.那么載荷系數(shù)：K=K44K/=1.15X1.15X1.05=1.393確定彈性影響系數(shù)Zeo鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時,從有關(guān)手冊查1得彈性影響系數(shù)ZE160Mpa"4確定接觸系數(shù)Zp先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1和傳動中央距a的比值di0.35,從而可查出Zp=2.9a5確定許用接觸應(yīng)力7h根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSnl0P1、金屬模鑄造、蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC查表可得蝸輪的根本許用應(yīng)力-'=26

10、8MPa蝸桿為單頭,蝸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時每個輪齒嚙合的次數(shù)j=1;蝸輪轉(zhuǎn)速ni=30r/min；蝸桿副的使用壽命Lh=10000h.那么應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：N=6Qjn2Lh=60X1X45X10000=2.7X107壽命系數(shù):K許用接觸應(yīng)力:6)計算中央距aHN=81N82.70107=°.883(th=Kh"'=0.929X268Mp4249Mpa3(KTrCZEZP)2=31.3920373(1602.9)=55mmh.249查表得,取中央距a=63mm蝸桿頭數(shù)Z1=1,m=1.6mm蝸桿分度圓直徑d1=28mm這時d10.44,從而可查得接觸系數(shù)ZP'=2.64

11、,由于ZpZP,因此a以上計算結(jié)果可用.蝸桿和蝸輪主要幾何尺寸計算(1)蝸桿分度圓直徑：d1=28mm直徑系數(shù)：q=17.5,蝸桿頭數(shù)：Z1=1分度圓導程角：丫二3.10,14蝸桿軸向齒距：Pa=m=5.027mm；蝸桿齒頂圓直徑：da1d12ham32.2mmaiia蝸桿齒根圓直徑：df1d12(ha*c*)m24.16mm1蝸桿軸向齒厚：Sam=2.51mm2蝸桿軸向齒距：Pa錯誤！未找到引用源.=錯誤！未找到引用源.m=5.027mm(2)蝸輪蝸輪齒數(shù)：Z2=32變位系數(shù)X=0.6驗算傳動比：i=Z2/Zl=32蝸輪分度圓直徑：d2=mz2=51.2mm蝸輪喉圓直徑：da2=dz+2mC

12、昔誤！未找到引用源.+X2)=56.3mm蝸輪喉母圓直徑：rg2=a-1/2&2=63-56.3/2=35.8imm蝸輪齒根圓直徑：df2=d2-2m(錯誤！未找到引用源.-X2-c)=54.38mm2.2蝸桿軸的設(shè)計(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裝置選用45號鋼,正火處理,b600MPa(2)按扭轉(zhuǎn)強度初步估算軸的最小直徑caM2(aT)2W1(2-21)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力,取a=0.6抗彎截面系數(shù)W=0.1d3取dmin=15.14mm(3)確定各軸段的直徑和長度根據(jù)各個零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和

13、長度D2D1L1D3L3D4L4L2圖2.1蝸桿軸d1=d5同一軸上的軸承選用同一型號,以便于軸承座孔鍵制和減少軸承類型.d5軸上有一個鍵槽,故槽徑增大5%d1=d5=d1'義(1+5%)=15.89mm,圓整d1=d5=17mm所選軸承類型為深溝球軸承,型號為6203,B=12mm,D=40mm,d2起固定作用,定位載荷高度可在(0.070.1)d1范圍內(nèi),d2=d1+2a=19.38-20.04mm,故d2取20mmd3為蝸桿與蝸輪嚙合局部,故d3=24mmd4=d2=20mm便于加工和安裝L1為與軸承配合的軸段,查軸承寬度為12mm,端蓋寬度為10mm,那么L1=22mmL2尺寸

14、長度與刀架體的設(shè)計有關(guān),蝸桿端面到刀架端面距離為65mm,故L2=43mmL3為蝸桿局部長度L3>(11+0.6z2)m=38mm圓整L3取40mmL4取55mm,L5在刀架體局部長度為(12+8)mm,伸出刀架局部通過聯(lián)軸器與電動機相連長度為50mm,故L5=70mm兩軸承的中央跨度為128mm,軸的總長為230mm(4)蝸桿軸的校核作用在蝸桿軸上的圓周力2TlFt二1(2-22)aPT195500009550000n10.56467N.mm2.16105N.mm(2-23)其中d1=28mmFt2T3d322.07106N320一_4,一一、1.2910N(2-24)徑向力FrFtt

15、an1.294104tan20一一一34.69103N(2-25)切向力FnFt/cos41.291041.3710Ncos20(2-26)ira圖2.2軸向受力分析FbhFncos30Frcos60-4一1.3710cos304.693410cos601.4210NFbvFrsin60Fnsin30(2-27)3434.6910sin601.3710sin302.7910N(2-28)求水平方向上的支承反力rih.IL：IL：j二LF-MrCH圖2.3水平方向支承力FbhL2Fah(L1L2)0(2-27)FAH1.42104181N294.518135.410N(2-28)_4FchFbh

16、Fah1.421045.41038.8103(N)(2-29)求水平彎矩,并繪制彎矩圖MBHFahL15.4103294.5103Nm1.59103Nm(2-30)IlTh"1水平彎矩圖圖2.4水平彎矩圖求垂直方向的支承反力XYfZfF切9.81CFyapFyfyvyKFy(2-31)查文獻9表2.24,CFy142,XFy0.73,YFy0.67,ZFy0其中ap6mm,f0.6mm/r,v100m/minF切9.81CFyapXFyfYFyvZFyKFy9.8114260730.60.67N3658N(2-32)二L.H匚L1i一F_-,切圖2.5垂直方向支承反力FAVFbvL2

17、F切L3Fav(LiL2)2.791031813.66103120.5N294.51810(2-33)31.9910N(2-34)_3333FcvFbvFavF切2.79101.99103.66102.8610(N)求垂直方向彎矩,繪制彎矩圖_3_3MBVFavLi1.9910294.510586.1NmMcvF切L33.6610120.5103Nm441Nm圖2.6垂直彎矩圖求合成彎矩圖,按最不利的情況考慮22BHMBV.(1.59103)2586.12Nm1.69103Nm(2-38)MCV441Nm(2-39)MCC計算危險軸的直徑圖2.7合成彎矩圖3d、0.M查文獻9表151,材料為3

18、8CrM°AIA調(diào)質(zhì)的許用彎曲應(yīng)力i75,dBJ69106mm60.8mm,0.175所以該軸符合要求.(5)鍵的選取與校核考慮到d5=105%<15.14=15.89mm,實際直徑為17mm所以強度足夠由GB1095-79查得,尺寸bxh=5X5,l=20mm的A型普通平鍵.2T103按公式pT2070N2進行校核kldm,k0.5h0.514mm7mm,l110mm,d92mm.查文獻9表62,取p130MPa那么2T10322070kld71109258.44MPa70MPa(2-42)該鍵符合要求.由普通平鍵標準查得軸槽深t=3mm,轂槽深t1=2.3mm2.3蝸輪軸的

19、設(shè)計(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裝置選用45號鋼,正火處理,b600Mpa,b155Mpa(2)按扭轉(zhuǎn)強度,初步估計軸的最小直徑3Mee0.1J查文獻9表151,取45號調(diào)質(zhì)剛的許用彎曲應(yīng)力160Mpa,那么48.3mm,676.310dBmm.0.160內(nèi)螺紋大徑為45mm內(nèi)螺紋小徑為32mm旋合長度取55mmL2尺寸長度為34mm蝸輪齒寬b2當z103時,b2<0.75da1=15.6mm取b2=15mm2.4 中央軸的設(shè)計(1)中軸的材料選擇,確定許用應(yīng)力考慮到軸主要起定位作用,只承受局部彎矩,為空心軸,因此只需校核軸的剛度即

20、可.選用45號鋼,正火處理,b600Mpa,b155Mpa(2)確定各軸段的直徑和長度根據(jù)各個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d1=15mm,d2與軸承配合,軸承類型為推力球軸承,型號為51203,d=17mm,d1=19,T=12mm,D=35mm所以d2=17mmd3與軸承配合,軸承類型為推力球軸承,型號為51204,d=25mm,d1=27mm,T=15mm,D=47mm分配各軸段的長度L1=80mm,L2=93mm,L3=20mm(3) 軸的校核軸橫截面的慣性矩1993.16mm45.9104_3(4195145)8.4410mmI(D4d4)64ql3B6EI車床切

21、削力F=2KN,E=210GPa210、210145a)242101993.16195336210101993.16因此y<y中央軸滿足剛度條件2.5 齒盤的設(shè)計(1)齒盤的材料選擇和精度等級上下齒盤均選用45號鋼,淬火,180HBs初選7級精度等級(2)確定齒盤參數(shù)考慮齒盤主要用于精確定位和夾緊,齒形選用三角齒形,上下齒盤由于需相互嚙合,參數(shù)可相同.當蝸輪軸旋轉(zhuǎn)150°時,上刀架上升5mm齒盤的齒高取4mm由h(2ha*c*)m得算式4=(2X1+0.25)m,標準值ha*=1.0,c*=0.25.求出m=1.78mm,(標準值m=2mm故齒盤齒全高h=(2ha*+c*)m=

22、(2X1+0.25)x2=4.5mm取齒盤內(nèi)圓直徑d為120mm外圓直徑為140mm齒頂高ha=ha*m=1x2=2m齒根高hf=(ha*+c*)m=2.5mm齒數(shù)z=38,齒寬b=10mm齒Bs%3.14mm,齒盤高為5mm(3)按接觸疲勞強度進行計算1)確定有關(guān)計算參數(shù)和許用應(yīng)力T9.55106比9.55106601007517906.25N?mmn242)取載荷系數(shù)kt=1.53)由文獻表9-12取齒寬系數(shù)d=1.04)由表9-10查得材料的彈性影響系數(shù)Ze=189.8而取a=20°,故ZH=2.55)查表取6Hlim1=380,取6Hlim2=3806)Lh=60X24X1X

23、(8X300X15).N2=5.18X1077由圖9-35查得接觸疲勞壽命系數(shù)ZN1=1.1,ZN2=1.18計算接觸疲勞需用應(yīng)力取平安系數(shù)SH=1ZN1Hlin1SH362MPaZN1Hlin1H2SH362MPa4按齒根抗彎強度設(shè)計抗彎強度的設(shè)計公式為2kT1/%YSa3dZ12(F確定公式內(nèi)的各參數(shù)數(shù)值1由文獻圖9-37查得,抗彎疲勞強度極限Flim1Flim2160MPa2由文獻圖9-38查得,抗彎疲勞壽命系數(shù)YN1=1.0,YN2=1.03查圖取YFa12.63,YFa22.63YSa11.65,YSa21.654計算抗彎疲勞許用應(yīng)力,取抗彎疲勞平安系數(shù)SF=1.4F1F2YN1FL

24、IM1Sf256MPa5彎曲疲勞強度驗算F1F2?YFa1?YSa1bd1m1.517906.251012022.631.6546MPafi.故滿足彎曲疲勞強度要求2.6軸承的選用圓錐滾子軸承是現(xiàn)代機器中廣泛應(yīng)用的部件之一.它是依靠主要元件的滾動接觸來支撐轉(zhuǎn)動零件的.與滑動軸承相比,滾動軸承摩擦力小,功率消耗少,啟動容易等優(yōu)點.并且常用的滾動軸承絕大多數(shù)已經(jīng)標準化,因此使用滾動軸承時,只要根據(jù)具體工作條件正確選擇軸承的類型和尺寸.驗算軸承的承載水平.以及與軸承的安裝、調(diào)整、潤滑、密封等有關(guān)的“軸承裝置設(shè)計問題.(1)軸承的類型考慮到軸各個方面的誤差會直接傳遞給加工工件時的加工誤差,因此選用調(diào)心

25、性能比擬好的深溝球軸承.此類軸承可以同時承受徑向載荷及軸向載荷,安裝時可調(diào)整軸承的游隙.然后根據(jù)安裝尺寸和使用壽命選出軸承的型號為：6203(2)滾動軸承的配合滾動軸承是標準件,為使軸承便于互換和大量生產(chǎn),軸承內(nèi)孔于軸的配合采用基孔制,即以軸承內(nèi)孔的尺寸為基準；軸承外徑與外殼的配合采用基軸制,即以軸承的外徑尺寸為基準.第3節(jié)刀架體的設(shè)計刀架體設(shè)計首先要考慮刀架體內(nèi)零件的布置及與刀架體外部零件的關(guān)系,應(yīng)考慮以下問題：(a)滿足強度和剛度要求.由于刀架體的剛度不僅影響傳動零件的正常工作,而且還影響部件的工作精度.(b)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理.如支點的安排、開孔位置和連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計等均要有利于提升刀架體的強度

26、和剛度.(c)工藝性好.包括毛坯制造、機械加工及熱處理、裝配調(diào)整、安裝固定、吊裝運輸、維護修理等各方面的工藝性.(d)造型好、質(zhì)量小.刀架體的常用材料有：鑄鐵,多數(shù)刀架體的材料為鑄鐵,鑄鐵流動性好,收縮較小,容易獲得形狀和結(jié)構(gòu)復雜的箱體.鑄鐵的阻尼作用強,動態(tài)剛性和機加工性能好,價格適度.參加合金元素還可以提升耐磨性.鑄造鋁合金,用于要求減小質(zhì)量且載荷不太大的箱體.多數(shù)可通過熱處理進行強化,有足夠的強度和較好的塑性.我所設(shè)計的下刀架體采用HT150鑄造.第4節(jié)結(jié)論本次設(shè)計采用了四工位刀架,通過電機驅(qū)動,渦輪蝸桿的傳動,有效的實現(xiàn)了縮短輔助時間,減少屢次安裝零件引起的誤差.本次設(shè)計的四工位自動回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)比擬簡單,滿足時間短,刀具重復定位精度夠,足夠的刀具存儲以及平安可靠等根本要求.回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強度和剛度,以承受粗加工時的切削抗力和減少刀架在切削力作用下的位移變形,提升加工精度.由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置,對于數(shù)控車床來說,加工過程中刀架部位要進行人工調(diào)整,因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu),以保證回轉(zhuǎn)刀架在每次轉(zhuǎn)位之后具有高的重復定位精度一般為0.