数控机床回转刀架设计.doc

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1、 绪 论毕业设计是培养学生实践的重要环节之一。它是在大学教学课程，机械课程设计，金工实习等教学环节的基础上进行的。毕业设计的主要目的是培养我们综合运用所学基础知识、专业知识和专业技术知识及技能来分析、解决一般工程技术问题，使我们建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序规则和设计方法，为走上工作岗位打下一定的基础。通过毕业设计能进一步扩大和深化自己所学的基础知识、基本理论和基本技能，提高自己的设计计算能力制图能力，是我们懂得如何编写技术性文件，正确使用技术资料、手册及相关的工具书，更能培养我们严肃认真、一丝不苟和实事求是的工作作风。从而实现从学生向工程技术人员的过渡。本设计题目为“数控机床回转

2、刀架设计”，它是根据实际情况，针对用户需求而提出的毕业设计，是一次综合性、应用性、和实践性强的设计过程。本次设计得到李老师的悉心指导，并提出了许多宝贵意见和建议，在此深表感谢。由于本人设计能力有限，实践经验不足，本设计中错误、不妥之处再所难免，敬请各位老师批评指正。 1 自动回转刀架的工作原理图1.1 自动回转刀架的换刀流程图1.2表示自动回转刀架在换刀过程中有关的销的位置。其中上部的圆柱销2和下部的反靠销6起着重要作用。当刀架处于锁紧状态时,两销的情况如图a所示，此时反靠销6落在反靠圆盘7的十字槽内，上刀体4的端面齿和下刀的端面齿处于啮合状态（上下端面齿在图a中未画出）。需要换刀时，控制系统

3、发出刀架的转位信号，三相异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，与螺杆配合的上刀体4逐渐抬起，上刀体4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘1也随着螺杆正向转动（上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆联接），当转过约150度时，上盖圆盘1直槽的另一端转到圆柱销2的正上方，由于弹簧3的作用，圆柱销2落入直槽内，于是上盖圆盘1就通过圆柱销2使得上刀体4转动起来（此时端面齿已完全脱开），如图b所示。 a) b) c) d) 图1.2 刀架转位过程中销的位置1上盖圆盘 2圆柱销 3弹簧 4上刀体 5圆柱销 6反靠销 7反靠圆盘a)换刀开始时，圆柱销2与上盖圆盘1可以相对滑动b)上刀体4完全抬起后

4、，圆柱销2落入上盖圆盘1槽内，上盖圆盘1将带动圆柱销2及上刀体4一起转动c)上刀体4连续转动时，反靠销6可从反靠圆盘7的槽左侧斜坡滑出d)找到刀位后，刀架电动机反转，反靠销6反靠，上刀体停转，实现粗定位。上盖圆盘1、圆柱销2以及上刀体4在正转的过程中，反靠销6能够从反靠圆盘7中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体4寻找刀位时的正向转动，如图c所示。上刀体4带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘1通过圆柱销2带动上刀体4开始反转，反靠销6马上就会落入反靠圆盘7的十字槽内，至此，完成粗定位，如图d所示。此时反靠销6从反靠圆盘

5、7的十字槽内爬不上来，于是上刀体4停止转动，开始下降，而上盖圆盘1继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销2的头部压入上刀体4的销孔内，之后，上盖圆盘1的下表面开始与圆柱销2的头部滑动。在些期间，上、下刀本的端面齿逐渐啮合，实现定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过和结束。由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可稳定的工作。 2 总体结构设计2.1 减速机构的设计电动机选择三步相异步电动机，额定功率900W，额定转速为1440r/min，而刀架转速设定30r/min，由于转速较高不能直接驱动刀架，因此必须经过适当的减速。采用蜗杆副减速，蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得较大的传动比，以保证

6、传动精度和平稳性并能自锁，可以减少整个装置的空间，比较精简。2.2 上刀体锁紧与精定位机构的设计上刀架锁紧与精定位将直接影响工件的加工精度，因为刀具直接安装在上刀体上，所以刀体要承受全部的切削力，因此对它的选择很重要，在设计中选择端面将上刀体与下刀体的配合加工成梯形的端面齿。采用梯形的端面齿，刀架处于锁紧时，下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴转动；换刀时电动机正转，抬起机构使上刀体抬起，等上下端面齿脱开后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转位工作。2.3 刀架抬起机构的设计在上述过程中欲使上下刀体的两个端面齿脱离。就必须设计分离机构，在此选择螺杆螺母副，并在上刀体内部加工出内螺纹

7、，当电动机通过蜗杆蜗轮带动螺杆绕中心轴转动时，而将上刀体看做螺母，要么转动，要么上下移动。两种情况，当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互啮合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离啮合时，上刀体就和螺杆一同转动，在设计螺杆时要注意螺距的选择，而螺距的选择是否合理非常重要，选择适当以便当螺杆转动一定角度时，使上刀体与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。 图2.1 自动回转刀架的传动结构示意图1发信盘 2推力轴承 3螺杆螺母机构 4端面齿盘 5发靠圆盘 6三相异步电动机 7联轴器 8蜗杆副 9反靠销 10圆柱销 11上盖圆盘 12上刀体3 主要传动部件的

8、设计计算3.1 蜗杆副的设计计算自动回转刀架的动力源是三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直联，刀架转位时蜗杆与上刀体直联。已知电动机额定功率=900W，额定转速=1440r/min，上刀体设计转速=30r/min,则蜗杆副的传动比i=1440/30=48。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，起动时冲击较大，今要求蜗杆的使用寿命=10000h，因此对蜗杆的型号材料的选择以及齿面接触疲劳强度计算相当重要。3.1.1 蜗杆的选型 GB/T10065-1998推荐采用阿基米德（ZA蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。本设计采用阿基米德型圆柱蜗杆（ZA型）。3.1.2 蜗杆的材料刀架中的蜗杆副

9、传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为4555HRC，以提高表面耐磨性，选用锡磷青铜ZCuSn10P1，采用金属模铸造。3.1.3 按齿面接触疲劳强度进行设计 刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面脱离危险合或点蚀而失效。因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行校核。按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为： (3.1)式中 蜗杆副的传动中心距，单位为mm； K载荷系数； T2作用在蜗轮上的转矩T2，单位为Nmm； 弹性影响系数，单位为MP； 接触系数； 许用接触应力，单位为MPa。从式（3.1）算出蜗杆副的中心距之后，根据已知的传动比i

10、=48,从附录1中选择一个合适的中心距值，以及相应的蜗杆、蜗轮参数。（1） 确定作用在蜗杆上的转矩设蜗杆头数=1，蜗杆的传动效率取=0.8。由电动机的额定功率=90W，可以算得蜗轮传递的功率=，再由蜗轮的轮转速=30r/min求得作用在蜗轮上的转矩： （2）确定载荷系数K根据载荷情况查表，选K=1.39（3） 确定弹性影响系数铸锡磷青铜蜗轮与蜗杆相配时,从有关手册查得弹性影响系数 =160MPa。（4） 确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距的比值=0.35，从附录3中可查得接触系数=2.9。（5） 确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1、金属模铸造蜗杆螺旋齿面硬

11、度大于45HRC，可从附录4中查得蜗轮的基本许用应力=268MPa。已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数J=1；蜗轮转速=30r/min;蜗杆副的使用寿命=10000h。则应力循环次数 N=60J=6013010000=1.810寿命系数： 许用应力：=KHN=0.929268MPa=249MPa（6） 计算中心距将以上各参数代入式（3.1），求得中心距： mm=46.2mm查附录1，取中心距=50mm，已知蜗杆头数Z=1，设模数m=1.6mm，得蜗杆分度圆直径d1=20mm。为时d1/=0.4，由附录3得接触系数Z=2.74。因为ZZ，所以上述计算结果可用。3.1.4 蜗杆和蜗轮

12、的主要参数与几何尺寸由蜗杆和蜗轮的基本尺寸和主要参数，算得蜗杆和蜗轮的主要几何尺寸后，即可绘制蜗杆副的工作图。（1） 蜗杆参数与尺寸头数Z1=1，模数m=1.6mm，轴向齿距Pa=m=5.027mm，轴向齿厚Sa=0.5m=2.514mm，分度圆直径d1=20mm，直径系数q=d1/m=12.5，分度圆导程角=arctan(z1/q)=43426。取齿顶高系数 ha*=1，径向间隙系数c*=0.2，则齿顶圆直径da1=d1+2ha*m=20mm+211.6mm=23.2mm齿根圆直径df1=d1-2m(ha*+c*)=20-21.6(1+0.2)mm=16.16mm。（2） 蜗轮参数与尺寸齿数

13、Z2=46，模数m=1.6mm，分度圆直径d2=mZ2=1.648mm=76.8mm，变位系数x2=-(d1+d2)/2/m=50-(20+76.8)/2/1.6=1蜗轮齿根圆直径df2=d2-2m(ha*-x2+ c*)=76.8-21.6(1-1+0.2)mm=76.16mm蜗轮齿顶圆弧半径rg2=-da2/2=(50-83.2/2)mm=8.4mm（3） 校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度即检验下式是否成立： =（1.53KT2/d1d2m）YFa2Y (3.2) 式中 蜗轮齿根弯曲应力，单位为MPa；YFa2蜗轮齿形系数；Y螺旋角影响系数；蜗轮的许用弯曲应力，单位为MPa。由蜗杆头数Z1=1，传

14、动比i=48，可以算出蜗轮齿数Z2=iZ1=48。则蜗轮的当量齿数Zv2=Z2/cos3=48.46根据蜗轮变位系数x2=1和当量齿数ZV2=48.46，查附录6，得齿形系数：YFa2=1.95螺旋角影响系数：Y=1-/140=0.967根据蜗轮的材料和制造方法，查附录5，可得蜗轮基本许用弯曲应力：=56MPa蜗轮的寿命系数：KFN=0.725蜗轮的许用弯曲应力：=KFN=560.725MPa=40.6MPa将以上参数代入（3.2），得蜗轮齿根弯曲应力：=1.950.967MPa33.2MPa可见,蜗轮齿根的弯曲强度满足要求。3.2 蜗杆轴的设计3.2.1 蜗杆轴的材料选择，确定许用应力考虑轴

15、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， 。3.2.2 按扭转强度初步估算轴的最小直径 （3.3）扭转切应力为脉动循环变应力，取抗弯截面系数取3.2.3 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，直径和长度。 图3.1 轴的形状，直径和长度同一轴上的轴承选用同一型号，以便于轴承座孔镗制和减少轴承类型。轴上有一个键槽，故槽径增大5%。,圆整。所选轴承类型为深沟球轴承，型号为6203， ，。起固定作用，定位载荷高度可在（0.070.1）范围内。，故取20mm。为蜗杆与蜗轮啮合部分，故mm。，便于加工和安装。为与轴承配合的轴段，则=1

16、2mm。尺寸长度与刀架体的设计有关，蜗杆端面到刀架端面距离为65mm，故=43mm。为蜗杆部分长度，圆整取30mm。取55mm，在刀架体部分长度为（12+8）mm，伸出刀架部分通过联轴器与电动机相连长度为50mm，故。两轴承的中心跨度为128mm，轴的总长为210mm。3.2.4 蜗杆轴的校核作用在蜗杆轴上的圆周力 （3.4） 其中， 则 径向力 切向力 求水平方向上的支承反力 图3.3 水平方向支承力得 求水平弯矩,并绘制弯矩图图3.4 水平弯矩图求垂直方向的支承反力 （3.5） 查表得，其中， 图3.5 垂直方向支承反力 求垂直方向弯矩，绘制弯矩图图3.6 垂直弯矩图求合成弯矩图，按最不利

17、的情况考虑图3.7 合成弯矩图计算危险轴的直径 (3.6) 查教材机械设计表16.3得，材料为调质的许用弯曲应力，则所以该轴符合要求。 3.3 蜗轮轴的设计3.3.1 蜗轮轴材料的选择，确定需用应力 考虑到轴主要传递蜗轮转矩，为普通中小功率减速传动装置，选用45号钢，正火处理，查教材机械设计表16.3得弯曲许用应力和对称循环应力状态下的许用应力分别为，。3.3.2 按扭转强度，初步估计轴的最小直径 （3.8） 查教材机械设计表16.3得，取45号调质钢的许用弯曲应力，则由于轴的平均直径为34mm，因此该轴安全。3.3.3 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

18、径和长度，即蜗轮轮芯为68mm。为蜗轮轴轴径最小部分取34mm。轴段与上刀架体有螺纹联接，牙形选梯形螺纹，根据表，取公称直径为，螺距，。查表得，外螺纹小径为31mm，内、外螺纹中径为38mm，内螺纹大径为45mm，内螺纹小径为32mm，旋合长度取55mm。尺寸长度为34mm，蜗轮齿宽 当时，取。3.4 中心轴的设计3.4.1 中心轴的材料选择,确定许用应力考虑到轴主要起定位作用，只承受部分弯矩，为空心轴，因此只需校核轴的刚度即可。选用45号钢，正火处理，查教材机械设计表16.3得弯曲许用应力和对称循环应力状态下的许用应力分别为，。3.4.2 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

19、方案确定轴的形状及直径和长度，。与轴承配合，轴承类型为推力球轴承，型号为51203，所以。与轴承配合，轴承类型为推力球轴承，型号51204， ，。分配各轴段的长度，。3.4.3 轴的校核轴横截面的惯性矩车床切削力F=2KN，E=210GPa因此yy中心轴满足刚度条件。3.5 齿盘的设计3.5.1 齿盘的材料选择和精度等级上下齿盘均选用45号钢，淬火，180HBS，初选7级精度等级。3.5.2 确定齿盘参数考虑齿盘主要用于精确定位和夹紧，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5，齿盘的齿高取4，由 （3.9） 得算式 4=（21+0.25）。标准值

20、，。求出,取标准值。故齿盘齿全高。取齿盘内圆直径为120。外圆直径为。齿顶高。齿根高。 齿数齿宽 齿厚 齿盘高为53.5.3 按接触疲劳强度进行计算（1）确定有关计算参数和许用应力（2）取载荷系数（3）由教材机械设计表12.13得齿宽系数（4）由教材机械设计表12.12得材料的弹性影响系数，取，故。（5）由教材机械设计图12.17（c）得，（6） =60241(830015)，=5.18107（7）由教材机械设计第三章中的数据得接触疲劳寿命系数 ，（8）计算接触疲劳许用应力， 取安全系数，由教材机械设计式（12.11）得 按齿根抗弯强度设计由教材机械设计式（12.17）得抗弯强度的设计公式为

21、(3.10)确定公式内的各参数数值（1）由教材机械设计图12.23（c）得抗弯疲劳强度极限（2）由教材机械设计中图12.24得抗弯疲劳寿命系数,（3）由教材机械设计中图12.21和图12.22得（4）计算抗弯疲劳许用应力，取抗弯疲劳安全系数SF=1.4由教材机械设计中式（12.19）得（5）由教材机械设计中式（12.16）得弯曲疲劳强度验算 故满足弯曲疲劳强度要求结论为了能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短加工辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机床的效率，采用“工序集中”的原则，采用自动回转刀架。通过对四工位刀架的设计，分别对其组成部分即机械总体结构、工作原理、主传动部

22、件。文中减速机构选用三相异步电机和蜗杆副，能获的大的传动比，保证传动精度平稳，能实现整个装置的小型化；考虑所受载荷和加工精度选取端面齿盘，在刀架抬起机构中釆用丝杆螺母机构。主传动部件设计中蜗杆采用阿基米德型圆柱蜗杆，材料采用45钢，涡轮用耐磨性大的铸锡磷青铜ZCuSn10P1，并通过假定参数对其疲劳强度进行设计，并依次算出蜗杆蜗轮的主要参数和尺寸，再通过查表计算确定了中心轴、齿盘、轴承等其他部件的型号、选材及其主要参数和尺寸。设计从经济适用出发在材料选择和参数选择都做到优化选择。克服老车床辅助加工时间长的缺点，提髙了工作效率。致谢 本论文的完成，首先要感谢我的母校河南机电高等专科学校的辛勤培育

23、之思。其次要感谢我的指导老师给我的指导和帮助，几个月来在指导老师的悉心指导与帮助下，才使我的论文得以顺利完成。 指导老师为论文课题的研究提出了许多指导性的意见，为论文的撰写、修改提供了许多具体的指导和帮助。指导老师对事业的执著追求和不懈努力的精神，值得我永远学习，他严谨治学、不断探索的作风，给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅，是我今后人生路上的最好榜样，指导老师给我提供了良好的实验设计环境和很好的意见。再次感谢在毕业设计中互相讨论的同学，他们也给了很好的建议。由于作者水平有限，错误之处在所难免，恳请各位老师、同学给与批评和建议。最后，感谢所有曾经传授给我知识、给予我帮助的老师、同学、朋友们，感谢他们的指导和关心。