数控车床四工位电动刀架设计(含全套CAD图纸).doc

数控车床四工位电动刀架设计摘要：数控车床今后将向中高当发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架，兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，预计近年来对数控刀架需求量将大大增加。数控刀架的发展趋势是：随着数控车床的发展，数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展。根据加工对象不同，有四方刀架、六角刀架和八（或更多）工位的圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分别安装四把、六把或更多刀具，并按数控装置的指令换刀。本部分主要对四工位立式电动刀架的机械设计和应用继电-接触控制系统控制部分的设计。并对以上部分运用 CAD 做图，对电动刀架有更直观的了解。最后的提出了对电动刀架提出了意见和措施。关键词：数控刀架 ， 电动刀架 ， 四工位Abstract: numerical control lathe will in future development the middle-grade highwhen to by supporting high-grade nc cutter revised by both cutting dynamic typehydraulic cutter servo cutter vertical cutter etc varieties expected in recent years onthe nc cutter demand will increase greatly. Nc cutter is the development trend of thedevelopment of numerical control lathe along with nc cutter began to change cuttersquickly and electrohydraulic servo driver combined driving and direction. Accordingto different targets have four processing cutting hexagonal cutter and eight or morecan dise-type axial outfit knife knife and other forms. Turn the tool carrier separatelyinstalls four six or more tools and press CNC equipment instructions change knife.This part of 4 Labour vertical electric mainly the mechanical design and applicationof cutting the relay - contact control system of control part of the design. And theabove part of CAD do diagram a more intuitive electric knife understanding. Thefinal proposed to the electric cutter puts forward opinions and measures. Keywords: nc cutter electric cutter four locations 引 言 数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品。是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。 我国数控车床从 20 世纪 70 年代初进入市场，至今通过各大机床厂家的不懈努力，通过采取与国外著名机床厂家的合作、合资、技术引进、样机消化吸收等措施，使得我国的机床制造水平有了很大的提高，其产量在金属切削机床中占有较大的比例。目前，国产数控车床的品种、规格较为齐全，质量基本稳定可靠，已进入实用和全面发展阶段。 尽管近几年我国机床工具行业已经取得了很大进步，但在当前国内外机床市场竞争极其激烈的形势下，我国的机床工具行业则显得竞争力不强，主要表现在我国是机床消费大国还不是机床强国、机床拥有量大但水平低、产品构成依然落后、产品创新能力差、机床可靠性还有待提高等方面。 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。1.2 刀架的设计准则 我们的设计过程中，本着以下几条设计准则1） 创造性的利用所需要的物理性能和控制不2）2） 需要的物理性能3） 判别功能载荷及其意义4） 预测意外载荷5） 创造有利的载荷条件6） 提高合理的应力分布和刚度而7） 重量达到最轻8） 应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸9） 根据性能组合选择材料10）在储备零件与整体零件之间精心的进行选择11）进行功能设计以适应制造工艺和降低成本的要求1.3 主要技术参数 （1）最大许用力矩（Nm）Mq 100 Mx 200 Ms 100 （2）重复定位精度：（mm）lt0.005 （3）电机功率w 20 （4）电机转速（rpm）125 数控车床四工位电动刀架设计2.1 刀架的工作原理 电动刀架的工作原理为机械螺母升降转位式。工作过程可分为刀架抬起、刀架转位、刀架定位并压紧等几个步骤。图2.1为螺旋升降式四方刀架，其工作过程如下： 刀架抬起 当数控系统发出换刀指令后 通过接口电路使电机正 转 经传动装置2、驱动蜗杆蜗轮机构1、蜗轮带动丝杆螺母机构8 逆时针旋转 此时由于齿盘4、5处于啮合状态，在丝杆螺母机构8 转动时，使上刀架体产生向上的轴向力将齿盘松开并抬起直至两 定位齿盘4、5 脱离啮合状态从而带动上刀架和齿盘产生“上台” 动作。 刀架转位 当圆套9逆时针转过150°时，齿盘4、5完全脱开，此 时销钉准确进入圆套9中的凹槽中，带动刀架体转位。 刀架定位 当上刀架转到需要到位后（旋转90°、 ， 180°或270°） 数控装置发出的换刀指令使霍尔开关10 中的某一个选通当磁性 板11 与被选通的霍尔开关对齐后霍尔开关反馈信号使电机反转 插销7在弹簧力作用下进入反靠盘 6地槽中进行粗定位，上刀架体 停止转动，电机继续反转，使其在该位置落下，通过螺母丝杆机 构8使上刀架移到齿盘4、5 重新啮合 实现精确定位。 刀架压紧 刀架精确定位后，电机及许反转，夹紧刀架，当两齿 盘增加到一定夹紧力时， 电机由数控装置停止反转，防止电机不 停反转而过载毁坏，从而完成一次换刀过程。 图2.1 螺旋升降式四方刀架2.2 步进电机的选用 许多机械加工需要微量进给。要实现微量进给，步进电机、直流伺服交流伺服电机都可作为驱动元件。对于后两者，必须使用精密的传感器并构成闭环系统，才能实现微量进给。在开环系统中，广泛采用步进电机作为执行单元。这是因为步进电机具有以下优点： 直接采用数字量进行控制 转动惯量小，启动、停止方便； 成本低； 无误差积累； 定位准确； 低频率特性比较好； 调速范围较宽； 采用步进电机作为驱动单元，其机构也比较简单，主要是变速齿轮副、滚珠丝杠副，以克服爬行和间隙等不足。通常步进电机每加一个脉冲转过一个脉冲当量；但由于其脉冲当量一般较大，如0.01mm，在数控系统中为了保证加工精度，广泛采用步进电机的细分驱动技术。 因为刀架上升、下降各转150°，刀架转位至少需90°，所以蜗轮转的角度390°由课题要求的刀架选位少于3S n0.36r/s21.6r/min为便于计算n取24r/min 蜗轮蜗杆传动比为45 电动机转速niz145 考虑刀架只需小功率驱动，为减少生产成本，选用JD60电动机，其转速为1400r/min额定功率为60W。2.3 蜗杆及蜗轮的选用与校核2.3.1 选择传动的类型 考虑到传递的功率不大，转速较低，选用 2A 蜗杆，精度 8 级，GB10089-882.3.2 选择材料和确定许用应力 由机械基础表17-4查得蜗杆选用45钢，表面淬火，硬度为4555HRC，蜗轮齿圈用ZCuSn10P1 砂模铸造，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HT150制造。 由表 17-6 查得 h200MPa，f51MPa2.3.3 按接触强度确定主要参数 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，在校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距： ZEZ a 3 kT2 2 H 2-1（1）确定作用在蜗轮上的转距T2 按Z12，估取效率0.8，则 T2Ti3.5382N.M 2-2（2）确定载荷系数K 因工作载荷较稳定， 故取载荷分布不均系数K1；由使用系数KA表从而选取KA1.15； 冲击不大， 由于转速不高， 可取动载系数KV1.1；则 KKAKKV11.151.11.2651.272-3（3）确定弹性影响系数ZE 因选用的铸锡磷青铜蜗轮和蜗杆相配，故 1 Z E 160 MPa 2（4）确定接触系数Z d1 先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值 a 0.30，从而可查出Z3.12。（5）确定许用应力H 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 度 45HRC， 从 而 可 查 得 蜗 轮 的 基 本 许 用 应力 H268MPA。 因为电动刀架中蜗轮蜗杆的传动为间隙性的，故初步定位、其寿命系数为KHN0.92，则 H KHNH0.92×268246.56247MPA2-4（6）计算中心距 160 2.7 2 a 3 1.27 3538.2 24mm 247 2-5 d1取中心距a50mm，m1.25mm，蜗杆分度圆直径d122.4mm，这 Z Z时 a 0.448，从而可查得接触系数 2.72，因为 Z，因此以上计算结果可用。蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算蜗杆 分度圆直径：d18mm 直径系数：q17.92， 蜗杆头数：Z11 分度圆导程角：3°1138 蜗杆轴向齿距：PA m 3.94mm；2-6 蜗杆齿顶圆直径： d a1 d1 2ha m 32.2mm 2-7 蜗杆齿根圆直径： df 1 d1 2ha cm 24.16mm （2-8） 蜗杆轴向齿厚： Sa 1/ 2 m 2.512mm2-9 蜗杆轴向齿距： pa1 m 1.6 mm 5.04mm （2-10）蜗轮 蜗轮齿数：Z2 45 变位系数0 验算传动比：i z2 / z1 45/1452-11 蜗轮分度圆直径：d2mz2 72mm 2-12 蜗轮喉圆直径：da2d22ha293.5 mm 2-13 蜗轮喉母圆直径：rg2a-1/2 da2 50-1/2 93.53.25 mm 2-14 蜗轮齿顶圆直径： da 2 d 2 2ha m 75.2mm （2-15） 蜗轮齿根圆直径： df 2 d 2 2ha _ cm 68.16mm （2-16） 蜗轮外圆直径：当在 z1 时， de2 da 2 2m 78.4mm （2-17）2.4 蜗杆轴的设计2.4.1 蜗杆轴的材料选择，确定许用应力 考虑轴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， b 600MPa2.4.2 按扭转强度初步估算轴的最小直径 M 2 aT 2 ca 1 W （2-18） 扭转切应力为脉动循环变应力，取0.6 抗弯截面系数W0.1d3 取dmin15.14mm2.4.3 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径和长度。d1d5 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。d5轴上有一个键槽，故槽径增大5d1d5d1×1515.89mm 圆整d1d517mm所选轴承类型为深沟球轴承，型号为6203，B12mm，D40mm，d2起固定作用，定位载荷高度可在（0.070.1）d1范围内，d2d12a19.3820.04mm，故d2取20mmd3为蜗杆与蜗轮啮合部分，故d324mmd4d220mm便于加工和安装L1为与轴承配合的轴段，查轴承宽度为12mm，端盖宽度为10mm，则L122mmL2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L243mmL3为蜗杆部分长度L3（110.06z2）m21.92mm圆整L3取30mmL4取55mm，L5在刀架体部分长度为（128）mm，伸出刀架部分通过联轴器与电动机相连长度为50mm，故L570mm两轴承的中心跨度为128mm，轴的总长为220mm2.4.4 蜗杆轴的校核作用在蜗杆轴上的圆周力 2T1 Ft 2-19 d1 P 10.56 T1 9550000 9550000 N .mm 2.16 10 5 N .mm n 467 其中 d128mm 则 2T3 2 2.07 10 6 Ft N 1.29 10 4 N d3 320 径向力 Fr F t tan 1.29 10 4 tan 20 4.69 10 3 N 2-20 1.29 10 4 切向力 Fn Ft / cos 1.37 10 4 N 2-21 cos 20 图 2.1 轴向受力分析 FBH Fn cos 30 Fr cos 60 1.37 10 4 cos 30 4.69 10 3 cos 60 1.42 10 4 N2-22 FBV Fr sin 60 Fn sin 30 4.69 10 3 sin 60 1.37 10 4 sin 30 2.79 10 3 N2-23 求水平方向上的支承反力 图 2.2 水平方向支承力 FBH L2 FAH L1 L 2 0 1.42 10 4 181 FAH N 5.4 10 3 N 294.5 181 FCH FBH FAH 1.42 10 4 5.4 10 3 8.8 10 3 N 2-25求水平弯矩并绘制弯矩图 M BH FAH L1 5.4 10 3 294.5 10 3 N m 1.59 10 3 N m 水平弯矩图 图 2.3 水平弯矩图求垂直方向的支承反力 YF y Z Fy F切 9.81C Fy a p 2-26 X Fy f v K Fy查文献9表 2.24， C F 142 ， X F 0.73 ， YF 0.67 ， Z F 0 y y y y其中 a p 6mm ， f 0.6mm / r ， v 100m / min YF y Z Fy F切 9.81C Fy a p K F y 9.81 142 6 0.73 0.6 0.67 N 3658 N X Fy f v 2-27 切 图 2.4 垂直方向支承反力 F BV L2 F切 L3 FAV L1 L2 0 2.79 10 3 181 3.66 10 3 120.5 F AV N 1.99 10 3 N 294.5 181 FCV FBV FAV F切 2.79 10 3 1.99 10 3 3.66 10 3 2.86 10 3 N 求垂直方向弯矩，绘制弯矩图 M BV FAV L1 1.99 10 3 294.5 10 3 586 .1N m M CV F切 L3 3.66 10 120.5 10 3 N m 441N m 垂直弯矩图 图 2.5 垂直弯矩图求合成弯矩图，按最不利的情况考虑 M B M BH M BV 1.59 10 3 2 586.12 N m 1.69 10 3 N m 2 2 2-28 M C M CV 441N m 合成弯矩图 图 2.6 合成弯矩图计算危险轴的直径 3 Me d 2-29 0.1 1查文献9表 151，材料为 38C r M 0 AIA 调质的许用弯曲应力 1 75 ，则 3 1.69 10 6 dB mm 60.8mm 0.1 75 所以该轴符合要求。2.4.5 键的选取与校核 考虑到 d5105×15.1415.89mm 实际直径为 17mm，所以强度足够由 GB1095-79 查得，尺寸 b×h5×5，l20mm 的 A 型普通平键。 2T 10 3 按公式 p 进行校核 kld T 2070N m ， k 0.5h 0.5 14mm 7mm ， l 110mm ， d 92mm 。查文献9表 62，取 p 130 MPa 则 2T 10 3 2 2070 p 58.44 MPa 70MPa 2-30 kld 7 110 92 该键符合要求。 由普通平键标准查得轴槽深 t30mm毂槽深 t12.3mm2.5 蜗轮轴的设计2.5.1 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， b 600 MPa ， -155MPa 2.5.2 按扭转强度，初步估计轴的最小直径 3 Me d 0.1 1 查文献9表 151，取 45 号调质刚的许用弯曲应力 1 60 ，则 3 676.3 10 3dB mm 48.3mm 0.1 60 3 596 10 3dC mm 46.3mm 0.1 60由于轴的平均直径为 34mm，因此该轴安全。2.5.3 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径和长度d1 即蜗轮轮芯为 68mmd2 为蜗轮轴轴径最小部分取 34mmd3 轴段与上刀架体有螺纹联接，牙形选梯形螺纹，根据文献表 8-45取公称直径为 d344mm，螺距 P12mm，H6.5mm查表 8-46 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 55mmL2 尺寸长度为 34mm，蜗轮齿宽 b2 当 z13 时，b20.75da115.6mm 取 b215mm2.6 中心轴的设计2.6.1 中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， b 600 MPa ， -155MPa2.6.2 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方案确定轴的形状及直径和长度d115mmd2 与 轴 承 配 合 ， 轴 承 类 型 为 推 力 球 轴 承 ， 型 号 为 51203 ，d17mmd119T12mmD35mm所以 d217mmd3 与轴承配合，轴承类型为推力球轴承，型号为 51204，d25mmd127mmT15mmD47mm分配各轴段的长度 L180mmL293mmL320mm2.6.3 轴的校核轴横截面的惯性矩 I D 4 d 4 1993.16mm 64车床切削力 F2KNE210GPa ql 3 2 103 1953 B 5.9 104 2-31 6 EI 6 210 10 1993.16 3 qa 3 2 10 1453 y 4l a 4 195 145 8.44 103 mm 24 EI 24 210 1993.162-32因此 B B .