Φ320mm的数控车床总体设计及六角回转刀架设计说明书

PAGE34PAGE1毕业设计说明书设计题目：Φ320mm的数控车床总体设计及六角回转刀架设计所在学院专业班级姓名学号指导老师年月日摘要全面阐述了数控车床的结构原理，设计特点，论述了数控车床的设计计算过程，具体阐述如下：1、数控机床发展概述：数控机床及其特点，数控机床的工艺范围及加工精度，数控机床的经济分析，数控机床的发展趋向。2、数控机床总体方案的制订及比较3、确定切削用量及选择刀具4、本文主要进行的是Φ320mm的数控车床总体设计及六角回转刀架设计关键词：车床，数控，伺服电机AbstractComprehensivelyelaboratednumericalcontrollathestructureprinciple,designfeatures,discussestheCNClatheshorizontalfeedsystemdesignandcalculationprocess,describedspecificallyasfollows:1,thedevelopmentofCNCMachineToolsOverview:CNCmachinetoolanditscharacteristics,theprocessofNCmachinetoolandmachiningaccuracyofNCmachinetools,CNCmachinetoolsofeconomicanalysis,developmenttrend.2,NCmachineoverallplanformulationandcomparison3,determinethecuttingparametersandselectionofcuttingtool4,thispapermainlycarriesonisΦ320mmCNClathedesignandtransversefeedingdesign,KeyWords:lathe,numericalcontrol,servomotor,ballscrew,atransversefeed目录摘要 IIAbstract III目录 IV第1章绪论 11.1数控机床及其特点 11.2数控机床的工艺范围及加工精度 21.3数控机床的经济分析 31.4数控机床的发展趋向 4第2章数控机床总体方案的制订及比较 82.1总体方案比较 82.2数控车床方案确定 8第3章确定切削用量及选择刀具 93.1刀具选择 93.2切削用量确定 103.3切削三要素 103.4加工精度和表面粗糙度 103.5刀具材料 14第4章传动系统图的设计计算 144.1.主动参数参数的拟定 144.2变速结构的设计 154.2.1主变速方案拟定 154.2.2变速结构式、结构网的选择 16第5章自动回转刀架的工作原理 205.1自动回转刀架的换刀流程 205.2自动回转刀架的换刀过程中有关销的位置 21第6章六角回转刀架主要传动部件的设计计算 226.1蜗杆副的设计计算及电动机的选择 226.1.1蜗杆的选型 226.1.2蜗杆副的材料 226.1.3按齿面接触疲劳强度进行设计 226.1.4蜗杆和蜗轮的主要参数与几何尺寸 246.1.5校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度 256.2螺杆的设计计算 256.2.1螺距的确定 256.2.2其他参数的确定 256.2.3自锁性能校核 256.3锁紧定位机构的设计 266.3.1端齿盘设计 266.3.2端齿盘的特点 276.3.3端齿盘主要参数的设计计算 27致谢 33参考文献 34第1章绪论1.1数控机床及其特点随着科学技术的发展，机械产品的结构越来越合理，其性能、精度和效率日趋提高，更新换代频繁，生产类型由大批大量生产向多品种小批量生产转化。因此，对机械产品的加工相应地提出了高精度、高柔性与高度自动化的要求。在机床行业，由于采用了数控技术，许多过去在普通机床上无法完成的工艺内容得以完成，大量普通机床为数控机床所代替，这就极大地促进了机床行业的技术进步和行业发展。目前数控机床已经遍布军工、航空航天、汽车、造船、机车车辆、机床、建筑、通用机械、纺织、轻工、电子等几乎所有制造行业。综上所述，数控机床在促进技术进步和经济发展，提高人类生存质量和创造新的就业机会等方面，起着非常重要的作用。数控机床是一种高效能自动加工机床，是一种典型的机电一体化产品。与普通机床相比，数控机床具有如下一些优点：易于加工异型复杂零件；提高生产率；可以实现一机多用，多机看管；可以大大减少专用工装卡具，并有利于提高刀具使用寿命；提高零件的加工精度，易于保证加工质量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大减少在制品的数量；可以大大减轻工人劳动强度，减少所需工人数量等。数控机床的机械结构主要由传动系统、支承部件、分度台等部分组成。传动系统的作用是把运动和力由动力源传递给机床执行件，而且要保证传递过程中有良好的动态特性。传动系统在工作过程中，经常受到激振力和激振力矩的作用，使传动系统的轴组件产生弯曲和扭转振动，从而影响机床的工作性能。随着机床切削速度的提高和自动化方向的发展，传动系统的结构组成越来越简单，但对其机械结构性能的要求却越来越高，从而使传统的设计方法远远达不到要求，这样，各种设计理论的研究和使用就得到了迅猛的发展。数控机床是高精度和高生产率的自动化机床，其加工过程中的动作顺序、运动部件的坐标位置及辅助功能，都是通过数字信息自动控制的，操作者在加工过程中无法干预，不能像在普通机床上加工零件那样，对机床本身的结构和装配的薄弱环节进行人为补偿，所以数控机床几乎在任何方面均要求比普通机床设计得更为完善，制造得更为精密。为满足高精度、高效率、高自动化程度的要求，数控机床的结构设计已形成自己的独立体系，在这一结构的完善过程中，数控机床出现了不少完全新颖的结构及元件。与普通机床相比，数控机床机械结构有许多特点。1.2数控机床的工艺范围及加工精度随着机械制造生产模式的演变,对机械制造装备提出了不同的要求.在50年代“刚性”生产模式下，通过提高效率，自动化程度,进行单一或少品种的大批量生产，以“规模经济”实现降低成本和提高质量的目的。从90年代开始，为了对世界生产进行快速响应，逐步实现社会制造资源的快速集成，要求机械制造装备的柔性化程度更高,采用拟实制造和快速成形制造技术。工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一个工人，一把刀，一台机床”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重。数控设备的发展方向六个方面：智能化、网络化、高速、高精度、符合、环保。目前德国和瑞士的机床精度最高，综合起来，德国的水平最高，日本的产值最大。美国的机床业一般。中国大陆、韩国。台湾属于同一水平。但就门类、种类多少而言，我们应该能进世界前4名。数控系统由显示器、控制器伺服、伺服电机、和各种开关、传感器构成。目前世界最大的三家厂商是：日本发那客、德国西门子、日本三菱；其余还有法国扭姆、西班牙凡高等。国内由华中数控、航天数控等。国内的数控系统刚刚开始产业化、水平质量一般。高档次的系统全都是进口。华中数控这几年发展迅速，软件水平相当不错，但差就差在电器硬件上，故障率比较高。华中数控也有意向数控机床业进军，但机床的硬件方面不行，质量精度一般。目前国内一些大厂还没有采用华中数控的。广州机床厂的简易数控系统也不错。我们国家机床业最薄弱的环节在数控系统。机床精度1.机械加工机床精度分静精度、加工精度（包括尺寸精度和几何精度）、定位精度、重复定位精度等5种。2.机床精度体系：目前我们国家内承认的大致是四种体系：德国VDI标准、日本JIS标准、国际标准ISO标准、国标GB，国标和国际标准差不多。3.看一台机床水平的高低，要看它的重复定位精度，一台机床的重复定位精度如果能达到0.005mm(ISO标准.、统计法),就是一台高精度机床，在0.005mm(ISO标准.、统计法)以下，就是超高精度机床，高精度的机床，要有最好的轴承、丝杠。4.加工出高精度零件，不只要求机床精度高，还要有好的工艺方法、好的夹具、好的刀具。1.3数控机床的经济分析目前世界著名机床厂商在我国的投资情况1.2000年，世界最大的专业机床制造商马扎克（MAZAK）在宁夏银川投资建了名为“宁夏小巨人机床公司”的机床公司，生产数控车床、立式加工中心和车铣复合中心。机床质量不错，目前效益良好，年产600台，目前正在建2期工程，建成后可以年产1200台。2.2003年，德国著名的机床制造商德马吉在上海投资建厂，目前年组装生产数控车床和立式加工中心120台左右。3.2002年，日本著名的机床生产商大隈公司和北京第一机床厂合资建厂，年生产能力为1000台，生产数控车床、立式加工中心、卧式加工中心。4.韩国大宇在山东青岛投资建厂，目前生产能力不知。5.台湾省的著名机床制造商友嘉在浙江萧山投资建厂，年生产能力800台。民营企业进入机床行业情况1.浙江日发公司，2000年投产，生产数控车床、加工中心。年生产能力300台。2．2004年，浙江宁波著名的铸塑机厂商海天公司投资生产机床，主要是从日本引进技术，目前刚开始，起点比较高。3．2002年，西安北村投产，名字象日本的，其实老板是中国人，采用日本技术。生产小型仪表数控车床，水平相当不错。军工企业技情况军工企业得到国家拨款开始于当年“大使馆被炸”，后来台湾阿扁上台后，大规模技开始了，军工企业进入新一轮的技高峰，我们很多军工企业开始停止购买普通设备。尤其是近3年来，我们的军工企业从欧洲和日本买了大批量的先进数控机床。也从国内机床厂哪里采购了大批普通数控机床，国内机床厂商为了迎接这次大技，也引进了不少先进技术，争取军工企业的高端订单。听在军工企业的朋友讲，阿扁如果再能“顶”三年，我们的整体水平会上一个台阶。其实，胡锦涛总书记掌权以来，已经把国防事业提到了和经济发展一样的高度上，他说，我们要建立和经济发展相适应的国防能力，相信再过10年，随着我国国防工业和汽车行业的发展，我们国家会诞生世界水平的机床制造商，也将会超越日本，成为世界第一机床生产大国。1.4数控机床的发展趋向数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系统的发展及其技术基础离不开微电子技术和计算机技术。随着计算机及其软硬件技术的飞速发展，数控系统的硬件平台趋于一致化，而控制系统软件的竞争日益加剧。我国的数控系统经过“六五”期间的引进，“七五”期间的数控系统开发，“八五”期间的数控应用技术研究以及“九五”期间的主数控系统软件开发应用，已逐步形成了以航天数控、蓝天数控、华中数控和中华数控为主的数控系统产业。近年来，我国数控机床的产量持续增长，数控化率也显著提高。另一方面我国数控产品的技术水平和质量也不断提高。目前我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较成熟，并已有成熟商品走向市场。我国在数控机床高端产品的生产上取得了一定的突破。目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在8000~10000转/分以上的数控机床。我国数控机床行业近年来大力推广应用CAD等信息技术，很多企业已开始和计划实施应用ERP、MRPⅡ和电子商务。如，济南第二机床集团有限公司的CAD普及率达100%，是国家级“CAD示范企业”，企业的MRPⅡ系统应用也非常成功，现代化管理水平较高。但是和发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很多不足。一、信息化技术基础薄弱，对国外技术依存度高。我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。具有高精、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的高性能数控机床基本上还得依赖进口。二、产品成熟度较低，可行性不高。国外数控系统平均无故障时间在10000小时以上，国内自主开发的数控系统仅3000-5000小时；整机平均无故障工作时间国外达800小时以上，国内最好只有300小时。三、创新能力低，市场竞争力不强。我国生产数控机床的企业虽达百余家，但大多数未能形成规模生产，信息化技术利用不足，创新能力低，制造成本高，产品市场竞争能力不强。随着柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高要求。当今数控机床信息化正朝着以下几个方面发展。高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，我国生产的第六代数控机床系统均采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度，使得高速运算、模块化及多轴成组控制系统成为可能。同时，新一代数控机床将采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力。智能化。现代数控机床的智能化发展将通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速作出实现最佳目标的智能决策，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。基于CAD和CAM的数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前CAD/CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用CAD绘制的零件加工图样，经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，从而自动生成数控机床零部件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前又出现了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程方式，其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得，推动数控机床系统自动化的进一步发展。发展可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。新一代的数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，减少元器件的数量，从而提高可靠性。同时通过自动运行诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。一、是高速加工技术发展迅速

高速加工技术发展迅速，在高档数控机床中得到广泛应用。应用新的机床运动学理论和先进的驱动技术，优化机床结构，采用当前数控机床技术发展趋势高性能功能部件，移动部件轻量化，减少运动惯性。在刀具材料和结构的支持下，从单一的刀具切削高速加工，发展到机床加工全面高速化，如数控机床主轴的转速从每分钟几千转发展到几万转、几十万转；快速移动速度从每分钟十几米发展到几十米和超过百米；换刀时间从十几秒下降到10秒、3秒、1秒以下，换刀速度加快了几倍到十几倍。应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间，从而实现加工制造的高质量和高效率。二、是精密加工技术有所突破

通过机床结构优化、制造和装配的精化，数控系统和伺服控制的精密化，高精度功能部件的采用和温度、振动误差补偿技术的应用等，从而提高机床加工的几何精度、运动精度，减少形位误差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高1倍，从1950年至2000年50年内提升100倍。目前，精密数控机床的重复定位精度可以达到1µm，进入亚微米超精加工时代。三、是技术集成和技术复合趋势明显技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一，如工序复合型——车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工技术复合，跨加工类别技术复合——金切与激光、冲压与激光、金属烧结与镜面切削复合等，目前已由机加工复合发展到非机加工复合，进而发展到零件制造和管理信息及应用软件的兼容，目的在于实现复杂形状零件的全部加工及生产过程集约化管理。技术集成和复合形成了新一类机床——复合加工机床，并呈现出复合机床多样性的创新结构。四、是数字化控制技术进入了智能化的新阶段数字化控制技术发展经历了三个阶段:数字化控制技术对机床单机控制；集合生产管理信息形成生产过程自动控制；生产过程远程控制，实现网络化和无人化工厂的智能化新阶段。智能化指工作过程智能化，利用计算机、信息、网络等智能化技术有机结合，对数控机床加工过程实行智能监控和人工智能自动编程等。加工过程智能监控可以实现工件装卡定位自动找正，刀具直径和长度误差测量，加工过程刀具磨损和破损诊断、零件装卸物流监控，自动进行补偿、调整、自动更换刀具等，智能监控系统对机床的机械、电气、液压系统出现故障自动诊断、报警、故障显示等，直至停机处理。随着网络技术的发展，远程故障诊断专家智能系统开始应用。数控系统具有在线技术后援和在线服务后援。人工智能自动编程系统能按机床加工要求对零件进行自动加工。在线服务可以根据用户要求随时接通INTERNET接受远程服务。采用智能技术来实现与管理信息融合下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、故障自诊断和智能维护等功能，大大提高成形和加工精度、提高制造效率。信息化技术在制造系统上的应用，发展成柔性制造单元和智能网络工厂，并进一步向制造系统可重组的方向发展。五、是极端制造扩张新的技术领域极端制造技术是指极大型、极微型、极精密型等极端条件下的制造技术。极端制造技术是数控机床技术发展的重要方向。重点研究微纳机电系统的制造技术，超精密制造、巨型系统制造等相关的数控制造技术、检测技术及相关的数控机床研制，如微型、高精度、远程控制手术机器人的制造技术和应用；应用于制造大型电站设备、大型舰船和航空航天设备的重型、超重型数控机床的研制；IT产业等高新技术的发展需要超精细加工和微纳米级加工技术，研制适应微小尺寸的微纳米级加工新一代微型数控机床和特种加工机床；极端制造领域的复合机床的研制等。第2章数控机床总体方案的制订及比较2.1总体方案比较总体方案应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。数控车床后应具有单坐标定位，两坐标直线插补、圆弧插补以及螺纹插补的功能。因此，数控系统应设计成连续控制型。属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应结构简化，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电动机的开环控制系统。比较项目方案一方案二确定后的方案具体原因主轴箱分级变速采用调速电机+齿轮传动采用三相异步电机+减速器方案一变速级数比较多满足多种加工需要，也符合任务书要求进给机构滚珠丝杠+步进电机滚珠丝杠+伺服电机方案一脉冲当量步进电机控制的准确刀架四工位回转刀架六工位回转刀架都可以各有各的好处尾座液压尾座手动普通尾座液压尾座可通过数控系统调整方便数控系统8位单片机16位单片机方案一基本需求可以满足2.2数控车床方案确定(1)主传动系统设计为了保证主轴在运动时有准确的定位，安装主传动的定位检测装置。采用电气式主轴准停装置，利用磁力传感器检测定位。只要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确的定位。这种磁力传感器的工作原理是，在主轴上装上永磁铁和主轴一起旋转，在距离磁铁l-2mm的旋转轨迹外，固定一个磁传感器，当传感器发出信号后经过放大，由定向电路使电动机准确的停止在规定的周向位置上。将主传动采用变频交流电动机无级调速。低档转速为270-1500r/min，高档转速为1500-4500r/min，在各档内可以实现无级调速。与原立式车床的机械结构相比比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，主传动系统是一个开环控制的交流变频调速系统，通过软件来实现它的调速。(2)进给传动系统设计进给采用滚珠丝杠，并由齿轮箱与滚珠丝杠连接，使机床的机械传动部分具有高静态、动态刚度；运动副之间的摩擦因数小，传动无间隙；功率大；便于操作和维修。，其定位精度为±0.01mm，重复定位精度为±0．005mm。(3)数控系统的设计采用AT89C58单片机控制系统。采用模块化设计方案，从总体上分为人机界面模块、坐标进给模块、变频调速控制模块、串行通信模块、液压系统、冷却系统、润滑系统及基于89C58单片机的主控模块。利用变频调速的原理，设计主轴的无级变频调速系统；通过插补算法，实现步进电机的准确定位以便达到工件的精确度；通过键盘和显示模块，实现程序的编辑和显示；通过其他辅助系统的设计，实现机床功能的完善化。第3章确定切削用量及选择刀具3.1刀具选择（一）刀具选择：铣平面：硬质合金端铣刀或立铣刀，尽是采用二次走刀。凸台、凹槽、箱口面：立铣刀。毛坯表面或粗加工孔：镶硬质合金刀片的玉米铣刀（粗皮刀）。立体型面和变斜角轮廓外形：球刀、环形刀、锥形刀、盘形刀。（二）原则：安装调整方便、刚性好、耐用和精度高。尽是用较短刀柄，保证刚性。（三）排序原则减少刀具数量；装夹一次，尽是加工完；即使刀具规格相同，粗、精加工刀具分开；先铣后钻；精加工，先曲面后二维轮廓；尽可能自动换刀。3.2切削用量确定粗：效率；半精、精：质量、兼顾效率。1、主轴转速n：根据线速度v确定：πV=2、切深t：最好是t等于加工余量。3、切宽L：与刀具直径成正比，与切深成反比。L＝0.6－0.9d粗加工：大切深、大进给、低切速。精加工：小切深、小进给、高切速。3.3切削三要素主轴转速、切削深度、进给速度。少切削，快进给。3.4加工精度和表面粗糙度1、加工精度：尺寸精度、形状精度、位置精度。（1）尺寸精度：公差与配合国家标准（GB1800－1804-97）。IT01、IT0、IT1、IT2、IT18。新公差等级与旧公差等级的对照及应用新公差等级旧精度等级加工方法应用轴孔IT01－IT2无研磨用于量块、量仪制造IT3－IT4研磨用于精密仪表、精密机件的光整加工IT51无研磨、珩磨、精磨、精铰、精拉用于一般精密配合。IT7－IT6在机床和较精密的机器、仪器制造中用得最为普遍IT621IT732磨削、拉削、铰孔、精铣、精镗、精铣、粉末冶金IT83－4IT94铣、镗、铣、刨、插用于一般要求。主要用于长度尺寸的配合外，如键和键槽的配合IT105IT116粗铣、粗镗、粗铣、粗刨、插、钻、冲压、压铸用于不重要的配合。IT12－IT13也用于非配合IT12－IT137IT148冲压、压铸用于非配合IT15－IT189－12铸、锻、焊、气割（2）形状精度：零件上的线、面要素的实际形状相对于理想形状的准确程度。国家标准（GB1182－1184-80）规定了六项形状公差：直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度。（3）位置公差：零件上点、线、面要素的实际位置相对于理想位置的准确程度。国家标准（GB1182－1184-80）规定了八项位置公差：定向：平行度、垂直度、倾斜度。定位：同轴度、对称度、位置度。跳动：圆跳动、全跳动。2、表面粗糙度：表面上微小峰谷高低程度。国家标准（GB3503-83、GB1031－83、GB131-83）轮廓算术平均偏差：Ra＝或近似于Ra＝微观不平十点高度：Rz＝(+)在常用数值范围内（Ra＝0.25－4.5μm，Rz＝0.1－25μm），在图样上应优先选用Ra。表面粗糙度Ra、Rz允许值及加工方法表表面要求表面特征Ra(μm)Rz(μm)加工方法旧国际光洁度级别代号第1系列第2系列第1系列第2系列不加工毛坯表面清除毛刺1600∽12501000800630500100400粗加工明显可见的刀纹80320粗铣粗铣粗刨钻粗锉▽16325050200可见刀纹40160▽23212525100微见刀纹2080▽316.06312.550半精加工可见加工痕迹1040半精铣精铣精铣精刨粗磨▽48324.525微见加工痕迹520▽54163.212.5不见加工痕迹2.510▽6281.6精加工可辨加工痕迹的方向1.254.5精铰刮精拉精磨▽71.0050.84微辨加工痕迹的方向0.633.2▽80.52.50.42.0不辨加工痕迹的方向0.321.6▽90.251.250.21.00精密加工暗光泽面0.160.80精密磨削珩磨研磨超精加工抛光▽100.1250.630.10.50亮光泽面0.0800.40▽110.0630.320.050.25镜状光泽面0.0400.20▽120.0320.160.0250.125雾状光泽面0.0200.10▽130.0160.0800.0120.063镜面0.0100.050镜面磨削研磨▽140.0080.0400.0250.0323.5刀具材料碳素工具钢T10A、T12A：HRC60-64,200-250℃，V＜8m/min。合金工具钢CrWMn、9SiCr：350-400℃，V＜10m/min。高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2：HRC62-67，550-600℃，V＜30m/min；110W1.5Mo9.5Cr4Vco8、W6Mo5Cr4V2Al：HRC68-70，＞600℃4、硬质合金：HRA89-93（HRC74-82），850-1000℃，V＝100-300m/min。另外，还有新型硬质合金、陶瓷材料、人造金刚石、立方氮化硼等。第4章传动系统图的设计计算4.1.主动参数参数的拟定因为已知，∴Z=+1∴===1.4129根据标准公比。这里我们取标准公比系列=1.41.因为=1.41=1.06，根据标准数列。首先找到最小极限转速20，再每跳过5个数（1.26～1.06）取一个转速，即可得到公比为1.41的数列：20，35.5，50，71，100，140，200，280，400，560，800合理的确定电机功率P，使机床既能充分发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。现在以常见的中碳钢为工件材料，取45号钢，正火处理，车削外圆，表面粗糙度=3.2mm。采用车刀具，可转位外圆车刀，刀杆尺寸：16mm25mm。刀具几何参数：=15，=6，=75，=15，=0，=-10，b=0.3mm，r=1mm。现以确定粗车是的切削用量为设计：确定背吃刀量和进给量f，根据【2】表8-50，取4mm，f取0.6。确定切削速度，参【2】表8-57，取V=1.7。机床功率的计算，主切削力的计算根据【2】-表8-59和表8-60，主切削力的计算公式及有关参数：F=9.81=9.8127040.920.95=3242（N）切削功率的计算==32421.7=5.5（kW）依照一般情况，取机床变速效率=0.8.==6.86(kW)根据【3】表12-1Y系列（IP44）电动机的技术数据,Y系列（IP44）电动机为一般用途全封闭自扇冷式笼型异步电动机，具有防尘埃、铁屑或其他杂物侵入电动机内部的特点，B级绝缘，工业环境温度不超过+40℃，相对湿度不超过95%，海拔高度不超过1000m，额定电压380V，频率50Hz。适用于无特殊要求的机械上，如机床，泵，风机，搅拌机，运输机，农业机械等。根据以上要求，我们选取Y132M-4型可调速电动机，额定功率7.5kW,满载转速1440，额定转矩2.2，质量81kg。4.2变速结构的设计4.2.1主变速方案拟定拟定变速方案，包括变速型式的选择以及开停、换向、制动、操纵等整个变速系统的确定。变速型式则指变速和变速的元件、机构以及组成、安排不同特点的变速型式、变速类型。变速方案和型式与结构的复杂程度密切相关，和工作性能也有关系。因此，确定变速方案和型式，要从结构、工艺、性能及经济等多方面统一考虑。变速方案有多种，变速型式更是众多，比如：变速型式上有集中变速，分离变速；扩大变速范围可用增加变速组数，也可采用背轮结构、分支变速等型式；变速箱上既可用多速电机，也可用交换齿轮、滑移齿轮、公用齿轮等。显然，可能的方案有很多，优化的方案也因条件而异。此次设计中，我们采用集中变速型式的主轴变速箱。4.2.2变速结构式、结构网的选择结构式、结构网对于分析和选择简单的串联式的变速不失为有用的方法，但对于分析复杂的变速并想由此导出实际的方案，就并非十分有效。数为Z的变速系统由若干个顺序的变速组组成，各变速组分别有、……个变速副。即变速副中由于结构的限制以2或3为合适，即变速级数Z应为2和3的因子：，可以有三种方案：12级转速变速系统的变速组，选择变速组安排方式时，考虑到机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能。在Ⅰ轴如果安置换向摩擦离合器时，为减少轴向尺寸，第一变速组的变速副数不能多，以2为宜。主轴对加工精度、表面粗糙度的影响很大，因此主轴上齿轮少些为好。最后一个变速组的变速副数常选用2。综上所述，变速式为12=2×3×2。对于12=2×3×2传动式，有6种结构式和对应的结构网。分别为：，，，由于本次设计的机床=1\*ROMANI轴装有摩擦离合器，在结构上要求有一齿轮的齿根圆大于离合器的直径。初选的方案。从电动机到主轴主要为降速变速，若使变速副较多的变速组放在较接近电动机处可使小尺寸零件多些，大尺寸零件少些，节省材料，也就是满足变速副前多后少的原则，因此取12=2×3×2方案为好。设计车床主变速传动系时，为避免从动齿轮尺寸过大而增加箱体的径向尺寸，在降速变速中，一般限制限制最小变速比；为避免扩大传动误差，减少震动噪声，在升速时一般限制最大转速比。斜齿圆柱齿轮传动较平稳，可取。因此在主变速链任一变速组的最大变速范围。在设计时必须保证中间变速轴的变速范围最小。根据中间变速轴变速范围小的原则选择结构网。从而确定结构网如下：主轴的变速范围应等于住变速传动系中各个变速组变速范围的乘积，即：检查变速组的变速范围是否超过极限值时，只需检查最后一个扩大组。因为其他变速组的变速范围都比最后扩大组的小，只要最后扩大组的变速范围不超过极限值，其他变速组就不会超过极限值。其中，，∴，符合要求。绘制转速图⑴、选择Y132M-4型Y系列笼式三相异步电动机。⑵、分配总降速变速比总降速变速比电动机转速不符合转速数列标准，因而增加一定比变速副。⑶、确定变速轴轴数变速轴轴数=变速组数+定比变速副数+1=3+1+1=5。⑷、确定各级转速由、、z=12确定各级转速：800、560、400、280、200、140、100、71、50、35.5、20r/min。⑸、绘制转速图在五根轴中，除去电动机轴，其余四轴按变速顺序依次设为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（主轴）。Ⅰ与Ⅱ、Ⅱ与Ⅲ、Ⅲ与Ⅳ轴之间的变速组分别设为a、b、c。现由Ⅳ（主轴）开始，确定Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ轴的转速：先来确定Ⅲ轴的转速变速组c的变速范围为，结合结构式，Ⅲ轴的转速只有一种可能：100、140、200、280、400、560r/min。②确定轴Ⅱ的转速变速组b的级比指数为2，希望中间轴转速较小，因而为了避免升速，又不致变速比太小，可取，，轴Ⅱ的转速确定为：400、560r/min。③确定轴Ⅰ的转速对于轴Ⅰ，其级比指数为1,可取，确定轴Ⅰ转速为800r/min。由此也可确定加在电动机与主轴之间的定变速比。下面画出转速图（电动机转速与主轴最高转速相近）。齿轮齿数的确定，当各变速组的传动比确定以后，可确定齿轮齿数。对于定比传动的齿轮齿数可依据机械设计手册推荐的方法确定。对于变速组内齿轮的齿数，如传动比是标准公比的整数次方时，变速组内每对齿轮的齿数和及小齿轮的齿数可以从【1】表3-9中选取。一般在主传动中，最小齿数应大于18～20。采用三联滑移齿轮时，应检查滑移齿轮之间的齿数关系：三联滑移齿轮的最大齿轮之间的齿数差应大于或等于4，以保证滑移是齿轮外圆不相碰。根据【1】,查表3-9各种常用变速比的使用齿数。⑴、变速组a:∵，；时：……57、60、63、66、69、72、75、78……时：……58、60、63、65、67、68、70、72、73、77……可取84,于是可得轴Ⅰ齿轮齿数分别为：28、35。于是，，可得轴Ⅱ上的三联齿轮齿数分别为：56、49。⑵、变速组b:根据【1】,查表3-9各种常用变速比的使用齿数,∵，,时：……87、89、90、91、92……时：……87、89、90、91……时：……86、88、90、91……可取90，于是可得轴Ⅱ上两联齿轮的齿数分别为：18、30、45。于是，，，得轴Ⅲ上两齿轮的齿数分别为：72，60、45。⑶、变速组c:根据【1】,查表3-9各种常用变速比的使用齿数,,时：……、85、89、90、94、95、108……时：……84、87、89、90、108……可取108.为降速变速，取轴Ⅲ齿轮齿数为22；为升速变速，取轴Ⅳ齿轮齿数为36。于是得,得轴Ⅲ两联动齿轮的齿数分别为22，72；得轴Ⅳ两齿轮齿数分别为86，36。第5章自动回转刀架的工作原理5.1自动回转刀架的换刀流程自动回转刀架的换刀流程如图5.1所示。图3.1自动回转刀架的换刀流程当数控装置发出换刀指令后（设刀架当前处于锁紧状态即上刀体与下刀体的端面齿相互啮合），电动机正转，通过电动机正传带动蜗杆正转，再经过蜗轮带动螺杆转（通过键联接），作为螺母的上刀体（在上刀体内部加工出内螺纹）要么转动，要么上下移动，此处设计为电动机正转时上刀体向上移动，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，所以螺杆的转动会使作为螺母的上刀体向上移动，从而使刀架抬起，在螺杆旋转的同时也带动上盖圆盘一起旋转（通过螺杆上部的圆柱销和上盖圆盘的销联接），当刀架完全抬起后，端面齿脱离啮合，上刀体上部的圆柱销落入上盖圆盘，上盖圆盘就通过圆柱销带动一同转动，从而实现了上刀体的转位，再通过霍尔元件触发判断上刀体是否转到了工作位置。完成转位后，由微动开关发出信号使电机反转，通过电机反转带动蜗杆反转，再经过蜗轮带动螺杆旋转（通过键联接），螺杆旋转的同时也带动上盖圆盘一起旋转（通过销联接），上盖圆盘通过上刀体上部的圆柱销带动上刀体开始反转，上刀体下部的反靠销马上就会落入反靠圆盘的十字槽内，反靠销反靠，上刀体停转，至此，实现粗定位。螺杆的继续转动使上刀体下降，最后至上刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全啮合，实现精定位，电动机停转，再延时锁紧，整个换刀过程至此结束。5.2自动回转刀架的换刀过程中有关销的位置图3.2表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置。图3.2刀架转位过程中销的位置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，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以及上刀体4一起转动c)上刀体4连续转动时，反靠销6可从反靠盘7的槽左侧斜坡滑出d)找到刀位时，刀架电动机反转，反靠销6反靠，上刀体停转，实现粗定位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落在反靠盘7的十字槽内，上刀体4的端面齿和下刀体的端面齿处于啮合状态（上下端齿在图a中未画出）。需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，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，上端圆盘1也随着螺杆正向转动（上端圆盘1通过圆柱销与螺杆联接），当转过约170度时，上端圆盘1直槽的另一端转到圆柱2的正上方，由于弹簧3的作用，圆柱销2落入直槽内，于是上端圆盘1就通过圆柱销2使得上刀体4转动起来（此时端齿面齿已完全脱开）。如图b所示。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，上刀体停转，至此，完成粗定位，如图d所示。此时，反靠销6马上就会落入反靠圆盘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。在此期间，上、下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。由于蜗杆副具有自琐功能，所以刀架可稳定的工作。第6章六角回转刀架主要传动部件的设计计算6.1蜗杆副的设计计算及电动机的选择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，刀架转位时蜗轮与上刀体直联。由于刀架转动所需的功率较小，根据设刀架为15Kg,上刀体设计转速,则F=150N,V=0.2m/min,。故算出=37.5W查机械设计手册第四版第5卷只有YS5024型电动机符合要求，选取电机参数具体为：额定功率为=40W，额定转速=1380r/min的电动机。所以动力部分选择YS5024型三相异步电机。上刀体设计转速，则蜗杆副的传动比。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，启动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命。6.1.1蜗杆的选型GB/T10085-1988推荐采用渐开线蜗杆（ZI蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。本设计采用结构简单、制造方便的渐开线型圆柱蜗杆(ZI型)。6.1.2蜗杆副的材料刀架中的蜗杆副传递的功率不大，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45～55HRC，以提高表面耐磨性；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZCuSn10P1,采用金属模铸造。6.1.3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，多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为：（4.1）式中a蜗杆副的传动中心距，单位为mm;K载荷系数；作用在蜗轮上的转矩，单位为；弹性影响系数，单位N.mm;接触系数；许用接触应力，单位为MPa从式（4.1）算出蜗杆副的中心距a之后，根据传动比i=36，从机械设计书第245页表11—2中选择一个合适的中心距a值，以及相应的蜗杆、蜗轮参数。①确定作用在蜗轮上的转矩设蜗杆头数=1，蜗杆副的传动效率。有电动机的额定功率=40W,可以算得蜗轮传递的功率，再有蜗轮的转速求得作用在蜗轮上的转矩：=11.753N.m=11753N.mm②确定载荷系数K载荷系数。其中为使用系数，由机械设计书第253页表11—5查得，由于工作载荷不均匀，起动时冲击较大，因此取；为齿向载荷分布系数，因工作载荷在起动和停止时有变化，故取；为动载荷系数，由于转速不高、冲击不大，可取。则有载荷系数：③确定弹性影响系数铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查得弹性影响系数。④确定接触系数先假设蜗杆分度圆直径和传动中心距a的比值，从机械设计书第253页图11—18中可查得接触系数⑤确定许用接触应力根据蜗轮材料为铸锡磷青铜、金属模铸造、蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，可机械设计书中第254页表11-7中查得铸锡青铜蜗轮的基本许用应力。由于蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个齿轮啮合的次数j=1；蜗轮转速；蜗杆副的使用寿命。则应力循环次数：N=60j=寿命系数：许用接触应力:==260Mpa⑥计算中心距将以还是各参数带入式(4.1),求得中心距:查机械设计手册,可取中心距a=40mm,已知蜗杆头数,先设模m=1.25mm,得蜗杆分度圆直径.这时,由机械设计书第253页图11—18中可得接触系数=2.5。因为,所以上述结果可用。6.1.4蜗杆和蜗轮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了。①蜗杆参数与尺寸头数，模数m=1.25，轴向齿距Pa==3.925，轴向齿厚=0.5m=1.9625mm,分度圆直径,直径系数q=16，分度圆导程角取齿定高系数，径向间隙系数则齿顶圆直径=22.5mm齿根圆直径=17.1mm②蜗轮参数与尺寸齿数=49，则i=/=49，这时传动比误差为（53-49）/53=7.5%，由于该装置对传动比要求不高，则该传动比误差满足要求。模数m=1.25分度圆直径=m=61.25mm变位系数=[a-()/2]/m=0.6喉圆直径=+2m(+)=65.25mm齿根圆直径=-2m（-+）=59.75mm蜗轮咽喉母圆半径=a/2=4065.25/2=7.375mm6.1.5校核蜗轮齿根弯曲疲劳强度检验下式是否成立，即可较核蜗轮齿根弯曲疲劳强度。（4.2）式中——蜗轮齿根弯曲应力，单位为MPa；——蜗轮齿形系数；——螺旋角影响系数；——蜗轮的许用弯曲应力，单位为MPa。则蜗轮的当量齿数：=根据蜗轮变位系数和当量齿数=49.29，查手册得齿形系数：=2.06螺旋角影响系数：=1-=0.974根据蜗杆的材料和制造方法，查表机械设计书第256页表11-8，则可得蜗轮基本许用弯曲应力：=56MPa蜗轮的寿命系数：=0.72蜗轮的许用弯曲应力：=29.11MPa将以上参数带入式（5.2），得蜗轮齿根弯曲应力：=29.11<，则设计满足要求。6.2螺杆的设计计算6.2.1螺距的确定刀架转位时，要求螺杆在转动约的情况下，上刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全脱离；在锁紧的时候，要求上下端面齿的啮合深度达2mm。因此，螺杆的螺距应满足，即，今取螺杆的螺距。6.2.2其他参数的确定采用单头梯形螺纹，头数,牙侧角，外螺纹大径（公称直径），牙侧间隙，基本牙型高度，外螺纹高，外螺纹中径，外螺纹小径，螺杆螺纹部分长度。6.2.3自锁性能校核螺杆螺母材料均用45钢，查表4.1，取二者的摩擦因素；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角：而螺纹升角：小于当量摩擦角，因此，所选几何参数满足自锁条件。表6.1滑动螺旋副材料的许用压力及摩擦因素蜗杆-螺母的材料滑动速度/许用压力/MPa摩擦因素钢-青铜低速18～250.08～0.10≤3.011～186～127～10＞151～2淬火钢-青铜6～1210～130.06～0.08钢-铸铁<2.413～180.12～0.156～124～7钢-钢低速7.5～130.11～0.176.3锁紧定位机构的设计6.3.1端齿盘设计端齿盘又称多齿盘、细齿盘、鼠牙盘，是具有自动定心功能的精密分度定位元件，广泛应用于加工中心、柔性单元、数控机床、组合机床、测量仪器、各种高精度间歇式圆周分度装置、多工位定位机构以及其它需要精密分度的各种设备上。端齿盘实际上相当于一对齿数相同的离合器，其啮合过程与离合器的啮合类似。端齿盘的齿形有直齿和弧齿两种，直齿端齿盘加工方便、定位精度及重复定位精度高,弧齿性能良好，允许一定的角位移，但加工复杂，相对加工成本较高，故选择直齿。6.3.2端齿盘的特点在分度及定位装置中，一般用端齿盘作为其精确定位元件它具有以下优点：①分度精度高可高达，实际分度误差等于所有齿单个分度误差的平均值。②分度范围大分度大小与齿数有关。如齿数为360齿时，最小分度值为，用差动端齿分度装置，分度范围更大，例如下盘齿数为96，上盘齿数为360时，就可将一个整圆分成1440个等分(最小分度值为)。③精度的重复性和持久性好重复定位精度可达。由于工作时相当于上下齿盘在不断地对研，因此使用越久，分度精度的重复性和持久性也就越好，而且精度有可能提高。④刚性好因所有齿面同时参加啮合，不论承受的是切向力、径向力还是轴向力，整个分度装置形成一个良好的刚性整体。⑤结构紧凑，使用方便，这一点比其它高精度的分度装置更为突出。⑥维护简便，多次拆装不影响其原有的精度。除以上优点外，它也有一些缺点：①要设计升降机构，使两齿盘间脱开一定的距离(应大于啮合高度)，以实现转位分度。②必须有锁紧机构，防止在使用过程中受外力和力矩作用而使上下齿盘脱开或侧