数控车床自动回转刀架设计

毕业论文（设）题

目

数控车自回转刀设姓系专年

名_____________________别_______电工程系__业_____________________级__________________指导教__________________________年

月

日word档可自由编辑

目

录摘

要...................................................................4......................................................................5第一章

引言.................................................................6第一节述...................................................................................................................................6第二节控车床动回转刀架发展趋...............................................................................第三节设计的要内容...........................................................................................................第二章回刀架方选择......................................................8第一节控车床转刀架的基要求.......................................................................................第二节控车床立式转刀架结构特点.................................................................................第三节架参数确定...............................................................................................................第四节力源的择及方案选结果.......................................................................................第三章回刀架的作原理及过.............................................11第一节回转刀架的构............................................................................................................11第二节回转刀架的工过程....................................................................................................11第四章传机构的计和标准件选取.........................................13第一节第二节第三节第四节第五节第六节第七节

初拟传方案...............................................................................................................选择步电动机.............................................................................................................13蜗杆蜗的设计.............................................................................................................14蜗杆轴设计.................................................................................................................17中心轴设计.................................................................................................................22齿盘的计.....................................................................................................................联轴器选择.................................................................................................................26第五章安调试和度检验...................................................27第一节第二节第三节第四节

安装调.......................................................................................................................精度检.......................................................................................................................维护与养.....................................................................................................................故障及除.....................................................................................................................第六章总

结..............................................................31致

谢..................................................................32参

考

文

献..............................................................33word档可自由编辑

摘

要数控车床的刀架是机床的重要组成部分。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。电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等等。本设计主要是对立式四工位电动刀架机械传动部分的设计，对关键零部件进行了设计校核，并运用AutoCAD软件，做出了回转刀架装配图，对电动刀架有了更直观的了解。最后，在电动刀架的安装调试和精度检验方面，提出了意见和措施

。关键词

:

数控车床

回转刀架

结构设计第一章引言第一节概述数控车床的刀架是机床的重要组成部分。刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。在一定程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。随着数控车床的不断发展架结构形式也在不断翻新中按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架和带刀库的自动换刀装置等多种形式。其中，带刀库的数控加工中心自动换刀装置自研制成功以来，其机械结构和控制方式不断得到改进和完善，形式多种多样，目前常见的有更换主轴头换刀以及带刀库的自动换刀系统。第二节数控床自动回转架的发展趋word档可自由编辑

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。目前国内数控刀架以电动为主，分为立式（如图）和卧式（如图1-2）两种。立式主要用于简易数控车床；卧式刀架有八、十、十二等工位，可正、反方向旋转，就近选刀，用于全功能数控车床。另外，卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。电动刀架是数控车床重要的传统结构，合理地选配电动刀架，并正确实施控制，能够有效的提高劳动生产率，缩短生产准备时间，消除人为误差，提高加工精度与加工精度的一致性等等。另外，加工工艺适应性和连续稳定的工作能力也明显提高：尤其是在加工几何形状较复杂的零件时，除了控制系统能提供相应的控制指令外，很重要的一点是数控车床需配备易于控制的电动刀架，以便一次装夹所需的各种刀具，灵活方便地完成各种几何形状的加工。数控刀架的市场分析：国产数控车床将向中高档发展，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。图1-1立式回转刀架

图1-2卧式回转刀架第节本计主内本次设计主要是针对数控车床立式四刀位电动回转刀架的机械传动部分的设计，word档可自由编辑

主要内容为：⑴回转刀架刀架参数的确定；⑵回转刀架动力源的选择；⑶回转刀架传动机构的设计和标准件的选取；⑷回转刀架的安装调试和精度检验；第二章转刀架方案选择第节数车回刀的本求数控刀架作为数控机床必需的功能部件，直接影响机床的性能和可靠性。数控车床回转刀架的基本要求：⑴转位准确可靠，工作平稳安全；⑵按最短路线就近选位，转位时间短；⑶重复定位精度高；⑷防水、防屑、密封性优良；⑸夹紧刚度高，适宜重负荷切削。CK6140为经济性数控车床。其设计的刀架可与数控车床的数控系统接口相连接，又可配置简易的数控系统，辅助主机完成轴类、盘类等零件的车外圆、端面、圆弧、刀槽、切断、车螺纹、镗孔的加工工序。按照数控车床回转刀架的基本要求和车床的实际情况，本设计初选刀架word档可自由编辑

为立式简易型四工位电动机回转刀架，采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，机械螺母升降转位式的工作原理。第节控床式转架结特数控车床立式回转刀架的结构特点：⑴设置端齿盘作精定位元件；⑵采用霍尔开关（无触点霍尔元件）作信号传输控制，避免了机械接触，延长了使用寿命；⑶可以借助双重粗定位机构，使刀架回转平稳；⑷具有防水防滑作用。第节刀参的定刀尖高是数控车床回转刀架的主要参数国内生产的立式数控车床回转刀架的中心高一般有51～245共计八个规格（具体参见参考文献[1]表此，参照烟台机床附件厂生产的AK21110-4M型回转刀架，初选刀尖高为。其型号及具体规格如表2-1：表2-1刀架参数型

号

中心高mm

工位数

单工位时间s

刀最架转切速矩r/min

电动机功率

电动机转速r/min

最大载重

重复定位精度mm

外形尺寸mmword档可自由编辑

AK21110-4M11042.525.4450120140028

±2″

第节动源选及案择果驱动回转刀架的动力可分为电动机传动和液压传动两大类一般情况下只在卧式数控机床回转刀架中使用液压传动，而其余均为电动刀架，故对选用时应取电动机作为回转刀架的动力源。通过对数控车床回转刀架的基本要求，结构特点，动力源及基本参数的分析，可以得出CK6140回转刀架的设计方案如下：⑴立式简易型；⑵伺服电动机直接驱动；⑶刀尖高为110，工位数为；⑷外形尺寸为200×200×252（长×宽×高⑸采用霍尔开关作为信号传输控制元件；⑹转位时刀架需要抬起，高度为5。第三章转刀架的工作原及过程第一节回转刀架的成立式数控车床回转刀架由固定部分（刀架基座或下刀体，转动部分（刀架座或上刀体）和驱动电动机三部分组成，并采用了卧轴外露式电动机布局。word档可自由编辑

第二节转刀架的作过程本设计回转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，如图-1所示，其工作过程如下：⑴刀架抬起当数控系统发出换刀指令,通过接口电路使电机正,经传动装2驱动蜗杆蜗轮机构1轮带动丝杆螺母机构8逆时针旋转,此时由于齿盘3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3、4脱离啮合状态,从而带动上刀架和齿盘产生“上台”动作。⑵刀架转位当圆套8逆时针转150时，齿34全脱开，此时销钉准确进入圆8的凹槽中，带动刀架体转位。⑶刀架定位

当上刀架转到需要到位后（旋转0°、180°或270°控装置发出的换刀指令使霍尔开关中的某一个选,当磁性0与被选通的霍尔开关对齐后,霍尔开关反馈信号使机反,插销7弹簧力作用下进入反靠盘5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7使上刀架移到齿盘3、4重新啮合,实现精确定位。⑷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。word档可自由编辑

图3-1回转刀架第四章动机构的设计和准件的选取word档可自由编辑

第一节初拟动方案参考烟台机床附件厂生产AK21110-4M动回转刀架的刀架转n=25.4r/min电动机的转速为400r/min，初步确定传动i轮蜗杆传动。

1400

55。故选用具有较大传动比的蜗第二节选择步进电机一电机需的率查参考文献[1]表的AK21110-4M动回转刀架的电动机功率P=120,转速n=1400。二确步电机由P=120可查参考文献[1]表4.8-16，可得以下几种型号电动机的主要指标，如下表4-1所示。表4-1电动机主要技术指标主要技术数据

外型尺寸（mm

）齿

最大静

最高空

运行

相

电

电

外

长

轴型

距

转矩

载启动

频率

重号

角

频率（步/

（步/秒）

数

压v

流A

径

度

径

量秒）45BF003Ⅱ70BF00190BF003

3/61.5/31.5/3

2420

310040001500

120016008000

353

606060

23.55

457090

8290125

469

0.381.64.2考虑到步进电动机与联轴器的配合及合理的安装尺寸在其满足功率的前提下优先选择尺寸较小便于安装、拆卸、清理、维护的型号，比较三个型号的功率如下：word档可自由编辑

45BF003ⅡP=120W70BF001P=21090BF003=300W,考虑三者的外径安装尺寸Ⅱ型步进电动机明显优越于后者，故综合考虑选择Ⅱ型步进电动机比较合适，查参考文献[1]表选取型步进电动机配用的驱动电源型号为BQG1-002。第三节蜗杆蜗轮的计一选蜗传类、度级由于传动的功率不大，速度也不高，故选用阿基米德圆柱蜗杆传动，精度为：8C-GB10089-88。二选蜗蜗材考虑到蜗杆传动功率不大，速度中等，故蜗杆用号钢表面淬火，硬度为45～55HRC，蜗轮边缘采用ZCuSn10P1,金属模铸造。三初几参查参考文献[2]表8-4-4，初定中心=50,传动i=时，Z=1Z=Z?i12=1.6=20r=′26″1四确许接应查参考文献[2]表8-4-9知,当蜗轮材料为铸青铜时，[]=[H

Hb

]

S

Z

由表8-4-10查得word档可自由编辑

221骣琪琪骣琪琪琪221骣琪琪骣琪琪琪

Hb

]=220滑动速度：1

1400203.14?

-3

=1.47m/suu1==1.47/sr34'26"采用浸油润滑，由参考文献[2]图8-4-2查得：ZS根据参考文献[2]表8-4-4N=nt,，设计工作寿命12000小时，求得2根据N=1.97?

1400760t=60创12000=51，由图8-4-4查=0.91，许用接触应力为]=[H

Hb

]

S

Z0.930.91=186五计蜗输转T2估算传动效率hiT=n1

0.75511400

31.31N?六确模m和蜗分圆直由公式可得：m2³

[sH]

kT因载荷较平稳，取载荷系数=1.1,则?

sH]

kT

琪

1.131.31=

查参考文献[2]表8-4-2得m

2

89.61

3

，取，d=22.4mm，r=5°6七主尺计word档可自由编辑

1ⅱ1ⅱ蜗杆:分度圆直径：d；1齿顶圆直径a11

*

m==26.4；齿根圆直径：=-**)=22.42(1+0.2)?17.6；f11a蜗轮：分度圆直径mZ2?mm2齿顶圆直径：

a2

=dh2a

*

m=mm；齿根圆直

f2

=d-2(*+*)=102-2(1+0.2)?97.22a蜗轮外圆直径：?de

a

1.5=106+1.5?2，取=108mm蜗轮齿宽b0.752中心距：

a

0.75?,取b211ad+d+2cm=-2)=22八蜗齿接强校由参考文献[2]表8-4-9，可得s

14783kT=[s]d由于几何参数已经确定，故与T可按已知的几何参数重新计算2dn´n1=r6'8"

=1.65m/由参考文献[2]表8-4-15用插值法查r=，则蜗轮副啮合效率为gh1

tanrtan(r+r)g

tan56'8"6'8")

100%取轴承效=99%，搅油及溅油效=，则蜗杆传动的总效率为：2h=69.5%97.5%65.36%1由此可得：word档可自由编辑

212512212512hiT=1n1

9550?

0.12511400

由

m/s，由参考文献[2]8-4-9取=1,k=1,k=1.15k，则6kkkkk=11.15?0.751.311125将此时的k与T代入蜗轮齿面接触强度校核公式，得：2s

H

=

1478314783´27.282==183Mpad2显s

H

<[s]所以满足接触强度要求。H九散计由公式h，传动损耗的功率为：s=1000(1-0.6536)=Ws1由公式p=kA(t-t)设计要求£可推出：c2cp³sk(t-t)1考虑到通风良好，Wm

2

,t=℃,t=20℃，则A

m

若蜗杆减速部分散热的计算面积A不满足以上条件可以采用强迫冷却方法或增加散热计算面积的方法来满足散热要求。第节蜗轴设一蜗轴材选及定用力word档可自由编辑

55考虑蜗杆轴主要传递我轮的转矩，为普通用途中小功率减速传动装置。因此，蜗杆材料选用45钢，正火处理[s]=Mpa[s]=b-二初估轴最直由公式得：

。d110

3

n

110

3

1400

=4.85mm取d=6mm三确各段直和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如图示。图蜗杆D1、D5段：D1、段轴径由轴承内圈孔来决定，考虑到轴所传递功率不大，转速较低，选用推力球轴承，型号为5，d=10，d=11mmD=24mm，D=24mm，11Tmm。因此，轴径d=d=10mmL=20mmLmm11D2、D4段：D2段左端对轴承起轴向固定作用，段右端对轴承起轴向固定作用，由于两处轴承型号相同虑到加工安装的方便d=d=16mm=55mm=55mm242D3段：D3段为蜗杆蜗轮啮合部分，取d=22，L50mm33两轴承的中心跨度为174，轴的总长为250mm四蜗轴校⑴作用在蜗杆轴上的载荷由公式得：word档可自由编辑

tt2ntt2nT=9.55?1

6

2T1F=td16n

=818.57N?mm=??2则圆周力：T2818.57F=d22.41

N轴向力：F

a

T27285.9=2=d1022

535径向力:=Fr

t2

a=194.7N图蜗杆向受力析切向力：FF=tarn

535cos20cos56'8"

517.6⑵计算支反力word档可自由编辑

图4-3轴的水面支反力水平面支反力（如图4-3R

Fl´84.5t1=ll1691

36.54垂直面支反力（如图4-4R

=F-Rr

=194.7RBV

FlF?d/535?22.4r1=l+l1

N⑶弯矩计算水平面弯矩（如图4-5）:R

=R?l

2

36.54?84.5N图水平矩图word档可自由编辑

图垂直矩图图合成矩图垂直面弯矩(如图：M

CV1

=R?l1

137.53?84.511621.29?mmM

CV2

=R?l2

N合成弯矩（如图4-7

C

=

2

+M

CV

2

=3087.63

2

2

mm

=

2

CV

2

=3087.632+4830.872=N?mm⑷弯扭合成强度校核截面C处当量弯矩：=e

2C1

+(2)

2

=12024

2

+(0.6?818.57)

2

N?由参考文献[3]公式（17-5）可得word档可自由编辑

eeM12034s=e0.1

3

/mm

2

<]=54Mpa-b故蜗杆轴的强度足够。第五节中心轴的设一中轴材选及定用力由于中心轴速度较低，传动力矩不大，为空心轴，故选用一般钢材钢，调质，硬度为217～255HBS[]=Mp[]Mpb-b二计轴传的矩轴所传递的转矩为T=10

6

n

6

0.12´0.75

31311.48?mm三初估轴最直由公式可得d³

110

n式中：d—危险断面处的轴径，mm—计算轴传动的额定功率；KWn—轴的计转速,r/minword档可自由编辑

d?

3

n

110

3

0.75

=16.34mm取轴的直径dmm四确各段直和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，如图所示。图中心轴D1段：根据安装要求和估算最小直径，取，L1=50mm。D2：D2与轴承配合，其直径由轴承内径决定，结合实际工作情况，选择推力球轴承，型号为：511404，d=20mm，d1=21mmD=35mm，D1=35mm，T=10mm。因此，d2=20mm，L2=65mm。D3段：取d3=22mm，L3=93mm。D4：D4与轴承配合，其直径由轴承内径决定，结合实际工作情况，选择推力球轴承，型号为：511405，d=25mm，d1=26mmD=42mm，D1=42mm，T=11mm。因此，d4=25mm，L4=30mm。第六节齿盘的设计一齿的料择精等上下齿盘均选用45号钢，淬火，180HBS，初选7级精度等级。word档可自由编辑

****二确齿参考虑齿盘主要用于精确定位和夹紧，齿形选用三角齿形，上下齿盘需相互啮合，可选相同参数。当蜗轮轴旋转150°时，上刀架上升mm齿盘的齿高取4mm。由公式=(2a

*

+c

*

得：m=

42h*c*a取h=1.0,c=0.25则a4m=2h*c*2?1.0a取标准值m=2mm齿盘齿全高:

(2a

*

+c

*

m=12mm齿盘内圆直径d=140，齿盘外圆直径=160mm12齿顶高：=*m22a齿根高=(*c*)m(1+0.25)?fa齿数:z=100齿宽:b齿厚:s=

pm2=2齿盘高为10mm三校齿弯疲强校核公式为：word档可自由编辑

bdmFFaSa1FbdmFFaSa1F2s

F

2Y?[]SaF1⑴确定有关计算参数和许用应力T=9.55?

6

Phn

9.55?10

6

0.120.75

33838.58⑵取载荷系数k=1.5⑶齿形系数查参考文献[3]表13-7，取YFa

YFa

=2.63⑷应力修正系数查参考文献[3]表13-7，取Y

=

⑸弯曲疲劳强度极限查参考文献[3]图13-7，得：s

Flim1

s

Flim2

Mpa⑹弯曲疲劳强度寿命系数查参考文献[3]图13-9查得：Y=N⑺弯曲疲劳强度安全系数取弯曲疲劳强度最小安全系数=1.4⑻计算许用弯曲应力

[

F

]

F

]

s

FN1SF

160´11.4

=114.23Mpa⑼校核齿根弯曲疲劳强度s

F

s

F2

2kT1.5==36.23<[]=s]bdm101满足弯曲疲劳强度要求。word档可自由编辑

第七节联轴器的选常用联轴器已标准化选用时可以根据载荷特点作情况和条件合适的类型，再根据轴传递的转矩及参数选择。由参考文献[1]公式（3.13-1）得n

9550

n式中：T—联轴器公称转矩；m；T轴传递理论转矩；m；—驱动功率；；作转速；r/min；k—工作系数，取k=2?9550n

n

9550?

0.12´1400

N由于联轴器是连接步进电动机和蜗杆的，在工作过程中可能有轻微振动，且频繁启动，故选用弹性套柱销联轴器，如TL、HL、型。查参考文献[1]表选择TL1型弹性套柱销联轴器，其标记为：

ZC914JB´20

432384word档可自由编辑

第五章装调试和精度检第一节安装调试在安装时请参阅本说明并认真核对与本说明相应的装配图。另外在安装过程中还应注意：（1）刀架需要安装在配套的中拖板（其安装刀架上平面的平面度误差允许值为0.006mm）上。安装应保证刀架刀盘上的刀具刀尖与机床主轴中心等高；一般可以在刀架与中拖板间加垫板来调整，垫板的厚度由实际中心高测定。（2）刀具和机床用4个螺钉和2个圆销连接，中间没有过渡垫板。在刀架刹紧状态下，应调整转塔轴线与机床主轴轴线平行度在mm内。（3）在刀盘上安装刀夹和刀具时，应最大限度的保护重量平衡，使刀架转动平稳和防止刀盘过冲。（4）刀架发调装置在出厂前已调好安装时其参数一般情况下不可随意调整。（5）数控系统与发调系统连接时，必须注意并严格分清线号及颜色，不可将线接错。（6）刀架安装调试完毕后，应首先接线试机。电源接通后如发现电动刀架不能转动等异常现象应立即关闭电源，调换电机电源相序，然后再通电试机。第二节精度检验本说明严格参照JB2670—82<<金属切削机床―精度检验通则>>执行数控卧式车床标准JB4369—86本设计主要针对电动回转刀架所以在精度检测这一环节中仅针对与本设计相关的精度进行检测。word档可自由编辑

表回转刀架的精检验允许误差

检验

检验方法（参照序

检测项目

D<=

800<=

工具

关条文）号G11

塔工具轴与与主轴线的重合度平面内b,在次平面内

800D<=1500a和b0.030.04

专用将指示器固定在主轴端专指示用检具上使其测头触及转器和塔工具孔表面或触及紧密专用插入工具孔中检测棒表面。夹具G12

塔附属具a和b

指示指示器固定在主轴端步专装在基端0.075/100对主轴线的垂直.a和b同上

器

用检具上使其测头触及专转塔基面使主轴旋转并检测检测时应接近主轴端部G13

塔工具轴

a和b

指示将检测棒紧密装入转塔工对溜板动的平行度.a,b同上

0.020

0.030

器和具孔中。固定指示器，使测检测头触及检验棒表面将检验棒棒旋转180再同样测一次G14

塔附具位a：在100测量

指示固定指示器使其测头触及的精度a,

长

度

上器

转塔安装基面每个工序需位面对板

0.020

检测一次G15

移动的平行b：0.025度;b,定位面的同一度塔附具装a：在100测量指示固定指示器使其测头触及基面的精度

长

度

上器

转塔安装基面每个工序均装基面溜word档可自由编辑

0.020

需检测

移动的行b：0.025度b,定位面的同一度G22

回转刀架的重复定位精度

0.010

指示器和检测

检测棒在回转刀架的工具孔或附孔其中固定指示器其测棒

头沿回转刀架切线方向触及检验棒表面上，记下指示器读数，将转塔由测试位置移出，转位360度再移至测试位置记录读数少检验7次每个工位均需检验G11－G15是回转刀架体的刀夹具安装基准的位置对主轴旋转轴线导轨之间的关系，也影响刀具，夹具的正确安装。G22是回转刀架的重复定位精度，也影响被加工零件（批量）的尺寸分散度，根据回转刀架的特征，采用了检测棒与指示器配合，在现场易于实施的检验方法，误差计算也规定位易于计算的极值法。即位置偏差的最大值与最小值之差值。它与数理统计法比较，同一次测量，其计算结果前者反映的误差值较后者较小，计算方法，前者简单，后者复杂。若按数理统计的计算关系式，他们之中存在着一定的关系，各有特点。根据用途，这两种计算方法均应用。第三节维护与保养（1）为了保持机床工作时的安全，应定期对刀架做精度检查，一般一年一次为好。（2）定期对刀架各运动部位添加足够的润滑脂，一年添加一次为宜。（3）一年保养电机一次，其中包括检查，润滑和更换轴承等。（4）刀具切削力不应超过额定值。否则，会引起刀架变形，使加工精度降低，甚至损坏刀具和刀架。（5）每班清扫刀盘上的铁屑。第四节故障及排除word档可自由编辑

一刀无启（1）检查电源是否接通。（