数控车床六角旋转刀架三维设计设计

东北大东北大学毕业设计(论文)东北大学继续教育学院GRADUATEDESIGN(THESIS)设计(论文)题目数控车床六角旋转刀架三维设计学习中心专业指导教师如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！摘要发生了根本性的改变，但是，产能只是满足量的一面，低档次产品价格低廉、功能不齐、适应性差，其生命力亦不会太强。只有满足质的方面、满足数控机床性能要求方面的产品才是最重要的差距，而重要的原因是功能部件行业赶不上数控机床的发展。数中占有非常重要的位置，几年来受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发本课题研究的是数控车床最重要的部件之一：旋转刀架。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。在某种程度上，刀架的结构和性能体现了机床的设计和制造技术水平。关键词：数控机床数控车床旋转刀架如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！ 1.1选题的目的和意义 41.2数控刀架的发展现状及发展趋势 41.3我国数控刀架的发展现状 61.4本文主要研究内容 6 2.1机床刀架的基本要求与功用 72.2总体方案的确定 8 2.4刀架转位机构设计 122.5刀架定位机构设计 142.6电动机选择及安装形式的确定 17 3.运动设计及刀架主参数确定 20 3.2刀架主参数确定 21如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！ 4.刀架零件设计、计算及校核 234.1蜗杆蜗轮选用及校核 224.2蜗杆轴结构设计及校核 284.2.1蜗杆轴材料选择 28 4.2.3蜗杆轴结构设计 294.2.4轴的受力分析 314.2.5校核轴的强度 364.2.6校核见链接的强度 37 如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！1.绪论1.1选题的目的和意义数控机床是集机械、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，它在数控机床中占视并得到了迅本课题研究的是数控车床最重要的部件之一：旋转刀架。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。1.2数控刀架的发展现状及发展趋势如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！电动刀架以欧洲为代表。由力矩电动机驱动，凸轮控制齿盘的松开和刹紧，与定位动作由电磁铁完成，位置信号由编码器发出，采用齿轮减速完成分度、松开、刹紧动作。液动刀架以日本技术为基础，日本、韩国和我国台湾省为代行共扼凸轮分度和预定位，液压松开刹紧，位置信号用组合传感器发出。随着主机技术向高速、复合方向发展，数控刀架技术也向高速化、复合方。主要表现在：(1)高速化开放式伺服电机及驱动技术的发展，使伺服电机驱动刀架技术发展成为现实。伺服电机代替了预定位置装置、发(2)复合化车削中心的出现，使刀架技术向复合化更高层次rminKw几年2.总体结构设计如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！1.3我国数控刀架的发展现状面有了较大突破，特别是在及时跟踪国外先进技术，不断开发推出新品，满足主机配套发展的需要等方面有了长足发展。作为数控车床的核心功能部件之一，数控刀架虽然取得了较大进步，但与国外的水平相比，仍有一定的差距，成为制约主机发展的瓶颈因素之一。1.4本文主要研究内容在一次装夹中完成多道工序，使加工范围扩大，大大提高了加工精度和生产效率。本次设计的主要内容为：1.刀架总体结构设计2.传动结构设计3.分度机构设计4.典型零部件设计5.生成计和传动机构设计为本次设计重点，决定了数控刀架的整体精度。如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！2.1机床刀架的基本要求与功用2.1.1数控车床刀架的基本要求(1)满足工艺过程所提出的要求机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同。工各工件表面。为例实现工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便转位。(2)在刀架上要能牢固的安装刀具在刀架撒谎能够安装工件间精确状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动以便于长期保持刀具的正确位置。(3)刀架应有足够的刚度由于刀具的类型、尺寸各异，质量相差较大，刀具在自动转向过程中方向变化较复杂，而且有些刀架还直接承受切削力，考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀架必须有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！(4)可靠性高由于刀架和自动换刀装置在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也很高，所以必须充分重视它(5)刀架换刀时间尽量短，以利于提高生产效率。(6)操作方便安全。2.1.2数控车床刀架的功用多采用步进电机(或伺服电机，或液压马达)驱动，通过减速机构 (液压马达驱动的刀架除外)、行星机构、马氏机构或凸轮机构来完成刀架的松开、抬起、转位、定位和夹紧动作；它可按主机车床加工程序的自动化和高效化。因此，刀架的性能和结构往往直接影响到机床的切削性能、切削效率和体香了机床的设计和制造技术水平。2.2总体方案的确定数控车床刀架大体上可分为转塔式刀架和直排式刀架两大类。转塔式刀架又分立式数控转塔刀架和卧式数控转塔刀架。立式数控转塔刀架是回转轴线与安装基准面垂直、可装夹多如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！把刀具或工具，采用数字信息指令控制转位的刀架。他通过常用经济型数控车床和将普通车床改造为简易数控车床的重要配套附件。配置简易的数切槽、切断、车螺纹、镗孔和攻螺丝等加工工序。装夹多把刀具或工具，采用数字信息指令控制的刀架。它利用装夹于刀盘上的非动力刀架和动力刀夹来夹持各种不同用途的刀工序所用的刀具达到指定的工位，来实现主机的自动换刀动作。其驱动转塔刀架的动力源有电机传动和液压传动两大类。根据两种转塔刀架的特点和本次设计任务的要求选定设计的转塔刀架为立式简易数控刀架(图2-1)。如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！图2-1立式简易数控刀架2.3刀架基本结构、工作原理及动作顺序2.3.1数控刀架基本结构如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！图2-2立式简易数控刀架结构数控车床刀架基本结构有：(1)驱动装置有电机驱动或液压驱动(2)分度装置主要分间歇分度机构和连续分度机构(3)预定位装置到达所需工位后停止分度运动，以便于齿盘正确啮合。电动驱动刀架，利用霍尔元件发出信号控制电机反转实现预定位(4)松开刹紧装置齿盘的松开刹紧，为了完成快速刹紧等来实(5)精定位装置刀具切削时需要很高的刚性和定位精度，因此刀架都选用齿盘副为精定位元件。(6)发信号装置发信号装置为霍尔元件(7)装刀装置包括刀盘、刀架及夹刀装置2.3.2电动刀架基本工作原理(1)电机启动正转，驱动蜗轮蜗杆转过一个角度，是安装蜗轮的轴向前运动，使两端齿盘分离，刀架升起(2)电机继续旋转时，拨动涡轮轴突起部分，完成转位分如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！度(3)到达预选位时，发令让电机停止正转并立即反转(4)电机反转，蜗轮轴后移，两端齿盘啮合(5)夹紧到一定程度，蜗杆克服弹簧作用轴向移动，同时推动开关挡铁做轴向移动。是关车开关发令使电机停转2.3.3刀架动作顺序立式数控车床旋转刀架的动作顺序如流程图2-3图2-3刀架动作流程图2.4刀架转位机构设计本设计采用小功率异步电机驱动蜗杆、蜗轮实现刀架转位，转为的速度和角位移均可通过半闭环反馈进行精确控制加以实如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！图2-4交流电机驱动的刀架转位机构(d)图2-5刀架转位抬起的动作示意图为了提高到家的转位分度精度，采用了单头双导程蜗杆，以便在的转位分度，如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！(a)刀架刹紧状态或转位开始，转位销的位置；(c)刀架转位90°霍尔开关发出电机反转信号时，转位销和(d)刀架反靠到位和落下刹紧时，转位销和定位销的位置2.5刀架定位机构设计于圆柱销和斜面销定位是容易出现间隙，圆锥销定位精度高。它进入定位孔时一般靠弹簧力或液压、气动，圆锥销磨损后仍可以端齿盘机构实现精定位。2.5.1端齿盘的应用的精密分度定位元件，广泛应用与加工中心、柔性单元、数控机床、测量仪器、各种高精度间歇式圆周分度装置、多工位定位机工装如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！齿形有直齿和弧齿两种，直齿端齿盘由于加工方便、定位精度及重复定位精度高而合过程与离合器的啮合类似。2.5.2端齿盘的特点在分度及定位装置中，一般利用端齿盘作为其精确定位元具有以下特点：(1)分度精度高在一副端齿盘中，实际分度误差等于1=(2-1)此为端齿分度的“误差平均效应”。由于误差平均效应，使分度精度大大提高，是端齿盘的分度精度可高达0.1″。且齿数越多分度越高。端齿盘啮合齿是沿圆周向心分布的，一对齿盘啮使用中的磨损对定心精度几乎没有影响。(2)分度范围大端齿盘的分度大小与齿数有关。端齿盘如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！齿的端齿盘，最小分度值为1°。用差动端齿分度装置，即利用两副齿数不同的端齿盘叠在一起并作相对分度运动时，分度范围更大。(3)精度的重复性和持久性好精度的重复性和持久性好重复定位精度可达0.02″。一般的机械分度装置的精度，随着分度装置的使用而出现磨损，将逐渐降低分度精度。但端齿盘在使用过程中，却相当于上下齿盘在不断地对研，因此使用越久，齿面接触面积越大，上下齿盘啮合越好，分度精度的重复性和持久性也就越好而且有可能提高精度。(4)刚性好因所有齿形沿圆周方向均匀分布，上下齿盘啮合时齿面无间隙，故啮合时能自动定中心，不论承受的是切向1)机构紧凑，使用方便2)维护方便3)不能进行任意连续分度端齿盘定位由两个齿形相同的端齿面齿盘相啮合而成，由于啮合时各个齿的误差相互抵偿，起着均化误差的作用，定位精度如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！齿盘的齿形角一般有2a等于90°和60°两种，齿盘的齿数tan=z(2-2)一般齿盘外径均在100-800mm之间，且a，Z，D定位基准1外径d，重合厚度均已标准化。本设计中齿盘参数的确定见第四分。2.6电动机选择及安装形式的确定2.6.1电动机型号选择六角回转刀架所需驱动功率非常小，仅需克服螺纹传动阻力，并能提供一定程度的夹紧力，电机负载平稳，对启动、制动2.6.2电动机电压和转速的选择如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！动比值，两者互相配合，经过技术、经济全面比较才能确定。通常，电机的转速不低于500r/min。因为当功率一定时，电动机转速越低，则其尺寸越大，价格越高，而且效率也越低，如选择分变得复杂。对于要求快速频繁启动、制动的机械，电动机的转制动效果。综合考虑，选择电动机额定转速为1400r/min。根据以上分析，并参考相关数控车床到家厂家电机型号，确定本设计的电动机为小功率三相异步电动机，其具体参数为：2.6.3电动机结构及安装形式的确定装形式，此结构端盖上有凸缘，凸缘有螺孔，并有止口，凸缘在如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！图2-6电动机外形及安装尺寸2.7本章小结及功明了电动机的选用原则并最终选择了A02-6314电机作为本次设计的驱动的电(3-2)如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！3.运动设计及刀架主参数确定3.1运动设计本设计的数控车床六角回转刀架采用A02-6314小功率异步电动机驱动，蜗轮蜗杆传动，电动机额定转速P为1400r/min。额 则蜗轮最小转速n=amaxmint(3-1)带入数据，可得n/(r.min1)=360=25 min360 又知电动机转速n=1440r/mind则总降速比ni=dnmin如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！i=d=n采用单头双导程涡轮传动。一般z=28~80，因此不必在蜗2杆端加齿轮加速机构，使用单蜗轮传动就能满足降速比要求，取23.2刀架主参数确定3.2.1中心高确定定床上所加工零件的工序数量来选择，若加工零件越复杂，工序数量越多，一般选择的刀架的工位数也越多，本设计为数控车床六角旋转刀架设计，选择六工位。3.3本章小结蜗121如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！定位。传动比的确定要满足转位时间要求。根据这些要求，确定蜗杆机构传动比为56，并根据中型数控机床确定了本次设计数控车床刀架的主参数。4.刀架零件设计、计算及校核4.1蜗杆蜗轮选用及校核考虑到传递功率不大，转速也不高，蜗杆选用45#钢制造，s故蜗轮轮缘选用铝青铜ZCuAlFe，金属模铸造。4.1.2确定蜗杆头数，蜗轮齿数如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！4.1.3按齿面接触疲劳强度确定模数m和蜗杆分度圆直径d(4-1)式中m—蜗轮端面模数，m=2mm；1T—作用在蜗轮上的转矩；2HZ—材料弹性系数。E 21则21N1(4-2)P—蜗杆输入功率，P=120W1(2)确定载荷系数K(4-3)式中K=KKKAVbK—使用系数；A如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！K—动载荷系数；VK—工作载荷系数。b由[3]表9.4，查取使用系数K=1.0；假设蜗轮圆周速度Atan5.1tan5.1VbAVb(3)确定许用接触应力[求]由[3]表9.6查取许用接触应力HH(4)确定材料弹性系数Z对于青铜或铸铁蜗轮与钢制蜗E杆配对时，取Z=160MPE(5)确定模数m和蜗杆分度圆直径d1如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！4.1.4计算传动中心距a蜗轮分度圆直径d=mZ22(4-4)22中心距a12(4-5)m2124.1.5验算蜗轮圆周速度v、相对滑动速度v及传动效率ns2Vtany=1d1(4-6)1s如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！显然v<6m/s，与原假设相符，选用ZCuAlFe做蜗轮材料合适。s103由2 (4-7)所以tanytan5.1tan(y+p)tan(5.1+3.6) 4.1.6蜗杆和蜗轮主要几何尺寸计算(1)蜗杆几何尺寸计算1(4-8)代入数据，得蜗杆轴向齿距1y=d A蜗杆齿顶圆直径d=d+2h=26.4mm，a1a1f1如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！s==0.16mma2ma(2)蜗轮齿数计算Z56验算传动比：i=2==56，Z56Z1122a22f2a22a*2f2-1：如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！4.2蜗杆轴结构设计及校核4.2.1蜗杆轴材料选择因传递功率不大，并对质量及结构尺寸无特殊要求，故选用45#钢，调制处理。4.2.2初算轴径轴受转矩作用时，其强度条件为[3]d==mm(4-9)W—抗扭剖面模量。T如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！P=0.12kW，则P0.12d3n=31400=4.68~5.14mmd05=5.40mm。4.2.3蜗杆轴结构设计图4-2蜗杆轴结构设计草图(1)轴承部件的结构形式刀架体采用整体式结构。因传递功率不大，刀架发热小，轴长度不会超过300mm，故轴承部件的固定方式可采用两端固定方式。然后，可以按轴上零件的安装顺序，从d处开始设计。n(2)联轴器及轴端①在本设计中d就是轴段①的直径，n又考虑到轴段①上安装联轴器，因此，轴段①的设计应和联轴器的设计同时进行。因结构简单，联轴器采用套筒式刚性联轴器。如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！考虑到A02-6314电机伸出轴轴径d=11mm，由机械设计手册差的平键套筒联轴器的内径为12mm，轴段①的长度应符合联轴器的安装要求，故取l=15mm。1(3)密封圈与轴段②及轴段⑤在确定轴段②和轴段⑤直径时，应考虑联轴器的固定及密封圈的尺寸和轴承型号几个方252525(4)蜗杆与轴段③及轴段④蜗杆齿根圆直径为17.6mm，434(5)键连接联轴器与轴用A型普通平键连接，为键412GB/T1095-2003。完成的结构设计草图如图4-2，三维模型如图4-3。21如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！4.2.4轴的受力分析(1)蜗杆传动受力分析如图4-4图4-4蜗杆传动的受力分析蜗杆蜗轮传动的力矩P(4-10)1F=FF=F=2t2a1dF=F=73.1Nt2a1d(4-11)式中P—蜗杆轴的传递功率，120W；1nrmin；n—蜗轮蜗杆传动的效率，n=0.6。代入数据，得1400(4-12)(4-13)(4-14)则F=F=2T1t2a1d12F=F=Ftanarra121在垂直平面上如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！F=F=2=458.9Nta1d2rra21 (2)计算支撑反力，如图4-5(a)、(b)在水平面上0.5FdFLR/N=a11r121HL+L3(4-15)则1HL+L208.530.5FdFLR/N=a11r132HL+L3(4-16)2HL+L208.53如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！R/N=L2F=36.8，R/N=L3F=36.32VL+Lt11VL+Lt12323R/N=R2+R211H1V(4-17)则R/N=R2+R2=59.42+36.82=69.911H1VR/N=R2+R222H2V(4-18)RNRR107.52+36.32=113.522H2V(3)画弯矩图，如图4-5(c)、(d)、(e)在水平面上aH1H3aH2H2在垂直平面上aV1V3如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！aV2V2合成弯矩M/(N.mm)=M2+M2=7205.0aaHaVM'/(N.mm)=(M')2+(M')2=11930.6aaHaV(4)画转矩图，如图4-5(f)r如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！4.2.5校核轴的强度aa剖面右侧，因弯矩大，还有转矩，故aa剖面右侧为危抗弯剖面模量抗扭剖面模量如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！弯曲应力M11930/MPa===21.9bW545.2扭剪应力T818.57TW1090.4r按弯扭联合强度进行校核，蜗杆轴单向转动，转矩可按脉动循环处理，取折合系数a=0.6，则ebb1b4.2.6校核键连接的强度p/MPa=1pdhl(4-19)dmm；如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！1pdhl11416PPP4.3齿盘结构设计齿数可根据分度要求，即需要分度的最小分度值9来确定。Z=360min9(4-20) 旋转刀架采用六工位，安装六把刀，最小分度值为60，为满足精度要求，设计Z=72，可以实现最小值为5°整数倍的分位。故可以实现分度要求。4.3.2端齿盘外径D如不慎侵犯了你的权益，请联系我们告知！结构允许的情况下，外径越大越好，这样可以增强分度或定位机构的稳定性。本次设计中，由于结构限制，取齿盘最大外径4.3.3齿根角(啮合斜角)对于直齿端齿盘，为例保证在齿宽方面上的啮合质量，加工，即齿根角或啮合斜角(如图4-6)，以保证齿盘大端和小端的齿厚与齿4-6端齿盘剖视图如不慎侵犯了你的权益，请联系我们