毕业设计(论文)-数控车床4工位自动回转刀架结构设计-精品Word文档格式.doc

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1.2数控车床自动回转刀架的发展趋势……………………………1

1.3刀架的设计准则…………………………………………………2

1.4刀架的主要技术参数……………………………………………2

第2章数控车床自动回转刀架设计…………………………4

2.1刀架的工作原理…………………………………………………4

2.2步进电机的选用…………………………………………………5

2.3蜗杆及蜗轮的选用与校核………………………………………6

2.3.1选择传动的类型和精度等级………………………………………6

2.3.2选择材料和确定许用应力…………………………………………6

2.3.3按接触强度确定主要参数…………………………………………6

2.4蜗杆轴的设计……………………………………………………8

2.4.1蜗杆轴的材料选择,确定许用应力………………………………8

2.4.2按扭转强度初步估算轴的最小直径………………………………8

2.4.3确定各轴段的直径和长度…………………………………………9

2.4.4蜗杆轴的校核………………………………………………………10

2.4.5键的选取与校核……………………………………………………14

2.5蜗轮轴的设计…………………………………………………14

2.5.1蜗轮轴的材料选择,确定许用应力………………………………14

2.5.2按扭转强度初步估算轴的最小直径……………………………14

2.5.3确定各轴段的直径和长度…………………………………………15

2.6中心轴的设计…………………………………………………15

2.6.1中轴的材料选择,确定许用应力…………………………………15

2.6.2确定各轴段的直径和长度…………………………………………15

2.6.3轴的校核……………………………………………………………16

2.7齿盘的设计……………………………………………………17

2.7.1齿盘的材料选择和精度等级……………………………………17

2.7.2确定齿盘的参数……………………………………………………17

2.7.3按接触疲劳强度进行计算…………………………………………17

2.8轴承的选用……………………………………………………19

2.8.1轴承的类型………………………………………………………19

2.8.2轴承的游隙及轴上零件的调配……………………………………19

2.8.3轴承的配合…………………………………………………………19

2.8.4轴承的润滑…………………………………………………………19

2.8.5轴承的密封装置……………………………………………………19

第3章刀架体的设计………………………………………………………21

第4章结论………………………………………………………………………22

致谢…………………………………………………………………………………23

参考文献…………………………………………………………………………24

第1章引言

第1章引言

1.1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，刀架结构形式也在不断翻新。

其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。

传统的车床例如CA6140的刀架上只能装一把刀，换刀的速度慢，换刀后还须重新对刀，并且精度不高，生产效率效率低，不能适应现代化生产的需要，因此有必要对机床的换刀装置进行改进。

自1958年首次研制成功数控加工中心自动换刀装置以来，自动换刀装置的机械结构和控制方式不断得到改进和完善。

自动换刀装置是加工中心的重要执行机构，它的形式多种多样，目前常见的有：

回转刀架换刀，更换主轴头换刀以及带刀库的自动换刀系统。

初步了解了设计题目（电动刀架）及发展概况，设计背景，对刀架有了一些印象，对整理设计思路安排设计时间有很好的辅助作用。

对一些参数的进行了解同时按准则要求来完成设计。

1.2数控车床自动回转刀架的发展趋势

　　目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。

立式刀架有四、六工位两种形式，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：

国产数控车床今后将向中高档发展，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，近年来需要量可达1000～1500台。

国外数控车床的发展目的在于提高加工精度和缩短制造周期。

实现上述目的之手段是实现机床多功能化和工序工种集成，开发多种多样复合化加工的机种，如增添铣削功能的复合加工车削中心、双主轴多刀塔（双刀塔或四刀塔）数控车床和车削中心、双主轴同步驱动，双刀塔同时进行加工车削中心、五轴联动车铣复合中心、车磨复合加工机床、具有车、铣、镗、磨和激光热处理多种功能的高度复合化的复合加工中心等等。

我国数控车床经过多年的发展，特别是近几年迅速的发展，与国际先进水平的差距在逐年缩小。

对于某些依赖于进口的高档数控车床，如高精度数控车床和车削中心（主轴径跳轴跳≤0.001mm）、适用耐热合金和钛合金零件加工的大功率、高扭矩数控车床和车削中心等等要加强产品开发研究攻关，突破其核心技术。

数控刀架的高、中、低档产品市场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，是机床的故障高发点。

这就要求设计的刀架具有具有转位快，定位精度高，切向扭矩大的特点。

它的原理采用蜗杆传动，上下齿盘啮合，螺杆夹紧的工作原理。

1.3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） 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

1.4主要技术参数

（1）最大许用力矩（Nm）Mq100Mx200Ms100

（2）重复定位精度：

（mm）<

0.005

（3）电机功率（w）20

（4）电机转速（rpm）125

第2章数控车床自动回转刀架设计

第2章数控车床自动回转刀架的设计

2.1刀架的工作原理

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。

图2.1为螺旋升降式四方刀架，其工作过程如下：

①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。

②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。

③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。

④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ａ=390°

由课题要求的刀架选位少于3S

n≈0.36r/s=21.6r/min,为便于计算n取24r/min

蜗轮蜗杆传动比为45

电动机转速n′=i*z1=45

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，GB10089-88

2.3.2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45～55HRC，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［ð

］h=200MPa，［ð

］f=51MPa