数控车床4工位自动回转刀架结构设计毕业实习及毕业论文设计40论文41.docx
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数控车床4工位自动回转刀架结构设计毕业实习及毕业论文设计40论文41
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毕业实习及毕业设计(论文)指导书
适用专业:
机械设计与制造(数控方向)
数控车床4工位自动回转刀架结构设计
摘要--------------------------------------------------------------------------------------------------1
正文--------------------------------------------------------------------------------------------------3
第1章引言--------------------------------------------------------------------------------------3
1.1概述-----------------------------------------------------------3
1.2数控车床自动回转刀架的发展趋势--------------------------------------------------3
1.3刀架的设计准则-------------------------------------------------4
1.4刀架的主要技术参数---------------------------------------------5
第2章数控车床自动回转刀架设计--------------------------------------------------------6
2.1刀架的工作原理--------------------------------------------------6
2.2步进电机的选用--------------------------------------------------7
2.3蜗杆及蜗轮的选用与校核------------------------------------------8
2.3.1选择传动的类型和精度等级--------------------------------------------8
2.3.2选择材料和确定许用应力----------------------------------------------8
2.3.3按接触强度确定主要参数----------------------------------------------8
2.4蜗杆轴的设计---------------------------------------------------10
2.4.1蜗杆轴的材料选择,确定许用应力-------------------------------------10
2.4.2按扭转强度初步估算轴的最小直径------------------------------------11
2.4.3确定各轴段的直径和长度--------------------------------------------11
2.4.4蜗杆轴的校核------------------------------------------------------12
2.4.5键的选取与校核----------------------------------------------------17
2.5蜗轮轴的设计---------------------------------------------------17
2.5.1蜗轮轴的材料选择,确定许用应力-------------------------------------17
2.5.2按扭转强度初步估算轴的最小直径------------------------------------17
2.5.3确定各轴段的直径和长度--------------------------------------------18
2.6中心轴的设计---------------------------------------------------18
2.6.1中轴的材料选择,确定许用应力---------------------------------------18
2.6.2确定各轴段的直径和长度-------------------------------------------------------------------18
2.6.3轴的校核----------------------------------------------------------19
2.7齿盘的设计----------------------------------------------------19
2.7.1齿盘的材料选择和精度等级------------------------------------------19
2.7.2确定齿盘的参数----------------------------------------------------19
2.7.3按接触疲劳强度进行计算--------------------------------------------20
2.8轴承的选用-----------------------------------------------------22
2.8.1轴承的类型--------------------------------------------------------22
2.8.2轴承的游隙及轴上零件的调配----------------------------------------23
2.8.3轴承的配合--------------------------------------------------------23
2.8.4轴承的润滑--------------------------------------------------------23
2.8.5轴承的密封装置----------------------------------------------------23
第3章刀架体的设计------------------------------------------------24
第4章结论--------------------------------------------------------25
致谢-----------------------------------------------------------------26
参考文献-------------------------------------------------------------27
附件清单-------------------------------------------------------------28
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CAXA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
Numericalcontrollathe,willinthefuturewhenthedevelopmenttotherecentyearsisexpectedtoCNCtoolpostdemandwillincreasegreatly.CNCtoolisthedevelopmenttrendof:
withthedevelopmentofnumericalcontrollathe,numericalcontroltorapidchangeknife,electrohydrauliccombineddriveandservodrivedirection.Accordingtotheprocessingobjectisdifferent,therearefoursquaredisctypeaxialloadingkniferest,andotherforms.Rotarytheinstallationoffour,sixormoretool,andaccordingtothenumericalcontroldeviceofinstructioninknife.Thispartmainlyfourstationverticalelectrictoolrestofmechanicaldesignandapplicationofrelay-contactcontrolsystemcontrolpartofthedesign.AndtheabovepartusingCAXAdochart,theelectrictoolrestmoreintuitiveunderstanding.Theproposedtotheelectrictoolpostputsforwardopinionsandmeasures.
正文
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
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
2)控制不需要的物理性能
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
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≈0.36rs=21.6rmin,为便于计算n取24rmin
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1400rmin,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]=15.14mm
2.4.3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。
d1=d5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5%
d1=d5=d1′×(1+5%)=15.89mm,圆整d1=d5=17mm
所选轴承类型为深沟球轴承,型号为6203,B=12mm,D=40mm,
d2起固定作用,定位载荷高度可在(0.07~0.1)d1范围内,
d2=d1+2a=19.38~20.04mm,故d2取20mm
d3为蜗杆与蜗轮啮合部分,故d3=24mm
d4=d2=20mm,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L1=22mm
L2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L2=43mm
L3为蜗杆部分长度L3≥(11+0.06z2)m=21.92mm
圆整L3取30mm
L4取55mm,L5在刀架体部分长度为(12+8)mm,伸出刀架部分通过联轴器与电动机相连长度为50mm,故L5=70mm
两轴承的中心跨度为128mm,轴的总长为220mm
2.4.4蜗杆轴的校核
作用在蜗杆轴上的圆周力
(2-19)
其中d1=28mm
则
径向力
(2-20)
切向力
(2-21)
图2.1轴向受力分析
(2-22)
(2-23)
求水平方向上的支承反力
图2.2水平方向支承力
(2-25)
求水平弯矩,并绘制弯矩图
图2.3水平弯矩图
求垂直方向的支承反力
(2-26)
查文献[9]表2.2—4,
,
,
,
其中
,
,
(2-27)
图2.4垂直方向支承反力
求垂直方向弯矩,绘制弯矩图
图2.5垂直弯矩图
求合成弯矩图,按最不利的情况考虑
(2-28)
图2.6合成弯矩图
计算危险轴的直径
(2-29)
查文献[9]表15—1,材料为
调质的许用弯曲应力
,则
所以该轴符合要求。
2.4.5键的选取与校核
考虑到d5=105%×15.14=15.89mm,实际直径为17mm,所以强度足够
由GB1095-79查得,尺寸b×,毂槽深t1=2.3mm
2.5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,
,[ðь]-1=55MPa
2.5.2按扭转强度,初步估计轴的最小直径
查文献[9]表15—1,取45号调质刚的许用弯曲应力
,则
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68mm
d2为蜗轮轴轴径最小部分取34mm
d3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d3=44mm,螺距P=12mm,H=6.5mm
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55mm
L2尺寸长度为34mm,蜗轮齿宽b2当z1≤3时,b2≤0.75da1=15.6mm
取b2=15mm
2.6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,
,[ðь]-1=55MPa
2.6.2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
d1=15mm,
d2与轴承配合,轴承类型为推力球轴承,型号为51203,d=17mm,d1=19,T=12mm,D=35mm
所以d2=17mm
d3与轴承配合,轴承类型为推力球轴承,型号为51204,
d=25mm,d1=27mm,T=15mm,D=47mm
图2.7中心轴受力图
分配各轴段的长度L1=80mm,L2=93mm,L3=20mm
2.6.3轴的校核
轴横截面的惯性矩
车床切削力F=2KN,E=210GPa
因此
<[
]
y<[y]
中心轴满足刚度条件
2.7齿盘的设计
2.7.1齿盘的材料选择和精度等级
上下齿盘均选用45号钢,淬火,180HBS
初选7级精度等级
2.7.2确定齿盘参数
考虑齿盘主要用于精确定位和夹紧,齿形选用三角齿形,上下齿盘由于需相互啮合,参数可相同
当蜗轮轴旋转150°时,上刀架上升5mm,齿盘的齿高取4mm
由
(2-33)
得算式4=(2×1+0.25)m
标准值ha*=1.0,c*=0.25
求出m=1.78mm,取标准值m=2mm
故齿盘齿全高h=(2ha*+c*)m=(2×1+0.25)×2=4.5mm
取齿盘内圆直径d为120mm,
外圆直径为140mm
齿顶高=1×2=2m
齿根高=2.5mm
齿数z=38
齿宽b=10mm
齿厚
齿盘高为5mm
2.7.3按接触疲劳强度进行计算
⑴确定有关计算参数和许用应力
(2-35)
⑵取载荷系数kt=1.5
⑶由文献表9-12取齿宽系数Фd=1.0
⑷由表9-10查得材料的弹性影响系数Ze=189.8
,
取a=20°,故ZH=2.5
⑸查图9-34取бHlim1=380
取бHlim2=380
⑹Lh=60×24×1×(8×300×15)
N2=5.18×107
⑺由图9-35查得接触疲劳寿命系数ZN1=1.1,ZN2=1.1
⑻计算
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