0003-數(shù)控刀架的設計
0003-數(shù)控刀架的設計,數(shù)控,刀架,設計
數(shù)控車床四工位電動刀架設計
摘要：數(shù)控車床今后將向中高當發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種，預計近年來對數(shù)控刀架需求量將大大增加。數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢是：隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅動和伺服驅動方向發(fā)展。根據(jù)加工對象不同，有四方刀架、六角刀架和八（或更多）工位的圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式。回轉刀架上分別安裝四把、六把或更多刀具，并按數(shù)控裝置的指令換刀。本部分主要對四工位立式電動刀架的機械設計和應用繼電-接觸控制系統(tǒng)控制部分的設計。并對以上部分運用CAD做圖，對電動刀架有更直觀的了解。最后的提出了對電動刀架提出了意見和措施。
關鍵詞：數(shù)控刀架 ， 電動刀架 ， 四工位
Abstract: numerical control lathe, will in future development, the middle-grade high when to by supporting, high-grade nc cutter revised by both cutting, dynamic type hydraulic cutter, servo cutter, vertical cutter etc varieties, expected in recent years on the nc cutter demand will increase greatly. Nc cutter is the development trend of the development of numerical control lathe, along with, nc cutter began to change cutters quickly and electrohydraulic servo driver combined driving and direction. According to different targets, have four processing cutting, hexagonal cutter and eight (or more) can dise-type axial outfit knife knife, and other forms. Turn the tool carrier separately installs four, six or more tools, and press CNC equipment instructions change knife. This part of 4 Labour vertical electric mainly the mechanical design and application of cutting the relay - contact control system of control part of the design. And the above part of CAD do diagram, a more intuitive electric knife understanding. The final proposed to the electric cutter puts forward opinions and measures.
Keywords: nc cutter, electric cutter, four locations
引 言
數(shù)控機床是集機械、電氣、液壓、氣動、微電子和信息等多項技術為一體的機電一體化產(chǎn)品。是機械制造設備中具有高精度、高效率、高自動化和高柔性化等優(yōu)點的工作母機。數(shù)控機床的技術水平高低及其在金屬切削加工機床產(chǎn)量和總擁有量的百分比是衡量一個國家國民經(jīng)濟發(fā)展和工業(yè)制造整體水平的重要標志之一。數(shù)控車床是數(shù)控機床的主要品種之一，它在數(shù)控機床中占有非常重要的位置，幾十年來一直受到世界各國的普遍重視并得到了迅速的發(fā)展。 我國數(shù)控車床從20世紀70年代初進入市場，至今通過各大機床廠家的不懈努力，通過采取與國外著名機床廠家的合作、合資、技術引進、樣機消化吸收等措施，使得我國的機床制造水平有了很大的提高，其產(chǎn)量在金屬切削機床中占有較大的比例。目前，國產(chǎn)數(shù)控車床的品種、規(guī)格較為齊全，質(zhì)量基本穩(wěn)定可靠，已進入實用和全面發(fā)展階段。
盡管近幾年我國機床工具行業(yè)已經(jīng)取得了很大進步，但在當前國內(nèi)外機床市場競爭極其激烈的形勢下，我國的機床工具行業(yè)則顯得競爭力不強，主要表現(xiàn)在我國是機床消費大國還不是機床強國、機床擁有量大但水平低、產(chǎn)品構成依然落后、產(chǎn)品創(chuàng)新能力差、機床可靠性還有待提高等方面。
數(shù)控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，它對國計民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用。
1.2 刀架的設計準則
我們的設計過程中，本著以下幾條設計準則
1） 創(chuàng)造性的利用所需要的物理性能和控制不
2）
2） 需要的物理性能
3） 判別功能載荷及其意義
4） 預測意外載荷
5） 創(chuàng)造有利的載荷條件
6） 提高合理的應力分布和剛度而
7） 重量達到最輕
8） 應用基本公式求相稱尺寸和最佳尺寸
9） 根據(jù)性能組合選擇材料
10）在儲備零件與整體零件之間精心的進行選擇
11）進行功能設計以適應制造工藝和降低成本的要求
1.3主要技術參數(shù)
（1）最大許用力矩（Nm）Mq 100 Mx 200 Ms 100
（2）重復定位精度：（mm）<0.005
（3）電機功率(w) 20
（4）電機轉速（rpm）125
數(shù)控車床四工位電動刀架設計
2.1刀架的工作原理
電動刀架的工作原理為機械螺母升降轉位式。工作過程可分為刀架抬起、刀架轉位、刀架定位并壓緊等幾個步驟。圖2.1為螺旋升降式四方刀架，其工作過程如下：
① 刀架抬起 當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后, 通過接口電路使電機正轉, 經(jīng)傳動裝置2、驅動蝸桿蝸輪機構1、蝸輪帶動絲桿螺母機構8逆時針旋轉 ,此時由于齒盤4、5處于嚙合狀態(tài)，在絲桿螺母機構8轉動時，使上刀架體產(chǎn)生向上的軸向力將齒盤松開并抬起,直至兩定位齒盤4、5 脫離嚙合狀態(tài),從而帶動上刀架和齒盤產(chǎn)生“上臺”動作。
② 刀架轉位 當圓套9逆時針轉過150°時，齒盤4、5完全脫開，此時銷釘準確進入圓套9中的凹槽中，帶動刀架體轉位。
③ 刀架定位 當上刀架轉到需要到位后（旋轉90°、180°或270°），數(shù)控裝置發(fā)出的換刀指令使霍爾開關10 中的某一個選通,當磁性板11 與被選通的霍爾開關對齊后,霍爾開關反饋信號使電機反轉,插銷7在彈簧力作用下進入反靠盤 6地槽中進行粗定位，上刀架體停止轉動，電機繼續(xù)反轉，使其在該位置落下，通過螺母絲桿機構8使上刀架移到齒盤4、5 重新嚙合, 實現(xiàn)精確定位。
④ 刀架壓緊 刀架精確定位后，電機及許反轉，夾緊刀架，當兩齒盤增加到一定夾緊力時， 電機由數(shù)控裝置停止反轉，防止電機不停反轉而過載毀壞，從而完成一次換刀過程。
圖2.1 螺旋升降式四方刀架
2.2 步進電機的選用
許多機械加工需要微量進給。要實現(xiàn)微量進給，步進電機、直流伺服交流伺服電機都可作為驅動元件。對于后兩者，必須使用精密的傳感器并構成閉環(huán)系統(tǒng)，才能實現(xiàn)微量進給。在開環(huán)系統(tǒng)中，廣泛采用步進電機作為執(zhí)行單元。這是因為步進電機具有以下優(yōu)點：
●直接采用數(shù)字量進行控制;
●轉動慣量小，啟動、停止方便；
●成本低；
●無誤差積累；
●定位準確；
●低頻率特性比較好；
●調(diào)速范圍較寬；
采用步進電機作為驅動單元，其機構也比較簡單，主要是變速齒輪副、滾珠絲杠副，以克服爬行和間隙等不足。通常步進電機每加一個脈沖轉過一個脈沖當量；但由于其脈沖當量一般較大，如0.01mm，在數(shù)控系統(tǒng)中為了保證加工精度，廣泛采用步進電機的細分驅動技術。
因為刀架上升、下降各轉150°，刀架轉位至少需90°，所以蝸輪轉的角度ａ=390°由課題要求的刀架選位少于3S
n≈0.36r/s=21.6r/min,為便于計算n取24r/min
蝸輪蝸桿傳動比為45
電動機轉速n′=i*z1=45
考慮刀架只需小功率驅動，為減少生產(chǎn)成本，選用JD60電動機，其轉速為1400r/min,額定功率為60W。
2.3 蝸桿及蝸輪的選用與校核
2.3.1 選擇傳動的類型
考慮到傳遞的功率不大，轉速較低，選用2A蝸桿，精度8級，GB10089-88
2.3.2 選擇材料和確定許用應力
由《機械基礎》表17-4查得蝸桿選用45鋼，表面淬火，硬度為45～55HRC，蝸輪齒圈用ZCuSn10P1 砂模鑄造，為了節(jié)約貴重的有色金屬，僅齒圈用青銅制造，而輪芯用灰鑄鐵HT150制造。
由表17-6查得 ［e］h=200MPa，［e］f=51MPa
2.3.3按接觸強度確定主要參數(shù)
根據(jù)閉式蝸桿傳動的設計準則，先按齒面接觸疲勞強度進行設計，在校核齒根彎曲疲勞強度。傳動中心距：
(2-1)
（1）確定作用在蝸輪上的轉距T2
按Z1=2，估取效率η=0.8，則
T2=T*η*i=3.5382N.M (2-2)
（2）確定載荷系數(shù)K
因工作載荷較穩(wěn)定，故取載荷分布不均系數(shù)Kβ=1；由使用系數(shù)KA表從而選取KA=1.15；由于轉速不高，沖擊不大，可取動載系數(shù)KV=1.1；則
K=KA*Kβ*KV=1*1.15*1.1=1.265≈1.27(2-3)
（3）確定彈性影響系數(shù)ZE
因選用的鑄錫磷青銅蝸輪和蝸桿相配，故
（4）確定接觸系數(shù)Zρ
先假設蝸桿分度圓直徑d1和傳動中心距a的比值=0.30，從而可查出Zρ=3.12。
（5）確定許用應力[σH]
根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅zcusn10p1，金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度＞45HRC，從而可查得蝸輪的基本許用應力[σH]‘=268MPA。
因為電動刀架中蝸輪蝸桿的傳動為間隙性的，故初步定位、其壽命系數(shù)為KHN=0.92，則
[σH]= KHN[σH]‘=0.92×268=246.56≈247MPA(2-4)
（6）計算中心距
(2-5)
取中心距a=50mm，m=1.25mm，蝸桿分度圓直徑d1=22.4mm，這時=0.448，從而可查得接觸系數(shù)=2.72，因為＜Zρ，因此以上計算結果可用。
蝸桿和蝸輪主要幾何尺寸計算
⑴蝸桿
分度圓直徑：d1=8mm
直徑系數(shù)：q=17.92，
蝸桿頭數(shù)：Z1=1
分度圓導程角：γ=3°11′38″
蝸桿軸向齒距：PA==3.94mm；(2-6)
蝸桿齒頂圓直徑：(2-7)
蝸桿齒根圓直徑：（2-8）
蝸桿軸向齒厚：=2.512mm(2-9)
蝸桿軸向齒距：（2-10）
⑵蝸輪
蝸輪齒數(shù)：Z2 =45
變位系數(shù)Χ=0
驗算傳動比：i=/=45/1=45(2-11)
蝸輪分度圓直徑：d2=mz2=72mm (2-12)
蝸輪喉圓直徑：da2=d2+2ha2=93.5(2-13)
蝸輪喉母圓直徑：rg2=a-1/2 da2 =50-1/293.5=3.25(2-14)
蝸輪齒頂圓直徑：（2-15）
蝸輪齒根圓直徑：（2-16）
蝸輪外圓直徑：當在z=1時，（2-17）
2.4 蝸桿軸的設計
2.4.1 蝸桿軸的材料選擇，確定許用應力
考慮軸主要傳遞蝸輪的轉矩，為普通用途中小功率減速傳動裝置。
選用45號鋼，正火處理，
2.4.2 按扭轉強度初步估算軸的最小直徑
（2-18）
扭轉切應力為脈動循環(huán)變應力，取α=0.6
抗彎截面系數(shù)W=0.1d3
取dmin=15.14mm
2.4.3 確定各軸段的直徑和長度
根據(jù)各個零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長度。
d1=d5 同一軸上的軸承選用同一型號，以便于軸承座孔鏜制和減少軸承類型。
d5軸上有一個鍵槽，故槽徑增大5%
d1=d5=d1′×(1+5%)=15.89mm ,圓整d1=d5=17mm
所選軸承類型為深溝球軸承，型號為6203，B=12mm，D=40mm，
d2起固定作用，定位載荷高度可在（0.07～0.1）d1范圍內(nèi)，
d2=d1+2a=19.38～20.04mm，故d2取20mm
d3為蝸桿與蝸輪嚙合部分，故d3=24mm
d4=d2=20mm,便于加工和安裝
L1為與軸承配合的軸段，查軸承寬度為12mm，端蓋寬度為10mm，
則L1=22mm
L2尺寸長度與刀架體的設計有關，蝸桿端面到刀架端面距離為65mm，
故L2=43mm
L3為蝸桿部分長度L3≥（11+0.06z2）m=21.92mm
圓整L3取30mm
L4取55mm，L5在刀架體部分長度為（12+8）mm，伸出刀架部分通過聯(lián)軸器與電動機相連長度為50mm，故L5=70mm
兩軸承的中心跨度為128mm，軸的總長為220mm
2.4.4蝸桿軸的校核
作用在蝸桿軸上的圓周力
(2-19)
其中d1=28mm
則
徑向力 (2-20)
切向力 (2-21)
圖2.1 軸向受力分析
(2-22)
(2-23) 求水平方向上的支承反力
圖2.2 水平方向支承力
(2-25)
求水平彎矩,并繪制彎矩圖
圖2.3 水平彎矩圖
求垂直方向的支承反力
(2-26)
查文獻[9]表2.2—4，，，，
其中，，
(2-27)
圖2.4 垂直方向支承反力
求垂直方向彎矩，繪制彎矩圖
圖2.5 垂直彎矩圖
求合成彎矩圖，按最不利的情況考慮
(2-28)
圖2.6 合成彎矩圖
計算危險軸的直徑
(2-29)
查文獻[9]表15—1，材料為調(diào)質(zhì)的許用彎曲應力，則
所以該軸符合要求。
2.4.5 鍵的選取與校核
考慮到d5=105%×15.14=15.89mm, 實際直徑為17mm，所以強度足夠
由GB1095-79查得，尺寸b×h=5×5，l=20mm的A型普通平鍵。
按公式進行校核
，，，。查文獻[9]表6—2，取則
(2-30)
該鍵符合要求。
由普通平鍵標準查得軸槽深t=30mm,轂槽深t1=2.3mm
2.5 蝸輪軸的設計
2.5.1 蝸輪軸材料的選擇，確定需用應力
考慮到軸主要傳遞蝸輪轉矩，為普通中小功率減速傳動裝置
選用45號鋼，正火處理，， ［eь］-1=55MPa
2.5.2 按扭轉強度，初步估計軸的最小直徑
查文獻[9]表15—1，取45號調(diào)質(zhì)剛的許用彎曲應力，則
由于軸的平均直徑為34mm，因此該軸安全。
2.5.3 確定各軸段的直徑和長度
根據(jù)各個零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長度
d1即蝸輪輪芯為68mm
d2為蝸輪軸軸徑最小部分取34mm
d3軸段與上刀架體有螺紋聯(lián)接，牙形選梯形螺紋，根據(jù)文獻表8-45
取公稱直徑為d3=44mm，螺距P=12mm，H=6.5mm
查表8-46得，外螺紋小徑為31mm
內(nèi)、外螺紋中徑為38mm
內(nèi)螺紋大徑為45mm
內(nèi)螺紋小徑為32mm
旋合長度取55mm
L2尺寸長度為34mm，蝸輪齒寬b2 當z1≤3時，b2≤0.75da1=15.6mm
取b2=15mm
2.6 中心軸的設計
2.6.1 中軸的材料選擇,確定許用應力
考慮到軸主要起定位作用，只承受部分彎矩，為空心軸，因此只需校核軸的剛度即可。
選用45號鋼，正火處理，， ［eь］-1=55MPa
2.6.2 確定各軸段的直徑和長度
根據(jù)各個零件在軸上的定位和裝拆方案確定軸的形狀及直徑和長度
d1=15mm,
d2與軸承配合，軸承類型為推力球軸承，型號為51203，d=17mm,d1=19,T=12mm,D=35mm
所以d2=17mm
d3與軸承配合，軸承類型為推力球軸承，型號為51204，
d=25mm,d1=27mm,T=15mm,D=47mm
分配各軸段的長度L1=80mm,L2=93mm,L3=20mm
2.6.3 軸的校核
軸橫截面的慣性矩
車床切削力F=2KN,E=210GPa
(2-31)
(2-32)
因此
＜［］
y＜［y］
中心軸滿足剛度條件
2.7 齒盤的設計
2.7.1 齒盤的材料選擇和精度等級
上下齒盤均選用45號鋼，淬火，180HBS
初選7級精度等級
2.7.2 確定齒盤參數(shù)
考慮齒盤主要用于精確定位和夾緊，齒形選用三角齒形，上下齒盤由于需相互嚙合，參數(shù)可相同
當蝸輪軸旋轉150°時，上刀架上升5mm，齒盤的齒高取4mm
由
(2-33)
得算式 4=（2×1+0.25）m
標準值ha*=1.0, c*=0.25
求出m=1.78mm,取標準值m=2mm
故齒盤齒全高h=（2ha*+c*）m=(2×1+0.25)×2=4.5mm
取齒盤內(nèi)圓直徑d為120mm，
外圓直徑為140mm
齒頂高 ha=ha*m=1×2=2m
齒根高 hf=(ha*+c*)m=2.5mm
齒數(shù)z=38
齒寬b=10mm
齒厚
齒盤高為5mm
2.7.3 按接觸疲勞強度進行計算
⑴確定有關計算參數(shù)和許用應力
(2-35)
⑵取載荷系數(shù)kt=1.5
⑶由文獻表9-12取齒寬系數(shù)Фd=1.0
⑷由表9-10查得材料的彈性影響系數(shù)Ze=189.8，
?。?20°，故ZH=2.5
⑸查圖9-34取бHlim1=380
取бHlim2=380
⑹Lh=60×24×1×(8×300×15)
N2=5.18×107
⑺由圖9-35查得接觸疲勞壽命系數(shù)ZN1=1.1 ，ZN2=1.1
⑻計算接觸疲勞需用應力
取安全系數(shù)SH=1，由式（9-44）得
(2-36)
按齒根抗彎強度設計
由式（9-46）得抗彎強度的設計公式為
(2_37)
確定公式內(nèi)的各參數(shù)數(shù)值
⑴由文獻圖9-37查得，抗彎疲勞強度極限
⑵由文獻圖9-38查得，抗彎疲勞壽命系數(shù)YN1=1.0，YN2=1.0
⑶查圖取
⑷計算抗彎疲勞許用應力，取抗彎疲勞安全系數(shù)SF=1.4
由式（9-47）得
(2-38)
⑸彎曲疲勞強度驗算
(2-39)
故滿足彎曲疲勞強度要求
2.8 軸承的選用
滾動軸承是現(xiàn)代機器中廣泛應用的部件之一。它是依靠主要元件的滾動接觸來支撐轉動零件的。與滑動軸承相比，滾動軸承摩擦力小，功率消耗少，啟動容易等優(yōu)點。并且常用的滾動軸承絕大多數(shù)已經(jīng)標準化，因此使用滾動軸承時，只要根據(jù)具體工作條件正確選擇軸承的類型和尺寸。驗算軸承的承載能力。以及與軸承的安裝、調(diào)整、潤滑、密封等有關的“軸承裝置設計”問題。
2.8.1 軸承的類型
考慮到軸各個方面的誤差會直接傳遞給加工工件時的加工誤差，因此選用調(diào)心性能比較好的深溝球軸承。此類軸承可以同時承受徑向載荷及軸向載荷，安裝時可調(diào)整軸承的游隙。然后根據(jù)安裝尺寸和使用壽命選出軸承的型號為：6203
2.8.2 軸承的游隙及軸上零件的調(diào)配
軸承的游隙和欲緊時靠端蓋下的墊片來調(diào)整的，這樣比較方便。
2.8.3 滾動軸承的配合
滾動軸承是標準件，為使軸承便于互換和大量生產(chǎn)，軸承內(nèi)孔于軸的配合采用基孔制，即以軸承內(nèi)孔的尺寸為基準；軸承外徑與外殼的配合采用基軸制，即以軸承的外徑尺寸為基準
2.8.4 滾動軸承的潤滑
考慮到電動刀架工作時轉速很高，并且是不間斷工作，溫度也很高。故采用油潤滑，轉速越高，應采用粘度越低的潤滑油；載荷越大，應選用粘度越高的。
2.8.5 滾動軸承的密封裝置
軸承的密封裝置是為了阻止灰塵，水，酸氣和其他雜物進入軸承，并阻止?jié)櫥瑒┝魇ФO置的。密封裝置可分為接觸式及非接觸式兩大類。
唇形密封圈靠彎折了的橡膠的彈性力和附加的環(huán)行螺旋彈簧的緊扣作用而套緊在軸上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要緊密封的部位。即如果是為了油封，密封唇應朝內(nèi)；如果主要是為了防止外物浸入，密封唇應朝外。
第3章 刀架體設計
刀架體設計首先要考慮刀架體內(nèi)零件的布置及與刀架體外部零件的關系，應考慮以下問題：
(a) 滿足強度和剛度要求。因為刀架體的剛度不僅影響傳動零件的正常工作，而且還影響部件的工作精度。
(b) 結構設計合理。如支點的安排、開孔位置和連接結構的設計等均要有利于提高刀架體的強度和剛度。
(c) 工藝性好。包括毛坯制造、機械加工及熱處理、裝配調(diào)整、安裝固定、吊裝運輸、維護修理等各方面的工藝性。
(d) 造型好、質(zhì)量小。
刀架體的常用材料有：
鑄鐵，多數(shù)刀架體的材料為鑄鐵，鑄鐵流動性好，收縮較小，容易獲得形狀和結構復雜的箱體。鑄鐵的阻尼作用強，動態(tài)剛性和機加工性能好，價格適度。加入合金元素還可以提高耐磨性。
鑄造鋁合金，用于要求減小質(zhì)量且載荷不太大的箱體。多數(shù)可通過熱處理進行強化，有足夠的強度和較好的塑性。
我所設計的下刀架體采用HT150鑄造，其具體結構見零件圖。
第4章 結論
本次設計采用了四工位刀架，通過電機驅動，渦輪蝸桿的傳動，有效的實現(xiàn)了縮短輔助時間,減少多次安裝零件引起的誤差。本次設計的四工位自動刀架結構比較簡單，滿足時間短,刀具重復定位精度夠,足夠的刀具存儲以及安全可靠等基本要求。
電動刀架在結構上必須具有良好的強度和剛度，以承受粗加工時的切削抗力和減少刀架在切削力作用下的位移變形，提高加工精度。由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖位置，對于數(shù)控車床來說，加工過程中刀架部位要進行人工調(diào)整，因此更有必要選擇可靠的定位方案和合理的定位結構，以保證回轉刀架在每次轉位之后具有高的重復定位精度（一般為0.001～0.005mm)。
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