數(shù)控車床四工位刀架設(shè)計

1、“現(xiàn)代設(shè)計與制造綜合實踐”報告題 目：數(shù)控車床設(shè)計學(xué) 院：機械與電子控制工程專 業(yè)：機械工程及其自動化學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 平時成績： 報告與答辯成績： 最終成績： 指導(dǎo)教師： 年 月 日摘要數(shù)控車床集計算機技術(shù)，電子技術(shù)，自動控制技術(shù)，傳感測量，機械制造，是典型的機電一體化產(chǎn)品。它的發(fā)展和應(yīng)用開創(chuàng)了制造業(yè)的新時代，改變了制造業(yè)的生產(chǎn)方式，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，管理方式，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大的變化。本文較為詳細的介紹了對車床重要組成部分的設(shè)計和它們的結(jié)構(gòu)和工作原理，通過查閱各種資料對這些部分進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，工藝設(shè)計，軟件模擬仿真等，讓我們對數(shù)控車床的了解得到很大提高，同時也熟練掌握了很多專業(yè)軟件。a

2、bstractNumerical control lathe set computer technology, electronic technology, automatic control technology, sensor measurement, machinery manufacturing, is a typical mechatronics product. The development and application of it opened a new era of manufacturing, changed the manufacturing production m

3、ode, industrial structure, management style, make the pattern of world manufacturing industry, great changes have taken place. This paper detailed introduces the design of an important part of the lathe and their structure and working principle, through consulting all kinds of information on these p

4、arts structure design, process design, the software simulation and so on, lets understanding of the numerical control lathe is greatly improved, but also mastered many professional software.關(guān)鍵詞：數(shù)控車床、結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計、編程仿真目錄目錄一綜合實踐任務(wù)書4二結(jié)構(gòu)設(shè)計42.1 、自動換刀裝置設(shè)計42.1.1、自動換刀裝置的作用42.1.2、自動換刀裝置的形式52.1.3、回轉(zhuǎn)刀架式自動換刀裝置52.1.

5、4、四方回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)及其工作原理5數(shù)控車床常用的螺旋升降立體式四方回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)如圖2.1所示：52.1.5、自動回轉(zhuǎn)刀架主要傳動部件的設(shè)計計算62.1.6、蝸桿的選型72.1.7、蝸桿副的材料72.1.8、蝸桿和渦輪的主要計算參數(shù)和幾何尺寸92.1.9、校核渦輪齒根彎曲疲勞強度92.1.10、蝸桿的設(shè)計計算102.1.11、自鎖性能校核10三工藝設(shè)計113.1 、刀架典型零件的工藝設(shè)計113.1.1、蝸桿軸的工藝設(shè)計113.1.2、霍爾元件代替物的加工工藝過程13四數(shù)控編程及仿真144.1 、刀架典型零件的數(shù)控編程與仿真144.1.1、車類零件的數(shù)控編程與仿真144.1.2、銑類零件的數(shù)控編

6、程與仿真15五任務(wù)與分工15參考文獻16附件16一綜合實踐任務(wù)書1.1、題目：數(shù)控車床設(shè)計1.2、任務(wù)描述：了解機床的基本知識，明確重要組成部分的原理與過程，對機床完成結(jié)構(gòu)設(shè)計、工藝設(shè)計、數(shù)控編程與仿真等1.3、完成工作要求：各部分裝配圖1張、重要零件的零件圖、典型零件的加工工藝過程卡和工序卡、典型零件的數(shù)控編程仿真加工程序二結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1 、自動換刀裝置設(shè)計2.1.1、自動換刀裝置的作用對于現(xiàn)在的數(shù)控機床來說，自動換刀裝置成為普遍現(xiàn)象，它能使數(shù)控機床在工件的一次裝夾中完成多種甚至所有的工序，可以有效的縮短加工的輔助時間，減少加工過程中由于多次安裝工件而引起的誤差，從而提高機床的加工效率和加工

7、精度。在機床的數(shù)控化改造中，對于后來加上去的自動換刀裝置來說，主要要求：換刀時間短，刀具重復(fù)定位精度高，有足夠的刀具儲備量，如果帶刀庫時，刀庫應(yīng)占地面積小而且安全可靠等。2.1.2、自動換刀裝置的形式自動換刀裝置因數(shù)控機床的形式、工藝范圍和刀具的種類與數(shù)量不同而具有不同的形式，目前常用的是回轉(zhuǎn)刀架式和帶刀庫的自動換刀裝置。根據(jù)實驗室教學(xué)機床，我們選擇回轉(zhuǎn)刀架式自動換刀裝置。2.1.3、回轉(zhuǎn)式自動換刀裝置回轉(zhuǎn)式自動換刀裝置也稱轉(zhuǎn)塔式刀架，它是數(shù)控車床上最常用，也是最簡單的自動換刀裝置，會裝刀架使用回轉(zhuǎn)頭各刀座來安裝或夾持各種不同用途的刀具，通過回轉(zhuǎn)頭的旋轉(zhuǎn)分度來定位車床的自動換刀動作?；剞D(zhuǎn)刀架可

8、以設(shè)計成四方刀架、六角刀架或圓盤式軸向裝刀刀架等多種形式，其上可安裝4把、6把或更多的刀具，并可按數(shù)控指令換刀?；剞D(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強度和鋼度，以承受機床在切削加工時的切削抗力。由于車削加工精度在很大程度上取決于刀尖的位置，對于數(shù)控車床來說，加工過程中刀具位置不進行人工調(diào)整，有必要選擇可靠地定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證定位刀架，在每次轉(zhuǎn)位后，具有盡可能高的重復(fù)定位精度（一般為0.0010.005mm）。一般情況下，回轉(zhuǎn)刀架的換刀動作包括：刀架抬起、刀架轉(zhuǎn)位、刀架定位及壓緊。（本次設(shè)計對象為回轉(zhuǎn)刀架式中常用的四方回轉(zhuǎn)刀架。）2.1.4、四方回轉(zhuǎn)刀架的結(jié)構(gòu)及其工作原理2.1.4.1、

9、結(jié)構(gòu)：數(shù)控車床常用的螺旋升降立體式四方回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)如圖2.1所示：圖2.1. 四方回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)1-軸；2-渦輪；3-刀座；4-密封圈；5-下端齒盤；6-上端齒盤；7-壓蓋；8-刀架；9-套筒；10-軸套；11-墊圈；12-螺母；13-銷；14-底盤；15-軸承；16-聯(lián)軸器；17-軸；18-套；19-蝸桿；20-開關(guān)；21-套筒；22-壓縮彈簧；23-電機；24-壓蓋；25-開關(guān)2.1.4.2、工作步驟原理：a、刀架抬起：當數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，電機23正轉(zhuǎn)，并經(jīng)聯(lián)軸器16、軸17，由鍵帶動蝸桿19、蝸輪2、軸1、軸套10轉(zhuǎn)動。軸套10的外圓上有兩個凸起，可在套筒9內(nèi)孔中的螺旋槽內(nèi)滑動，從而

10、舉起與套筒9相連的刀架8以及上端齒盤6，使上端齒盤6與下端齒盤5分開，完成刀架抬起動作。b、刀架轉(zhuǎn)位：刀架抬起后，軸套10仍在繼續(xù)轉(zhuǎn)動，同時帶動刀架8轉(zhuǎn)過90（或者180，270，360），并有開關(guān)20發(fā)出信號給數(shù)控裝置。c、刀架壓緊：刀架轉(zhuǎn)到位后，由微動開關(guān)發(fā)出的控制信號使電機23反轉(zhuǎn)，銷13使刀架8定位而不隨軸套10回轉(zhuǎn)，于是刀架8向下移動，上、下端齒盤合攏壓緊，蝸桿19繼續(xù)轉(zhuǎn)動則產(chǎn)生軸向位移，壓縮彈簧22，套筒21的外圓曲面使開關(guān)20動作，電機23停止轉(zhuǎn)動從而完成一次轉(zhuǎn)位。2.1.5、自動回轉(zhuǎn)刀架主要傳動部件的設(shè)計計算1、設(shè)計一臺四工位的立式自動回轉(zhuǎn)刀架，適用于常用經(jīng)濟型數(shù)控車床。推薦刀

11、架所用電動機的 額定功率為90W，額定轉(zhuǎn)速為1440r/min，換刀時要求刀架轉(zhuǎn)動的速度為30r/min。2、蝸桿副的設(shè)計計算自動回轉(zhuǎn)刀架的動力源時三相異步電動機，其中蝸桿與電動機直連，刀架轉(zhuǎn)位時渦輪與上刀體直連。已知電動機額定功率P 1=90W，額定轉(zhuǎn)速n1 =1440r/min，上刀體設(shè)計轉(zhuǎn)速 n2 =30r/min，則蝸桿副的傳動比i =n1/n2 =1440 /30=48.刀架從轉(zhuǎn)位刀鎖緊時，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，啟動時沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命Lh =10000h 。2.1.6、蝸桿的選型GB/T10085-1988推薦采用漸開線蝸桿（Z1蝸桿）和錐面包絡(luò)蝸桿（ZK蝸桿

12、）。本設(shè)計采用結(jié)構(gòu)簡單，制造方便的漸開線型圓柱蝸桿(Z1型)。2.1.7、蝸桿副的材料刀架中的蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速較高，因此蝸桿的材料選擇45鋼，其螺旋齒面要求淬火，硬度為4555HRC，以提高表面耐磨性；渦輪的轉(zhuǎn)速較低，其材料主要考慮耐磨性，選用鑄錫磷青銅ZcuSn10P1,采用金屬模鑄造。按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計刀架中的蝸桿副采用閉式傳動，多因齒面膠合或點蝕而失效。因此，在進行承載能力計算時，先按齒面接觸疲勞強度進行設(shè)計，再按齒根彎曲疲勞強度進行校核。按渦輪接觸疲勞強度條件設(shè)計計算的公式為： 式中 a-蝸桿副的傳動中心距，單位為mm； K-載荷系數(shù)； -作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩T

13、，單位N.mm; -彈性影響系數(shù)，單位為MPa； -接觸系數(shù) -許用接觸應(yīng)力，單位為MPa；從式中算出蝸桿副的中心距a之后，根據(jù)已知的傳動比i=48，可以選擇合適的中心距a值，以及相應(yīng)的蝸桿，渦輪參數(shù)。 （1）確定作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩T設(shè)蝸桿頭數(shù)z1 =1,蝸桿副的傳動效率取 =0.8。由電動機的額定功率P1 =90W,可以算出渦輪傳遞的功率P2 =P 1 ,再由渦輪的轉(zhuǎn)速n2 =30r/min,求得作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩： T2=9.55P2/n2=9.55P1 /n2=22920N.mm（2）確定載荷系數(shù)K載荷系數(shù).其中為使用系數(shù)，由于工作載荷分布步均勻，啟動時沖擊較大，因此取 =1.15;K

14、為齒向載荷分布系數(shù)，因工作載荷在啟動和停止時有變化，故取 =1.15； 為動載系數(shù)，由于轉(zhuǎn)速不高，沖擊不大，可取=1.05,則載荷系數(shù)（3）確定彈性影響系數(shù)鑄錫磷青銅渦輪與鋼蝸桿相配時，從參考文獻中差得彈性影響系數(shù) =160MPa（4）確定接觸系數(shù)先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1 和傳動中心距a的比值d 1/a=0.35,可得系數(shù)=2.9（5）確定許用接觸力 根據(jù)渦輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1,金屬模鑄造，蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC，渦輪的基本許用力 =268MPa，已知蝸桿為單頭，渦輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時每個輪齒咬合的次數(shù)j=1;渦輪轉(zhuǎn)速n =30r/min;蝸桿副的使用壽命L =10000h。則

15、應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N=60jn2Lh=1.8107壽命系數(shù)：KHN=0.929許用接觸應(yīng)力：（6）計算中心距將以上各參數(shù)代入式 ，求得中心距： 48mm取中心距a=50mm,已知蝸桿頭數(shù)z1 =1,設(shè)模數(shù)m=1.6mm,得直徑d1 =20mm,這時d1/a=0.4,可得接觸系數(shù) =2.74。因為2mm,即P4.24mm.今取蝸桿的渦距P=6mm.2.1.10.2、其它參數(shù)的確定采用單頭梯形螺桿，頭數(shù)n=1,牙側(cè)角b=15，外螺紋達徑d1=50mm,牙頂間隙ac=0.5mm,基本牙形高度H1=0.5P=3mm,外螺紋牙高h1=3.5mm,外螺紋中經(jīng)d2=47mm,外螺紋校徑d3=43mm,螺桿螺紋部分

16、長度H=50mm。2.1.11、自鎖性能校核螺桿-螺母材料均用45鋼，取二者的摩擦因數(shù)f=0.11;再求得梯形螺旋副的當量摩擦角約為6.5，而螺紋升角約為2.33，小于當量摩擦角。因此，所選幾何參數(shù)滿足自鎖條件。應(yīng)使作用在螺母上的合力通過絲杠軸心， 以保證滾珠受力均勻，避免傾覆力。 （2）放逆轉(zhuǎn)：滾珠絲杠副傳動逆效率高，應(yīng)考慮在電機停電后，因部件自重而產(chǎn)生 螺旋副的逆?zhèn)鲃樱ㄌ貏e是在垂直方向上傳動時），防止逆?zhèn)鲃拥姆椒刹捎茫和ｋ娮枣i的 電機、蝸輪蝸桿機構(gòu)、離合器等方式。 （3）滾珠絲杠副在行程兩端應(yīng)有行程保護裝置，以防止越程后滾珠絲杠副受撞擊而 影響精度、使用壽命甚至損壞。 （4）防止熱變形：

17、熱變形對精密螺旋傳動的定位精度有著重要的影響。其熱源不單 是螺旋副的摩擦熱，還有其他機械部件工作時產(chǎn)生的熱，致使絲杠熱膨脹而伸長。為此必 須分析熱源的各因素，采用措施控制熱源，還可以采用預(yù)拉伸、強制冷卻等減少熱變形對 絲杠的伸長的影響。 （5）細長而又水平放置的絲杠，因自重使軸線產(chǎn)生彎曲變形，是影響導(dǎo)程累積誤差 的因素之一，還會使螺母受載不均。設(shè)計細長絲杠時，應(yīng)考慮防止或減小自重彎曲變形的 措施。（6）防護與密封：塵埃和雜質(zhì)進入滾道會妨礙滾動體運動流暢，會加速滾動體與滾 道的磨損，使?jié)L動螺旋副喪失精度。為此需要防塵措施。滾珠絲杠副在螺母兩端已安裝防 塵圈，為避免絲杠外露，用戶還需要為絲杠選擇防

18、護裝置。 （7）合理潤滑是減小驅(qū)動轉(zhuǎn)矩、提高傳動效率、延長螺旋副使用壽命的重要環(huán)節(jié)。 接觸表面的油膜還有吸振、減小傳動噪聲和沖洗絲杠上的粉塵等雜物的作用。因此要注入 潤滑脂。在螺母上還有油孔，用戶可旋入油嘴，再采用其他合適的潤滑方式。 （8）用內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副，必須使絲杠螺紋兩端中至少有一端的滾珠螺紋是通牙， 并該端所有外圓尺寸均小于絲杠螺紋底徑d2,否則無法裝配螺母。三工藝設(shè)計3.1 、刀架典型零件的工藝設(shè)計3.1.1、蝸桿軸的工藝設(shè)計圖3.1.蝸桿軸零件圖3.1.1.1、蝸桿軸的作用 該蝸桿軸不僅具有軸類零件的共性即傳動、支承、傳遞轉(zhuǎn)矩等作用，而且在傳遞運動的同時，還有梯形螺紋起到減緩傳遞

19、運動的作用。3.1.1.2、結(jié)構(gòu)特點如圖 3.1 所示零件是減速器中的傳動蝸桿軸。它屬于臺階軸類零件，由外圓柱、軸肩、蝸桿螺紋、鍵槽組成。軸肩一般用來確定安裝在軸上零件的軸向位置，17的兩外圓柱表面為支撐軸承，鍵槽用于和外部動力輸出軸配合。3.1.1.3、結(jié)構(gòu)工藝性軸肩、軸頸、鍵槽、蝸桿螺紋。3.1.1.4、關(guān)鍵表面技術(shù)分析20圓柱表面Ra值達到1.6；17圓柱表面Ra值達到1.6；螺紋表面Ra值達到1.6；3.1.1.5蝸桿軸的工藝設(shè)計圖為蝸桿軸零件圖，該零件結(jié)構(gòu)上有外圓柱、軸肩、蝸桿螺紋、鍵槽等加工表面。17的兩外圓柱表面為支撐軸承。該零件選用材料為45鋼是典型的軸用材料，綜合機械性能良好，工藝性能亦好。3.1.1.6、確定生產(chǎn)類型生產(chǎn)類型為單件小批量生產(chǎn)。3.1.1.7確定毛坯種類與毛坯圖說明根據(jù)零件材料確定毛坯為鍛件。為保證質(zhì)量，減少加工余量，采用立式精鍛機鍛造。用熱軋棒料經(jīng)拔長得到。簡化鍛造工藝，對直徑相近的臺階適當合并。如毛坯圖3.2： 圖3.2 毛坯圖3.1.1.8選擇定位基準（1）粗基準：外圓表面 （2） 精基準：蝸桿軸的軸線（前后頂尖裝夾）3.1.1.9、確定工藝路線下料(鋸床) 校直 車端面 ,打中心孔 粗車外圓表面 車另一端面，打中心孔 粗車另一端外表面 半精車外圓表面（前后頂尖裝夾） 車螺紋 熱處理 研磨中心孔