加工中心刀庫自動換刀裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、加工中心刀庫自動換刀裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計緒論1.1 背景及研究意義隨著機(jī)械加工工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對于具有高效高性能的加工中心的需求量越來越大。自動換刀裝置作為加工中心的重要組成部分其主要的作用在于減少加工過程中的非切削時間，以提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本，進(jìn)而提升機(jī)床及至整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)率，所以自動換刀裝置在交工中心中 扮演著重要角色。1.2 自動換刀裝置國內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀從換刀系統(tǒng)發(fā)展的歷史來看，1956 年日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床，美國 舊M公司同期也研制成功了 “ APT （刀具程序控制裝置）。1958 年美國K&T公司研制出帶 ATC（自動刀具交換裝置）的加工中心。1967年 出現(xiàn)

2、了 FMS（柔性制造系統(tǒng)）。1978年以后，加工中心迅速發(fā)展，帶有ATC裝 置，可實現(xiàn)多種工序加工的機(jī)床，步入了機(jī)床發(fā)展的黃金時代。1983 年國際標(biāo)準(zhǔn)化組織制定了數(shù)控刀具錐柄的國際標(biāo)準(zhǔn)，自動換刀系統(tǒng)便形成了統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)模式。目前國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床自動換刀系統(tǒng)中，刀具、輔具多采用錐柄結(jié)構(gòu)，刀柄與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)、刀具的夾緊放松機(jī)構(gòu)及驅(qū)動方式幾乎都采用同一種結(jié)構(gòu)模式。在這種模式中，機(jī)床主軸常采用空心的帶有長拉桿、碟形彈簧組的結(jié)構(gòu)形式，由液壓或氣動裝置提供動力，實現(xiàn)夾緊放松刀柄的動作。切削加工正在進(jìn)入以高速切削（HSC為特征的發(fā)展階段，因高速切削而切削效率飛速提高，因此，進(jìn)一步減少機(jī)床加工輔助時間的技術(shù)也

3、伴隨高速切削的發(fā)展而不斷發(fā)展?？焖贀Q刀技術(shù)是減少加工輔助時間重要手段，而且正在處于發(fā)展階段。許多研究人員利用各種方法來縮短換刀時間 來提高切削速度。下面介紹幾種常用加工中心的換刀方法:1、多主軸換刀這種機(jī)床沒有傳統(tǒng)的刀庫和換刀裝置，而是采用多個主軸并排固定在主軸架上，一般為318 個。每根主軸由各自的電動機(jī)直接驅(qū)動，并且每個主軸上安裝了不同的刀具。換刀時不是主軸上的刀具交換，而是安裝在夾具上的工件快速從一個主軸的加工位置移動到另一個裝有不同刀具的主軸，實現(xiàn)換刀并立即加工。這個移動時間就是換刀時間，而且非常短。由夾具快速移動完成換刀，省去了復(fù)雜的換刀機(jī)構(gòu)。奧地利ANGER毆司生產(chǎn)這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床，

4、實現(xiàn)了切屑對切屑換刀時間僅為0.4s ，是目前世界上切屑對切屑換刀時間最短的機(jī)床。這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床和通常的加工中心結(jié)構(gòu)已大不相同，不僅可以用于需要快速換刀的加工，而且可以多軸同時加工，適合在高效率生產(chǎn)線上使用。2、雙主軸換刀加工中心有兩個工作主軸，但不是同時用于切削加工。兩個主軸交替將刀送到工作位置，一個主軸用于加工，另一個主軸在此期間更換刀具。在需要換刀時，加工的主軸迅速退出，換好刀具的主軸立即開始加工。由于兩個過程可以同時進(jìn)行，換刀時間實際就是已經(jīng)裝好刀具的兩個主軸的換位時間，使輔助時間減少到最少，也即機(jī)床切屑對切屑換刀時間達(dá)到最短，這樣每個主軸換刀時間的長短對加工幾乎沒有影響。每個主軸的換

5、刀裝置和普通加工中心一樣。由于有兩個主軸，這種機(jī)床的刀庫和換刀機(jī)械手可以是一套，也可以是兩套，如德國Alfing Kessler 公司生產(chǎn)的加工中心采用雙主軸系統(tǒng)，使用一套刀庫和換刀機(jī)械手；而德國Hornsbeng Lamb公司生產(chǎn)的HSC-500、HSC-630和HFG- 630 加工中心有兩個主軸和兩套換刀系統(tǒng)，兩個主軸可以用1 . 0 1 . 5s 的時間移動到加工位置并啟動加速到加工的最大速度，具體的交換時間取決于機(jī)床的尺寸。3、刀庫布置在主軸周圍的轉(zhuǎn)塔方式刀庫布置在主軸的周圍刀庫本身就相當(dāng)于機(jī)械手，即通過刀庫拔插刀并采用順序換刀，使機(jī)床切屑對切屑換刀時間較短。這種方式如果要實現(xiàn)任意換

6、刀，則換刀時間將隨所選刀在刀庫的位置不同而長短不等，最遠(yuǎn)的刀可能換刀時間較長，因此，這種方式作為高速自動換刀裝置最好采用順序選刀的方式。4、多機(jī)械手方式刀庫同樣布置在主軸的周圍，但采用每把刀有一個機(jī)械手的方式使換刀幾乎沒有時間的損失，并可以采用任意選刀的方式。德國 CHIRON公司生產(chǎn)這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床。其刀庫布置在加工主軸的周圍可隨主軸一起移動，每一個刀具有一套換刀機(jī)械手，這樣換刀時就幾乎沒有時間的損失，實現(xiàn)了切屑對切屑換刀時間僅為1.5s,是目前世界上單主軸機(jī)床切屑對切屑換刀時間最短的加工中心。本文主要是對雙主軸換刀進(jìn)行研究。1.3 工作內(nèi)容1、主軸箱先抬起30mm然后旋轉(zhuǎn)180°

7、;2、主軸交換時間2.5s ；3、刀柄錐度為40 度，機(jī)械手拔刀行程為84mm；4、機(jī)械手能夠?qū)崿F(xiàn)抓刀、180°換刀和回零，換刀時間為3.5s。1.4 設(shè)計構(gòu)想1、主軸交換裝置 由于交流電動機(jī)一般為鼠籠式感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)，其體積小，轉(zhuǎn)動慣性小，動態(tài)響應(yīng)快。無電刷，最高轉(zhuǎn)速不受火花限制。采用全封閉結(jié)構(gòu)，具 有空氣強(qiáng)冷，可保證高轉(zhuǎn)速和超載能力，有很寬的調(diào)速范圍。所以選擇交 流電動機(jī)驅(qū)動。用液壓缸來實現(xiàn)轉(zhuǎn)塔體的抬起動作，利用活塞的行程來實 現(xiàn)抬起的高度，同時用定位銷來保證轉(zhuǎn)塔體的定位，用活塞桿齒條和齒輪的嚙合使轉(zhuǎn)塔體實現(xiàn)轉(zhuǎn)位。2、刀庫 刀庫由伺服電機(jī)帶動蝸輪蝸桿驅(qū)動。刀具有一套識別裝置來控制電

8、機(jī)的停止和轉(zhuǎn)動。3、換刀裝置 由于凸輪聯(lián)動式單臂雙手爪機(jī)械手由電動機(jī)驅(qū)動，不需要復(fù)雜的液壓系統(tǒng)及其密封、緩沖機(jī)構(gòu)，沒有漏油現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠。同時機(jī) 械手的手臂回轉(zhuǎn)和插刀、拔刀的動作式聯(lián)動的，部分時間常數(shù)可重疊，從 而大大縮短了換刀時間。所以本設(shè)計也采用了這種裝置。研究內(nèi)容： 總體方案設(shè)計、主軸轉(zhuǎn)動的設(shè)計計算，圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計，輸出軸齒輪的設(shè)計，主軸的設(shè)計，花鍵軸的設(shè)計，轉(zhuǎn)位裝置的設(shè)計計算，刀庫的設(shè)計計算，機(jī)械手驅(qū)動裝置的設(shè)計。第2章設(shè)計總體方案論證通過的市場的調(diào)研和常見的換刀裝置的比較，多主軸換刀的方式刀具 數(shù)量有限，不能進(jìn)行多工序加工；刀庫布置在主軸周圍的轉(zhuǎn)塔方式，換刀 的時間隨所

9、選刀在刀庫的位置不同而長短不等。選擇了如圖1-1所示的布局方案。加工中心有兩個工作主軸，12111«5 a 7 G J I 3111L31-轉(zhuǎn)塔體2-壓縮空氣管接頭3-行程開關(guān)4-活塞5-液壓缸6-彈簧7-大齒輪8-碟形彈簧9-拉桿10-主軸11-拉釘12-刀夾13-端面鍵14-鋼球15-滑移齒輪圖2-1雙主軸換刀但不是同時用于切削加工。兩個主軸交替將刀送到工作位置，一個主軸用于加工，另一個主軸在此期間更換刀具。在需要換刀時，加工的主軸迅速退出，換好刀具的主軸立即開始加工。雙主軸用轉(zhuǎn)塔頭的方式實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)交換。2.1 刀庫和交換主軸換刀裝置的原理2.1.1 主軸交換的原理其結(jié)構(gòu)如圖1.1

10、a 所示：轉(zhuǎn)塔頭內(nèi)交錯分布著兩個結(jié)構(gòu)完全相同的刀具主軸，主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動由電動機(jī)由傳動機(jī)構(gòu)、滑移齒輪15 和大齒輪7 輸入。當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令時，通過液壓撥叉（圖中未畫出）將滑移齒輪 15 與大齒輪7 脫離嚙合。同時在中心液壓缸的作用下使轉(zhuǎn)塔體1 抬起（原理在2.1.2 中介紹） 。然后壓力油進(jìn)入轉(zhuǎn)位液壓缸，使轉(zhuǎn)塔體轉(zhuǎn)位180°（原理在2.1.2 中介紹） ，將下一工序的主軸轉(zhuǎn)到工作位置。切削軸進(jìn)行切削加工，另一個軸在此間換刀。刀夾 12 以錐度為7： 14 的錐柄在主軸10 前端的錐空中定位，并通過擰緊在錐柄尾部的拉釘11 被拉緊在錐孔中。夾緊刀夾時，液壓缸5 右腔接通回油，彈簧

11、6 推活塞 4 右移，拉釘11 在碟形彈簧8 作用下向右移動，由于此時裝在拉桿9 前端徑向孔中的四個鋼球14進(jìn)入主軸孔中直徑較小的d2處，見圖1.1b,被迫徑向收攏而卡進(jìn)拉釘11的環(huán)型槽內(nèi)，因而刀桿被拉桿5 拉緊，依靠摩擦力緊固在主軸上。切削扭矩由端面鍵13 傳遞。換刀前需將刀夾松開時，壓力油進(jìn)入液壓缸右腔，活塞6 推動拉桿9 向左移動，碟形彈簧 8 被壓縮；當(dāng)鋼球14 隨拉桿 9 一起左移至進(jìn)入主軸孔直徑較大的d1處時，它就不再能約束拉釘11 的頭部，緊接著拉桿9 前端內(nèi)孔的臺肩端面碰到拉釘11，把刀頂松。此時行程開關(guān)3 發(fā)出信號，換刀機(jī)械手隨即將刀夾取下。與此同時，壓縮空氣管接頭2 經(jīng)活塞

12、和拉桿的中心通孔吹入主軸裝刀孔內(nèi)，把切削或臟物清除干凈，以保證刀具的安裝精度。機(jī)械手把新刀裝上主軸后，液壓缸5 接通回油，碟形彈簧8 又拉緊刀夾。刀夾拉緊后行程開關(guān)發(fā)出信號。2.1.2 主軸抬起及轉(zhuǎn)位的原理如圖 3.2 所示，當(dāng)滑移齒輪和主軸齒輪脫離嚙合時，中心液壓缸2 通壓力油，使轉(zhuǎn)塔體8 抬起，定位銷5 和大齒輪6 隨著轉(zhuǎn)塔體一起上移，與軸 8 上的小齒輪4 嚙合。當(dāng)推動轉(zhuǎn)塔頭轉(zhuǎn)位液壓缸活塞移動時，活塞桿齒條 3 經(jīng)齒輪軸8，使轉(zhuǎn)塔頭實現(xiàn)轉(zhuǎn)位180°。轉(zhuǎn)位完成時，中心液壓缸接通回油，轉(zhuǎn)塔體落下，定位銷實現(xiàn)轉(zhuǎn)塔體的定位。876543211, 2-中心液壓缸 3-活塞桿齒輪條 4-小

13、齒輪5- 定位銷 6- 大齒輪7-軸8-轉(zhuǎn)塔體圖2-2 主軸轉(zhuǎn)位裝置2.1.3 刀庫及換刀裝置刀庫是存儲刀具的裝置，常見的刀庫主要有以下幾種形式：1、轉(zhuǎn)塔式刀庫包括水平轉(zhuǎn)塔頭和垂直轉(zhuǎn)塔頭兩種，其特點(diǎn)為：所有刀具固定在同一 轉(zhuǎn)塔上，無換刀臂，儲刀數(shù)量有限，通常為68把。一般僅用于輕便而簡單的機(jī)型。常見于車削中心和鉆削中心。在鉆削中心儲刀位置即主軸，其外部結(jié)構(gòu)緊湊但內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，精度要求高。2、盤式刀庫刀庫呈盤狀，其特點(diǎn)：刀具沿盤面垂直排列（包括徑向取刀和軸向取 刀）。沿盤面徑向排列或成銳角排列的形式的刀庫結(jié)構(gòu)簡單緊湊，應(yīng)用較 多，但刀具單環(huán)排列，空間利用率低。若增加刀庫容量必須使刀庫的外徑 增大

14、，那么轉(zhuǎn)動慣量也相應(yīng)增大，選刀運(yùn)動時間長。刀具數(shù)量一般不多于 32把。刀具呈多環(huán)排列的刀庫的空間利用率高，但必然使得取刀機(jī)構(gòu)復(fù) 雜，適用于機(jī)床空間受限制而刀庫容量又較大的場合；雙盤式結(jié)構(gòu)是兩個 較小容量的刀庫分置于主軸兩側(cè)，布局較緊湊，儲刀數(shù)量也相應(yīng)增大，適 用于中小型加工中心。3、鏈?zhǔn)降稁彀▎苇h(huán)鏈和多環(huán)鏈，鏈環(huán)形式可有多種變化，具特點(diǎn)：適用于刀庫容 量較大的場合，所占的空間小。一般適用于刀具數(shù)在30120把。僅增加鏈條長度即可增加刀具數(shù)，可以不增加圓周速度，具轉(zhuǎn)動慣量不像盤式刀 庫增加的那樣大。4、直線式刀庫和組合刀庫直線式刀庫結(jié)構(gòu)簡單，刀具單行排列，刀庫容量小。多用于數(shù)控車床和鉆床上。組

15、合刀庫一般是轉(zhuǎn)塔式刀庫的組合。轉(zhuǎn)塔式與盤式刀庫的組合及鏈?zhǔn)降稁斓慕M合，每單個刀庫的儲刀量較小，換刀速度快。另外，還有一些密集型的鼓輪式。彈匣式和格子式刀庫。這些密集型刀庫雖占地面積小，但由于結(jié)構(gòu)限制，基本上不用于單機(jī)加工中心，多用于 FMS的集中供刀系統(tǒng)。通過以上比較，由于本次設(shè)計的換刀裝置用于中小型加工中心，所以選用盤式刀庫，刀具的數(shù)量為20 把刀，并且把刀庫和換刀裝置設(shè)計為一個整體，放置在機(jī)床主軸的上方，節(jié)省了空間。刀庫選取伺服電機(jī)帶動蝸輪蝸桿驅(qū)動，機(jī)械手由凸輪聯(lián)動裝置來驅(qū)動。2.2 本章小結(jié)本章通過對刀庫和交換主軸的總體原理設(shè)計，確定了換刀裝置的基本結(jié)構(gòu)，通過對刀庫的了解，確定了刀庫的形

16、式及容量。同時確定了主要零部件的主要作用，從而設(shè)計各個部分的具體的形狀和尺寸。其中最主要的是裝置的抬起和轉(zhuǎn)位部分，抬起和轉(zhuǎn)位是本次設(shè)計中的最大的難點(diǎn)之一。第3章 主軸轉(zhuǎn)動的設(shè)計計算3.1 傳動系統(tǒng)的原理設(shè)計根據(jù)任務(wù)書要求，主軸電機(jī)功率15kW 主軸轉(zhuǎn)速3000r/min、刀柄錐度號為40。確定傳動系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。V圖3-1主傳動系統(tǒng)3.1.1 電動機(jī)的選擇1、選擇電動機(jī)的類型按已知要求和條件選擇 Y系列一般用途的全封閉自扇冷鼠籠式三相異 步電動機(jī)。2、選擇電動機(jī)的容量任務(wù)書給出電動機(jī)的功率為：P =15kW3、電動機(jī)功率的選擇主軸轉(zhuǎn)速為：n=6000r/minni2i1軸I與軸II

17、齒輪傳動比為 2,軸II與軸田的齒輪傳動比為 1,則電動機(jī) 的最高轉(zhuǎn)速為：6000 1.3000 r min 2由以上數(shù)據(jù)可選出電動機(jī)的型號為Y160M2-2其滿載轉(zhuǎn)速為 2930r/min其主要技術(shù)數(shù)據(jù)、外形和安裝尺寸見表3-1 :表3-1電動機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)、外形和安裝尺寸表型號額定功率/ kw額定轉(zhuǎn)速r/min最大轉(zhuǎn)矩（額定轉(zhuǎn)矩）Y160M2-21529303.2外形尺寸 / mm x mm<mmLX (AB/2+AD)+HD中心高/mmH安裝尺寸/mmAX B軸伸尺寸 / mm x mnX mm DX E650X430X 385160254X 25442X1103.1.2 計算傳動

18、裝置的運(yùn)動和動力參數(shù)1、各軸轉(zhuǎn)速軸 I n n i1 2930 2 5860r. min軸 U n n i2 2930 1 2930 r min軸 111n n 2930r min2、各軸功率軸 I P P 滾齒 14.2 0.995 0.97 13.7kw軸 HPP滾齒 14.7 0.995 0.97 14.2kw軸 111PP聯(lián) 15 0.98 14.7kw3、各軸扭矩由文獻(xiàn)6電機(jī)軸TP 955095501548.89 N mn2930P13.7軸IT9550 955044.81N mn5860P14.2軸HT9550 955046.28 N mn2930P14.7軸田T9550 -955

19、047.91N mn29303.2 圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計3.2.1 設(shè)計內(nèi)容及方法圓柱齒輪傳動的結(jié)構(gòu)設(shè)計內(nèi)容包括齒輪的結(jié)構(gòu)選擇、齒輪精度選擇及 潤滑方式的選擇。齒輪零件的結(jié)構(gòu)設(shè)計包括輪體和齒圈（漸開線齒廓）兩部分，圓柱齒 輪的結(jié)構(gòu)類型分為：實心式、齒輪軸式、腹板式和輪輻式等。其中實心式 結(jié)構(gòu)適用于齒頂圓直徑da 160mm的齒輪，齒輪軸式結(jié)構(gòu)的齒輪與軸做成一體，適用于齒根圓直徑與軸的直徑相差很小，或齒根到鍵槽底部的距離小于3.5mn的齒輪；腹板式結(jié)構(gòu)適用于齒頂圓直徑da 500mm的結(jié)構(gòu)，其他尺寸確定如下：輪轂外徑為dh 1.6d2 （d2為內(nèi)孔直徑），長度lh b （b為齒輪的寬度），腹板的厚

20、度c=0.20.3b ,且c 10mm輪輻式結(jié)構(gòu)適用于 齒頂圓直徑da 500mm勺齒輪。3.2.2 齒輪的設(shè)計1、選擇齒輪傳動的材料及熱處理由表11 1查取，主動齒輪的材料用40Cr鋼，調(diào)質(zhì)熱處理230260HBs取260HBs從動齒輪與主動齒輪相同。2、強(qiáng)度的計算由于主從動齒輪齒面硬度均小于350HRS所以為閉式軟齒面的齒輪傳動。按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計a Aa（i 1庫 KT1 2（3-1）,ai H其中：Aa由表13 1,按直齒輪，B =0° ,查取Aa=453;K由參考材料10中表13-3,按原動機(jī)為電動機(jī)，工作載荷有中等沖擊，查取 K=1.2 1.6 ,取 K=1.4;a 0.

21、2 0.6,取 a 0.3;P14.7T 9550 955047.90N mn2930H 0.9 Hlim, Hlim由圖13-2,按齒輪材料、調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度260HBs 查取 Hlim1 Hlim2=710 MPah 1 h 0.9 710 639MPa1.4 47.91a 483 (1 1)32 99.03mm0.3 1 63923、確定選擇齒輪傳動的參數(shù)和尺寸由于 Z1 2540選 z1 40 z2 iz1 1 40 40(3-2)2am Zi Z22 99.0340 402am Zi Z2由表3-2查取，m 3所以實際中心距a m()(3-3)a 120mmbaa 0.3 120

22、36mm , M b 44mmbi b2 (3 50) 44 4 48mmd1 mz1 3 40 120 mm, d2 mz2 3 40 120mm ,n1 d12930120V160 1000600004、驗算齒根彎曲應(yīng)力da1m(z12)3 (402)126mmda2m(z22)3 (402)126mm18.40m s(3-4)其中:(1) Ft12000T1(2) Kad1由表13Ka 1.2 1.6 ,取 Ka(3)輪，查取(4)FKaKvKf KfsK KfFbm(3-5)FlimYNY YrYxSF min(3-6)2000 47.91 - 798.5N 1203,按原動機(jī)工作平穩(wěn)

23、，工作載荷有中等沖擊，查得 1.6 。Kv 由圖 13-5,i爾V1Z1 18.4 40 古止7級， 7.36 ,直四100100Kv1.76。Kf由圖13-6,bdd148“ 一 一、，-48- 0.4，主從動齒輪齒面硬度小于120350HBs查取(5)取Kf 1 (6YFS1YFS2KfKf由表1.03。13-5,按按II公差組7級，未經(jīng)表面淬火的直齒輪，查)Kfs4.03。Y圖138,按13-4 ,按4 40 Z2 40 x 0 ,查取112a 1.88 3.21.88 3.21.72,ZzZ240查取Y 0.68。調(diào)質(zhì)熱處理，齒面硬度為1 0(8) Flm由圖13-3,按齒面材料, 2

24、60HBs 查取 Flim1 Flim2 290MPa。(9) Yn按長期工作，N N。，查取K(10) Y , 一般 Y 1。(11) YR按表面粗糙度Ra 3.2 查取Yr 1。(12) Yx由圖13-12,按齒面材料，調(diào)質(zhì)熱處理，m 3 ,查取Yx 11(13) SFmin由表13-7,按失效概率 而，查取春 E因有資料可參照，可增大1.21.6倍, 可得：F1F2SFmin 1.25 1.4 1.75290 1 1 1 1165.7MPaF1F21.75798.5 1.6 1.76 1 1.03 4.06 0.6848 344.08MPaF1798.5 1.6 1.76 1 1.03

25、4.03 0.6844 348.05MPaF2(3-8)3.2.3 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3-2表示直齒圓柱齒輪的零件簡圖。da1 da2 126mm 160mm ,主從動齒輪均采用實心式結(jié)構(gòu)。按Vi ,主從動齒輪齒面硬度均小于350HBs直齒，查取II公差組的精度等級為7級，齒輪精度為8-7-7-GB。3.2.4 齒輪的受力分析一對漸開線齒輪嚙合，若不計摩擦力，則輪齒之間相互作用的法向力Fn的方向始終沿嚙合線。為了計算方便，將法向力Fn在節(jié)點(diǎn)P處分解為兩個相互垂直的分力，即圓周力 Ft和Fr,如圖3.3所示。(3-7)Ft 2Tl/d1Fr Ft tan圖3-3 受力圖FnFt / cos式中：

26、Ti一小齒輪傳遞的名義轉(zhuǎn)矩；一嚙合角。o對于按標(biāo)準(zhǔn)中心距安裝的標(biāo)準(zhǔn)齒輪，20。小齒輪傳遞的名義轉(zhuǎn)矩P14 7T1 9550匚 9550 上人47.91N m?？傻?Ft 798.5N , Fr 290.6N ,n2930Fn 849.7 N3.3輸出軸齒輪的設(shè)計計算3.3.1 齒輪的設(shè)計1、選擇齒輪傳動的材料及熱處理由表11 1查取，小齒輪的材料用40Cr鋼，調(diào)質(zhì)熱處理230260HBs 取260HBs大齒輪白材料用 45鋼，調(diào)質(zhì)熱處理 200250HBs取230HBs2、強(qiáng)度的計算由于大小動齒輪齒面硬度均小于350HBs所以為閉式軟齒面的齒輪傳動。按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計 I由(3-1) a Aa

27、(i 1)3/ KT1 2 得, ai H其中：Aa表13-1 ,按直齒輪，B =0° ,查取Aa=453;K由表13-3,按原動機(jī)為電動機(jī)，工作載荷有中等沖擊，查取K=1.21.6 ,取 K=1.4;Va=0.2 0.6 ,取Va=0.3;P13.7T1 9550 9550-44.81N mn15860H 0.9 Hlim, Hlim由圖13-2,按齒輪材料、調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度260HBs 查取 Hlm1=710MPa Hlim2 =520MPa483 (2 1)1.4 44.81 0.3 2 52220.9 710 639MPa , h 2 0.9 580 522MPa105.2

28、9mm3、確定選擇齒輪傳動的參數(shù)和尺寸由于 z1 25 40 ,選 z1 40 z2 iz1 2 40 802a 2 105.29由式(3-2)得 m 1.75 mmz1 z240 80由表3-2查取，m 3。所以實際中心距由(3-3)得 a 向4 z2) 180mm2baa 0.3 180 54mm ,取 b 60mmb1 b2 (3 5) 60 4 64mmd1 mz1 3 40 120mm ,da1 m(4 2) 3 (40 2) 126mmd2 mz2 3 80 240mm ,da2 m(Z2 2) 3 (80 2) 246mm36.8 m sn1 d15860120vi 60 100

29、0600004、驗算齒根彎曲應(yīng)力由公式(3-4), (3-5), (3-6)得(1) Fti2000T12000 44.81746.8Nd1120其中：工作載荷有中等沖擊，查得(2) Ka由表13-3,按原動機(jī)工作平穩(wěn), Ka=1.2 1.6 ,取 KA 1.6。(3) Kv由圖13-5,按II公差組7級，2 36.8 40 14.72,直齒 100100輪，查取Kv 1.32 0(4) &由圖13-6 ,按d -64 0.53，大小齒輪齒面硬度小于d1120350HBs 查取 Kf 1.03。(5) Kf由表13-5,按按II公差組7級，未經(jīng)表面淬火的直齒輪，查取 Kf 1。(6 )

30、YFS 由圖 13-4 ,按 z1 40 z2 80 x 0 ,查取YFS1 4.03, Yfs2 4(7) Y由圖13-8,按11111.76,a 1.88 3.21.88 3.24Z240 80查取Y0.69。(8) Flim由圖13-3,按齒面材料，調(diào)質(zhì)熱處理，齒面硬度為 260HBS 查取 Flm1 290MPa , Flm2 220MPa。(9) Yn按長期工作，N No ,查取Yn 1。(10) Y , 一般Y 1。(11) Yr按表面粗糙度Ra 3.2以，查取Yr=1。(12) Yx由圖13-12,按齒面材料，調(diào)質(zhì)熱處理，m 3,查取Yx 1O1(13) SFmin由表13-7,

31、按失效概率,查取SFmin1.25,因有資1000料可參照，可增大1.21.6倍，Sf min1.25 1.4 1.75F1F1F2290 1 1 1 1175220 1 1 1 11.75165.7MPa129MPa746.8 1.6 1.32 1 1.03 4.03 0.69 23.52MPa64 3F1YFS24F2F1-FS1 23.5223.35MPaYfs14.03F23.3.2齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3.4表示直齒圓柱齒輪的零件簡圖da1 126 mm 160 mm小齒輪采用實心式結(jié)構(gòu)da2 246 mm 500mm小齒輪采用腹板式結(jié)構(gòu)按v1,主從動齒輪齒面硬度均小于350HBS直齒，

32、查取H公差組的精度等級為7級，齒輪精度為8-7-7-GB。3.3.3齒輪的受力分析由前3.2.3節(jié)可知，齒輪受 Fn、Ft、FrFt 2T1, d1 2 44.81 120 746.8NFrFt tan 74.68 tan 20271.8NFn Ft. cos44.81. cos20 476.9N3.4主軸及組件的設(shè)計計算3.4.1主軸組件的設(shè)計要求主軸組件應(yīng)達(dá)到以下幾點(diǎn)設(shè)計基本要求：1、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)度 指機(jī)床在空載低速旋轉(zhuǎn)時，主軸前端安裝工件或刀具部 位的徑向和軸向跳動值滿足要求。目的是保證加工零件的精度和表面粗糙 度。2 、剛度 指主軸組件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能 力。剛度不足時

33、，不僅影響加工精度和表面質(zhì)量，還容易引起振動。惡化 傳動件和軸承的工作條件。設(shè)計時應(yīng)在其他條件允許的條件下，盡量提高 剛度值。3、抗振性指主軸組件在切削過程中抵抗強(qiáng)迫振動和自激振動保持平 穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力?？拐裥灾苯佑绊懠庸け砻尜|(zhì)量和生產(chǎn)率，應(yīng)盡量提高。4、溫度和熱變形 溫開會引起機(jī)床部件熱變形，使主軸旋轉(zhuǎn)中心的相 對位置發(fā)生變化，影響加工精度。并且溫度過高會改變軸承等元件的問 隙、破壞潤滑條件，加速磨損甚至抱軸5、磨損性 指長時期保持其原始精度的能力。主要影響因素是材料熱 處理、軸承類型和潤滑方式。同時。主軸結(jié)構(gòu)要保證各零件定位可靠、工藝性好等要求。3.4.2 主軸及組件的設(shè)計與校核1、初定軸的

34、直徑（危險截面）軸的材料選用45鋼，經(jīng)正火處理。主軸的最底轉(zhuǎn)速為 75r/min,為空心 軸d 3：4 A3（3-10）式中：A與材料有關(guān)的系數(shù)P 一軸傳遞的功率kWn軸的轉(zhuǎn)速r/mind一危險截面的直徑尺寸mm通常取B =0.50.6。故d63.79mm考慮到有鍵連接軸徑應(yīng)增加3%故取危險端面尺寸66mm2、主軸及其組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3.5所示，根據(jù)軸的受力選 N231ES和7016型軸承，軸結(jié)構(gòu)設(shè)計 如圖所示：圖3-5主軸總體布局3.按扭曲合成強(qiáng)度校核軸的直徑Ti 9550 PL 9550 137 44810N mni5860F1t 2T1. d1 2 44.81 120 746.8NF1

35、rFt tan 74.68 tan 20271.8NF1n Ft . cos44.81 cos20 476.9 N水平面:(a)(h)圖3-6受力簡圖mA(F) 0(3-11)122F1t 192RH2豎直面:122F1r 122 746.8472.1NH 2193193me F071F1t 193RH1071F1t71746.8RH1-274.7N193193（3-12）mA F 0122T 19302a 0（3-13）R/2122F1r122 271.8171.8N193193me F 071Fir 19取伯_71F1r 71 271.8R/11931931）作出軸的空間受力簡圖（圖3.6

36、 a ）2）作出水平面和豎直面的受力簡圖（圖3）作出水平面彎矩圖（圖3.6d）99.99N3.6b、c）MH1=33.5191N m, MH2=33.5191 N m4）作出垂直面彎矩圖（圖3.6e）0MV1=12.19851N m , MV2=12.19851 N m4）求出合成彎矩，并畫出合成彎矩圖（圖 3.6f ）。Mmax M/2max M：max 12198.512 33519.1235669.87 N5）作出扭矩圖（圖3.4h）T 44810N m6）求出當(dāng)量彎矩Memax取 0.6M max , M2 （ T）235669.872 （0.6 44810）2 44667.62N7）

37、校核軸的強(qiáng)度考慮到此軸為空心軸，材料為 45鋼，查得0 95MPaM maxW安全系數(shù)合格。44667.620.2 66310.77MPa0 95MPa3.4.3 鍵連接的設(shè)計計算1、選擇鍵連接類型及尺寸由于齒輪傳動的對中性要求較高以免齒輪嚙合不良，所以選擇普通的 平鍵連接，按表12 10且根據(jù)d=66和B=64選擇雙圓頭平鍵，尺寸為 b=20mm , h=12mm, l=60mm , k=6.7mm。2、強(qiáng)度的計算按式(12-8)、式(12-9) 得2T2T >w；., w .dbl1dkl111 l b (60 20)mm 40mm ,60 90MPa由表12 11 ,根據(jù)輪轂材料為

38、45鋼，載荷為輕微沖擊，查取jy 100120MPa2 4481066 20 402 448101.7MPajyjy 66 6.7所以鍵連接的設(shè)計計算合格。3、鍵連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(1)軸的鍵槽尺寸偏差寬度為20N9(00.o52)；槽深d t405.07MPa jy(66 7.5)mm 58.5002mm ；表面粗糙度Ra值兩側(cè)面為3.2 11 m,底面為6.3 11 m(2)輪轂的鍵槽尺寸偏差寬度為 20JS9( 0.026);槽深 d t (66 4.9)mm70.900.2mm ；表面粗糙度表面粗糙度Ra值兩側(cè)面為3.2 pm,底面為6.33.4.4 夾緊裝置的設(shè)計計算1、概述目前國內(nèi)外數(shù)

39、控機(jī)床自動換刀系統(tǒng)中，刀具、輔具多采用錐柄結(jié)構(gòu)，刀 柄與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)、刀具的夾緊放松機(jī)構(gòu)及驅(qū)動方式幾乎都采用同一種 結(jié)構(gòu)模式。在這種模式中，機(jī)床主軸常采用空心的帶有長拉桿、碟形彈簧組 的結(jié)構(gòu)形式，由液壓或氣動裝置提供動力，實現(xiàn)夾緊放松刀柄的動作。本課 題設(shè)計選用液壓缸、長拉桿、碟形彈簧來實現(xiàn)刀柄的加緊和放松。2、蝶形彈簧主要參數(shù)的確定及選擇選用碟形彈簧的材料為50CrVA彈簧承受16公斤的力時的變形量要求 為20mm導(dǎo)桿的最大直徑為20mm按導(dǎo)桿尺寸條件，在 GB/T1972,選取內(nèi)徑d=20.4mm的彈簧三種，尺寸 如表3.1所小：由表可見，采用單個彈簧不能滿足要求，所以采用A系列彈簧對合

40、組4E t2 K212 1D2 4(3-14)合。由公式1.7 17式得：碟形彈簧D(mrmd(mrmt(mrmh0(mrmH0(mrmPf(T I 或(T nF=0.75 h0N(mrm(N/mm2A40 GB/T19724020.43.250.93.1565000.68b n =1330A40 GB/T19724020.41.51.153.6526200.86b n =1140A40 GB/T19724020.411.33.3010200.98b n =1060Pt表3-1蝶形彈簧的尺寸J式中：彈簧鋼的彈性模量為E 2.06104 N. mm2彈簧鋼的泊松比0.3 ;9K1由公式1.7 2

41、0可知K12lnC(3-15)由式（3-15）得K1C 1CC 12C 1 ln C13.142 122 122 1 ln 20.69無支撐面K4=10Pc4 2.06 1042.2520.91 0.320.69 40212 373.7NP 280百 373.30.75由圖1.7 17,A系列的h°/t 0.4,根據(jù) 且 0.75查出f/ho 0.25 ,變Pc2044.4 0.45形量fi 0.25加0.25 0.9 0.45mm ,因此為滿足變形量為 20mm所需彈 簧量片數(shù)為：,fzli 一 fi取45片，則彈簧的尺寸為：iZ 45 3.15 141.75mm 。未受載荷時的自

42、由高度：Hz3、夾緊放松液壓缸的設(shè)計(1)確定液壓缸的輸出推力：夾緊和放松刀柄時，液壓缸主要克服彈 簧的彈力和摩擦力，所以液壓缸的輸出推力為：F=1.1 F1(3-16)式中巳為工作機(jī)構(gòu)的負(fù)載力。將缸的輸出力大于工作機(jī)構(gòu)負(fù)載力的原 因，是液壓缸本身摩擦部位的摩擦力和慣性力也抵消一部分缸的輸出力。 F=1.1 X280=308N(2)確定活塞桿直徑do選定活塞桿材料為不銹鋼，d值可按桿件簡單拉伸計算:d 1.13.mm(3-17)式中：為活塞桿材料的許用應(yīng)力，取為/(1.33),其中1為材料的抗拉強(qiáng)度，查表11 4中，可知不銹鋼的抗拉強(qiáng)度為 520MPa4.76mmF308 21.131.13

43、:-520與表3 2對照進(jìn)行圓整取d=16mm表3-2 活塞桿直徑標(biāo)準(zhǔn)值(摘自GB2348-80)mm456810121416182022253239404550566370(3)確定缸筒的內(nèi)徑D (1.41.8)d 28.8mm(3-18)與表3.39對照進(jìn)行圓整取D=50mm810121620253240506380100125160200250320400一一(4)確定工作壓力P 4F 1(D110 d2)與表3.4對照進(jìn)行圓整取p=6.3 MPa。(5)缸筒的最小壁厚。表3.4 液壓缸公稱壓力(摘自- 6.27MPa(3-19)GB2346-80)mm0.631| 1.6 3.546.

44、310162540缸筒采用無縫鋼管制成，則壁厚為：pmax D/c cc、 (3-20)2表3-3 缸筒內(nèi)徑標(biāo)準(zhǔn)值(摘自GB2348-80)mm式中pmax=1.5p=9.54MPa為缸的實驗壓力；為缸體材料的許用應(yīng) 力，一般無縫鋼管取為110120 MPa,可知P m ax D29.45502.17 m m(6)缸體和活塞的最大相對運(yùn)動速度。速度v通過表3.5進(jìn)行選取表3-5 缸體和活塞最大相對速度極限值mm缸內(nèi)徑(mmi活塞和缸體之間的 最大相對速度(m/s)缸內(nèi)徑(mrm活塞和缸體之間的 最大相對速度(m/s)25 630.82503200.280 1000.64005000.11252

45、000.4一選擇 v=0.8 m/s 。(7)確定缸體所需的流量Q D2v4式中D為缸內(nèi)徑；v為活塞相對于缸體的運(yùn)動速度可得：Q -D2v 314 502 0.8 1.7 10 3 m3 s 443.5花鍵軸的設(shè)計計算3.5.1花鍵軸結(jié)構(gòu)設(shè)計160r/min,(3-21 )1、初定軸的直徑(危險截面)軸的材料選用45鋼，經(jīng)正火處理。主軸的最底轉(zhuǎn)速為d式中 A與材料有關(guān)的系數(shù)軸傳遞的功率kW 軸的轉(zhuǎn)速r/min危險截面的直徑尺寸mm46.38mm, 14.2d 104 3,160考慮到有鍵連接軸徑應(yīng)增加7%故取危險端面尺寸50mm2、花鍵軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計花鍵軸的零部件布置如圖3.7所示：圖3-7花鍵

46、軸結(jié)構(gòu)3、花鍵的設(shè)計計算(1)選擇鍵連接類型及尺寸由于空載時，齒輪要求能夠沿著軸向移動，所以選擇矩形花鍵連接。由表12 1310且根據(jù)軸徑d=78查取矩形花鍵的連接尺寸為10X72X78X12,c=0.4mm。軸和齒輪的材料為鋼，齒面經(jīng)熱處理，硬度為 30HRC(2)強(qiáng)度的計算按式12 13得jyzhl%jy(3-22)式中：T 花鍵軸傳遞的轉(zhuǎn)矩，N m；W 一載荷分布不均勻系數(shù)，W =0.70.8;z花鍵的數(shù)量，常見z=10;h一花鍵側(cè)面的工作高度。D d78 72h 2C 2 0.4 mm 3,2mm(3-23)22rmD d 782三 75mm2(3-24)¥=0.7 0.8,

47、取¥=0.75由表12-14,根據(jù)無載荷時軸向移動，工作情況良好齒面經(jīng)熱處理，查 取 jy 4070MPa。46280iy 0.63MPa jy0.75 10 2.2 75 60所以鍵連接的設(shè)計計算合格。(3)矩形花鍵連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計定心方式采取外徑定心；花鍵軸的配合精度為10X 78a11 X 72f7 乂 12d10, 花鍵孔的配合精度為10X78H1OX 72H7X 12H11。3.5.2傳動齒輪鍵連接的設(shè)計計算1、選擇鍵連接類型及尺寸尺寸為由于齒輪傳動的對中性要求較高以免齒輪嚙合不良，所以選擇普通的 平鍵連接，按表12 10且根據(jù)d=60和B=48選擇雙圓頭平鍵， b=18mm

48、 , h=11mm , l=38mm , k=5.2mm。2、強(qiáng)度的計算按式(12-8)、式(12-9)得(3-25)2Tdbl1jy2Tdkl1jy(3-26)11 l b (38 18)mm 20mm ,60 90MPa由表12 11,根據(jù)輪轂材料為45鋼，載荷為輕微沖擊，查取jy 7080MPa2 4628060 18 204.3MPa2 46280"60 5.2 20所以鍵連接的設(shè)計計算合格。3、鍵連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(1)軸的鍵槽尺寸偏差14.8MPajy表面粗糙度Ra寬度為 20N9(OO.O43)；槽深 d t (60 7)mm 53°0.2mm 值兩側(cè)面為3.2叱

49、m,底面為6.3叱mt(2)輪轂的鍵槽尺寸偏差寬度為 20JS9( 0.0215)mm ;槽深 d t (60 4.4)mm 64.400.2 mm 表面粗糙度表面粗糙度Ra值兩側(cè)面為3.2小項 底面為6.3m=3.6潤滑與密封3.6.1 系統(tǒng)的潤滑1 .齒輪傳動的潤滑齒輪嚙合傳動時,齒面間會產(chǎn)生摩擦和磨損。為了減少摩擦，減低磨 損而采用的最有效的方法是潤滑。特別是高速傳動，更需要考慮齒輪的潤 滑。潤滑可以減小摩擦損失，提高傳動效率；減緩和降低磨損，提高使用 壽命；同時還有散熱、防銹和緩沖更改善工作條件的作用。本設(shè)計采用壓 力循環(huán)潤滑即用中心供油站或油泵把壓力油經(jīng)管道由噴嘴噴至齒輪齒合 面。3

50、.軸承的潤滑軸承潤滑主要目的是減少摩擦與磨損，同時起到冷卻、吸振、防銹及 降低噪音的作用。一般高速軸承都采用油潤滑，潤滑及冷卻效果均較好。 在閉式齒輪傳動裝置中，當(dāng)齒輪圓周速度 V >2m/s時，常采用飛濺潤滑 利用齒輪的轉(zhuǎn)動把潤滑齒輪的油摔倒箱體四周壁面上，然后通過溝槽把油 引進(jìn)軸承。因此本設(shè)計也選用油潤滑。3.6.2軸承的密封軸承密封是為了阻止灰塵及雜物進(jìn)入軸承，并防止?jié)櫥瑒┝魇?。本設(shè) 計選用氈圈密封和擋油盤式密封兩種方式。3.7本章小結(jié)主傳動系統(tǒng)的設(shè)計是根據(jù)設(shè)計參數(shù)中，把軸所能傳遞的功率作為基本 參數(shù)考慮。主軸做成空心的結(jié)構(gòu)，主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計需考慮與傳動軸的連接 裝配工藝、刀具的連接尺寸、定位及密封。傳動軸要考慮其軸向定位與裝 配精度，所以軸徑的設(shè)計要兼顧滾動軸承與矩形花鍵的標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列。第4章 轉(zhuǎn)位裝置的設(shè)計計算4.1中心液壓缸的設(shè)計計算1、確定液壓缸的輸出推力： 液壓缸主要作用是抬起轉(zhuǎn)塔體:(4-1)F=1.1 F1F1=G=mg=360 3.14 X