立式加工中心毕业设计.pdf

立式加工中心 Z 向进给装置与刀库设计 摘 要 : 加工中心是由机械设备与数控系统组成的适用于加工复杂形状工件的高效 率自动化机床 ,它的特点是 具有自动化程度高，加工范围广，适应性强，高柔性 化，智能化，劳 动强度低，适用于单件、小批量、形状复杂的零件的加工 ,有立 式和卧式之分 。 现在，加工中心受到各个国家越来越多的重视， 其发展 程度 代表了 一个国家 的 设计、制造水平 。 加工中心的研制和开发是数控技术未来发展的方向之一。本次设计的主要内 容为加工中心总体即布局和机床联系尺寸图（由同组同学共同参与完成）、刀库 及 Z 轴传动系统设计。 在总体设计中，通过对其总体布局方式进行比较和分析， 确定了加工中心的总体布局方案。刀库设计采用圆盘形布置和无机械手的抓刀方 式。本文对刀库及其自动换刀装置的结构设计、滚珠丝杠的选择、电机的选择、 轴的选择、等进行了阐述及详细设计计算。加工中心性能在很大程度上取决于进 给伺服系统的性能，为此说明书对 Z轴滚珠丝杠、导轨等关键机械部件进行了设 计和计算校核。 本次刀库及 Z轴进给系统设计采用的滚珠丝杠、滚动导轨和与其相配的各种 机械结构保证了加工中心运行高速高效、稳定、精度高，满足其性能要求。 关键词 ： 加工中心 ,刀库 ,自动换刀装置 ,进给系统 DESIGN OF THE OVERALL, TOOL MAGAZINE AND Z-AXIS FEED SYSTEM OF MACHINE CENTER ABSTRACT Machining center is a CNC machine with tool magzine and can automatically replace the right tools for the multi-process to workpiece. It has the characteristics of operations concentration, high precision machining, strong adaptability and high production efficiency. Its development represent the manufacture lever of a nation, the companies at home and abroad highly valued. The research and development of machining center(MC) is one of the NC technology development directions of the future.The design of overall、 tool magazine and the Z-axis feed system of MC. In the overall design, comparison and analysis are made for its way of layout, determined the layout of the overall for vertical. The tool magazine used disk-shaped layout and the no mechanical hand grasping the tool way. The tool magazine and automatic tool change(ATC) structure design, the choice of ball screw and motor, axes, key are introduced and designed in detail in this paper. Performance of MC depends to a large extent on the servo feed system performance, the design and calculation of check to Z-axis ball screws, guide and other key mechanical components are made in the paper. The ball screw, rolling rails and the the mechanical structure match with them are used in the design of tool magzine and the Z-axis feed system to make the system running fast and efficient, stability, high accuracy to meet the performance requirements of the MC. KEY WORDS : machining center, tool magazine, automatic tool changer, feed system 前 言 . 5 第 1 章 概述 . 6 1.1 加工中心的特点 . 6 1.2 加工中心的结构 . 6 1.2.1 加工中心的构成 . 7 1.2.2 加工中心对结构的要求 . 7 1.3 加工中心的发展 方向 . 8 第 2 章 数控加工中心总体设计 . 错误 !未定义书签。 2.1 总体布局方案设计 . 错误 !未定义书签。 2.2.1 总体布局方案的确定 . 错误 !未定义书签。 2.2.2 总体布局方案的说明 . 错误 !未定义书签。 第 3 章 刀库及自动换刀装置 . 10 3.1 加工中心刀库 . 错误 !未定义书签。 3.2 刀库设计计算 . 错误 !未定义书签。 3.2.1 刀库设计参数 . 错误 !未定义书签。 3.2.2 滚珠丝杠的选择 . 错误 !未定义书签。 3.2.3 电机的选择 . 错误 !未定义书签。 3.2.4 轴的选择 . 错误 !未定义书签。 3.2.5 键的设计 . 错误 !未定义书签。 3.2.6 齿轮的设计 . 错误 !未定义书签。 第 4 章 加工中心 Z 轴进给传动系统 . 错误 !未定义书签。 4.1 滚珠丝杠的设计及计算 . 错误 !未定义书签。 4.1.1 电机及检测元件 . 错误 !未定义书签。 4.1.2 电机与进给丝杆 的连接 . 错误 !未定义书签。 4.1.3 传动装置 . 错误 !未定义书签。 4.1.4 滚珠丝杆螺母副 . 错误 !未定义书签。 4.2 导轨的设计 . 错误 !未定义书签。 4.2.1 选择导轨的结构类型 . 错误 !未定义书签。 4.2.2 选择滚动导轨类型 . 错误 !未定义书签。 4.2.3 滚动导轨的预紧 . 错误 !未定义书签。 4.2.4 导轨的保护装置 . 错误 !未定义书签。 4.2.5 导轨的材料与热 处理 . 错误 !未定义书签。 4.2.6 导轨的润滑 . 错误 !未定义书签。 结 论 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 43 致 谢 . 错误 !未定义书签。 前 言 加工中心（ Machining center 简称 MC） 是一种 多工序自动换刀 的 数控机床。 它 具有自动化程度高，加工范围广，适应性强，高柔性化，智能化，劳动强度低 的优点和特点，适用于单件、小批量、形状复杂的零件的加工 ， 它 综合了机械 制 造 技术、电子 电工技术、计算机软件技术、气动技术、现代控制技术、 传感技术 以及通信诊断、刀具和编程技术的高技术产品，它 集铣削、车削、钻削等功能于 一身 ， 并 且增设有自动换刀装置和刀库，可以在一次安装工件后， 通过 数控系统 控制机床 进行零件的自动加工， 按不同工序自动选择和更换刀具，自动改变机床 主轴转速、进给量和刀具相对工件的运动轨迹及其他辅助功能；依次完成 各个面、 孔、槽、倒角等的加工。 加工中心 可以减少工件装夹、测量和调整时间， 使机床 的切削利用率高于普通机床的 34 倍，达 80%以上。所以说 ,加工中心不仅提高 了工件的加工精度，而且是数控机床中生产率和自动化程度最高的综合性机床。 本说明书分 5章 ,第 1章介绍加工中心的结构 ,第 2章讲述了加工中心总体设计 , 第 3章介绍了 刀库及自动换刀装置 ,第 4章讲述加工中心 Z向进给系统的滚珠丝杠 和滚动 轴承 设计选用，支承件及导轨的设计讲述导轨的选用。 限于设计水平 ,设计定有错误和不妥之处 ,敬请答辩组老师的批评指正。 第 1 章 概述 1.1 加工中心的特点 加工中心（ Machining Center）是典型的集多种新兴 技术于一体的机械加工 设备，它的 程度 代 表了一个国家设计、制造的水平， 如今 ，加工中心已经成为现 代机床发展的主流方向，广泛应用于 各行各业的 机械制造中 。 它 有立式和卧式之 分，而立式加工中心是指主轴轴线与工作台垂直设置的加工中心，主要适用于加 工 各种 板类、盘类、模具及小型壳体类复杂零件，对工件一次装夹后进行多工序 加工，可连续完成钻 、镗、铣 、铰、攻丝等多种工序，因而大大 减少了工件 的 装 夹时间、测量和机床调整等辅助工序时间，并且立式加工中心工件装夹、定位方 便，刃具运动轨迹 容易 观察，与相应的卧式加工中心相比，结构简单，占地面积 较小，价格较低 。 与普通 的 数控机床相比，它具有以下几个突出特点。 （ 1） 工序集中 加工中心备有刀库并 且 能自动换刀， 能连续 对工件进行多 道 工序加工，使得 工件在一次装夹后 通过 数控系统能控制机床 进行零件的自动加工， 按不同的工序， 自动选择和 更换刀具，自动控制调整 机床主轴转速、进给量和刀具相对工件的运 动轨迹， 和 其他辅助功能，现代加工中心 则 更大程度地 能使工件在一次装夹后实 现多表面、多特征、多工位的连续、高效 加工，即工序集中。 （ 2） 对加工对象的适应性强 加工中心可以根据需要编制相应的程序以适应不同的复杂零件的加工过程 加工能力和加工范围大 ，因此加工适应能力强 。 （ 3） 加工精度高 加工中心因为 加工工序集中，并且由数控系统控制零件的自动加工减少了人 工操作的误差 ，故加工精度更高，加工质量更加稳定。 （ 4） 加工生产率高 加工中心带有刀库和自动换刀装置， 能集中完成多种工序，因而可以减少工 件装夹、机床的调整等辅助时间， 使机床的切削利用率（切削时间和开动时间之 比） 得到很大提高 ， 高于普通机床的 34倍 。 （ 5） 降低 操作者的劳动强度 加工中心是按事先编好的程序自动完成 对零件的加工 的，操作 人员 除了操 作键盘、装卸零件、进行 一些必要的 关键工序的中间测量 和进行 观察机床的运动 之外，不需要 重复进行繁重的手工操作， 可大为减轻 劳动强度，改善劳动条件 。 1.2 加工中心的结构 1.2.1加工中心的构成 数控 加工中心又可以分为立式加工中心、卧式加工中心、龙门式加工中心、 五轴加工中心和虚轴加工中心等类型。虽然 看起来 外形结构各异，但 是 总体上都 是又以下几大部分组成。 （ 1） 基础部件 这些 由床身、立柱和工作台等大件组成，他们是加工中心结构中的基础部件。 这些大件有铸铁件，也有焊接的钢结构件，它们 需要承受加工中心的静载荷以及 在加工时的切削负载，因此对 静动刚度 有较高的要求。 （ 2） 主轴部件 主轴部件 由主轴箱、主轴电机、主轴、主轴轴承等零件组成。主轴的启动、 停止等动作和转速均由数控系统控 制，加工工件时通过装在主轴上的刀具进行切 削。主轴部件是切削加工的 输出部件，是加工中心的关键部件，其结构 性能 的好 坏，对加工中心的 加工 性能有很大的影响。 （ 3） 进给系统 进给运动是机床成形运动的一个重要部分 ，它 由丝杠、电动机、导轨、等零 件组成 ，其传动质量直接关系到机床的加工性能，所以加工中心机床对进给系统 要求也较高。 （ 4） 数控系统 包括 CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电动机等部分 ，是 数控 加工中心执行控制动作和控制过程的中心。 （ 5） 自动换刀装置（ ATC） 加工中心与一般 的 数控机床的显著区别是 配有刀库， 可以 对零件进行多工 序 加工 ，有一套自动换刀装置 13-15。 1.2.2 加工中心对结构的要求 （ 1） 具有更高的 动 刚度 在机床的切削过程中的振动不仅直接影 响零件的加工精度和表面质量， 刀具 寿命 也会因此降低 ， 进而影响生产率。又因加工中心 是连续 切削的，不能再加工 中及时做出调整 消除或减少振动，因此，还必须提高加工中心的动刚度。 （ 2） 具有更小的热变形 加工中心 的各部件在加工中受切削热、摩擦热等内外热源的影响， 将发生不 同程度的热变形，这将 会 影响工件的加工精度。这就要求必须采取措施减少热变 形对加工精度的影响。主要措施有：对发热源采取有效的液冷、风冷等方法来控 制温升；改善机床结构，使构件的热变形发生在非误差敏感方向上 （ 3） 运动件间的摩擦小并消除传动系统间隙 加工中心工作台的位移量以脉冲当量作为它的最小单位，在对刀、工件找正 等情况下，工作台常以极低的速度运动。这就要求工作台能对数控装置发出的指 令作出准确的响应，它与运动件的摩擦特性有关。加工中心采用滚动导轨或静压 导轨，滚动导轨和静压导轨的摩擦力较小，并且在润滑油的作用下，它们的摩擦 力随运动速度的提高而加大，这就有效地避免了低速爬行现象，从而使加工中心 的运动平稳性和定位精度都有所提高。进给系统中采用滚珠丝杠代替滑动丝杠， 也是基于同样的道理。另外，采用脉冲补偿装置进行螺距补偿，消除了进给传动 系统的间隙，也有的机床采用 无间隙齿轮作为传动副。 （ 4） 寿命高、精度保持性好 良好的润滑系统保证了加工中心的寿命，导轨、进给丝杠及主轴部件都采用 新型的耐磨材料，使加工中心在长期使用过程中能够保持良好的精度。 1.3 加工中心的发展方向 数控技术与加工中心的发展已走过了半个多世纪历程，随着科学技术的 发展，世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求， 超高速切削、超精密加工等技术的应用，对加工中心的各个组成部件提出了更高 的性能指标。当今的加工中心正在不断采用最新技术成就，超着高速化、高精度 化、多功能化、智能化、系统化与高可靠性等方向发展。 加工中心总体设计 2.1 加工中心的结构组成 加工中心本体包括床身立柱横梁等一些支承件、和导轨等。其中支承件是加 工中心机床的基本构件，主要是指床身、立柱、横梁、工作台、箱体、升降台等 大件。这些大件的作用第一是支承作用，即支承其他零部件，在机床切削时，承 受着一定的重力、切削力、摩擦力、夹紧力；第二是基准作用，即保证机床在使 用中或长期使用后，能够保证各部件之间正确的相互位置关系和相对运动轨迹 。 加工中心的总体布局有着多种形式，每种布局形式都有着各自的运动分配形式， 当然，布局不同的话，其加工能力和加工范围，以及各自的加工精度也会随着布 局的不同而有所差异。 机床 的结构性能也会因此而各有差异， 有的布局形式，机 床的刚性比较好 ，比如工作台直接放置在床身上，那么工作台的承载能力会较强 一点。有的布局形式，立柱会受到偏载的影响导致立柱会有前倾的倾向，比如主 轴箱悬挂于立柱的一侧，其结果就会导致立柱受到偏心载荷。但是主轴箱如果卡 装载框式立柱的中间的话，那样就会形成一种对称布局的形式，受力以后，它的 变形较小，从而使其加工精度得以提高 。 总体布局方案的确定 参照目前国内外加工中心的多种常用布局形式并适当结合本次设计的任务， 即： 小型立式加工中心总体布局的确定（由小组三人共同商讨合 作完成） 也就是 机床的总体尺寸联系图，根据目前现有的 几种加工中心比如： MCV2520 小型立式 加工中心、 VMC800、 VMC1250立式加工中心和 XH714等铣削加工中心的总体布局 的形式，再以实验室内的加工中心的机型作为设计的参考，综合考虑机床的各个 部件之间尺寸大小和运动形式 初步确定了机床的总体布局方案，并且根据刀库配 置形式的不同拟定了以下两种总体布局方案 ： 第一种方案： 第二种方案 ： 以上 两种布局 形式 的主要区别在于刀库的放置方式不同 。 第一种方案的布局形式中，刀库悬挂于立柱左边的横梁之上，刀库可以通过驱动装置在 横梁上左右移动，另一方面 刀库 也可以进行转动以进行刀具的选择与切换。这是一种不需要 换刀机械手的换刀装置，当主轴需要换刀的时候 , 刀库放在主轴箱可以运动的地方，或整个 刀库或某一刀位能移动到主轴箱可以到达的位置，同时，刀库中刀具的存放方向一般与主轴 上的装刀方向一致 ，但是刀具的长度会有所限制 。换刀时，由驱动装置驱动机床主轴运动到 刀库上 的换刀位置，利用主轴直接取走或放回刀具。这样的主轴需要有刀具自动夹紧装置 ， 这样，主轴才能完成刀具的自动拆卸和安装。同时，结构比较简单，所以制造成本也相对来 说比较低。同时换刀时，刀库需要整体在横梁上移动到主轴可以到达的地方，这样来看，刀 库的支撑刚度就比较低，所以这样的布局形式需要机床的立柱和横梁要有较高的刚度 ，但是 换刀过程中，必须遵循主轴拔刀、刀库选刀、主轴换刀的过程，上述过程不能同时进行，因 此换刀时间会有点长。 第二种方案的布局形式中， 刀库侧挂于主轴箱旁边，刀库轴线 与机床主轴轴 线相互垂直。由于机床主轴和刀具轴线不平行，这样在主轴换刀的时候就需要一 个辅助装置来帮助主轴换刀，这个装置就是换刀机械手。第二种方案其实就是有 换刀机械手的刀库结构形式 ， 这种自动换刀装置有一个专做储存刀具用的刀库，机床只 需一个夹持刀具进行切削的刀具主轴（钻、镗、铣类加工中心）。当需用某一刀具进行切削 加工时，将该刀具自动地从刀库移送至刀具主轴或刀架中；切削完毕后，又将用过的刀具自 动地从刀具主轴或刀架移回刀库中 ， 这样的刀库中的刀具长度可以稍微长一些 ， 并且，换刀 时，拔刀和还刀可以 同时进行，这样换刀时间就可以缩短一些 。 结合本次设计的任务（小型立式加工中心），考虑制造成本及其它因素，选择采用第 一种方案的 布局形式。其优点 主要是这种刀库机构不需要机械手，结构简单、紧凑 节省占地 空间 ， 降低加工制造成本 。由于交换刀具时机床不工作，所以不会影响加工精度，但会影响 机床的生产率。其次受刀库尺寸限制，装刀数量不能太多。 而且 这种换刀方式常用于小型加 工中心。 因此采用此种结构方式。 第 3 章 刀库及自动换刀装置 3.1 加工中心刀库 刀库是所有加工中心都必须配有的装置 ， 刀库是 加工中心重要的组成部分。 加工中心备有刀库，才能具有自动换刀功能，才可以依次选用不同的刀具对工件 一次装夹后进行多工序加工，完成不同的加工工艺。刀库的作用是用来存放刀具 的，它是自动换刀装置中最重要的部件之一。其中，刀库的布局、容量还有刀具 的具体结构也因机床结构的不同而有所差异。目前加工中心最常用的刀库形式主 要有鼓轮式刀库和链式刀库等，其布局形式主要根据机床整体的布局形式而确定。 其中，鼓轮式刀库又称盘式刀库，常见的形式有刀具轴线与鼓轮轴线平行式和刀 具轴线与鼓轮轴线倾斜式布局两种。而链式刀库具有结构紧凑、布局灵活、 刀库 容量大的优点，可以实现刀具的预选，因此换刀时间比较短。但链式刀库一般需 要安装在机床的侧面或顶部，占地面积大，并且，一般情况下刀具轴线和主轴轴 刀库 主轴 刀库 主轴 主轴 刀库 刀库 主轴 刀库 主轴 刀库 主轴 (a) (b) (c) (f)(e)(d) 线相互垂直，需要通过机械手进行换刀，因此，机械结构比鼓轮式刀库结构复杂 。 加工中心利用其所配置的刀库实现主轴的换刀过程，这是目前加工中心大量使用 的换刀方式，由于有了刀库，机床只要一个固定主轴夹持刀具，有利于提高主轴 刚度。 另外 独立的刀库，大大增加了刀具的储存数量，有利于扩大机床的功能， 并能较好地隔离各种影响加工精度的干扰因素 。图为立式加工中心无机械 手换刀 系统的换刀过程 。 抓刀 主轴至换刀位（到位行程开关），所选刀已被刀库送至当前位置，首先 主轴卡爪松开，主轴头下移到抓刀位（行程开关）主轴松刀缸活塞下部通气，卡 爪抓紧刀柄，气压系统对主轴孔吹气停止，主轴提升到换刀位。 还刀 主轴回装刀位（到位行程开关），卡爪松开刀柄，主轴提升到位，还刀 结束。 刀库还刀 刀库换刀结束后，刀库按照下步工序要求，采用就近方式旋转， 将下步刀具送至当前位置，完成选刀过程，等待下次主轴的抓刀过程。 这种换 刀机构不需要机械手，结构简单、紧凑。由于交换刀具时机床不工作， 所以不会影响加工精度，但会影响机床的生产率。其次受刀库尺寸限制，装刀数 量不能太多 ，一般为 8 24把。 刀库分为盘式刀库、链式刀库、格子式刀库，其中盘式刀库按取刀方式又分 为径向取刀和轴向取刀以及刀具轴线和刀盘轴线成一定的夹角几种形式 本次加工中心的刀库选用盘式刀库，刀具轴线和刀盘轴轴线相互平行，采用 轴向取刀的方式 。 大致结构参考下图 ： 3.2 刀库设计计算 3.2.1 刀库设计参数 刀库容量： 20把刀 换刀方法：直接换刀 刀库旋转：电机和齿轮箱 换刀时间： 8 s 最大刀具质量： 10kg 刀柄类型： No.45系列 ISO7388/1-A 拉钉： ISO7388/2-A 刀库最大承重： 100kg 刀库最大位移量： 300mm 查阅相关资料并经过具体设计计算和验算校核 根据生产实践和各参 考资料，设计刀库如图 3-3： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1718192021222627282930 39232425 3233 34 35 36 37 38 31 图 3-3 刀库结构 图 1-导轨副； 2-轴承端盖； 3-轴承； 4-圆螺母； 5-垫片； 6-支撑板； 7-滚珠丝杠； 8-螺钉； 9-垫片； 10-箱体； 11-圆螺母； 12-垫片； 13-护罩； 14 齿轮箱体； 15-大齿轮； 16-键； 17- 挡圈； 18-圆锥滚子轴承； 19-垫片； 20-轴承端盖； 21-轴； 22-盘形刀架； 23-联轴器； 24- 锥环； 25-螺钉； 26-弹簧垫圈； 27-圆螺母； 28-齿轮； 29-伺服电机； 30-手爪； 31-联轴器； 32-锥环； 33-螺钉； 34-伺服电动机； 35-螺栓； 36-螺钉； 37-螺栓； 38-挡板； 39-主轴头 刀库除了储存刀具之外，还要求根据要求将个工序所用的刀具运送到 换刀位置。本设计才采用电机 34 和 29 驱动。刀库由电机 34 驱动联轴器 31，然后经滚珠丝杠 7把电机的转动转换成刀库整体的移动，刀库靠近主 轴 39，并在此过程中利用销钉把护罩打开，使刀柄外露，当刀库停止在换 刀位置后，主轴 39 向下移动，把上道工序所用刀具放回刀库中的指定安 放位置（盘形刀架 22 上均布 24 个手爪 27，其外侧边缘上有相应的 24 个 刀座编码板。在刀库的下方装有固定不动的刀座号读取装置，当盘形刀架 22 转动时，刀座编码板依次经过刀座号读取装置，并读出各刀座 的编号， 与输入指令相比较，当找到所要求的刀座号时，即发出换刀信号）；松开 刀柄和拉钉，并向上移动一定位移量，使主轴处在刀库上方；之后，刀库 在气马达 26 的带动下，经过联轴器传动，带动刀库的整体转动，把所要 求的下道工序刀具转动到主轴头 36 的正下方，主轴头 36 从新向下移动， 加紧刀柄和拉钉，向上移动远离刀库，完成换刀动作。电机 34 反转，带 动刀库返回起始位置，等待下一次换刀指令 。 当然，在设计的过程中，必须首先了解刀库的工作原理和弄清刀库的 具体结构，才能清 楚 明白进行刀库的设计工作。总的来说，此次选的的刀 库结构 形式主要有两大部分组成，第一个是 让刀库横向水平移动的部分， 也叫做刀库的横移装置，第二部分是带动刀盘旋转的以便进行选刀和换刀 的部分，也叫做刀库的转动装置。 其中刀库的横向移动可以有多种方案的 选择，比如说 可以有气缸推动刀库进行横向移动，或者是液压缸进行驱动， 也可以用电机加丝杠或者滚珠丝杠进行横向移动的驱动装置，导轨可以用 滑动导轨，也可以选用滚动导轨，或者是圆柱导轨，当然它们之间也可以 进行不同的组合得到更多的组合方案。另外，刀库的转动部分也有多种设 计方案，第一，可以用电机加涡轮蜗杆进行传动带动刀盘进行转动；第二， 电 机加槽轮机构带动刀盘轴进行转动；再者，可以选择 电机加齿轮传动的 方式进行传递扭矩。当然横向装置和转动装置之间也可以进行交叉组合得 出多种方案以供选择。经过综合考虑和多种方案的比较，最终的选择方案 如下：横向移动装置选则使用电机加滚珠丝杠的形式，导轨选用滚动导轨； 转动部分选择使用电机加齿轮减速机构进行传动。其特点如下伺服电机加 滚珠丝杠可以使刀库的横向移动冲击更小，更加平稳 ，定位精度较高，误 差较小；而步进电机则可以精确控制转动的角度和方向，通过发送脉冲进 行动作，通过控制发送脉冲的数量控制其转动的角度，通过控制脉冲的频 率来控制起转动的速度，并且，对于齿轮传动来说，齿轮传动的传动比比 较准确，传动效率高，承载能力较强等 故综上所述选择以上方案为最 终方案。此外，借助三维建模软件 SolidWorks 进行三维建模的零部件的 设计以及装配 体模型 ，以便更加清楚直观的表示出其总体的空间布局和结 构以及各个部件之间的布局关系以及相互位置关系。其 大致 三维视图如下 图所示 ： 轴测图： 如上图所示：刀库的横向移动装置在横梁上左右移动，刀库的 横向移动是由 伺服电机直接带动滚珠丝杠来完成的，电机通过螺栓固定在横梁上，滚珠丝杠通 过轴承座固定在横梁上，电机和滚珠丝杠通过联轴器直接相连接 。 主视图： 如图所示 ， 在机床的横梁之上，安装有导轨，导轨选用滚动导轨副， 并且水平 放置 左视图： 导轨上有与之相配的滑块，一般是四个滑块组合在一起使用， 图上只画出两个仅 作为示意而用。 滑块和右侧的滑座通过螺栓连接固定在一起，然后，滑座和滚珠 丝杠螺母副通过螺母座连接在一起，螺母座和滑座都不是标准件，是根据刀库的 放置形式和具体结构而专门制作的。整个刀库的转动部分就 和 滑座 固连在一块， 这样当横向上的驱动电机通过联轴器带动滚珠丝杠转动时，滚珠丝杠就将电机的 转动转变成直线运动，接着通过螺母座将直线运动传递下去，从而使整个刀盘部 分做水平移动 。 刀库的转动部分是通过步进电动机经过一级减速齿轮来完成的。由于刀盘的 转动速度不是特别高，则与电机直接相连接的轴的速度也不是很高 ，电机和第一 根轴之间也是采用联轴器直接相连在一起 ，从而需要选择使用减速电机。 这样， 电机通过联轴器经过一级齿轮减速装置将运动传递到刀盘轴，带动刀盘轴进行转 动从而进行选刀和换刀。 后视图： 刀库容量的确定 立式加工中心的刀库中，其刀库容量的多少基本上就决定了这台立式加 工中心的加工能力的大小或者说是加工工艺范围的大小。 一般来说，加工中心要 有适应和满足加工不同零部件的加工能力，以及加工零件的多样性、加工工序的 复杂性的能力，所以说，该加工中心的刀库中必须要有一定的刀具数量，否则很 难满足零件加工的复杂性和工序多样性的要求。而本次设计的加工中心大部分是 用来加工一些需要钻孔和铣削不大的平面的中小型零件，刀具主要是一些加工孔 的刀具，比如：钻头、扩孔钻、锪孔钻 等，还有就是一些铣 削平面的铣刀，主要 有立铣刀和直径不是太大的面铣刀。并且，一般而言，刀库中的刀具数量越多， 那么刀库的外形轮廓尺寸也就越大，在空间中所占的地方位置也越大，成本也会 越高，而刀库中的刀具数量如果过少的话，其加工能力会受到极大的限制，不能 满足其对零件的加工要求。综合考虑结构尺寸和成本因素，刀库中最终决定采用 20把刀。 一般情况下，刀盘的转动速度不是特别快，大概为每分钟 30 40 转，也有 少部分转速比较低的约为每分钟 15 转左右，还有一些转懂速度比较快的，其转 动速度能达到每分钟 100转左右。当然转动速度越快的话，其刀库和主 轴之间的 换刀时间也会有所缩短，设计人员也可能是出于这样的考虑，通过减少换刀的时 间来提高机床的生产率和加工效率。 本次初选刀盘的转动速度为 30r/min，初选 刀库的直径为 D=650mm 3.2.3 刀库转动部分的计算 1、 刀库参数的选择 刀具数量： 20 把 刀具最大直径 60 mm 刀具最大重量： 10Kg 刀具最大长度： 150mm 刀库最大移动速度： 8m/min 1）初选刀库直径 650mm 采用轮辐式结构，选用 45 钢材料 ,根据刀具的形式和 刀具的最大直径，现拟采用的排列方式为单环排列 由于一般情况下刀具的最大运动线速度为 20 30m/min ,为了节省换刀时间， 选刀盘转速为 n=30 r/min 2)采用电机电机通过一级圆柱齿轮减速装置带动刀盘转动 ，传动比初定为 i=2， 则与电机轴相连的小齿轮轴的转速为 60r/min，转速比较低，故在此选用减速 电机 按刀盘所需扭矩 T=200N m来算 则 转盘轴所需的功率为 Pw= Kw= =0.63 Kw 则 所需电机的输出功率为： Pd=Pw =0.630.932= 0.674 Kw 总效率 ： =123 n 其中查表知 各种零件的传动效率如下 ： 弹性联轴器： 1=0.99 0.995 取为 0.99 一对轴承： 2=0.98 0.995 取为 0.99 圆柱齿轮： 3=0.96 0.98 取为 0.97 则 =123=0.99 0.993 0.97=0.932 由以上算的功率和转速查资料初选减速电机型号为 R57 功率为 1.1KW 输出转速 64r/min 输出转矩 155 N m 使用系数 2.7 3)电机驱动转矩的校核 设与电机直接相连的轴为轴，刀盘轴为轴 则各轴上的转速和 功率以及扭矩为： 轴 ：因为通过联轴器与电机直接相连接 则轴上的转速 n1=n0= 64 r/min 轴所传递的 功率 P = Pd 0.99=1.089 KW 轴上承受的扭矩 T1=9550 1.08964 = 166 N m 轴： 轴上的转速 n2=n1/i=27.8 28 r/min 轴所传递的 功率 P = P 0.99 0.97=1.046 轴上承受的扭矩 2=9550 Pn 2 =9550 1.04628 =356.8 N m 因为 2=356.8 N m T=200 N m 故电机的驱动转矩满足设计要求。 2、 圆柱齿轮的设计 参考书上例题， 由以上可知 输入功率为 P=1.089 KW ，小齿轮转速 为 n1=64 r/min 预期工作时间为 10 年 （一年按 300天算）传动比定为 i=2.3 首先 （ 1） 选用直齿圆柱齿轮传动 ，压力角取 20 （ 2）参考机械设计表 10-6 选用 7级精度 （ 3） 选择小齿轮的材料为 40Cr （调质），齿面硬度为 280 HBS 大齿轮选用 45钢（调质） （ 4） 初选小齿轮齿数 Z1=31 ，则大齿轮的齿数 Z2= i Z1=71.3 取 Z2= 72 1）、按齿面接触疲劳强度设计 （ 1） 根据式（ 10-11） 试算小齿轮的分度圆直径 d1t 2KHtT1(u+1)（ ZHZEZ） 2 duH2 3 小齿轮传递的扭矩 T1=9.55 106P/n1=9.55 106 1.08964 =162499.2 N m 初选 KHt=1.3 齿宽系数 d=0.6 由图 10-20 查得区域系数 ZH=2.5 由表 10-5 可得 ZE=189.8 MPa1/2 重合度系数 a1=cos1 Z1 cos/(Z1 +ha)=cos131 cos20/(31+2 1)=28.025 a2=cos1 Z2 cos/(Z2 +ha)=cos172 cos20/(72+2 1)=23.908 =Z1(tana1 tan)+Z2(tana2 tan)/2 =31 (tan28.025 tan20 )+72 (tan23.908 tan20 )/2 =(5.217+5.712)/2 =1.740 Z=43 =41.7403 =0.868 计算接触疲劳许用应力 H 由图 10-25d 可知小齿轮的接触疲劳极限 HLim1=600 MPa，大齿轮的接触疲 劳极限 HLim2=550 MPa 应力循环次数 ： N1=60n1jLh=60 64 1 (8 300 10)=9.216 107 N2=N1 /=4.007 107 由图 10-23 查得寿命系数 KHN1=0.94 KHN2=0.95 取失效概率为 1% ，安全系数 S=1 ,则由式 (10-14) H1=KHN1HN1S =0.94 6001 =564 MPa H2=KHN2HN2S =0.95 5501 =525.3 MPa 取 H = H2=525.3 MPa (2）、试算小齿轮的分度圆直径 按上面的公式代入数据可得： d1t 2 1.3 162499 (72/31+1)（ 2.5 189.8 0.868） 2 1 72/31 525.32 3 71.88 mm 2)、调整小齿轮的分度圆直径 （ 1）要计算实际载荷系数前的数据准备 圆周速度 v v= d1tn160 1000 = 71.88 6460000 =0.241 m/s 齿宽 b b= dd1t =71.88 0.6=43.128 mm （ 2）计算实际载荷系数 KH 由书中表 10-2查取使用系数 KA=1 根据圆周速度 v=0.241 m/s 7 级精度，由图 10-8 可查取动载系数 KV=1.05 齿轮圆周力 Ft1= 2T1/d1t=2 162499/71.88=4521 N KAFt1/b=1 4521/43.128=104.83 N/mm 100 N/mm 查表 10-3可取齿间载荷分配系数 KH =1.2 ，由表 10-4采用插值法可得 齿向载荷分布系数 KH=1.317 则可计算得到实际载荷系数 KH=KAKvKHKH=1 1.05 1.2 1.317=1.659 （ 3）由公式 10-12，可以得到按实际载荷系数 KH计算的分度圆直径 d1=d1tKHK Ht 3 =71.88 1.659 1.3 3 =77.96 mm 以及相对应的齿轮模数 m=d1/Z1=77.96/31=2.515 mm 3、按齿根弯曲强度进行设计 1）、按公式 10-7试算齿轮模数 mt 2KFtT1YYFaYsa dz12F 3 (1)选择公式中的各个参数 初选 KFt=1.3 根据 10-5计算按弯曲疲劳强度所用的重合度系数 Y=0.25+0.75 =0.25+0.751.740=0.681 计算 YFaYsa F 根据图 10-17查取齿形系数 YFa1=2.55 YFa2=2.25 根据图 10-18查取应力修正系数 Ysa1=1.63 Ysa2=1.75 根据图 10-24查取小齿轮的齿根弯曲疲劳极限为 FLim1=500MPa 大齿轮的齿根弯曲疲劳极限为 FLim2=380MPa 根据图 10-22查取弯曲疲劳寿命系数 KFN1=0.90 KFN2=0.92 若取弯曲疲劳安全系数 S=1.4，那么 根据式 10-14可得 F1=KFN1FLim1S =0.90 5001.4 =321.43 MPa F2=KFN2FLim2S =0.92 3801.4 =249.71 MPa YFa1Ysa1 F1 =2.55 1.63321.43 =0.0129 YFa2Ysa2 F2 =2.25 1.75249.71 =0.0158 因为 YFa2Ysa2 F2 =2.25 1.75249.71 =0.0158 YFa1Ysa1 F1 =2.55 1.63321.43 =0.0129 所以取 YFaYsa F =YFa2Ysa2 F2 =2.25 1.75249.71 =0.0158 2） 试算齿轮的模数 按公式： mt 2KFtT1YYFaYsa dz12F 3 =2 1.3 162499 0.681 1 312 3 =1.654 mm (2)调整齿轮的模数 要计算实际载荷系数前的数据准备 1）圆周速度 v d1=mtz1=1.654 31=51.274 mm v=d1n160000= 51.274 6460000 =0.172 m/s 2)齿宽 b b= b= dd1=0.6 51.274=30.76 mm 3)宽高比 b/h h=(2ha +c)mt=2.25 1.654 =3.722 b/h=30.76/3.722=8.26 计算实际载荷系数 KF 1）由所算数据 v=0.172 m/s 7级精度 根据图 10-8查取动载系数 Kv=1.02 2） Ft1=2T1/d1=2 162499/51.274=6338.64 N KAFt1/b=6338.46 1/30.76=206.06 N/mm 100 N/mm 根据表 10-3 查取齿间载荷分配系数 KF=1.0 3）根据表 10-4 采用插值法算得 KH=1.312 再结合 b/h=8.26由图 10-13可 得 KF=1.34 那么，载荷系数可得 ; KF=KAKvKFKF=1 1.02 1.0 1.26=1.285 那么，根据式 10-13可以计算出按实际载荷系数所算得的模数 m=mtKFK Ft 3 =1.654 1.285 1.3 3 =1.648 mm 综合对比以上计算结果，按齿根弯曲疲劳强度所算的模数小于根据齿面接触 疲劳强度所算的模数，因为齿轮的模数的大小取决于弯曲疲劳强度决定的承载能 力，而齿轮直径的大小则与齿面 接触疲劳强度决定的承载能力有关。所以可以取 由弯强计算得到的模数 1.684 mm，并将其圆整为标准值 m=2 mm，根据接触疲劳 强 度 计 算 的 小 齿 轮 分 度 圆 直 径 d1=77.96 mm, 由 此 算 得 齿 轮 齿 数 z=d1/m=77.96/2=38.98 取小齿轮齿数 z1=39,那么，大齿轮的齿数 z2=iz1=2.3 39=89.7 取 z2=90 4、尺寸计算 （ 1）分度圆直径 d1=z1m=39 2=78 mm d2=z2m=90 2=180 mm (2)中心距 a=( d1+ d2 )/2=129 mm 130 mm (3)齿轮宽度 取小齿轮齿宽 b1=45 mm ,则大齿轮齿宽略短 5mm,即 b2=40 mm 二、轴的设计与校核 1、轴的设计计算 轴所传递的 功率 P = Pd 0.99=1.089 KW 轴上的转速 n1=n0= 64 r/min 估算轴的直径 按扭转强度的条件进行计算，轴的扭转强度条件为 T= TW T 9550000 P n 0.2d3 T 公式中 : T 扭转切应力 ,单位 MPa; T 轴所承受的扭矩， 单位 N m WT 轴的抗扭截面系数 ，单位 mm3 n 轴的转速 ，单位 r/min P 轴所传递的功率 ，单位 KW d 计算截面处轴的直径 ,单位 mm T 轴的许用扭转切应力 ，单位 MPa 根据以上公式可以得到轴的直径 d 9550000P0.2 tn 3 =9550000 0.2t 3 P n 3 =A 0 P n 3 公式中， A0=95500000.2 t 3 ，查阅 下 表 表 3-1 轴常用材料的 T 及 A0 轴的材料 Q235-A、 20 Q275、 35 45 40Cr、 35SiMn T /MPa 1525 2035 2545 3555 A0 149126 135112 126103 11297 选取轴的材料为 40Cr,可以取 A0=110， T=40 MPa, 则轴的直径为 d A0Pn3 =110 1.089643 =28.2 mm 一般来说，如果当轴的截面上开有键槽的时候，应该适当考虑轴上的 键槽对轴的强度的削弱作用，所以应该适当的增大轴的直径。如果轴的 直径 d100 mm,当轴上只有一个键槽的时候，轴的直径应增大 3%，当轴 上有两个键槽的时候，轴的直径应该增大 7%。如果轴的直径 d 100 mm, 那么，当轴上只有一个键槽的时候，轴的直径应增大 5% 7%；当轴上 有两个键槽的时候，轴的直径应该增大 10% 15%并且将轴的直径圆整为 标准直径 因为轴上开有两个键槽，故轴的直径应增大为 d=28.2 (1+0.15)=32.4 mm 圆整为 d=35 mm 2 轴的校核 按扭转强度进行计算 T= TW T 9550000 P n 0.2d3 =18.95 MPA 因为 T T=40 MPa, 故轴的设计满足要求。 3 轴的设计计算 轴所传递的 功率 P = P 0.99 0.97=1.046 轴上的转速 n2=n1/i=27.8 28 r/min 估算轴的直径 按扭转强度的条件进行计算，轴的扭转强度条件为 d A0Pn3 查阅表 15-3 ，选取轴的材料为 45钢 ，那么可以取 A0=110 ， T=40 MPa, 那么，代入数据可以算的轴的直径为 d A0Pn3 =110 1.046283 =36.2 mm 当轴上开有两个键槽的时候，应该适当增大轴的直径以考虑轴上的键 槽对轴的削弱作用，因为轴的直径 d 100 mm,那么由以上说明，轴的直 径应该增大为 d=36.2 1.10=39.82 mm 并将其圆整为 d=40 mm 轴的结构设计 结构图如下： 由结构图知，可以选择轴承内径为 45mm 的角接触球轴承 70000AC， 轴承型号为 7209 下面为轴的工作示意图： 轴的校核 （ 1）轴上所承受的转矩 T2=9550 Pn 2 =9550 1.04628 =356.8 N m （ 2）求作用在齿轮上的载荷 已知： 低速级大齿轮的分度圆直径为 d2=mz2=2 90=180 mm 作用在齿轮上的圆周力 Ft=2T2d 2 =2 356760.7180 =3964 N 作用在齿轮上的径向力 Fr=Fttan=3964 tan20=1442.8 N 轴的计算简图如下： 竖直面内 ： 求支反力 由图易知： FA+ FB =Fr=1442.8 N 由力矩平衡条件得 Fr