8刀位盘型电动刀塔设计说明书

毕业设计论文8刀位盘型电动刀塔设计 摘要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。本部分主要对八工位盘型式电动刀架的机械部分的设计，并对以上部分运用PRO/e做图，并生成二维装配图，以便对刀塔有更直观的了解。本次设计为八工位盘型电动刀塔，刀盘转位、刀盘的轴向移动以及动力刀头的旋转均通过同一台三项异步电机驱动，动力通过一级齿轮减速后，分为两个传递路线，其中一条直接传递到动力刀头轴，为动力刀具旋转提供动力；而另一条则再通过一级齿轮减速后，传递到刀盘轴，为刀盘转位和轴向移动提供动力。这两条传递路线的接通与断开均由电磁离合器控制，当需要转位时电磁离合器1将第一条传递路线断开，电磁离合器2将第二条传递路线接通，此时动力刀头轴不旋转，刀盘先轴向移动，当端齿盘完全脱开后，刀盘开始转动，实现换刀过程，当刀盘转到位时，控制系统发信号，立即进行制动，电机开始反转，左右端齿盘啮合以锁紧刀盘。当需要的动力刀具旋转时，电磁离合器将第一条传递路线接通，电磁离合器2将第二条传递路线断开，此时刀盘即不转位也不移动，可进行车削加工、钻削加工、铣削加工等加工。关键词：数控刀架 ， 车削中心 ，电动刀塔，八位盘型The design of eight locations disc turret for CNC automatic lathe center Abstract：. The numerical control tool rests trend of development is: Along with the numerical control lathes development, the battery solution combination actuation and the servo fast actuates the direction to develop. It is different according to the processing object, has the squaring head, the turret head and eight (or more) the location disk axial attire knife tool rest and so on many kinds of forms. On the turret saddle installs four, six or more cutting tools separately, and trades the knife according to the numerical control installments instruction. This part mainly to eight location vertical electrically operated tool rests mechanical design. Then makes the chart to above part using PRO/e, and has a more direct-viewing understanding to the automatic tool turret. The design for the electric drive eight locations disc turret, turn the cutter bit, the cutter head axial rotation movement and momentum are by the same three asynchronous motor drive, power through a gear reducer, the divided two transmission lines, one directly to the power head shaft-driven rotary powered tool; the other one after another through a gear reducer, passed to the cutter shaft, the cutter translocation and axial movement to provide power. These two transmission lines connected and disconnected by the electromagnetic clutch control, when to change position when the electromagnetic clutch 1 will disconnect the first delivery route, the electromagnetic clutch 2, the second transmission line will connect, then power head shaft not rotating cutter first axial movement, when the crown wheel completely torn off, the cutter began to turn, to achieve tool change process, as the cutter to position, the control system signal, immediately braking, the motor began to reverse , left-side gear tooth plate to lock cutter. When it comes to power tool rotation, electromagnetic clutch to connect the first transmission line, electromagnetic clutch 2, the second transmission line will disconnect at this time that does not turn the cutter bit is not mobile, could be turning, drilling, milling and other processing.Key word: Numerical control tool rest, CNC automatic lathe center, electrically operated tool turret, eight locations disc turret目 录前 言11绪论31.1 我国数控机床的发展31.2 自动换刀装置41.3 国内外数控车床的研究状况与成果52数控车床自动换刀装置72.1概述72.2 ATC刀具自动换刀形式92.3 数控车床刀架的功能、类型和满足的要求102.3.1数控机床刀架功能和类型102.3.2数控机床刀架应满足的要求113.车削中心动力刀架总体方案设计133.1. 总体结构设计133.2自动回转刀盘的传动系统143.3电动机的选择163.3.1铣削力及铣削功率的计算173.3.2钻削及钻削功率的分析与计算174.典型零件的设计和选用204.1齿轮部分的设计204.1.1高速级齿轮设计204.1.2低速级齿轮设计264.2刀盘轴的设计294.2.1最小轴颈 的计算294.2.2轴的结构设计294.3端齿盘选用。324.4刀盘的设计344.5刀座的设计364.5.1动力刀座364.5.2车刀刀座的设计375刀塔装配38总结43致谢44参 考 文 献45前 言 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径径。制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。数控机床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，缩短辅助时间，减少辅助时间，减少安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。各种数控机床的自动换刀装置的结构取决于数控机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量等。在数控机床中自动换刀装置应当满足的基本要求包括：1.刀具换刀时间短;2.刀具重复定位精度高。3.足够的刀具储存容量。4.刀库占地面积小。数控车床使用的刀架是最简单的自动换刀装置，有四方刀架，六角刀架、盘型刀架、星型刀架等。可在其上安装四把、六把、八把、十二位、或更多的刀具。数控机床的刀架必须具有良好的刚度和强度，以承受粗加工的切削力；同时要保证回转刀架的重复定位精度。刀架作为数控机床的重要部件，其结构形式多样。车削中心刀塔的形式常见的是卧式的，也有立式的，还有倒立式的。 单主轴，单刀塔（上刀塔T），刀塔分为带Y轴和不带Y轴，目前以不带Y轴的居多。双主轴（带副主轴S）,单刀塔 双主轴双刀塔，甚至三刀塔。 刀塔还分为盘式刀塔（DiscTurret）和星形刀塔（StarTurret）。盘式刀塔（DiscTurret）:刀座装在刀盘的轴面上，是最早出现的，刀塔形式，在单主轴单刀塔的车削中心上常用。.局限性，刀具之间容易相互干涉，可加工的工件直径尺寸较小。不适于副主轴的上背向加工。 星形刀塔（StarTurret）刀座安装在刀盘的圆周上，呈星形分布，这是一种新型的刀塔结构，它克服了传统的盘式刀塔的限制，刀具之间相隔比较远，干涉小，同等的刀盘直径，可加工的工件直径增大20%40%,同时它也适合完成副主轴上工件的背向加工。这种形式的刀塔在双主轴，多刀塔的车削中心上广泛采用，是今后发展的趋势。刀塔是数控机床（车削中心）的关键配套附件，使用刀塔可以有效提高加工效率、扩大加工工艺范围，可以在机床上完成车削、钻削、攻丝、铣削、等工艺过程，既可以使工艺过程有效复合，提高加工效率，又可以一次装夹完成多个工艺过程保证了加工的精度。本课题为8 刀 位 盘 型 电 动 刀 塔 设 计，该刀架能够在一次装夹中装八把刀具。可以在车削中心上完成车削、钻削、攻丝、铣削、等工艺过程，既可以使工艺过程有效复合，提高加工效率，又可以一次装夹完成多个工艺过程保证了加工的精度。提高效率是技术革新的一个最主要的原动力。近年来数控刀塔因其可以有效高加工效率而得到迅速的发展，几乎涉及到所有的制造业。因此研究并改进现有刀塔或者设计新的刀塔具有很大的现实意义，因为通过刀塔可以有效提高机械加工的效率、扩大加工范围，进而提高经济效益。1绪论1.1 我国数控机床的发展我国从1958年开始研究数控机床，一直到20世纪60年代中期还处于研制开发时期。当时，一些高等院校，科研单位研制出试样样机，是从电子管起步的。1965年，国内开始研制晶体管数控系统。20世纪60年代末至70年代初研制成了劈锥数控铣床，数控非圆齿轮插齿机。CIL18晶体管数控系统及Z53K1G立式数控铣床。 从20世纪70年代开始,数控技术在车，铣 ，镗,磨，齿轮加工，电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海，北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平差，致使数控系统的可靠性,稳定性末行到解决，因此未能广泛推广。 20世纪80年代，我国从日本发那科公司引进了3,5,6,7等系列的数控系统和直流伺服电机，直流主轴电机等制造技术，以及引进美国GE公司的MCI系统和交流伺服系统，德国西门子VS系列可控硅调速装置，并进行了商品化生产.这些系统可靠性高，功能齐全。与此同时，还自行开发了3、4、5轴联动的数控系统以及双电机驱动的同步数控系统(用于火焰切割机)和新品种的伺服电机，推动了我国数控机床稳定发展，使我国数控机床在性能和质量上产生了一个质的飞跃。 1985年，我国数控机床的品种有了新的发展。数控机床品种不断增多，规格齐全。许多技术复杂的大型数控机床，重型数控机床都相继研制出来。为了跟踪国外现代制造技术的发展，北京机床研究所研制出了JCS-FMS-1型和2型的柔性制造单元和柔性制造系统。这个时期，我国在引进，消化国外技术的基础上，进行了大量开发工作。一些较高档次的数控系统(5轴联动)，分辨率为0.02的高精度数控系统，数字仿型数控系统为柔性单元配套的数控系统都开发出来了，并造出样机。 我国的数控技术经过“六五”，“七五”，“八五”，到“九五”的近20年的发展，基本上掌握了关键技术，建立了数控开发，生产基地，培养了一批数控人才，初步形成了自己的数控产业。“十五”攻关开发的成果：华中号、中华号、航天号和蓝天号4种基本系统建立了具有中国自主版机的数控技术平台。具有中国特色济型数控系统经过这些年来的发展，有了较大的提高。它们逐渐被用户认可，在市场上站住了脚。1.2 自动换刀装置 各类数控机床的自动换刀装置的结构取决于机床的形式、工艺范围及其刀具的种类和数量。其基本类型有以下几种：一、转刀架换刀。回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，常用于数控车二、换主轴换刀更换主轴换刀是带有旋转刀具的数控机床的一种比较简单的换刀方式。三、更换主轴箱换刀有的数控机床像组合机床一样，采用多主轴箱，利用更换主轴箱达到换刀的目的。四、带刀库的自动换刀系统。此类换刀装置由刀库、选刀机构、刀具交换机构及刀具在主轴上的自动装卸机构等四部分组成，应用最广泛。回转刀架是一种最简单的自动换刀装置，常用于数控车床。可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令换刀。回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.0010.005mm）。一般情况下，回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位及刀架压紧等。回转刀架按其工作原理分为若干类型。1.螺母升降转位刀架，电动机经弹簧安全离合器到蜗轮副带动螺母旋转，螺母举起刀架使上齿盘与下齿盘分离，随即带动刀架旋转到位，然后给系统发信号螺母反转锁紧。2.利用十字槽轮来转位及锁紧刀架（还要加定位销），销钉每转一周，刀架便转1/4转（也可设计成六工位等）。3.凸台棘爪式刀架，蜗轮带动下凸轮台相对于上凸轮台转动，使其上、下端齿盘分离，继续旋转，则棘轮机构推动刀架转90，然后利用一个接触开关或霍尔元件发出电动机反转信号，重新锁紧刀架。4.电磁式刀架，它利用了一个有10kN左右拉紧力的线圈使刀架定位锁定。5.液压式刀架，它利用摆动液压缸来控制刀架转位，图中有摆动阀芯、拨爪、小液压缸；拨爪带动刀架转位，小液压缸向下拉紧，产生10kN以上的拉紧力。这种刀架的特点是转位可靠，拉紧力可以再加大，但其缺点是液压件难制造，还需多一套液压系统，有液压油泄漏及发热问题。当前，在机械加工领域，数控机床电动刀塔因其速度快、加工精度高、生产率高而得到广泛应用。以车削中心为例，它是高度机电一体化的产品，工件装夹后，数控系统能控制机床刀塔按不同工序自动选择、更换刀具，自动对刀。因而大大减少了工件装夹时间，测量和机床调整等辅助工序时间，对加工形状比较复杂，精度要求较高，品种更换频繁的零件具有良好的经济效果。1.3 国内外数控车床的研究状况与成果目前搭配在数控机床上的刀塔主要可分为两大主流，一是日系大型机床厂自行开发的动力刀塔，另一个则是刀塔制造厂商所开发的刀塔。日系大型机床厂所开发的动力刀塔能确实地搭配其机床的特性，发挥其最大的功用，更能依客户的特殊加工需求，开发出特殊的刀具座，但缺点是其刀具座是依各自机床厂的规范，不同的刀具座难以通用。而目前较大的刀塔制造商皆属欧系公司，如Sauter (德国)、Duplomatic (意大利)、Baruffaldi (意大利)等，在刀塔设计开发上大多遵循所谓的德式快换刀座( VDI Toolholder System )规范，因此在VDI规范占有较大的市占率下，其后较小型的刀塔制造商以及机床厂所自行研发的动力刀塔也都会依循此规范。除此之外，动力刀塔可再依动力源、刀盘型式、轴连结器、动力刀座接口的不同，而有所分别。目前搭配在机机床上的动力刀塔形式主要可分轴向入刀 (Axial)： 单刀塔 双主轴(Single Turret)星形刀盘 ；径向入刀 (Radial,Star Turret) ：双刀塔 双主轴(Kiss Turret)上刀塔星形刀盘；径向入刀 上下刀塔同步执行加工正副主轴；另有立式车床、倒立式车床、刀塔Y轴、刀塔C轴形式等不同应用。目前搭配在数控机床上的刀塔主要可分为两大主流，一是日系大型机床厂自行开发的动力刀塔，另一个则是刀塔制造厂商所开发的刀塔。日系大型机床厂所开发的动力刀塔能确实地搭配其机床的特性，发挥其最大的功用，更能依客户的特殊加工需求，开发出特殊的刀具座，但缺点是其刀具座是依各自机床厂的规范，不同的刀具座难以通用。而目前较大的刀塔制造商皆属欧系公司，如Sauter (德国)、Duplomatic (意大利)、Baruffaldi (意大利)等，在刀塔设计开发上大多遵循所谓的德式快换刀座( VDI Toolholder System )规范，因此在VDI规范占有较大的市占率下，其后较小型的刀塔制造商以及机床厂所自行研发的动力刀塔也都会依循此规范。除此之外，动力刀塔可再依动力源、刀盘型式、轴连结器、动力刀座接口的不同，而有所分别。搭配在机机床上的动力刀塔形式主要可分轴向入刀 (Axial)： 单刀塔 双主轴(Single Turret)星形刀盘 ；径向入刀 (Radial,Star Turret) ：双刀塔 双主轴(Kiss Turret)上刀塔星形刀盘；径向入刀 上下刀塔同步执行加工正副主轴；另有立式车床、倒立式车床、刀塔Y轴、刀塔C轴形式等不同应用这些年来，国内业界加工中心已渐普遍，而所使用的伺服动力刀塔，90% 以上皆以Sauter与D.P.等国外著名刀塔商生产的刀塔为主，但是在成本、交期、配合性等综合因素的考虑下，国内部分机床厂以及刀塔制造商也积极拓展这块领域，以开发出更适合机床的动力刀塔。然而，由于动力刀塔结构较为复杂化与细致化，导致目前动力刀塔的重切削性能大都较一般标准刀塔为弱，如何在兼具功能性、速度性下，提升精度与刚性，是将来动力刀塔发展的重要课题。因此数控机床电动刀塔的发展趋势视：换刀时间短，刀具重复定位精度高，有足够的刀具存储量，刀库占地面积小及安全可靠等。目前动力刀座使用中遇到的问题：动力刀座刚性不够，重复定位精度低，工艺转换时，调整时间长，造成机床利用效率低下。：动力刀座只能用ER弹簧夹头夹持工具，由于ER夹头带来的误差叠加，造成刀座加工精度受限。另外，由于ER夹头的夹紧力有限，夹持16以上的刀杆时，刀具容易打滑，刀尖的跳动也比较大。对于刀具寿命和加工效率而言无疑是个很重要的瓶颈。另外，ER夹头了夹持的刀具类型很有限，只能进行简单的钻，铣等操作。客户需要另外购买专用的面铣刀动力刀座等，刀座投资大。如何解决ER夹头带来的问题。扩展动力刀座的使用范围，并做到“一座多能”，是各大动力刀座生产商积极寻求解决方案的方向。车削中心及动力刀座发展趋势是：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。2数控车床自动换刀装置2.1概述 自动换刀装置的形式是多种多样的，有刀库式和转塔式，虽然换刀过程、选刀方式、刀库结构、机械手类型等各不相同，但都是在数控装置及可编程序控制器控制下，有电动机或液压或气动机构驱动刀库和机械手实现刀具的选择与交换。我们把这种为实现多工序的连续加工，在加工中心或车削中心中，可进行刀具的选择与交换的装置叫自动换刀装置（automatic tool change 简称ATC）。 自动换刀装置是数控车床最普遍的一种辅助装置，它可使数控车床在工件一次装夹中完成多种甚至所有的加工工序，以缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。 我国对加工中心的需求一直是有增无减，同时，加工中心自动换刀装置的开发也有长足的发展。对于卧式加工中心来说，有从用于JCS-013的独立式自动换刀装置到用于TH6350、TH6363、TH6380和TH63100的TB51.02双层缸式通用机械手加链式刀库（北京机床研究所设计并制造）的自动换刀装置；对于立式加工中心来说，有从用于JCS-018的气液型鼓轮式自动换刀装置到用于XH715B和XH715C的多凸轮联动型鼓轮式自动换刀装置。特别是用于TH715B和TH715C的多凸轮联动型鼓轮式自动换刀装置，他的研制成功，为我国自动换刀装置设计与制造翻开了崭新的一页，自1991年鉴定后批量生产，已累计生产了50多台，由于其结构简单，迅速可靠（刀对刀2.5s），受到广大国内外用户的一致好评。 加工中心和车削中心自动换刀装置的发展趋势是四个方向：一是高速、可靠，追求的目标是换刀时间尽量的短，以换取加工中心和车削中心的高效性；二是简单实用、造价低、使用可靠，但换刀速度不快。 自动换刀装置开发技术要全面注意下列五个方面： 1）自动换刀装置的可靠性与优化设计研究。通过对自动换刀装置进行可靠性分析研究，找出其薄弱环节，通过改进设计，使自动换刀装置故障率大大减少，保证百万次以上正常换刀的品质。通过对自动换刀装置进行多目标的优化设计，使其动态性能达到最优，进而提高自动换刀装置的性能，降低其制造成本，使刀对刀换刀时间对40刀柄不大于1s，达到世界先进水平。 2）自动换刀装置的系列化与CAD设计。使自动换刀装置适用国内厂家的各种产品，以便得到推广和使用。即达到厂家一旦提出的参数：不同刀柄型号，刀库容量等的自动换刀装置，使厂家立即投入生产，并且是处于国内先进水平的。 3）自动换刀装置制造技术研究。针对自动换刀装置中关键零件的制造技术进行研究，以提高其制造质量和降低制造成本。 4）自动换刀装置新技术的研究。跟踪国际加工中心和车削中心自动换刀装置的发展主流，研究自动换刀装置的新工作原理及新技术。 5）自动换刀装置产业化研究。自动换刀装置由专业厂生产比现有各厂家自行生产可降低成本，也能保证质量，同时在我国有巨大的市场，因此，在技术研究的基础上，应研究使我国的自动换刀装置生产走上产业化的道路，建立生产自动换刀装置的基地。目前我国数控机床生产厂有100多家，生产数控机床配套产品的企业有300余家，产品品种包括八大类2000种以上。目前已新开发出数控系统80余种，分为3种型级，即经济型，普及型和高级型。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段，数控机床新开发品种300余种，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际上20世纪80年代中期水平，部分达到90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。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。数控车床的发展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。2.2 ATC刀具自动换刀形式 为进一步提高数控机床的加工效率，数控机床正向着工件在一台机床一次装夹即可完成多道工序或全部工序加工的方向发展，因此出现了各种类型的加工中心机床，如车削中心、镗铣加工中心、钻削中心等等。这类多工序加工的数控机床在加工过程中要使用多种刀具，因此必须有自动换到装置，以便选用不同刀具，完成不同工序的加工工艺。自动换到装置应当具备换刀时间短、刀具重复定位精度高、足够的刀具储备量、占地面积小、安全可靠等特性。 各类数控机床的自动换到装置的结构取决于机床的类型、工艺范围、使用刀具种类和数量。数控机床常用的自动换刀装置的类型、特点、适用范围见表1-1。 类别型式 特点 适用范围转塔式 回转刀架多为顺序换刀，换刀时间短、结构简单紧凑、容纳刀具较少各种数控车床，数控车削加工中心 转塔头顺序换刀，换刀时间短，刀具主轴都集中在转塔头上，结构紧凑。但刚性较差，刀具主轴数受限制数控钻、镗、铣床刀库式 刀具与主轴之间直接换刀 换刀运动集中，运动不见少。但刀库容量受限 各种类型的自动换刀数控机床。尤其是对使用回转类刀具的数控镗、铣床类立式、卧式加工中心机床 要根据工艺范围和机床特点，确定刀库容量和自动换刀装置类型 用机械手配合刀库进行换刀 刀库只有选刀运动，机械手进行换刀运动，刀库容量大表1-1 自动换刀装置类型2.3 数控车床刀架的功能、类型和满足的要求2.3.1数控机床刀架功能和类型数控刀架是加工中心、数控车床必备的机床附件，尤其适用全功能数控车床。当前，数控机床发展迅猛，一方面向高速、高效、高精度方面发展，同时，在制造行业中广泛存在原有设备的数控改造和系统升级问题。作为关键附件，高性能的数控刀架对于提高机床整体运行的可靠性、稳定性和效率有着重要意义，数控刀架是由数控系统来控制的，因此，在刀架本身性能提高的情况下，如何实现控制任务就显得十分重要了。数控机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架，转塔车床的转塔刀架，回轮式转塔车床的回轮刀架，自动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力作用，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展，机床的刀架也有了许多变化，特别是数控车床上采用电(液)换位的自动刀架，有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。这种刀库和换刀机械手组成的自动换刀装置，就成为加工中心的主要特征。因此，刀架的性能和结构往往直接影响到机床的切削性能、切削效率和体现了机床的设计和制造技术水平.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，下面对这三种形式的刀架作简单的介绍。 1) 排式刀架排式刀架一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。其结构形式为：夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板上。这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿X轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。宝鸡机床厂生产的CK7620P全功能数控车床配置的就是排式刀架。 2) 回转刀架 回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，一般通过液压系统或电气来实现机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀架或圆盘式刀架，并相应地安装4把、6把或更多的刀具。回转刀架的换刀动作可分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀架根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀架和卧式刀架两种。 3) 带刀库的自动换刀装置 上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，对刀具的数目也有一定限制。当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。2.3.2数控机床刀架应满足的要求1） 满足工艺过程所提出的要求。机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀架能够布置足够多的刀具，而且能够方便而正确地加工各工件表面， 为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀架可以方便地转位。2） 在刀架以要能牢固地安装刀具，在刀架上安装刀具进还应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。以保证刀具和工件间准确的相对位置。刀架的运动精度将直接反映到加工工件的几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架运转的终点到位应准确。面且这种精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。3） 刀架应具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，而且有些刀架还直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀架必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。4） 可靠性高。由于刀架在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。5） 刀架是为了提高机床自动化而出现的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生产率。目前自动换刀装置的换刀时间在0.86秒之间不等。而且还在进一步缩短。 6） 操作方便和安全。刀架是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀架设计好坏的指标。刀架上应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀架的手柄（或手轮）要省力，应尽量设置在便于操作的地方。第46页 共45页3车削中心动力刀架总体方案设计3.1. 总体结构设计减速传动机构的设计普通的三项异步电动机因转速太快，不能直接驱动刀盘进行换刀，必须经过适当的减速。根据卧式车削中心刀塔的结构特点，拟采用二级圆柱齿轮减速，能保证传动精度和平稳性。刀盘锁紧与精定位机构的设计回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工时的切削抗力和减少刀架在切削力作用下的位移变形，提高加工精度。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，对于数控车床来说，加工过程中刀架部位要进行人工调整，因此更有必要选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证回转刀架在每次转位之后具有高的重复定位精度。由于刀具直接安装在刀盘上，所以刀盘要承受全部的切削力，其锁紧与定位的精度将直接影响工件的加工精度。本设计刀盘的锁紧定位机构选用端面齿盘，将刀盘右端面和成梯形齿的左边的端面齿盘固定。右边的端面齿盘和箱体固定当刀盘处于锁紧状态时，左右端面齿相互啮合，这时刀盘不能绕刀盘的刀盘轴旋转端面齿盘；换刀时电动机正转，移动机构使刀盘移动，等左右端面齿脱开后，刀盘才可以绕刀盘刀盘轴转动，完成转位动作。刀盘移动机构的设计要想使左右刀体的两个端面齿脱离，就必须设计适合的机构使刀盘移动。本设计选用刀盘轴-螺母副，在刀盘轴上加工出外螺纹，当电动机通过减速装置带动刀盘轴绕刀盘轴转动时，刀盘轴不做轴向移动，和螺母固定的刀盘左右移动。当刀盘处于锁紧状态时左边的端面齿盘与右边的的端面齿盘相互啮合，和刀盘轴固定在一起的转位盘上的弹簧销不能带动刀盘转动；当端面齿脱离啮合时，弹簧销就带动刀盘转动。设计刀盘轴时要求选择适当的螺距，以便当刀盘轴转动一定的角度时，使得端面齿盘左与右端面齿能够完全脱离啮合状态。刀盘设计任务书中要求相邻换刀时间为0.3s,参照老师提供的换刀时刀盘转位时间0.5r/0.3s,拟选定0.75r/0.3s. 即2.5r/s, 也就是150r/min3.2自动回转刀盘的传动系统图1刀塔传动系统图自动回转刀盘的换刀流程如下图。图上表示自动回转刀盘在换刀过程中有关销的位置。其中上部的圆柱销2和下部的反靠销6起着重要作用。圆柱销和反靠销之间有弹簧连接，不妨经二者合称为弹簧销。当刀盘处于锁紧状态时，两销的情况如图A所示，此时反靠销6落在圆盘7的十字槽内，刀盘4的端面齿和下刀体的端面齿处于啮合状态（左右端面齿在图中未画出）电磁离合器刀架电动机正转 第一级圆柱齿轮减速 第二级圆柱 齿轮减速动 力 刀 头电磁离合器刀盘轴正转左转位圆盘旋转刀盘移动 刀盘轴-螺母 端面齿错开 到位回答刀盘旋转霍尔元件触发霍尔 霍尔元件触发圆柱销落入左转位圆盘 二级圆柱齿轮减速反靠销反靠,端面齿啮合刀盘轴反转刀架电动机旋转刀盘移动，粗定位位位 精定位延时锁紧电动机停转图2：盘型回转刀盘的换刀流程 需要换刀时，控制系统发出刀盘转位信号，三项异步电动机正向旋转，通过带有螺纹的刀盘轴正向转动，与螺目固连的的刀盘4逐渐移动，左右端面齿慢慢脱开；与此同时，左转位圆盘1也随着刀盘轴正向转动（左转位圆盘1通过圆柱销与刀盘轴联接），当转过约一定角度时，左转位圆盘1直槽的另一端恰好和转到圆柱销2的左端面相对，由于弹簧3的作用，圆柱销2落入直槽内，于是左转位圆盘1就通过圆柱销2使得刀盘4转动起来（此时端面齿已完全脱开）。图3：转位圆盘转位过程左转位圆盘1、圆柱销2以及刀盘4在正转的过程中，反靠销6能够从反靠圆盘7中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响刀盘4寻找刀位时的正向转动。刀盘4转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀盘电动机反转，左转位圆盘1通过圆柱销2带动刀盘4开始反转，反靠销6马上就会落入反靠圆盘7的十字槽内，至此，完成粗定位。此时，反靠销6从反靠圆盘7的十字槽内爬不上来，于是刀盘4停止转动，而左转位圆盘1继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销2的头部压下，之后，左转位圆盘1的右表面开始与圆柱销2的头部滑动。在此期间，左右端面齿盘的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀盘电动机停转，整个换刀过程结束。3.3电动机的选择3.3.1铣削力及铣削功率的计算铣削力的分析与计算采用硬质合金立刀具，工件的材料为碳钢。则由表查得采用立铣刀时的铣削力计算公式为： 今选择立铣刀的最大直径为d=20mm，齿数Z=3,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为，背吃刀量=10mm ，每齿进给量，铣刀转速。则求的最大铣削力：若采用圆柱铣刀今选择圆柱铣刀的最大直径为d=20mm，齿数Z=4,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为，背吃刀量=10mm ，每齿进给量，铣刀转速。则求的最大铣削力.铣削功率的分析与计算铣削过程中消耗的功率主要按圆周切削力和铣削速度进行计算：若取铣刀转速为740r/min,则=*d*n/60= 进给运动也消耗一些功率，一般情况下，所以总的铣削功率, 由此可估算总的铣削时所需的电动机功率:，、取=0.85,则 10415w3.3.2钻削及钻削功率的分析与计算 钻孔用的刀具主要是麻花钻，使用麻花钻可加工0.180mm的孔。假设要求最大钻孔直径为20mm计算公式分别如下； 式中 为轴向力，单位为N; 为切削转矩，单位为Nm;切削功率，单位为千瓦；为钻头直径，单位为mm;为每转进给量，单位为mm/r;为切削速度，单位为mmin；、，当实际加工条件与建立的经验公式的实验条件不相符时，各种影响因素对各切削分力的修正系数的乘积，一般估算时，均可取为1。 查表钻孔时轴向力和转矩表达式中的系数和指数。有 =600 =1.0; =0.7=0.305; =2.0;=0.8又因为d=20mm,取n=740r/min,=1mm/r=*d*n=3.14*0.020*740=46.47m/min.代入数据有 取传动效率为0.85，则由此可估算电动机的功率车削功率的分析与计算： 切削过程中的功率成为切削功率，用（单位为KW）表示。因为在背向力方向产生的位移极小，可忽略不计，所以可以近似认为不做功，则切削功率主切削力和进给力所消耗功率之和。 但因为车削时所需功率由机床主轴电机提供，所以设计电动刀塔时，无需考虑。 型号额定功率满载转速堵转转矩质量额定转矩Y160M-411kw1460r/min2.2123kg查机械设计手册选Y160M-4三相异步电动机即可满足要求。4.典型零件的设计和选用4.1齿轮部分的设计设计的动力刀具最高转n=740r/min，拟采用二级圆柱齿轮减速，能保证传动精度和平稳性。为了减少齿轮传动过程中所需的齿轮数目，可采用以下传动案。 其中第一级齿轮比i=.设和齿轮连接的弹性联轴器的效率为0.97则传递功率 P= (kW) 传递转矩 T=69.79(Nm) 齿轮1转速 n1=1460(r/min) 齿轮2转速 n2=740(r/min) 传动比 i=1.973 为防止根切，小齿轮齿数4.1.1高速级齿轮设计1选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数（1）根据传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动。（2）传动速度不高，故选用7级精度。（3) 材料选择小齿轮材料为40Cr（调质），并经调质处理,，大齿轮的材料为45钢。齿数 .2.按齿面接触强度设计： 由设计计算公式进行试算，即： (1)确定公式各值1)试选载荷系数K1=1.32)计算小齿轮传递的转矩 则 T=69.79(Nm)3)由表10-7选齿宽系数4)由表10-6查的材料的弹性影响系数5)由图10-21d,按齿面硬度查的小齿轮得接触疲劳强度极限，大齿轮的接触疲劳强度极限为6）由式6-13计算应力循环次数 =607402（2830015） =6.39 = =3.247）由图10-19接触疲劳寿命系数8）计算接触疲劳许用应力 取失效概率为1%，安全系数S=1，由式（10-12）得： =540MPa =522.5 MPa(2)计算1）试算小齿轮分度圆直径,代入中较小的值 =42mm2）计算圆周速度V =1.55m/s3)计算齿宽b =142 =42mm4)计算齿宽与齿高之比模数： =1.90mm 齿高： =2.251.90 =4.275mm所以 =9.825）计算载荷系数 根据V=1.54m/s 7级精度 由图10-8查的： 动载荷系数KV=1.1 直齿轮由表10-2查得使用系数KA=1由表10-4用插值法查得7级精度小齿轮相对支承非对称布置时 由=9.82，查图10-13得： 故载荷系数： =11.111.423 =1.4236）按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径， 由式（10-10a）得： =43.9mm7）计算模数m =1.99mm3按齿根弯曲强度设计：由式（10-5）得弯曲强度的设计公式为： （1）确定公式内的各计算数值1)由图10-20c查的小齿轮的弯曲疲劳强度极限 大齿轮的弯曲疲劳强度极限2)由图10-18取弯曲疲劳寿命系数 3)计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4 由式（10-12）得 =303.57MPa =238.86MPa4）计算载荷系数K =1.485）查取齿形系数由表10-5查得：2.72 2.376）查10-5查得： 1.57 1.6767）计算大、小齿轮的，并加以比较：=0.01406 =0.01662 大齿轮的数值较大（2）设计计算 =1.92mm 对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数，由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力，仅与齿轮直径（即模数与齿数的乘积）有关，并就近圆整为标准值m=2.0mm，按接触强度算的的分度圆直径=43.98mm，算出小齿轮齿数：