数控车床刀架设计论文本科论文Word文档格式.docx
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图1.1圆柱分度凸轮机构
1-从动盘2-分度柱销3-凸轮
端齿盘定位是由两个齿形相同的端面齿盘相而成，由于啮合时各个齿的误差相互抵消，起着误差均化的作用，具有定位精度高、重复定位精度好、定位刚性好，承载能力大的特点。
动端齿盘与刀盘通过销和螺钉连接在一起，静端齿盘固定在箱体上。
由于刀具在切屑时承受较大的切向扭矩，采用端齿盘啮合的方法可以将扭矩传递到箱体上。
在刀具工作时动静端齿盘啮合在一起，共同抵抗加工时产生的切向扭矩；
当需要换刀时，动静端齿盘脱开，结合圆柱凸轮分度结构和光电传感器开关，实现精确换刀。
其结构如图1.2所示。
图1.2端齿盘
2设计内容和方案的选择
2.1选题的背景和意义
2.1.1研究现状
工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到先发展。
对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；
自动化程度基本上还是“一个工人，一把刀，一台机床”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。
因此，要缩小我国同工业发达国家的差距,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重。
2.1.2选题的目的和意义
数控车床的刀架是机床的重要组成部分。
刀架用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响机床的切削性能和切削效率。
刀架的设计和布局对机床的整体布局有很大影响。
回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架，通过刀架的旋转分度定位来实现机床的自动换刀动作，能够实现一次装夹完成多道工序，提高了加工效率和速度，同时也可以实现机床的自动化。
通过本次毕业设计，将数控技术、机械制图、机械制造装备及应用及机械设计等在大学四年中所学知识贯穿起来，同时也是对自己综合设计能力的一个锻炼；
另外数控行业是一个热门的行业，希望能够把握这次设计的机会，多从设计中找到自己的不足，从而能够提高自己，为今后从事本专业的工作运用打下基础，是自己能很快的融入社会。
2.2设计内容
刀架用于夹持切削用的刀具，是直接完成切削加工的执行部件，所以，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。
由于切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置，所以要求数控车床选择可靠的定位方案和合理的定位结构，以保证有较高的重复定位精度。
此外，刀架的设计还应满足换刀时间短、结构紧凑和安全可靠等要求。
采用液压驱动，上下齿盘啮合，液压缸夹紧的工作原理，所以刀架可稳定地工作。
2.2.1设计准则
我们的设计过程中，本着以下几条设计准则
（1）创造性的利用所需要的物理性能和控制不需要的物理性能
（2）判别功能载荷及其意义
（3）预测意外载荷
（4）创造有利的载荷条件
（5）提高合理的应力分布和刚度而重量达到最轻
（6）应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸
（7）根据性能组合选择材料
2.2.2设计内容及参数
（1）设计内容在设计进程中要查阅至少十五篇国内外比较前沿的文献和一些比较权威的参考书籍，了解当前数控刀架的现状，掌握当今数控车床的主要种类及其使用范围，尤其对回转刀架的性能水平（转位速度、精确度、可靠度、驱动系统等）进行分析研究。
在把握当前形势的基础上根据现有知识设计一种数控车床回转刀架，使它能够在现有技术水平和生产条件下满足使用要求。
本次设计的主要内容是设计一种数控车床回转刀架。
设计包括刀架的组成（刀架体、刀架驱动机构、执行电机、传送机构、夹紧与定位装置）与应用、提出数控车床回转刀架总体设计方案、论证选择最佳方案并对数控车床回转刀架进行设计（电机的选择、驱动系统的选择和布置、夹紧装置的选择与设计、控制单元的选择与设计）、典型零件的校核与计算等。
（2）设计参数：
最大回转直径（mm）：
Ф460
最大车削直径（mm）：
Ф230
最大工件切削长度（mm）：
650
刀架刀位数：
12位
车削刀具规格：
20×
125
刀架分度时间：
0.6sec./step
2.3设计方案
随着经济的发展，制造业的发展越来越成为经济模块中比较重要的一部分。
工业发达国家都非常重视机械制造业的发展，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，转塔车床上的转塔刀架，回轮式转塔车床的回轮刀架和天平刀架等。
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。
在进行刀架的设计时，我们有很多种方案可以选择，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。
方案一：
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，通过刀架的旋转分度定位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把或更多的刀架。
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。
它所具有的优点是：
能在工件的一次装夹中完成多个工序加工，缩短辅助时间，减少多次安装所引起的加工误差，必须带有自动回转刀架，并且回转刀架在结构上具有良好的强度和刚度，能够承受粗加工时的切削抗力。
结构见图2.1。
图2.1卧式回转刀架
方案二：
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。
它的结构形式为，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。
该刀架只能在一个方向移动，不能够实现装夹一次完成多个工序。
方案三：
带刀库的自动换刀装置
带刀库的自动换刀系统由刀库和刀具交换机构组成。
由于带刀库的自动换刀装置数控机床主轴箱内只有一个主轴，设计主轴部件就有可能充分增强它的刚度，因而能满足精密加工的要求。
但是它结构复杂，制造苦难，成本较高，不适用于小批量的加工。
由于转塔刀架具有刚度大、重复定位精度高、结构简单等一系列优点，所以刀架系统回转式转塔刀架。
刀架的驱动系统选择，由于系统必须采用自动刀架，所以可供选择的方式有电驱动和液压驱动，虽然电动刀架应用比较广泛，但就其稳定性和可靠性来说，它不如液压刀架。
所以方案选择应用液压刀架。
大体液压驱动系统的原理图见图2.2。
所以最终方案选择液压回转刀架。
图2.2液压系统控制回路
1—溢流阀2,12—单向阀3,7,10—二位四通电磁换向阀
5—压力继电器4,8—减压阀11—行程开关6,9—压力表
3刀架总体结构设计
在刀架的总体结构设计的时候要综合考虑许多因素，比如技术要求、材料的选取、经济因素、工艺性能等。
只有对刀架的结构、工作环境等有一个全面的了解，结合所学的知识选取合适的材料、零件及其考虑各种工艺，并且对关键零部件进行校核才能制定出一个合理的设计方案。
3.1工作原理
3.1.1工作原理介绍
控制系统发出换刀信号，通过PLC控制液压系统的电磁阀，使液压缸工作，动端齿盘与静端齿盘脱离啮合，为转位做好准备，当齿盘处于完全脱开位置时，行程开关发出转位信号，液压马达转动，液压马达带动凸轮轴转动，通过圆柱凸轮分度机构降速带动刀盘转动，刀盘转到指定位置时，传感器向控制系统发出信号，马达停转，液压刚进油驱动刀盘轴，使动端齿盘盘与静端齿盘啮合，完成定位，换刀过程结束。
整个过程靠液压系统与和PLC控制。
3.1.2具体设计方案
本次设计的设计题目是数控车床刀架的设计，经过查阅资料和提出的各种方案的比较最终提出为液压驱动的十二个工位的回转刀架。
下图3.1为数控车床十二个刀位的回转刀架结构简图。
刀架的升起、转位、夹紧等动作都是有液压驱动的。
具体工作原理是：
当数控装置发出换刀指令以后，液压油进入液压缸8的右腔，使活塞带动中心轴6一起向左移动，动端齿盘2和静端齿盘3脱离啮合，当齿盘完全脱离时PLC系统发出信号，液压马达带动凸轮轴7转动，凸轮轴通过凸轮曲线使分度柱销带动回转盘7转动，回转盘7通过花键连接带动中心轴6转动，刀盘1安装安装在中心轴上，从而使刀盘做分度转动。
凸轮每转一个周拨过一个柱销，使刀盘旋转一个工位。
中心轴尾端压合计数开关一次，当到达指定工位时，开关将信号送入控制系统。
控制系统使马达刹车，凸轮停转。
同时液压缸的左腔进油，通过活塞将中心轴和刀盘拉回，动静端齿盘啮合，刀盘完成精定位和夹紧动作，系统发出信号转位动作结束。
图3.1数控车床液压刀架
1-刀盘2，3-端齿盘4-回转盘5-分度柱销
6-中心轴7-凸轮8-液压缸
3.2总体设计
3.2.1液压马达的选择
由于液压马达通过平键和凸轮轴连接，而凸轮轴与分度柱销和回转盘共同组成了圆柱分度凸轮机构，圆柱分度凸轮机构在刀架设计中具有分度的作用。
所以就要求马达具有低速平稳的性能，液压马达需选择转速恒定，，所以宜选用柱塞式恒转速马达，额定转速N=600r/min,输入压力P=32MPa,压力差
p=0.8MPa,排量V=50Ml,效率
=0.99
计算马达功率
（3.1）
所以马达的输出功率为
（3.2）
3.2.2轴的转速和直径
由于马达的转速为600r/min,所以通过键与马达相连的轴的转速也为600r/min。
而设计参数上有刀架分度时间为0.6sec/step，所以刀架的转速为
（3.3）
所以中心轴的转速为50r/min。
由公式可得轴的直径为
（3.4）
式中
为凸轮的传动效率为1。
经圆整取
3.2.3液压缸的选取和设计
[12]液压缸在刀架中能过提供动力推动中心轴左右移动，从而端齿盘啮合和分离。
由于端齿盘啮合和分离行程较短，所以要求液压缸的行程较短。
液压缸的缸体通过螺钉与箱体连接在一起。
由于活塞相对于缸体和中心轴左右移动，所以活塞与缸体和中心轴之间应为间隙配合，其中活塞和缸体为
，活塞和中心轴之间为
。
经过查取液压书册得出液压缸的公称压力为P=4MPa，内经为160mm活塞杆的直径为70mm，活塞行程为L=25mm，缸的材料为45钢，
有公式得液压缸的受力为
（3.5）
得最大压力为
（3.6）
材料为45钢，抗拉强度为
所以比例极限为
（3.7）
其中n为安全系数n=8
缸筒壁厚为
（3.8）
所以壁厚取
3.2.3圆柱凸轮机构的设计
圆柱分度凸轮机构属于空间凸轮机构，它是将输入轴的连续转动变成输出轴的间歇运动。
回转盘上的两相邻的滚子分别与定位凸缘的两工作侧面接触而实现定位功能，不留间隙，还可以设置一定的预紧量，提高定位稳定性，其结构如图3.2所示,当前导滚子脱离凸轮曲线时，后续滚子即将进入啮合。
工作时，凸轮作为主动轮，回转盘作为从动旋转分度凸轮回转一定角度，滚子就可以进入凸轮曲线凹槽中，并在凹槽中运动，从而带动回转盘转过一定角度，形成回转盘的间歇运动，完成了回转盘分度的目的。
采用凸轮驱动的最大优点是可实现高速化，凸轮机构结构紧凑，可靠性高。
[6]具体选取为
图3.2圆柱凸轮分度机构
1-前导滚子2-主滚子3-后续滚子
（1）选择机构运动规律；
由凸轮的转速和运动平稳性，可以选定从动轮的运动规律为修正正弦运动规律；
（2）分度数n和分度角
由于和液压马达相连的轴转速为600r/min，而刀架中心轴的转速为50r/min，所以传动比为12。
对于单头圆柱凸轮分度机构分度范围为6-60。
如n太小，压力角很大，传动特征很差；
但n太大，从动盘径向尺寸太大，结构复杂，使得惯性矩很大，功率消耗很大。
取n=12，即凸轮转一圈刀盘转30度，即I=1。
所以分度角为
（3.9）
（3）动静比K和凸轮动程角
动静比取决于自动机械的工艺要求，一般为给定值。
取K=1/3，所以动程角为
（3.10）
（4）滚子尺寸
有标准查取滚子直径为r=10mm,
（5）从动盘节圆半径rf
滚子轴线间的距离为H，有公式
（3.11）
得H=33-50,取H=45.所以从动盘节圆半径为
（3.12）
其中H为滚子轴线间距离；
m为滚子数m=12；
（6）凸轮尺寸
从动轮滚子宽度为
（3.13）
取从动滚子宽度为10mm。
圆柱分度凸轮基圆直径为
（3.14）
其中
为机构运动规律的最大无量纲速度；
为许用最大压力角。
圆柱分度凸轮外径为
（3.15）
凸轮槽深度为
（3.16）
为滚子销轴轴头伸长长度
（7）中心距c
凸轮轴线与从动盘轴线之间的距离为
（3.17）
式中，a为凸轮中心线偏离滚子起始与终止位置中心连线的距离；
（3.18）
得
取
得c=86（mm）
（8）曲线的计算和修正[5]
该曲线是一条复合运动曲线，一方面要满足滚子的运动轨迹是半径为R0的圆弧，另一方面要满足某种曲线的运动规律和曲线升程。
当同样采用等间隔直线逼近法时，根据余弦加速度曲线的位移公式得下图3.3凸轮理论曲线上各点的坐标值为
（3.19）
（3.20）
图3.3滚子运动轨迹及凸轮曲线展开图
由于凸轮的曲线还必须满足滚子的运动轨迹是半径R0的圆弧，所以应该在凸轮理论曲线的基础上增加一个Y向的补充运动，根据图3.3推知曲线各点的修正值
（3.21）
实际运动曲线的各点坐标为:
3.2.4端齿盘的设计
在刀架中多采用销和端齿盘定位[2]，由于销易磨损容易出现间隙。
而端齿盘定位齿数多，且沿圆周均布。
齿形结构如图3.4所示。
端齿盘定位是由两个齿形相同的端齿盘相互啮合而成，定位精度较高。
多齿啮合重复定位性好，并且定位刚性好，承载能力大。
图3.4端齿盘齿形
3.2.5刀盘的设计
刀盘是刀架设计的一个重要零件，该刀盘由于受力不大所以选用45号钢。
刀盘上安装十二把刀具，刀具即具有径向切削，又具有轴向切削，所以有20x20x125的方刀和BT40的圆刀各六把。
要想使他们达到数控车床的最大回转直径为640mm，最大车削直径为230mm，并且保证各刀具之间在换刀或加工时互不影响，必须做好刀具干涉图。
如图3.5所示。
图3.5刀盘布局及干涉图
3.2.6箱体的设计
箱体是刀架的重要零件之一，其结构尺寸直接影响加工精度和加工效率，也影响着刀具之间的相对位置精度，同时也影响着刀架的寿命和性能。
箱体工作能力的主要指标是刚度，其次是强度和抗震性能，由于箱体安装在斜导轨上，安装导轨部分还应要有足够的耐磨性。
同时还应该具有良好的工艺性。
由于轴等零件都安装在箱体上，即使不直接和箱体接触也通过轴承、螺钉等将力传递到箱体上，所以箱体主要承受压力。
铸铁具有好的减震性和耐磨性，并且易于铸造和加工。
所以箱体选择材料为HT200。
其强度和硬度都能满足刀架的使用性能，是比较理想的材料。
箱体主要根据轴及其轴上零件的布局来设计，根据设计手册上得出箱体的最小壁厚为10mm，在此基础上合理设计箱体内部和外形，使其能满足刀架的工作要求。
另外，设计时还应使所装的零件和部件便于拆装与操作。
3.2.6轴承端盖的设计
轴承端盖是对轴承进行轴向固定，同时还有防尘和密封的作用。
轴承端盖一般是将轴承传递过来的力在传递给箱体。
轴承端盖形式多种多样，应用场合也很广泛。
由于轴承安装在轴的端部，所以选择图3.6所示的凸缘式轴承盖。
轴承的使用性能和箱体相似，故选材料为HT150。
轴承外径为D=55mm，根据设计手册得知，轴承盖端部安装直径为d3=6mm的四个螺钉固定在箱体上。
螺钉孔的直径为
d0=d3+1=6+1=7（mm）（3.22）
螺钉孔的定位尺寸为
D0=D+2.5d3=55+2.5
6=70（mm）（3.23）
轴承盖得最大尺寸为
D2=D0+2.5d3=70+2.5
6=85（mm）（3.24）
轴承盖得壁厚为
e=1.2d3=1.2
6=7.2（mm）（3.25）
支撑距离m根据结构来确定，取m=8mm。
3.2.7标准件的选择
在刀架的设计过程中采用了好多标准件，如轴承、螺钉、螺栓、键、密封圈等。
（1）轴承的选择在凸轮轴上，由于凸轮轴有液压马达驱动做圆周运动，同时凸轮又带动回转盘做圆周运动，所以该轴即受轴向力又受径向力，受载中等，选用了中系列的角接触球轴承。
在中心轴，由于只是液压缸左右腔进油推动轴左右移动，使动静端齿盘脱离与啮合，来完成换刀动作。
所以该轴只受轴向力，不受径向力，并且受力不大，选用了轻系列的推力球轴承和圆柱滚子轴承。
轴承选用清单见表3.1。
表3.1轴承选用清单
轴承代号
轴承名单
轴承对数
GB/T301-1995
推力球轴承51210
2
GB/T292-1994
角接触球轴承7010AC
1
GB/T285-1987
圆柱滚子轴承N213E
角接触球轴承7006AC
（2）螺钉、螺栓的选择螺纹紧固件联接是工程上应用最广泛的一种可拆卸联接方式。
在刀架的设计多处用到了螺钉、螺钉的联接。
（3）键键是用来实现轴与轮毂之间的周向固定以传递转矩，还可以进行周向定位。
键的截面尺寸按轴的直径来选择，键的长度按轮毂的长度来确定。
在设计中键只是用来传递转矩，所以选择了一个圆头平键12
8
40和一个圆头平键6
6
45。
（4）密封圈液压缸是对密封性要求较高的零件，当液压缸密封不好时，不仅因泄露污染环境，而且影响其工作性能和执行原件的平稳性。
在本次设计中在活塞和缸体之间加入了o性密封圈和油沟式密封槽。
4轴上零件的布局
轴是用来支撑回转零件及传递运动和动力，轴上结构布置是否合理将直接影响轴的工作能力和轴上零件的工作可靠性，还会增加轴的制造成本和轴上零件装配的困难。
在设计中用到两根轴来完成换刀动作。
（1）第一根轴的布局
第一根安装凸轮位置直径为40mm，而凸轮最小直径为60mm，由于凸轮的最小直径与轴的直径相差不大，所以做成凸轮轴的形式。
第一根轴的结构如图4.1所示。
图4.1凸轮轴的结构布局
（2）中心轴的布局
中心轴是刀架设计的核心部件，其性能直接决定刀具的加工质量，所以中心轴要结构紧凑，定位精确，并且刚性好。
在本次设计中，刀盘轴采用双支点单向固定的定位方式，在前端，运用推力球轴承与圆柱滚子轴承配合的方式来满足中心轴的工作要求。
当中心轴需要轴向运动或受到轴向冲击是时，推力球轴承就承受轴向力，当刀盘轴需要转动时，圆柱滚子轴承可以抵抗径向压力，后端的推力球轴承起到支承的作用。
图4.2中心轴上的布局
5关键零件的校核
5.1键的校核
（1）液压马达上的键
[1]因其轴上的键的作用只是传递扭矩，所以选用材料为45号钢的圆头平键。
根据轴的直径选择键的b
h为6
6，根据轴的长度并参考键的长度系列选择键长为L=45mm。
普通平键连接的强度条件为
（5.1）
式中：
T为传递的扭矩，N
m；
k为键与轮毂键槽的接触高度，k=0.5h，mm；
l为键的工作长度，mm，圆头平键l=L-b，b为键的宽度，mm；
d为轴的直径，mm；
[
p]为键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用挤压应力，MPa；
由机械设计得[
p]=120MPa，其中扭矩T为
（5.2）
所以，
得出此键满足强度要求。
（2）中心轴上的键
该键只需传递扭矩，所以选择45号钢的圆头平键。
h为12
8，根据轴的长度并参考键的长度系列选择键长为L=40mm。
（5.3）
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