C3163回转式六角车床自动回转刀架机电系统设计.doc

C3163回转式六角车床回转刀架机电系统设计

摘 要
回转式六角车床的刀架是机床的重要组成部分。随着回转式六角车床的发展，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。 电动刀架是回转式六角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。本设计主要是对立式四工位电动刀架机械传动部分的设计，对关键零部件进行了设计校核，并运用Auto CAD软件，做出了回转刀架装配图，对电动刀架有了更直观的了解。

关键词: 回转式六角车床 回转刀架 结构设计

目录
摘 要 1
一 绪 论 3
1.1. 国内发展情况 3
1.2. 国外发展情况 3
1.3. 结构组成与动作循环 4
1.4. 技术性能与发展趋势 4
1.4.1. C3163回转车床精度 4
1.4.2. 运转性能 4
1.4.3. 润滑与密封 4
1.4.4. 负载能力与刚度 4
1.4.5 可靠性方面 5
二、设计任务 5
三、总体结构设计 5
四、自动回转刀架的工作原理 7
五、主要传动部件的设计 9
6 总结 16
致谢 17
参考文献 18

一 绪 论
1.1. 国内发展情况
我国的刀架生产还处在发展阶段，品种、规格、可靠性等方面还需要有一个完善的过程，远远没有达到成熟。基本上采用传统材料和传统，加上部分外购配套件的可靠性较差造成产品整体的可靠性与外国的差距。
国内部分刀架回转原理为电机经弹簧理合器带动蜗杆，再由蜗轮带动蜗杆旋转，当刀架转体时，由霍尔元件不断检测刀架转体是否到位，到位后霍尔元件发出信号，然后反转锁紧。主要采用有销盘、内齿盘，外齿盘组成的三端齿定位机构实现准确定位。其控制部分主要选用MCS-51系列单片机以及ATMEL公司的AT89等同类产品进行控制。
烟台机床附件厂是目前我国生产刀架水平最高的厂家，特别是可以生产带刀头的刀架。该厂家全套引进意大利的生产线，产品属于高档型。
1.2. 国外发展情况
国外数控机床附件产品的开发应用比较早，经验丰富，再由于技术进步，新材料，新结构的不断出现与应用，使得其产品的可靠性比较高。
国外主要分为日本和欧美两大流派。其产品的特点是夹紧力大，采用专用电机，体积小，转矩大，可靠性高，耐磨，可靠性较高。比如，日本日研公司部分回转刀架的核心部件蜗杆副，蜗轮采用氮化钢，齿部表面采用氮化处理，硬度高；蜗杆为硬质合金蜗杆；整个蜗杆副为硬齿面接触，耐磨。既实现了高速又保证了高可靠性。还有德国的肖特（SAUTER）、意大利的杜普洛马蒂克（DUPLOMATIC）和巴鲁法迪（BARUFFALDI）等，他们都有自己的系列、规格和专利。像肖特（SAUTER）的刀架，采用行星传动机构，其结构紧凑，传动方向均为同一方向，没有像蜗杆副的降速机构的交叉轴设计，易于一体化布置。采用牙嵌式齿行离合器的升起和加紧，空行程转角、小效率高，且自锁功能可靠。其控制部分大都与机床一起采用CNC控制，目前国际比较好的系统有西门子，法拉克，三菱等。
1.3. 结构组成与动作循环
典型的数控转塔刀架一般有动力源（电极或油缸，液压马达）、机械传动机构、预分度机构、定位机构、锁紧机构、检测装置、接口电路、刀具安装台（刀盘）、动力刀座等组成。
数控转塔刀架的动作循环为：
T指令（换刀指令）刀盘放松（抬起）转位刀位检测预分度精确定位刀具锁紧结束，答复信号。
1.4. 技术性能与发展趋势
数控转塔刀架的技术发展很快，现正逐步形成标准定型产品。我国数控转塔刀架标准草案中所规定的主要技术性能如下：
1.4.1. 精度
定位精度要求高，一般要求工位目标位置重复定位精度在，刀槽的工作位置定位精度在0.03-0.05。各种形位公差为。因此定位机构均采用精密多齿盘。先进工艺用浮硬齿面对研,重复定位精度可高达另外,刀盘加工趋向用淬火硬磨削,以获得刀槽精度的长期保持性及高的刚度，刀架转速30r\min。
1.4.2. 运转性能
双向转位就近换刀(最短路程换刀)的结构正在开发应用,如双向滚子端面凸轮机构 , 可显著缩短换到周期。为了克服刀盘高速转位引起的惯性冲击,使用恰当的缓冲元件是其发展趋势。
1.4.3. 润滑与密封
目前趋向于开发能终生润滑的产品,即在使用全过程中,不需要用户再采取任何润滑措施。
因工作环境恶劣,对密封性能要求很高,通常规定在刀架体内棋道压力105pa气路 ,浸入装有防锈液的试验箱内,在规定时间内,不得有漏气现象。
1.4.4. 负载能力与刚度
数控转塔刀架的负载能力与刚度,除了与有关零件的尺寸、形状、结构等有关外 , 受刀盘锁紧力影响也很大。一般小型产品锁紧力为左右,高性能产品可达 以上。
对数控转塔刀架的静刚度目前尚无规范要求,有的企业标准已经提出测详见定, 但缺乏数据指示。对动刚度,动态性能,在生产实践中反映出其影响明显,但也无可靠数据指示提出,这些方面是今后研究开发中的重要方向。
1.4.5 可靠性方面
可靠性是产品性能的综合反映。对转塔刀架目前一般要求平均无故障时间(MTBF)为 次,高级的已经达到次以上,国内产品在设方面亟待提高。

二、设计任务

题目：回转式六角车床自动回转刀架结构设计
任务：设计一台四工位立式回转刀架，适用于C3163经济型车床。要求绘制自动回转刀架的机械结构图。推荐刀架所用电动机的额定功率为
90W，额定转速1440r/min，换刀时要求刀架转动的速度为30r/min。
三、总体结构设计
1、减速传动机构的设计
普通的三项异步电动机因转速太快，不能直接驱动刀架进行换刀，必须经过适当的减速。根据立式转位刀架的结构特点，采用蜗杆副减速时最佳选择。蜗杆副传动可以改变运动的方向，获得较大的传动比，保证传动精度和平稳性，并且具有自锁功能，还可以实现整个装置的小型化。
2、上刀体锁紧与精定位机构的设计
由于刀具直接安装在上刀体上，所以上刀体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。本设计上刀体的锁进玉定位机构选用端面齿盘，将上刀体和下刀体的配合面加工成梯形端面齿。当刀架处于锁紧状态时，上下端面齿相互啮合，这时上刀体不能绕刀架的中心轴旋转；换刀时电动机正转，抬起机构使上刀体抬起，等上下端面齿脱开后，上刀体才可以绕刀架中心轴转动，完成转位动作。
3、刀架抬起机构的设计
要想使上、下刀体的两个端面齿脱离，就必须设计适合的机构使上刀体抬起。本设计选用螺杆-螺母副，在上刀体内部加工出内螺纹，当电动机通过蜗杆-涡轮带动蜗杆绕中心轴转动时，作为螺母的上刀体要么转动，要么上下移动。当刀架处于锁紧状态时，上刀体与下刀体的端面齿相互啮合，因为这时上刀体不能与螺杆一起转动，所以螺杆的转动会使上刀体向上移动。当端面齿脱离啮合时，上刀体就与螺杆一起转动。
设计螺杆时要求选择适当的螺距，以便当螺杆转动一定的角度时，使得上刀梯与下刀体的端面齿能够完全脱离啮合状态。
自动回转刀架的传动机构示意图，详细的装配图在图纸上。
图3.1 自动回转刀架的传动结构示意图
1—发信盘 2—推力轴承 3—螺杆螺母机构 4—端面齿盘 5—发靠圆盘 6—三相异步电动机 7—联轴器 8—蜗杆副 9—反靠销 10—圆柱销 11—上盖圆盘 12—上刀体

四、自动回转刀架的工作原理
自动回转刀架的换刀流程如下图4.1。
图4.2上表示自动回转刀架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。
当刀架处于锁紧状态时，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，上刀体4的端面齿和下刀体的端面齿处于啮合状态（上下端面齿在图中未画出）。
需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三项异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动蜗杆正向转动，与螺杆配合的上刀体4逐渐抬起，上刀体4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；与此同时，上盖圆盘1也随着螺杆正向转动（上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆联接），当转过约时，上盖圆盘1直槽的另一端转到圆柱销2的正上方，由于弹簧3的作用，圆柱销2落入直槽内，于是上盖圆盘1就通过圆柱销2使得上刀体4转动起来（此时端面齿已完全脱开）。
上盖圆盘1、圆柱销2以及上刀体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，而不影响上刀体4寻找刀位时的正向转动。
上刀体4带动磁铁转到需要的刀位时，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，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘1通过圆柱销2带动上刀体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，于是上刀体4停止转动，开始下降，而上盖圆盘1继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销2的头部压入上刀体4的销空内，之后，上盖圆盘1是下表面开始与圆柱销2的头部滑动。再次期间，上、下刀体的端面齿逐渐啮合，实现精定位，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。
由于蜗杆副具有自锁功能，所以刀架可以稳定地工作。
销连接
蜗杆-涡轮减速
刀架电动机正转
螺杆正转
上盖圆盘旋转
霍尔元件触发
蜗杆-涡轮减速
上刀体抬起
端面齿错开
圆柱销落入上盖圆盘
上刀体旋转
到位回答
刀架电动机反转
螺杆反转
反靠销反靠端面齿啮合
刀架电动机正转

刀架电动机正转
延时锁紧
电动机停转
图4.1自动回转刀架的换刀流程

五、主要传动部件的设计

1.蜗杆副的设计计算
自动回转刀架的动力源是三相异步电动机。其中蜗杆与电动机直联，刀架转位时蜗轮与上刀体直联。已知电动机额定功率=90W。,额定转速=1440r/min，上刀体设计转速=30r/min，则蜗杆副的传动比i=/=1440/30=48。刀架从转位到锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，启动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命=10000h。
（1）蜗杆的选型
GB/T10085-1988推荐采用渐开线蜗杆和锥面包络蜗杆。本设计采用结构简单，制造方便的渐开线型圆柱蜗杆。
（2）蜗杆副的材料
刀架中的蜗杆副传动的功率不大，但蜗杆转速干，一次，蜗杆的材料选用45钢，其螺旋齿面要淬火，硬度为45～55HRC,以提高其表面耐磨行；蜗轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，采用金属模制造。
（3）按齿面接触疲劳强度进行设计
刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，进行载荷计算时，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。
按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式
a ≥
(4-1)
式中 a--蜗杆副的传动中心距，单位mm；
K--载荷系数；
T--作用在涡轮上的转矩，单位N.mm；
Z--弹性影响系数，单位 MP
Z--接触应力，
[]--许用接触应力，单位为MPa。
从式中算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=48，
查表选择一个合适的中心距a值，以及相应的蜗杆，蜗轮参数。
1）确定作用在蜗轮上的转矩
蜗杆头数Z=1，蜗杆副的传动效率=0.65，由电动机的额定功率P=90W，可以算出蜗轮传动的功率P=Pη，再由蜗轮的转速n=30r/min求得作用在蜗轮上的转矩
T = 9.55= 9.55= 18.623N·m= 18623N·mm
2）确定载荷系数K
载荷系数K= K K K 其中KA为使用系数，查表得， 由于工作载荷不均匀，启动时冲击较大，因此取K=1.15； K为齿向分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取K=1.15；K为动载系数，由于转数不高。冲击不大，可取K=1.05。则载荷系数K= K K K≈1.39
表5.1 使用系数K
工作类型
I
II
III
载荷性质
均匀，无冲击
不均匀，小冲击
不均匀，大冲击
每小时起动次数
<25
25-50
>50
起动载荷
小
较大
大
KA
1
1.15
1.2

3）确定弹性影响系数Z
铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配时，从有关手册查的弹性影响系Z=160Mpa 1/2
4）确定接触系数Z
先假设蜗杆分度圆直径d1 和传动中心距a的比值d1/a=0.35。查表的Z=2.9
表5.2 铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力[σ]`(MPa)
蜗轮材料
铸造方法
蜗杆螺旋面的硬度
≤45HRC
>45HRC
铸锡磷青铜ZCuSn10P1
砂模铸造
150
180
金属模铸造
220
268
铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5
砂模铸造
113
135
金属模铸造
128
140

5）确定许用接触应力[]
根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1金属模制造蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC可查表的蜗轮的基本许用应力`=268MPa已知蜗杆为单头，蜗轮每转一转时每个轮齿啮合的次数j=1；蜗轮转数=30r/min；蜗杆副的使用寿命=10000h。
则应力循环次数：
N=60j n2 =60×1×30×10000=1.8×107
寿命系数：
K ==0.929
许用接触应力：
[]=KHN×[]`=0.929268=MPa
6）计算中心距
将以上各参数带入4-1，求得中心距：
a==44.8mm
查表取a=50，已知蜗杆头数Z=1，设模数m=1.6mm，得蜗杆分度圆直径d28mm。这时d/a=0.4，查表得接触系数Z`=2.75。因为Z`< Z所以上述计算结果可用。
（4）蜗杆和涡轮的主要参数与几何尺寸
1)由蜗杆和涡轮的基本尺寸和主要参数
蜗杆的参数与尺寸 头数Z=1，模数m=1.6mm，轴向齿距P=m=5.027mm轴向齿厚S=m=2.514mm，分度圆直径=20mm
直径系数q===12.5
分度圆导程角===
取齿顶高系数=1，径向间隙系数c=0.2，
则齿顶圆直径d=d+2m=20+211.6=23.2mm，
齿根圆直径d=d-2m（+c）=20-21.6(11.6+0.2)=14.24mm。
2)涡轮参数与尺寸
因为是非标准传动，根据推荐表11-1取齿数=48，模数m=1.6mm，
分度圆直径为d=mZ=76.8mm，
变位系数X===1
涡轮喉圆直径为d=d+2h= d+2m(+X)=76.8+21.6(1+1)=83.2mm
涡轮齿根圆直径d= d-2m(-X-c)=76.8-21.6(1-1+0.2)=76.16mm
涡轮咽喉母圆半径r=a-=50-=8.4mm
（5）校核涡轮齿根弯曲疲劳强度
即检验下式是否成立：
[]
由蜗杆头数Z=1，传动比i=35，可以计算出涡轮齿数Z=iZ=48
则涡轮的当量齿数：
Z===48.44
根据涡轮变位系数X=1和当量齿数=48.44查表的齿形系数
=2.08
螺旋角影响系数
=1-=0.9679
根据涡轮的材料和制造方法，查表得涡轮基本许用弯曲应力：
[]`=56MPa
涡轮的寿命系数：
= =0.725
涡轮的许用弯曲应力：
=560.725=40.6
将数据带入得：
==30.42
，涡轮齿根的弯曲强度满足要求。
表5,3 蜗轮的基本许用弯曲应力（MPa）
蜗轮材料
铸造方法
单侧工作
双侧工作
铸锡青铜ZCuSn10P1
砂模铸造
40
29
金属模铸造
56
40
铸锡锌铅青铜ZCuSn5Pb5Zn5
砂模铸造
26
22
金属模铸造
32
26
铸铝铁青铜ZCuAl10Fe3
砂模铸造
80
57
金属模铸造
90
64
灰铸铁
HT150
砂模铸造
40
28
HT200
砂模铸造
48
34

(6)验算效率η

已知=与相对滑动速度有关。
=
从表11-18中用插值法查得 ；代入式中得，大于原估计值，因此不用重算。

2.螺杆的设计计算
1)螺距的确定
刀架转位时，要求螺杆在转动约到的情况下，上刀体的端面齿与下刀体的端面齿完全脱离;在锁紧的时候，要求上下端面的啮合深度达2mm。因此，螺杆的螺距P应满足P>2m故,今取螺杆的螺距P=6mm。
2) 其它参数的确定
采用单头梯形螺杆，头数n=1，牙侧角=，外螺纹大径=50mm，牙顶间隙=0.5mm，基本牙型高度=0.5P=3mm，外螺纹牙高=3.5mm，外螺纹中径=47mm，外螺纹小径=43mm，螺杆螺纹部分长度H=50mm。
3)自锁性能校核
螺杆-螺母材料均用45钢，查表5-12取摩擦系数f=0.11；再求得梯形螺旋副的当量摩擦角：

而螺纹升角：

易得,因此满足自锁条件。
3.轴承的选用
滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。它是依靠主要元件的滚动接触来支撑转动零件的。与滑动轴承相比，滚动轴承摩擦力小，功率消耗少，启动容易等优点。并且常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，因此使用滚动轴承时，只要根据具体工作条件正确选择轴承的类型和尺寸。验算轴承的承载能力。以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问题。

(1) 轴承的类型
考虑到轴各个方面的误差会直接传递给加工工件时的加工误差，因此选用调心性能比较好的深沟球轴承。此类轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷，安装时可调整轴承的游隙。然后根据安装尺寸和使用寿命选出轴承的型号为：6203

(2) 轴承的游隙及轴上零件的调配
轴承的游隙和欲紧时靠端盖下的垫片来调整的，这样比较方便。

(3) 滚动轴承的配合
滚动轴承是标准件，为使轴承便于互换和大量生产，轴承内孔于轴的配合采用基孔制，即以轴承内孔的尺寸为基准；轴承外径与外壳的配合采用基轴制，即以轴承的外径尺寸为基准。

(4) 滚动轴承的润滑
考虑到电动刀架工作时转速很高，并且是不间断工作，温度也很高。故采用油润滑，转速越高，应采用粘度越低的润滑油；载荷越大，应选用粘度越高的。

(5) 滚动轴承的密封装置
轴承的密封装置是为了阻止灰尘，水，酸气和其他杂物进入轴承，并阻止润滑剂流失而设置的。密封装置可分为接触式及非接触式两大类。
唇形密封圈靠弯折了的橡胶的弹性力和附加的环行螺旋弹簧的紧扣作用而套紧在轴上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要紧密封的部位。即如果是为了油封，密封唇应朝内；如果主要是为了防止外物浸入，密封唇应朝外。

6 总 结
回转式六角车床上使用的回转刀架也是一种简单的自动换刀装置。自动换刀装置的换刀时间和可靠性直接影响到整个机床的质量。本次设计采用了四工位回转刀架，通过电机驱动，蜗轮蜗杆的传动，有效的实现了缩短辅助时间,减少多次安装零件引起的误差。本次设计的四工位自动回转刀架结构比较简单，满足时间短,刀具重复定位精度够,以及安全可靠等基本要求。
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，对于回转式六角车床来说，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。
设计过程中所涉及的内容有机械设计、机械传动等方面的知识，这次设计，是对所学知识运用能力的一次锻炼，从而使对所学基础理论和专业技能有机的结合起来，提高自己的知识运用能力和解决工程实际问题的能力。

致 谢
随着毕业日子的到来，设计也接近了尾声。经过三个月的奋战，我的设计终于完成了。
在没有做设计以前,觉得设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做设计发现自己的看法有点太片面。设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。
这次设计使我明白了自己所学知识还比较欠缺,自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中,我会不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。
在此要感谢我的指导老师对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，提高了自己动手的能力，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响，在设计过程中所学到的东西将是我最大收获和财富，使我终身受益。

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