数控车床自动刀架结构与工艺设计
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数控车床自动刀架结构与工艺设计
摘要:《数控车床自动刀架结构与工艺设计》，根据数控车床自动刀架“换刀时间短，刀具重复定位精度高，传动系统简便，有足够的刀具存储量和结构紧密、占地面积小”的要求，重点设计刀架的结构和工艺，对传统的槽轮式六工位自动刀架进行结构设计和改造。
关键词:数控车床槽轮自动刀架
1.1. 刀架基本原理和设计准则
自动换刀装置是数控车床最普遍的一种辅助装置，它可以使数控车床在工件在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。
因此，在设计时为了遵循在机床使用过程中对自动刀架的要求，本方案主要围绕以下几点准则设计：换刀时间短，刀具重复定位精度高，结构紧密并且有足够的刀具存储量，传动系统简便。
本次设计主要是对传统的槽轮式六工位自动刀架进行改造，设计出更加合理的新方案。
其基本原理和传动路径如下：刀架电机→联轴器→蜗杆传动→齿轮传动→拨盘转动→拨盘带转槽轮→槽轮轴带转刀架（换刀完成）。
其传动简图如右图所示:
1.刀架电机
2.卡盘
3.槽轮
4.刀架
1.2. 方案论证、设计改良方案
（1）原方案论证，提出改良办法
原方案为槽轮式六工位刀架，该方案主要通过卡盘带动槽轮的转位再通过固定在槽轮上面的轴带动刀架转位从而实现换刀。
但是该方案的传动系统过于复
杂、臃肿，导致刀架结构庞大，定位精度也不高，不符合现代数控车床的使用要求。
根据数控车床对自动刀架的使用要求，鉴于原方案的上述缺点，可以把原方案做以下两大改造：
①.刀具容量改为四把，即四工位槽轮式刀架。
②.省去两个传动副：一是省去拨盘上一级传动（齿轮传动），即：将拨盘下面的齿轮改为蜗轮，通过蜗杆传动直接驱动拨盘旋转；二是省去蜗杆与刀架电机轴之间的联轴器，直接把电机轴的一端改为蜗杆。
（2）新方案分析、拟定新传动方案
由以上的改良措施可以看出：新的传动方案直接实现了电机与卡盘之间的传动。
新方案的大致传动路径是：刀架电机→蜗杆传动→拨盘转动→拨盘带转槽轮（换刀完成）。
与原传动方案（刀架电机→联轴器→蜗杆传动→齿轮传动→拨盘转动→拨盘带转槽轮换→刀完成）相比新方案更加适合数控车床的使用要求，主要有以下优点：
a) 换刀时间较短，重复定位精度高
b) 传动系统简便，只需要一个主要传动副
c) “蜗杆传动副”
d) 结构紧密，占地面积小
因此新方案确定为槽轮式四工位刀架。
其传动简图如图所示：
1.拨盘
2.销钉
3.槽轮
4.刀座
2、新方案设计
2.1.槽轮机构设计
（1）槽轮的工作原理根据上面提出的设计改良方案，该槽轮机构设计为十字槽轮机构如左图所示。
该槽轮机构是由槽轮2和装配有圆销的的拨盘1以及机架组成。
主动件1作等速连续转动而从动件2时而转动、时而静止。
当拨盘1的圆销G未进入槽轮2的径向槽时，由于槽轮2的内凹锁住弧β被拨盘1的外凸圆弧卡住，故槽轮2不动。
图2-1所示是圆销开始进入槽轮2的时位置，这时琐住弧2被松开，因而圆销G能驱动槽轮沿相反的方向转动。
当圆销G开始脱出槽轮的径向槽时，槽轮的另一内凹琐住弧又被拨盘1的外凸圆弧卡住，致使槽轮2又静止不转。
直至拨盘元宵G再进入槽轮2的另一径向槽时，两者又重复上述的运动循环。
（2）计算基本结构尺寸
已知槽数z=4，取中心距为a=100mm 。
2.2 蜗杆传动设计
根据设计蜗杆传动的需要，确定刀架电机的基本参数，刀架电机选用交流伺服电机，功率P=90W，额定转速为n1=1400r/min。
确定传动比i12=40。
双向传动，工作载荷稳定，无冲击，设计使用寿命Lh=1200h。
1.选择蜗杆传动类型
根据GB10085-88的推荐，采用渐开线蜗杆（ZI）
2.选择材料
考虑到传动功率小，并且是中速传动，故蜗杆45钢，热处理用表面淬火提高耐磨性，硬度为45～55HRC。
蜗轮用铸锡磷青铜ZCUSn10P1, 金属木模制造。
为了节约贵重有色金属的使用仅齿圈用青铜制造，而轮芯用会铸铁HT100铸造。
3.按齿面接触疲劳强度进行设计
根据蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，在校核齿根弯曲疲劳强度。
由式（11-12），传动中心距
1) 确定作用在蜗轮上的转矩T2
该蜗杆传动用于自动刀架，根据刀架的原理要求能实现自琐，故去Z1=1，估取传动效率，则
2) 确定载荷系数K
因工作载荷稳定，所以选取齿向载荷分布系数；由表11-5选取；由于转速不高，载荷小，基本无冲击，可取动载荷系数；则
3) 确定弹性影响系数ZE
因选用的是铸锡磷青铜蜗轮和钢制蜗杆，故。
4) 确定接触系数ZP
先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a的比值，从图11-14中可查表得ZP=2.9。
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，蜗杆强度大于45HRC，可从表11-7中查得蜗轮的基本许用应力。
应力循环次数
寿命系数
则，许用接触应力
6) 计算中心距
取中心距a=50mm，因i=40，故从表11-2中取模数m=2，蜗杆分度圆直径d1=22.4,这时从图11-14中可查得接触系数，因此以上计算结果可用。
4.校核齿根弯曲疲劳强度
当量齿数
根据x2=-0.1,zv2=39.47，从图11-15中可以查得齿形系数YFa2=2.58。
螺旋角系数
许用弯曲应力
从表11-8中查得由ZcuSn10P1制造的蜗轮的基本许用弯曲应力。
寿命系数
，弯曲强度是满足的。
5.精度等级和表面粗糙度的确定
考虑到该蜗杆传动为中间传动副，从GB10089-88圆柱蜗杆、蜗轮传动精度中选择
8级精度，侧隙种类为f，标注为8fGB10089-88。
6.传动结构设计
由表11-2查得蜗杆的直径系数q=11.2，蜗轮齿数为39，变位系数为-01.00，中心距a=50。
验算传动比，这时传动比误差为，是允许的。
蜗轮采用整体式蜗轮.
3、结论
1.刀架电机基本参数
电机选用交流伺服电机，额定功率，额定转速，中心轴直径。
2.传动链包含两个传动副：蜗杆传动；槽轮传动机构
电机→蜗杆传动→十字槽轮机构→刀座。
3.刀架基本参数
换刀时间可由槽轮机构的运动特性计算出，由于刀架的转位直接有槽轮机构驱动，所以换到时间是接近槽轮转位的时间的。
先按照槽轮转位的时间对换刀时间进行粗略计算：
拨盘每分钟转速：，即拨盘每转一圈所用的时间为1.7s。
根据槽轮机构的运动角为90o,可知拨盘转动一圈，槽轮即转动90o即一个刀位的位置。
所以换刀时间。
所以说四工位槽轮式刀架和六工位相比四工位的结构更为简单、换刀时间短，工作效益高，操作简单，方便我们的学习和掌握。
让我们更能的去了解车床刀架的结构，更能快速的提高了我们加工工件的效率。
注：文章中所涉及的公式和图表请用PDF格式打开。
