毕业设计论文-数控车床刀架设计论文

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- 1 - 1 前言

1.1 数控车床的现状

随着科学技术的发展，机械产品的形状和机构不断改进，对机械零件的加工质量要求也越来越高；单件、小批生产的机械产品所占比重越来越大，特别是在造船、航空、及其国防工业的各个部门，加工批量少、精度要求高、形状复杂的零件很多。像这样的产品在一般的自动机床或组合机床上加工就显得很不经济、不合理，一般的机床有不能加工，所有就产生了数控机床。

数控机床是集机械、电气、液压、气动、微电子和信息等多项技术为一体的机电一体化产品，是机械制造设备中具有高精度、高效率、高自动化和高柔性化等优点的工作母机。数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量中和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视并得到了迅速的发展。

1.2 数控车床刀架简介

随着数控车床的不断发展，刀具结构形式也在不断翻新。刀架主要分为低、中、高三个档次。在国外，数控机床应用越来越广，数控车床将向中高档发展，对数控刀架需求量将大大增加。数控刀架也向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动等高档方向发展。当今，数控伺服刀架、动力刀架等功能部件已成为衡量数控机床水平的重要标志。其中转塔动架逐渐成为国际机床业刀架发展中一项主流应用产品，逐渐国内外立、卧式车床中广泛应用。数控车床刀架的驱动方式主要有电驱动和液压驱动两大类，电动刀架操作方便，维护简单，应用比较广泛，但是就其稳定性和可靠度来说它不如液压刀架，所以在工艺性要求比较高的机床上，液压刀架有其不可替代的位置[7]。

目前国内数控刀架以电动为主，分为立式和卧式两种。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[11-13]。另外卧式刀架还有液动刀架和伺服驱动刀架。一个刀架可以安装四把、六把或者更多把刀，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，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。

1.3 数控刀架设计简介

数控车床具有圆柱面、端面车削以及圆柱中心钻孔、攻丝等功能，可实现一机功能的集成化、多工序工艺的复合化。数控车床刀架是其必备装置，能够实现快速转位，济南大学毕业设计

- 2 - 其刀具既具有径向切削，又具有轴向切削功能，且定位精度高，转位过程平稳。刀架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，并要求有较高的重复定位精度和换刀时间短、结构紧凑、安全可靠等要求。本次设计为数控车床刀架的设计，该刀架为液压驱动，可以一次安装十二把刀具。，该刀架的工作原理是当数控装置发出换刀指令以后，液压缸进油通过活塞推动中心轴使刀盘移动，定位副端齿盘脱开；PLC发出信号驱动液压马达转动，采用液压马达驱动圆柱分度凸轮进行预分度，分度盘通过键带动中心轴转动，当转到指定刀位时液压马达刹车，转位凸轮停止转动；与此同时液压缸通过活塞将中心轴和刀盘拉回，端齿盘啮合，刀盘完成精定位和加紧动作。

其中圆柱分度凸轮机构的特点是圆柱分度凸轮凹槽中心曲线采用正弦加速度运动规律曲线，分度柱销的运动轨迹设计为圆弧，圆柱分度凸轮凹槽可同时推动两个柱销转位，圆柱分度凸轮凹槽与柱销之间无间隙，圆柱分度凸轮通过带动回转轮上的柱销使刀盘转动，从而实现刀架换刀动作。其传动平稳，冲击较小，磨损较轻，从而提高了使用寿命。其结构如图1.1所示。

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；济南大学毕业设计

- 3 - 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

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- 4 - 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

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，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 济南大学毕业设计

- 5 - （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：20×20×125

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 济南大学毕业设计

- 6 - 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，它不如液济南大学毕业设计

- 7 - 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