数控车床自动回转刀架结构设计

哈尔滨理工大学

课程设计说明书

设计题目：数控车床自动回转刀架结构设计

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日期：2008.9.24

设计任务

题目：数控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C616或C6132经济型数空车床。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1480r/min，换刀时要求刀架转动的速度为40r/min，减速装置的传动比为i=37。

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。

下图为自动回转刀架的传动机构示意图，详细的装配图在一号图纸上。

三、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。 图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1700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。

蜗杆-涡轮减速 销连接

螺杆-螺母

霍尔元件触发

蜗杆-涡轮减速

图：自动回转刀架的换刀流程

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p1=90W。,额定转速n1=1480r/min，上刀体设计转速n2=40r/min，蜗杆副的传动比i=n1/n2=37。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Lh=10000h。 刀架电动机正螺杆正转 上盖圆盘旋转

上刀体抬起

到位回答 上刀体旋转 端面齿错开

圆柱销落入上刀架电动机旋螺杆反转 反靠销反靠端上刀体下降，电动机停转 延时锁紧 精定位 （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≥√ KT2( ZEZP[σH] )2 3

(4-1)

式中 a——蜗杆副的传动中心距，单位mm；

K——载荷系数；

T2——作用在涡轮上的转矩T2，单位N.mm；

ZE——弹性影响系数ZE；

[σH]——许用接触应力，单位为MPa。

从式4-1算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=35， 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T2, 设蜗杆头数Z1=1，蜗杆副的传动效率η=0.8，由电动机的额定功率p1=90W，可以算出蜗轮传动的功率p2=p1η，再由蜗轮的转速n2=40r/min求得作用在蜗轮上的转矩

T2=9.55p2n2=9.55p1ηn2=25.47N·m=22923N·mm

2） 确定载荷系数K 载荷系数K= KA KB K。其中KA为使用系数，有表6-3查得，

由于工作载荷不均匀，启动时冲击较大，因此取KA=KA1.15； Kβ为齿向分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取KBKβ=1.15；KV 为动载系数，由于转数不高。冲击不大，可取KKV=1.05。则载荷系数K=KA KB K ≈1.39

使用系数KA

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ZEZE，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数 ZE=160Mpa 1/2；

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d1d1/a=0.35。查表的ZpZρ=2.9

铸锡青铜蜗轮的基本许用接触应力[σ]H'(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[σH] 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[σH] ‘=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n2=40r/min；蜗杆副的使用寿命Lh=10000h。

则应力循环次数：

N=60j n2 Lh =2.4 ×10 7

寿命系数：

KHN =KHN0.693

许用接触应力： [σ ]=KHN× [σH] ‘KHN=186MPa

6）计算中心距 将以上各参数带入4-1，求得中心距：

a = 47.1 mm

查表取a=63，已知蜗杆头数z1=1，设模数m=1.6mm，得蜗杆分度圆直径d1d1=28mm。这时d1d1/a=0.59，查表得接触系数Z`P=2.35。因为Z`P

（4）蜗杆和涡轮的主要参数与几何尺寸 由蜗杆和涡轮的基本尺寸和主要参数，算的蜗杆和涡轮的主要几何尺寸后，即可绘制蜗杆副的工作图。

1）蜗杆的参数与尺寸 头数z1=1，模数m=1.6mm，轴向齿距pa=πm=5.027mm轴向齿厚sa=0.5πm=2.514mm，分度圆直径d1=28，

直径系数q=d1m⁄=17.5，

分度圆导程角γ=tan−1z1q=3016‘14“。

取齿顶高系数ha∗=1，径向间隙系数c∗=0.2，

则齿顶圆直径da1=d1+2ha∗m=31.2mm，

齿根圆直径df1=d1-2m（ha∗+c∗）=24.314mm。

2）涡轮参数与尺寸 齿数z2=60，模数m=1.6mm，

分度圆直径为d2=mz2=96mm，

变位系数x2=[a-(d1+d2)/2]/m=0.6， 涡轮喉圆直径为da2=d2+2m（ha∗+x2）=101.12mm，

涡轮齿根圆直径df2=d2-2m（ha∗-x2+c∗）=94.08mm，

涡轮咽喉母圆半径rg2=a-da2/2=12.44mm。

（5）校核涡轮齿根弯曲疲劳强度 即检验下式是否成立：

σF=1.53KT2d1d2mYFa2Yβ≤[σF]

由蜗杆头数z1=1，传动比i=35，可以计算出涡轮齿数z2=i z1=35

则涡轮的当量齿数：

zv2=z2cosγ3=35.17

根据涡轮变位系数x2=0.6和当量齿数zv2=35.17，查表的齿形系数

YFa2=2.08

螺旋角影响系数

Yβ=1-γ140°=0.977

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：