0003-數(shù)控刀架的設(shè)計
0003-數(shù)控刀架的設(shè)計,數(shù)控,刀架,設(shè)計
機(jī)電05-1班
課程設(shè)計說明書
設(shè)計題目：數(shù)控車床自動回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計
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設(shè)計任務(wù)
題目：數(shù)控車床自動回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計
任務(wù)：設(shè)計一臺四工位立式回轉(zhuǎn)刀架，適用于C616或C6132經(jīng)濟(jì)型數(shù)空車床。要求繪制自動回轉(zhuǎn)刀架的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。推薦刀架所用電動機(jī)的額定功率為
90W，額定轉(zhuǎn)速1480r/min，換刀時要求刀架轉(zhuǎn)動的速度為40r/min，減速裝置的傳動比為i=37。
總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
1、 減速傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計
普通的三項異步電動機(jī)因轉(zhuǎn)速太快，不能直接驅(qū)動刀架進(jìn)行換刀，必須經(jīng)過適當(dāng)?shù)臏p速。根據(jù)立式轉(zhuǎn)位刀架的結(jié)構(gòu)特點，采用蝸桿副減速時最佳選擇。蝸桿副傳動可以改變運動的方向，獲得較大的傳動比，保證傳動精度和平穩(wěn)性，并且具有自鎖功能，還可以實現(xiàn)整個裝置的小型化。
2、 上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計
由于刀具直接安裝在上刀體上，所以上刀體要承受全部的切削力，其鎖緊與定位的精度將直接影響工件的加工精度。本設(shè)計上刀體的鎖進(jìn)玉定位機(jī)構(gòu)選用端面齒盤，將上刀體和下刀體的配合面加工成梯形端面齒。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上下端面齒相互嚙合，這時上刀體不能繞刀架的中心軸旋轉(zhuǎn)；換刀時電動機(jī)正轉(zhuǎn)，抬起機(jī)構(gòu)使上刀體抬起，等上下端面齒脫開后，上刀體才可以繞刀架中心軸轉(zhuǎn)動，完成轉(zhuǎn)位動作。
3、 刀架抬起機(jī)構(gòu)的設(shè)計
要想使上、下刀體的兩個端面齒脫離，就必須設(shè)計適合的機(jī)構(gòu)使上刀體抬起。本設(shè)計選用螺桿-螺母副，在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當(dāng)電動機(jī)通過蝸桿-渦輪帶動蝸桿繞中心軸轉(zhuǎn)動時，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動，要么上下移動。當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，上刀體與下刀體的端面齒相互嚙合，因為這時上刀體不能與螺桿一起轉(zhuǎn)動，所以螺桿的轉(zhuǎn)動會使上刀體向上移動。當(dāng)端面齒脫離嚙合時，上刀體就與螺桿一起轉(zhuǎn)動。
設(shè)計螺桿時要求選擇適當(dāng)?shù)穆菥啵员惝?dāng)螺桿轉(zhuǎn)動一定的角度時，使得上刀梯與下刀體的端面齒能夠完全脫離嚙合狀態(tài)。
下圖為自動回轉(zhuǎn)刀架的傳動機(jī)構(gòu)示意圖，詳細(xì)的裝配圖在一號圖紙上。
三、自動回轉(zhuǎn)刀架的工作原理
自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程如下圖。
圖上表示自動回轉(zhuǎn)刀架在換刀過程中有關(guān)銷的位置。其中上部的圓柱銷2和下部的反靠銷6起著重要作用。
當(dāng)?shù)都芴幱阪i緊狀態(tài)時，兩銷的情況如圖A所示，此時反靠銷6落在圓盤7的十字槽內(nèi)，上刀體4的端面齒和下刀體的端面齒處于嚙合狀態(tài)（上下端面齒在圖中未畫出）。
需要換刀時，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號，三項異步電動機(jī)正向旋轉(zhuǎn)，通過蝸桿副帶動蝸桿正向轉(zhuǎn)動，與螺桿配合的上刀體4逐漸抬起，上刀體4與下刀體之間的端面齒慢慢脫開；與此同時，上蓋圓盤1也隨著螺桿正向轉(zhuǎn)動（上蓋圓盤1通過圓柱銷與螺桿聯(lián)接），當(dāng)轉(zhuǎn)過約1700時，上蓋圓盤1直槽的另一端轉(zhuǎn)到圓柱銷2的正上方，由于彈簧3的作用，圓柱銷2落入直槽內(nèi)，于是上蓋圓盤1就通過圓柱銷2使得上刀體4轉(zhuǎn)動起來（此時端面齒已完全脫開）。
上蓋圓盤1、圓柱銷2以及上刀體4在正轉(zhuǎn)的過程中，反靠銷6能夠從反靠圓盤7中十字槽的左側(cè)斜坡滑出，而不影響上刀體4尋找刀位時的正向轉(zhuǎn)動。
上刀體4帶動磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時，發(fā)信盤上對應(yīng)的霍爾元件輸出低電平信號，控制系統(tǒng)收到后，立即控制刀架電動機(jī)反轉(zhuǎn)，上蓋圓盤1通過圓柱銷2帶動上刀體4開始反轉(zhuǎn)，反靠銷6馬上就會落入反靠圓盤7的十字槽內(nèi)，至此，完成粗定位。此時，反靠銷6從反靠圓盤7的十字槽內(nèi)爬不上來，于是上刀體4停止轉(zhuǎn)動，開始下降，而上蓋圓盤1繼續(xù)反轉(zhuǎn)，其直槽的左側(cè)斜坡將圓柱銷2的頭部壓入上刀體4的銷空內(nèi)，之后，上蓋圓盤1是下表面開始與圓柱銷2的頭部滑動。再次期間，上、下刀體的端面齒逐漸嚙合，實現(xiàn)精定位，經(jīng)過設(shè)定的延時時間后，刀架電動機(jī)停轉(zhuǎn)，整個換刀過程結(jié)束。
由于蝸桿副具有自鎖功能，所以刀架可以穩(wěn)定地工作。
蝸桿-渦輪減速 銷連接
上蓋圓盤旋轉(zhuǎn)
螺桿正轉(zhuǎn)
刀架電動機(jī)正轉(zhuǎn)
上刀體抬起
螺桿-螺母
端面齒錯開
霍爾元件觸發(fā)
上刀體旋轉(zhuǎn)
到位回答
圓柱銷落入上蓋圓盤
蝸桿-渦輪減速
反靠銷反靠端面齒嚙合
螺桿反轉(zhuǎn)
刀架電動機(jī)旋轉(zhuǎn)
上刀體下降，粗定位
精定位
延時鎖緊
電動機(jī)停轉(zhuǎn)
圖：自動回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程
主要傳動部件的設(shè)計
1. 蝸桿副的設(shè)計計算
自動回轉(zhuǎn)刀架的動力源是三相異步電動機(jī)。其中蝸桿與電動機(jī)直聯(lián)，刀架轉(zhuǎn)位時蝸輪與上刀體直聯(lián)。已知電動機(jī)額定功率p1=90W。,額定轉(zhuǎn)速n1=1480r/min，上刀體設(shè)計轉(zhuǎn)速n2=40r/min，蝸桿副的傳動比i=n1/n2=37。刀架從轉(zhuǎn)位到鎖緊時，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，啟動時沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命Lh=10000h。
（1） 蝸桿的選型 GB/T10085-1988推薦采用漸開線蝸桿和錐面包絡(luò)蝸桿。本設(shè)計采用結(jié)構(gòu)簡單，制造方便的漸開線型圓柱蝸桿。
（2） 蝸桿副的材料 刀架中的蝸桿副傳動的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速干，一次，蝸桿的材料選用45鋼，其螺旋齒面要淬火，硬度為45～55HRC,以提高其表面耐磨行；蝸輪的轉(zhuǎn)速較低，其材料主要考慮耐磨性，選用鑄錫磷青銅ZCuSn10P1，采用金屬模制造。
（3） 按齒面接觸疲勞強度進(jìn)行設(shè)計 刀架中的蝸桿副采用閉式傳動，多因齒面膠合或點蝕而失效。因此，進(jìn)行載荷計算時，先按齒面接觸疲勞強度進(jìn)行設(shè)計，再按齒根彎曲疲勞強度進(jìn)行校核。
按蝸輪接觸疲勞強度條件設(shè)計計算的公式
a≥3 KT2( ZEZPσH )2
(4-1)
式中 a——蝸桿副的傳動中心距，單位mm；
K——載荷系數(shù)；
T2——作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩T2，單位N.mm；
ZE——彈性影響系數(shù)ZE；
[σH]——許用接觸應(yīng)力，單位為MPa。
從式4-1算出蝸桿副的中心距a之后，根據(jù)已知的傳動比i=35，
查表選擇一個合適的中心距a值，以及相應(yīng)的蝸桿，蝸輪參數(shù)。
1） 確定作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩T2, 設(shè)蝸桿頭數(shù)Z1=1，蝸桿副的傳動效率η=0.8，由電動機(jī)的額定功率p1=90W，可以算出蝸輪傳動的功率p2=p1η，再由蝸輪的轉(zhuǎn)速n2=40r/min求得作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩
T2=9.55p2n2=9.55p1ηn2=25.47N·m=22923N·mm
2） 確定載荷系數(shù)K 載荷系數(shù)K= KA KB K。其中KA為使用系數(shù)，有表6-3查得， 由于工作載荷不均勻，啟動時沖擊較大，因此取KA=KA1.15； Kβ為齒向分布系數(shù)，因工作載荷在啟動和停止時有變化，故取KBKβ=1.15；KV 為動載系數(shù)，由于轉(zhuǎn)數(shù)不高。沖擊不大，可取KKV=1.05。則載荷系數(shù)K=KA KB K ≈1.39
使用系數(shù)KA
工作類型
I
II
III
載荷性質(zhì)
均勻，無沖擊
不均勻，小沖擊
不均勻，大沖擊
每小時起動次數(shù)
<25
25-50
>50
起動載荷
小
較大
大
KA
1
1.15
1.2
3） 確定彈性影響系數(shù)ZEZE，鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時，從有關(guān)手冊查的彈性影響系數(shù) ZE=160Mpa 1/2；
4） 確定接觸系數(shù)ZP 先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1 和傳動中心距a的比值d1d1/a=0.35。查表的ZpZρ=2.9
鑄錫青銅蝸輪的基本許用接觸應(yīng)力[σ]H'(MPa)
蝸輪材料
鑄造方法
蝸桿螺旋面的硬度
≤45HRC
>45HRC
鑄錫磷青銅ZCuSn10P1
砂模鑄造
150
180
金屬模鑄造
220
268
鑄錫鋅鉛青銅ZCuSn5Pb5Zn5
砂模鑄造
113
135
金屬模鑄造
128
140
5）確定許用接觸應(yīng)力[σH] 根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅ZCuSn10P1金屬模制造蝸桿螺旋齒面硬度大于45HRC可查表的蝸輪的基本許用應(yīng)力[σH] ‘=268MPa已知蝸桿為單頭，蝸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時每個輪齒嚙合的次數(shù)j=1；蝸輪轉(zhuǎn)數(shù)n2=40r/min；蝸桿副的使用壽命Lh=10000h。
則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)：
N=60j n2 Lh =2.4 ×10 7
壽命系數(shù)：
KHN =KHN0.693
許用接觸應(yīng)力：
[σ ]=KHN× [σH] ‘KHN=186MPa
6）計算中心距 將以上各參數(shù)帶入4-1，求得中心距：
a = 47.1 mm
查表取a=63，已知蝸桿頭數(shù)z1=1，設(shè)模數(shù)m=1.6mm，得蝸桿分度圓直徑d1d1=28mm。這時d1d1/a=0.59，查表得接觸系數(shù)Z`P=2.35。因為Z`P2.4mm，今取螺桿的螺距P=6mm。
（2） 確定其他參數(shù) 采用單頭梯形螺桿，頭數(shù)n=1，牙側(cè)角β= 150，外螺紋大徑d1=50mm，牙頂間隙ac=0.5mm，基本牙型高度H1=0.5P=3mm，外螺紋牙高h(yuǎn)3=3.5mm，外螺紋中徑d2=47mm，外螺紋小徑d3=43mm，螺桿螺紋部分長度H=50mm。
（3） 自鎖性能校核 螺桿-螺母材料均用45鋼，查表取摩擦系數(shù)f=0.11；再求得梯形螺旋副的當(dāng)量摩擦角：
φV=tan-1fcosβ≈6.50 6.50
而螺紋升角：
Ψ=tan-1nPπd2= 2.33
小于當(dāng)量摩擦角。因此滿足自鎖條件。
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編號：1112568
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上傳時間：2019-10-07
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數(shù)控
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