数控车床刀架结构设计及计算车床刀架的功能类型和应满足的要求车床刀架的功能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的转塔刀架回轮式转塔车床的回轮刀架自动车床的转塔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加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能这

  数控车床刀架结构设计及计算 1车床刀架的功能 , 类型和应满足的要求 1.1 车床刀架的功能 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， 转塔车床的转塔刀架， 回轮式转塔车床的回轮刀架， 自动 车床的转塔刀架和天平刀架等。 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。 加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手， 定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能， 这种刀库安放刀具的数量从几十 把到上百把， 自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。 这种刀库 和换刀机械手组成的自动换刀装置，就成为加工中心的主要特征 [5] 。 1.2 机床刀架的类型 按换刀方式的不同， 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 , 下面对这三种形式的刀架作简单的介绍。 1，排式刀架 排式刀架通常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。刀具的典型布置方式如图 4 所示。这种刀架在刀具布置和机床调整等方面都 较为方便，能够准确的通过具体工件的车削工艺技术要求，任意组合各种不同用途的刀具， 一把刀具完成车削任务后，横向滑板只要按程序沿 X 轴移动预先设定的距离后， 第二把刀就到达加工位置， 这样就完成了机床的换刀动作。 这种换刀方式迅速省 时，有利于提高机床的生产效率。宝鸡机床厂生产的CK7620P全功能数控车床配 置的就是排式刀架。 2，回转刀架 回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架， 一般是通过液压系统或电气 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把或更多的刀具。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。 3,带刀库的自动换刀装置 上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀 架，对刀具的数目也有一定限制。当由于某一些原因需要数量较多的刀具时， 应采 用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。 （a） 回转刀架 （b） 排式刀架 图1机床刀架类型结构图 1.3机床刀架应满足的要求 ）满足工艺过程所提出的要求。机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件 表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀架能够布置足够多的刀具， 且能方便而正确地加工各工件表面， 为实现在工件的一次安装中完成多 工序加工，所以要求刀架可以方便地转位。 ）在刀架以要能牢固地安装刀具，在刀架上安装刀具进还应能精确地调整 刀具的位置，采取了自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。 以保证刀具和工件间准确的相对位置。刀架的运动精度将直接反映到加工工件的 几何形状精度和表面粗糙度上，为此，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳， 刀架运转的终点到位应准确。面且这种精度保持性要好，以便长期保持刀具的正 确位置。 ）刀架应有充足的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大, 刀具在自动转换过程中方向变换较复杂， 而且有些刀架还直接承受切削力。 考虑 到采用新型刀具材料和先进的切削用量， 所以刀架一定要有足够的刚度， 以使切 削过程和换刀过程平稳。 ）可靠性高。由于刀架在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率 也高，所以必须充分重视它的可靠性。 ）刀架是为了更好的提高机床自动化而出现的， 因而它的换刀时间应尽可能缩短， 以利于提高生产率。目前自动换刀装置的换刀时间在 0.8—6 秒之间不等。而且 还在进一步缩短。 ）操作方便和安全。刀架是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作 是否方便和安全， 往往是评价刀架设计好坏的指标。 刀架上应便于工人装刀和调 刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀架的手柄（或手轮）要省力， 应尽量设置在便于操作的地方。 2 数控车床刀架总体方案设计与选择 1 刀架的整体方案设计 刀架是车床的重要组成部分， 用于夹持切削用的刀具， 因此其结构直接影响 到车床的切削性能和切削效率。 根据前部分对机床刀架类型、 性能及其使用场合 的综合比较，并结合现有数控车床的实例，本次设计的数控车床 CK20拟采用回 转刀架中的六工位六方刀架。 该刀架的换刀动作分为刀盘抬起、 刀盘分度转位和 刀盘锁紧三个步骤， 其中刀盘抬起和刀盘锁紧定位由液压来实现， 而刀盘的分度 转位于伺服电机驱动。 2 车床刀架的转位机构方案设计 一般来说，机床刀架的转位机构主要有以下几种： 1，液压（或气动）驱动的活塞齿条齿轮转位机构 这种由液动机驱动的转位机构调速范围大、缓冲制动容易，转位速度可调， 运动平稳，结构尺寸较小，制造容易，因而应用较广泛。而转位角度大小可由活 塞杆上的限位档块来调整。 也有采用气动的，气动的优点是结构相对比较简单， 速度可调， 但运动不平稳，有冲击，结构尺寸大，驱动力小。故一般多用于非金属切削的自 动化机械和自动线的转位机构中。 圆柱凸轮步进式转位机构 这种转位机构依靠凸轮轮廓强制刀架作转位运动，运动规律完全取决于凸轮 轮廓形状。圆柱凸轮是在圆周面上加工出一条两端有头的凸起 =轮廓，从动回转 盘（相当于刀架体）端面有多个柱销，销子数量与工位数相等。当圆柱凸轮按固 定的旋转方向运动时，有的柱销会进入凸轮轮廓的曲线段， 使凸轮开始驱动回转 盘转位，与此同时有的圆柱销会与凸轮轮廓脱离， 当柱销接触的凸轮轮廓由曲线 段过渡到直线段时，即使凸轮继续旋转，回转盘也不会转动，即完成了一次刀盘 分度转位动作。如此反复下去，就能实现多次的刀架换刀操作。由于凸轮是一个 两端开口的非闭合曲线轮廓，所以当凸轮正反转进均可带动刀盘正反两个方向的 旋转。这种转位机构转位速度高、精度较低，运动特性可以自由设计选取但制造 较困难、成本比较高、结构尺寸较大。这种转位机构能够最终靠控制系统中的逻辑电 路或PC程序来自动选择回转方向，以缩短转位辅助时间。 伺服电机驱动的刀架转位 随着现代技术的发展，能够使用直流（或交流）伺服电机驱动蜗杆、蜗轮（消 除间隙）实现刀架转位，转位的速度和角位移均可通过半闭环反馈进行精确控制 加以实现，因而这种转位机构转位速度能进行精确控制、精度高，结构相对比较简单、 实现容易。所以在现代数控机床中被广泛采用。 结合上述三种转位机构的转位机理和特点，并结合真实的情况，本次设计的数 控车床CK20决定采用第三种转位机构---伺服电机驱动的刀架转位。 3刀架定位机构方案设计 目前在刀架的定位机构中多采用锥销定位和端面齿盘定位。 由于圆柱销和斜 面销定位时有可能会出现间隙，圆锥销定位精度较高，它进入定位孔时一般靠弹簧力 或液压力、气动力，圆锥销磨损后仍可以消除间隙，以获得较高的定位精度。端 齿盘定位由两个齿形相同的端面齿盘相啮合而成， 由于齿合时各个齿的误差相互 抵偿，起着误差均化的作用，定位精度高。 端齿盘定位的特点： （1）定位精度高 由于端齿盘定位齿数多，且沿圆周均布，向心多齿结构， 经过研齿的齿盘其分度精度一般可达 一3左右，最高可过0.4以上，一对齿盘啮 合时具有自动定心作用。 所以中心轴的回转精度、 间隙及磨损对定心精度几乎没 有影响，对中心轴的精度要求低，装置容易。 （2）重复定位精度好 由于多齿啮合相当于上下齿盘的反复磨合对研， 越 磨合精度越高，重复定位精度也越好。 （3）定位刚性好，承载能力大，两齿盘多齿啮合。由于齿盘齿部强度高， 并且一般齿数啮合率不少于 90%，齿面啮合长度不少于 60%，故定位刚性好，承 载能力大。 考虑到端面齿盘具有以上的各种优点， 因而本次设计的刀架采用端面齿盘定 位。 3 车床刀架的工作原理 下图所示为回转刀架的结构图， 刀架的松开和夹紧以及刀盘的分度转位分别 由液压系统和直流伺服电机来实现。 5 为安装刀具的刀盘，它与轴 6 固定连接， 当刀架主轴 6带动刀盘旋转时，其上的端齿盘 4和固定在刀盘上的端齿盘 3 脱开， 旋转指定刀位后， 刀盘的定位由端齿盘的啮合来完成。 活塞 1 支承在一对推力球 轴承上，它们能通过推力球轴承带动刀架主轴来移动。 当车床数控系统发出换 刀指令后，刀架上的液压缸右腔通入压力油， 活塞 1 及轴 6在压力油推动下向左 移动，通过刀架主轴使端齿盘 3和 4 脱开啮合， 实现刀盘抬起动作。 随后伺服电 机启动，带动蜗杆 2和蜗轮 7转动，经刀架主轴 6 带动刀架的刀盘旋转， 实现刀 架换刀动作， 转位的速度和角位移均通过半闭环反馈系统进行精确控制。 当刀盘 旋转到指定的刀位后，数控系统发出信号，指令伺服电机停转，这时，压力油进 入液压缸的左腔，推动活塞 1和刀架主轴 6向右移动，使端齿盘 3和 4重新啮合， 实现刀盘锁动作。 刀盘被定位夹紧并向数控系统发出信号， 于是刀架的转位、 换 刀循环完成。 在车床自动工作状态下， 当指定换刀的刀号后， 数控系统能够最终靠 内部的运算判断， 实行刀盘就近转位换刀， 即刀盘既可正转也可以反转。 但当手 动操作车床时，从刀盘方向观察，只充许刀盘顺时针转动换刀。 3—蛊端齿直＜1 3—蛊端齿直＜1一右瑞齿盘&一刀紀主输 7--^ 8-7}Tn 图2数控车床回转刀架结构图 4刀架的设计计算 4.1 驱动刀架的伺服电机的选择计算 刀架驱动电动机的选择应同时满足刀架运转的负载扭矩 Tf和起动时的加速 扭矩TJ 的要求。 1）刀架负载扭矩Tf的计算 回转刀架负载扭矩Tf估算方法如下：由于这种刀架的负载扭矩主要用来克 服刀具质量的不平衡，估算按如下的情况做：用平均重力的刀具插满刀盘的半 个圆，根据工艺技术要求所需的各种刀具，确定每个刀具的（包括刀柄）平均重力Wcp， 而其重心则设定为离刀架回转中心 2/3半径处。由以上的方法可知，由于该数控 车床采用的是电和液换位的6工位六方自动回转刀架，因而插满刀盘的半个圆需 要3把刀具。设工艺技术要求所需的每个刀具的平均重力 Wcp=4.9N;刀盘的回转中心 直径 D 二 270mm。 1 2 1 2 则有 Tf=4W〒D 3 4.9 — 0.27 1.764N *mm 2 3 2 3 2）刀架加速扭矩Tj的估算 、 、2、 2 2 2i nm Tj Jm Jl N *m 60tj ‘ 式中 nm----刀架换刀时的电动机转速（r/min）; tj ---加速时间,通常取150L 200ms; jm ---电动机转子惯量（kgLm2）,可查样本; Jl---负载惯量折算到电动机轴上的惯量（kg*m2）. 3）负载惯量折算到电动机轴上的惯量 Jl的估算 1+迟 mi 約 kgLm2 式中J 式中 Jh---各旋转件的转动惯量（kgLm2）; ■ ■ h ---各旋转件的角速度（rad /s）; mi ---各直线运动件的质量（kg ）; ■- i---各直线运动件的速度（m/s）；-----伺服电机的角速度（rad/s）. 4）各旋转件的转动惯量Jh的估算 由刀架的结构简图可知，刀架在完成换刀动作时，伺服电机带动其旋转的部 件共3个,它们分别是蜗轮蜗杆副，刀架主轴和刀盘。因而只需估算这三者的传动 惯量即可。 （1）刀盘转动惯量的计算 刀盘采用烟台环球公司生产的 AK31系列数控转塔刀架的配套产品，其主要 尺寸如下：刀盘外径D1 =320mm;盘也刀架主轴相连的孔径d^40mm ;刀盘宽 P = 56mm。 则刀盘的转动惯量Jh1= 则刀盘的转动惯量Jh1=」m 2 匕2丿12丿丿 丄2丿12丿‘匕2丿12丿 =丄 7.85 103 =丄 7.85 103 3.14 0.32 2 I2丿丿 汉 0.056 汉 [0.32 0.04 + —— I 2丿丿 =0.45 kg_m2 刀架主轴转动惯量的计算 刀架主轴的转动惯量Jh2按如下的方法估算: 刀架主轴的最大直径 d max二40mm ;最小直径d min二25mm ;刀架主轴长度取 l = 390mm。 则刀架主轴的转动惯量A 则刀架主轴的转动惯量A2》 I’d max + d min 2丄 2.d max d minlJ ； 2 .d max d min l J ；： 2 J 7.85 1 03 3.141 I 2 0.124 2 ]2 _『0.0325 丿I 2 901 層〕2 + 曾「 =0.002 kgLm2 d max d min =—Pji I 2 2 2 = 085^14：怜皿川05 =0.0048 kg_m2 蜗轮蜗杆转动惯量的计算 蜗轮蜗杆的转动惯量Jh3的估算方法如下: 设蜗轮的分度圆直径Dh^ 124mm ；其与刀架主轴相连的孔径dh3二32.5mm ；蜗轮 齿宽 bh3 =10mm. 则蜗轮的转动惯量Jh31 =1皿 2 j i‘Dh3 U 2丿I 2丿「T丿I 2丿丿 设蜗杆的分度圆直径 Dh32二35.5mm;蜗杆长I二200mm. 1 D 1 Dk32 则蜗杆的转动惯量心畀.2 i‘Dk32 =0.00024=-7.85 103 3.14： i2kg_m2(4)连轴器转动惯量的计算0.0355 f由于连轴器已标准化，查表取连轴器的转动惯量 J =0.00024 =-7.85 103 3.14： i 2 kg_m2 (4)连轴器转动惯量的计算 0.0355 f 由于连轴器已标准化，查表取连轴器的转动惯量 Jh4 = 0.0003 kgLm2 (5)对各旋转件的角速度作如下设定: 伺服电机的角速度 = 1400 2二/60 = 146.5rad / s ； 蜗杆的角速度 ，h32 = 1400 2二 / 60 = 146.5rad / s ； 蜗轮的角速度 ■ ■ h31 =： 1400 2二 /60 =2.44rad /s ； .60 刀架主轴的角速 1400 2二 /60 =2.44rad/s ； .60 刀盘转位时的角速度 ■ ■ h1 = 1400 2二 /60 =2.44rad/s。 .60 则将以上计算所得的数据代入下式：JL 则将以上计算所得的数据代入下式： JL 八 Jhfz K i 得负载惯量折算到电动机轴上的惯量 mi J kgLm2 1- 1.0.0003 迤1146.5 丿 1- 1. 0.0003 迤 1146.5 丿 5 - 5 46.46. =0.4^,(^^ [ +0.0048* +0.002 ’^44 1146.5 丿 1146.5 丿 1146.5丿 =0.00067 kgLm2 取tj =160ms = 0.16s;刀架换刀时伺服电机的转速 nm = 1400r/min ;伺服电动机 转子转动惯量Jm = 0.00003kgl_m2。 则刀架加速扭矩 2 兀 nm Tj Jm Jl N[_m 60tj =2 3.14 1400 0.00003 0.00067 60 0.16 =0.32 N_m 5）驱动电动机输出扭矩 Td的估算 驱动电动机的输出扭矩TD应同时满足刀架负载扭矩TF和加速扭矩TJ之和， 将以上计算的刀架负载扭矩和加速扭矩换为驱动电动机轴上的输出扭矩 Td的公 式为： T Tf +Tf Td N_m 式中 ----传动效率取0.75。 则有Tf +TfTd 则有 Tf +Tf Td = n 1.764 0.32 0.75 -2.78 N_m 考虑到真实的情况比计算时所设定条件复杂， 电动机额定转矩Ts应为TD的1.2L1.5 倍。 所以取 Ts =1.3Jd =1.3 2.78 = 3.6 N_m 经查阅西门子电机手册，选项用西门子 仆T6交流伺服电动机。该电机的额定转 速为1500r/min，额定输出转矩为5NL_m，额定功率为0.4kW。 4.2蜗轮蜗杆的设计计算 4.1各参数的取定 本刀架的转位机构是采用直流伺服电机驱动蜗杆、蜗轮（消除间隙）实现刀 架的转位，其中蜗轮蜗杆副的传动比取i =60,伺服电机的转速取n = 1400r/min ； 刀架的转位速度设计为n1=23r/mi n=0.4r/s，由于刀盘为6工位刀盘，则该刀 架换一次刀的最大耗时不到1s。 4.2蜗轮蜗杆副的设计计算 设计的普通圆柱蜗杆传动的功率为 p=0.3kw，蜗杆的转速为m=1400r/min， 传动比为“2=60，传动反向，工作载荷稳定，但有不大的冲击，要求设计寿命 为 Lh =12000h。 对蜗轮蜗杆的设计计算如下； .选择蜗杆传动类型 根据GB/T1008-1988的推荐，采用渐开线蜗杆(ZI )。 .选择材料 根据库存材料的情况，并考虑到蜗杆传递的功率不大，速度只是中等，故蜗 杆用45钢；因希望效率高些，耐磨性好些，故蜗杆螺旋齿面要求淬火，硬度为 40-45 HRC。蜗轮用铸锡磷青铜ZCuSn10P1，金属模铸造。为了节约贵重的有色 金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁 HT100制造。 .按齿面接触疲劳强度进行设计 根据闭式蜗杆传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿 根弯曲疲劳强度。 确定作用在蜗轮上的转矩T2 按乙=1 ,估取效率 =0.8，则 T2 = 9.55 1 06 上 =9.55 106 0.3 0.8 ^mm=98369.1N *mm n1/ i12 1400/60 确定载荷系数K 因为工作载荷稳定，故取载荷分布不均系数为 K，1 ;由西北工业大学机械 原理及机械零件教研室编著的《机械设计》教材表11-5选取使用系数Ka = 1.15 ； 由于转速不高，冲击不大，可取动载系数 Kv =1.05 ;贝9 K =KaK Kv =1.15 1 1.05 ： 1.2 确定弹性影响系数Ze 因选用的是铸锡青铜轮和钢蜗杆相配，故 ZE=160MPa 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，从图11-18中 可查得Z *2.9。 确定许用接触应力L_-h ] 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜 zcusmopi，金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度 45HRC 可从表11-7中查得蜗轮的基本许用应力为I.CH 1=268MPa 。 应力循环次数 N =60j n2Lh=60 1 1400 12000 = 1.7 107 60 寿命系数 Khn =8 10—7 : 0.94 Y1.7X107 则 「H l - KhnlLh ] =0.94 268 ： 250.8MPa 6)计算中心距 / “60x2.9)2 a_ 31.2 98369.1 ： 73.93mm V I 250.8 丿 取中心距a=80mm因i =60,故从表11-2中取模数为 m=2mm蜗杆分度圆直径 di=35.5mm。这时d〃a = 35.5/80 0.,44从图11-18中可查得接触系数 Z,2.70，因为Z—2.70 Z ；，因此以上计算的结果可用。 (2)蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 1) 蜗杆 轴向齿距 pa -:m =3.14 2 = 6.28mm 直径系数 q = m =35.5/ 2 = 17.75mm 齿顶圆直径 da1=d1 2ha*m=35.5 2 2 = 39.5mm 齿根圆直径 df1 二d1-2(ha*m c) =35.5 -2 2 =31.5mm 分度圆导程角 咐-tan(z〃q)4 二 tan(1/17.75) 4 ：-3.220 1 1 蜗杆轴向齿厚 Sa m 3.14 2 = 3.14mm 2 2 许用弯曲应力 许用弯曲应力 F I -卜-F 1_KfN 图3 图3蜗杆的结构图 1)蜗轮 蜗轮齿数Z2=62 ;变位系数 X2 =0.125 验算传动比i二仝=62 =62，这时传动比误差为?込160 =0.03333、3.3%，是允 Z2 1 60 许的。 蜗轮分度圆直径 d2 = mz2 =2 62 = 124mm 蜗轮喉圆直径da2 二d2 2m(ha* X2)=124 2 2 (1 0.125) = 128.5mm 蜗轮喉圆直径 蜗轮齿根圆直 df2 =d2—2m(ha* -x2 c*) =124 -2 2 (1 0.125 1) =115.5mm 1 1 蜗轮咽喉母圆半径 rg2=a da2=80 128.5 = 15.75mm 2 2 图4蜗轮的结构图 图4蜗轮的结构图 (4)校核齿根弯曲疲劳强度 CF =1.53KT2YFa2丫一 I；- f 1 d1d2m 当量齿数 z2 62 “ “ Zv2 3 3 62.29 cos r cos 3.22 根据 X2 =0.125， zv2 一

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