數(shù)控加工中心盤式刀庫設(shè)計

畢業(yè)設(shè)計(論文)題 目：數(shù)控加工中心盤式刀庫設(shè)計學(xué)生姓名學(xué) 號分 院機電工程分院專業(yè)班級指導(dǎo)教師2008年5月 杭州中文摘要摘 要90年代以來，數(shù)控加工技術(shù)得到迅速的普及及發(fā)展，高速加工中心作為新時代數(shù)控機床的代表，已在機床領(lǐng)域廣泛使用。自動換刀刀庫的發(fā)展儼然已超越其為數(shù)控加工中心配套的角色，在其特有的技術(shù)領(lǐng)域中發(fā)展出符合機床高精度、高效率、高可靠度及多任務(wù)復(fù)合等概念的獨特產(chǎn)品。刀庫作為加工中心最重要的部分之一，它的發(fā)展也直接決定了加工中心的發(fā)展。本論文完成的是盤式刀庫的總體設(shè)計、傳動設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計以及傳動部分的運動和動力設(shè)計。這種刀庫在數(shù)控加工中心上應(yīng)用非常廣泛，其換刀過程簡單，換刀時間短，定位精度高；總體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，動作準(zhǔn)確可靠；維護方便，成本低。本刀庫減速傳動部分分兩級減速，一級傳動部分采用齒輪減速裝置，二級傳動部分采用蝸輪蝸桿減速裝置，此種設(shè)計方案可提高輸出軸的傳動平穩(wěn)性能，即提高刀盤的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。本刀庫滿載裝刀24把，采用單環(huán)排列方式排放，按就近選刀原則選刀。關(guān)鍵詞：加工中心；刀庫；數(shù)控加工英文摘要ABSTRACTSince the 1990s, CNC machining technology made the rapid and universal development, as a new era of the representatives of NC machine tools, High-speed processing center has been widely used in the field of machine tools. The development of automatic Tool Change,s tool house in recent years seems to have gone beyond the NC Center for supporting the role of technology in their unique areas of development to meet the high-precision machine tools, high efficiency and reliability, and more complex tasks, such as the concept of unique products . The tool house as a processing center one of the most important part, it has a direct bearing on the development of the processing centers development. This paper completed the overall design,transmission design,structure design and the transmission parts movement and dynamic design of the disc tool house. Such a tool house in the CNC Machining Center is widely used, the tool change is simple, tool change time is short, high-precision positioning; overall structure is simple and compact , Action is accurate and reliable; convenient maintenance and low cost. The slowdown part in the transmission of the tool house includes two parts, the first part of the transmission is gear deceleration device, the second transmission part of the transmission is Worm Gear deceleration device, such design can increase the output shaft of the transmission smooth performance, improve the smooth functioning of the tool house. The tool house which can load with the maximum of 24 tools use single-ring arrangement of emissions and according to the principle of the nearest to election tools. Key words: Machining centers; Tool house; NCI目錄目 錄1 引言11.1 數(shù)控加工中心概述11.2 數(shù)控加工中心的分類11.3 加工中心的主要加工對象21.4 加工中心的特點31.5 加工中心刀庫的形式41.6 換刀裝置的形式52 總體方案的確定72.1 刀庫主要參數(shù)72.2 電動機的初選72.3 確定傳動裝置的總傳動比和分配傳動比82.4 確定各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率 92.5 電動機的校核 113 刀庫設(shè)計與校核133.1 齒輪傳動的計算133.2軸的校核173.3滾動軸承的校核213.4蝸輪蝸桿的設(shè)計 223.5鍵的校核224 刀具交換裝置234.1換刀簡介234.2換刀過程23結(jié)論24致謝25參考文獻26附錄127附錄228附錄328II浙江工業(yè)大學(xué)之江學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）1 引 言1.1數(shù)控加工中心概述數(shù)字控制是20世紀(jì)中期發(fā)展起來的一種自動控制技術(shù)，是用數(shù)字化信號進行控制的一種方法16。采用數(shù)控技術(shù)進行控制的機床，稱為數(shù)控機床8。加工中心（Machining Center,簡稱MC）是一種備有刀庫并能自動更換刀具對工件進行多工序加工的數(shù)控機床。它是適應(yīng)省力、省時和節(jié)能的時代要求而發(fā)展起來的，它綜合了機械技術(shù)、電子技術(shù)、計算機軟件技術(shù)、氣動技術(shù)、拖動技術(shù)、現(xiàn)在控制理論、測量及傳感技術(shù)以及通訊診斷、刀具和應(yīng)用編程技術(shù)的高技術(shù)產(chǎn)品，將數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能聚集在一臺加工設(shè)備上，且增設(shè)有自動換刀裝置和刀庫，可以在一次安裝工件后，數(shù)控系統(tǒng)控制機床按不同工序自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及其他輔助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、內(nèi)外倒角、環(huán)形槽及攻螺紋等加工4。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展，以及各種性能良好的傳感器的出現(xiàn)和運用，加工中心的功能日趨完善，這些功能包括：刀具壽命的監(jiān)視功能，刀具磨損和損傷的監(jiān)視功能，切削狀態(tài)的監(jiān)視功能，切削異常的監(jiān)視、報警和自動停機功能，自動檢測和自我診斷功能及自適應(yīng)控制功能等1。加工中心還與載有隨行夾具的自動托板進行有機連接，并能進行切屑自動處理，使得加工中心成為柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)合自動化工廠的關(guān)鍵設(shè)備和基本單元。1.2 數(shù)控加工中心的分類1.2.1 按照機床形態(tài)分類（1）臥式加工中心 指主軸軸線為水平狀態(tài)設(shè)置的加工中心。臥式加工中心一般具有3-5個運動坐標(biāo)。常見的有三個直線運動坐標(biāo)(沿X、Y、Z軸方向)加一個回轉(zhuǎn)坐標(biāo)(工作臺)，它能夠使工件一次裝夾完成除安裝面和頂面以外的其余四個面的加工。臥式加工中心較立式加工中心應(yīng)用范圍廣，適宜復(fù)雜的箱體類零件、泵體、閥體等零件的加工。但臥式加工中心占地面積大，重量大；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格較高1。 （2）立式加工中心 指主軸軸心線為垂直狀態(tài)設(shè)置的加工中心。立式加工中心一般具有三個直線運動坐標(biāo)，工作臺具有分度和旋轉(zhuǎn)功能，可在工作臺上安裝個水平軸的數(shù)控轉(zhuǎn)臺用以加工螺旋線零件。立式加工中心多用于加工筒單箱體、箱蓋、板類零件和平面凸輪的加工。立式加工中心具有結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、價格低的優(yōu)點。 （3）龍門加工中心 與龍門銑床類似，適應(yīng)于大型或形狀復(fù)雜的工件加工。 （4）萬能加工中心 萬能加工中心也稱五面加工中心小工件裝夾能完成除安裝面外的所有面的加工；具有立式和臥式加工中心的功能。常見的萬能加工中心有兩種形式：一種是主軸可以旋轉(zhuǎn)900既可象立式加工中心一樣，也可象臥式加工中心一樣；另一種是主軸不改變方向，而工作臺帶著工件旋轉(zhuǎn)900完成對工件五個面的加工。在萬能加工中心安裝工件避免了由于二次裝夾帶來的安裝誤差，所以效率和精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價也高1，2。1.2.2按換刀形式分類（1）帶刀庫機械手的加工中心 加工中心換刀裝置由刀庫、機械手級組成，換刀動作由機械手完成。（2）機械手的加工中心 這種加工中心的換刀通過刀庫和主軸箱配合動作來完成換刀過程。（3）轉(zhuǎn)塔刀庫式加工中心 一般應(yīng)用于小型加工中心，主要以加工孔為主。加工中心常按主軸在空間所處的狀態(tài)分為立式加工中心和臥式加工中心，加工中心的主軸在空間處于垂直狀態(tài)的稱為立式加工中心，主軸在空間處于水平狀態(tài)的稱為臥式加工中心。主軸可作垂直和水平轉(zhuǎn)換的，稱為立臥式加工中心或五面加工中心，也稱復(fù)合加工中心。按加工中心立柱的數(shù)量分；有單柱式和雙柱式（龍門式） 7。1.2.3按數(shù)控系統(tǒng)功能分類加工中心根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)控制功能的不同分：有三軸二聯(lián)動、三軸三聯(lián)動、四軸三聯(lián)動、五軸四聯(lián)動、六軸五聯(lián)動等。三軸、四軸是指加工中心具有的運動坐標(biāo)數(shù)，聯(lián)動是指控制系統(tǒng)可以同時控制運動的坐標(biāo)數(shù)，從而實現(xiàn)刀具相對工件的位置和速度控制11。 1.2.4按工作臺的數(shù)量和功能分類有單工作臺加工中心、雙工作臺加工中心，和多工作臺加工中心。1.2.5按加工精度分類（1）普通加工中心 普通加工中心，分辨率為1m，最大進給速度1525m/min，定位精度l0 m左右。（2）高精度加工中心 高精度加工中心，分辨率為0.1m，最大進給速度為15100m/min，定位精度為2m左右。介于2l0 m之間的，以5 m較多，可稱精密級3。1.3 加工中心的主要加工對象加工中心適宜于加工復(fù)雜、工序多、要求較高、需用多種類型的普通機床和眾多刀具夾具，且經(jīng)多次裝夾和調(diào)整才能完成加工的零件。其加工的主要對象有箱體類零件、復(fù)雜曲面、異形件、盤套板類零件和特殊加工等五類4-6。1.3.1箱體類零件箱體類零件一般是指具有一個以上孔系，內(nèi)部有型腔，在長、寬、高方向有一定比例的零件。這類零件在機床、汽車、飛機制造等行業(yè)用的較多。箱體類零件一般都需要進行多工位孔系及平面加工，公差要求較高，特別是形位公差要求較為嚴(yán)格，通常要經(jīng)過銑、鉆、擴、鏜、鉸、锪，攻絲等工序，需要刀具較多，在普通機床上加工難度大，工裝套數(shù)多，費用高，加工周期長，需多次裝夾、找正，手工測量次數(shù)多，加工時必須頻繁地更換刀具，工藝難以制定，更重要的是精度難以保證。加工箱體類零件的加工中心，當(dāng)加工工位較多，需工作臺多次旋轉(zhuǎn)角度才能完成的零件，一般選臥式鏜銑類加工中心。當(dāng)加工的工位較少，且跨距不大時，可選立式加工中心，從一端進行加工。1.3.2復(fù)雜曲面復(fù)雜曲面在機械制造業(yè)，特別是航天航空工業(yè)中占有特殊重要的地位。復(fù)雜曲面采用普通機加工方法是難以甚至無法完成的。在我國，傳統(tǒng)的方法是采用精密鑄造，可想而知其精度是低的。復(fù)雜曲面類零件如：各種葉輪，導(dǎo)風(fēng)輪，球面，各種曲面成形模具，螺旋槳以及水下航行器的推進器，以及一些其它形狀的自由曲面。這類零件均可用加工中心進行加工。銑刀作包絡(luò)面來逼近球面。復(fù)雜曲面用加工中心加工時，編程工作量較大，大多數(shù)要有自動編程技術(shù)。1.3.3異形件異形件是外形不規(guī)則的零件，大都需要點、線、面多工位混合加工。異形件的剛性一般較差，夾壓變形難以控制，加工精度也難以保證，甚至某些零件的有的加工部位用普通機床難以完成。用加工中心加工時應(yīng)采用合理的工藝措施，一次或二次裝夾，利用加工中心多工位點、線、面混合加工的特點，完成多道工序或全部的工序內(nèi)容。1.3.4盤、套、板類零件帶有鍵槽，或徑向孔，或端面有分布的孔系，曲面的盤套或軸類零件，如帶法蘭的軸套，帶鍵槽或方頭的軸類零件等，還有具有較多孔加工的板類零件，如各種電機蓋等。端面有分布孔系、曲面的盤類零件宜選擇立式加工中心，有徑向孔的可選臥式加工中心。1.3.5特殊加工在熟練掌握了加工中心的功能之后，配合一定的工裝和專用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工藝工作，如在金屬表面上刻字、刻線、刻圖案；在加工中心的主軸上裝上高頻電火花電源，可對金屬表面進行線掃描表面淬火；用加工中心裝上高速磨頭，可實現(xiàn)小模數(shù)漸開線圓錐齒輪磨削及各種曲線、曲面的磨削等7，8。1.4加工中心的特點加工中心（MachiningCenter）是典型的集高新技術(shù)于一體的機械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個國家設(shè)計、制造的水平，因此在國內(nèi)外企業(yè)界都受到高度重視。如今，加工中心已成為現(xiàn)代機床發(fā)展的主流方向，加工廣泛應(yīng)用于機械制造中8，9。與普通數(shù)控機床相比，它具有以下幾個突出特點：1.4.1工序集中加工中心備有刀庫并能自動更換刀具，對工件進行多工序加工，使得工件在一次裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機床按不同工序，自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡，以及其他輔助功能，現(xiàn)代加工中心更大程度地使工件在一次裝夾后實現(xiàn)多表面、多特征、多工位的連續(xù)、高效、高精度加工，即工序集中，這是加工中心最突出的特點。1.4.2對加工對象的適應(yīng)性強加工中心生產(chǎn)的柔性不僅體現(xiàn)在對特殊要求的快速反應(yīng)上而且可以快速實現(xiàn)批量生產(chǎn)，提高市場競爭能力1.4.3加工精度高加工中心同其他數(shù)控機床一樣具有加工精度高的特點，而且加工中心由于加工工序集中，避免了長工藝流程，減少了人為千擾，故加工精度更高，加工質(zhì)量更加穩(wěn)定。1.4.4加工生產(chǎn)率高零件加工所需要的時間包括機動時間與輔助時間兩部分。加工中心帶有刀庫和自動換刀裝置，在一臺機床上能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和機床的調(diào)整時間，減少工件半成品的周轉(zhuǎn)、搬運和存放時間，使機床的切削利用率（切削時間和開動時間之比）高于普通機床34倍，達80以上。1.4.5操作者的勞動強度減輕加工中心對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作鍵盤、裝卸零件、進行關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，不需要進行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動強度和緊張程度均可大為減輕，勞動條件也得到很大的改善。1.4.6經(jīng)濟效益高使用加工中心加工零件時，分?jǐn)傇诿總€零件上的設(shè)備費用是較昂貴的，但在單件、小批生產(chǎn)的情況下，可以節(jié)省許多其他方面的費用，因此能獲得良好的經(jīng)濟效益。例如，在加工之前節(jié)省了劃線工時，在零件安裝到機床上之后可以減少調(diào)整、加工和檢驗時間，減少了直接生產(chǎn)費用。另外，由于加工中心加工零件不需手工制作模型、凸輪、鉆模板及其他工夾具，省去了許多工藝裝備，減少了硬件投資還由于加工中心的加工穩(wěn)定，減少了廢品率，使生產(chǎn)成本進一步下降。1.4.7有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化用加工中心加工零件，能夠準(zhǔn)確地計算零件的加工工時，并有效地簡化了檢驗和工夾具、半成品的管理工作。這些特點有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。當(dāng)前有許多大型CAD/CAM集成軟件已經(jīng)開發(fā)了生產(chǎn)管理模塊，實現(xiàn)了計算機輔助生產(chǎn)管理。1.5加工中心刀庫的形式加工中心使用的刀庫最常見的形式是圓盤式刀庫和機械手換刀刀庫2。1.5.1圓盤式刀庫圓盤式刀庫應(yīng)該稱之為固定地址換刀刀庫，即每個刀位上都有編號，一般從1編到12、18、20、24等，即為刀號地址。操作者把一把刀具安裝進某一刀位后，不管該刀具更換多少次，總是在該刀位內(nèi)。（1）制造成本低。主要部件是刀庫體及分度盤，只要這兩樣零件加工精度得到保證即可，運動部件中刀庫的分度使用的是非常經(jīng)典的“馬氏機構(gòu)”，前后、上下運動主要選用氣缸。裝配調(diào)整比較方便，維護簡單。一般機床制造廠家都能自制。（2）刀號的計數(shù)原理。一般在換刀位安裝一個無觸點開關(guān)，1號刀位上安裝擋板。每次機床開機后刀庫必須“回零”，刀庫在旋轉(zhuǎn)時，只要擋板靠近（距離為0.3mm左右）無觸點開關(guān)，數(shù)控系統(tǒng)就默認(rèn)為1號刀。并以此為計數(shù)基準(zhǔn)，“馬氏機構(gòu)”轉(zhuǎn)過幾次，當(dāng)前就是幾號刀。只要機床不關(guān)機，當(dāng)前刀號就被記憶。刀具更換時，一般按最近距離旋轉(zhuǎn)原則，刀號編號按逆時針方向，如果刀庫數(shù)量是18，當(dāng)前刀號位8，要換6號刀，按最近距離換刀原則，刀庫是逆時針轉(zhuǎn)。如要換10號刀，刀庫是順時針轉(zhuǎn)。機床關(guān)機后刀具記憶清零。（3）固定地址換刀刀庫換刀時間比較長國內(nèi)的機床一般要8秒以上（從一次切削到另一次切削）。（4）圓盤式刀庫的總刀具數(shù)量受限制，不宜過多，一般40#刀柄的不超過24把，50#的不超過20把，大型龍門機床也有把圓盤轉(zhuǎn)變?yōu)殒準(zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，刀具數(shù)量多達60把8-13。1.5.2機械手刀庫機械手刀庫換刀是隨機地址換刀。每個刀套上無編號，它最大的優(yōu)點是換刀迅速、可靠。（1）制造成本高。刀庫有一個個刀套鏈?zhǔn)浇M合起來，機械手換刀的動作有凸輪機構(gòu)控制，零件的加工比較復(fù)雜。裝配調(diào)試也比較復(fù)雜，一般由專業(yè)廠家生產(chǎn)，機床制造商一般不自制。（2）刀號的計數(shù)原理。與固定地址選刀一樣，它也有基準(zhǔn)刀號：1號刀。但我們只能理解為1號刀套，而不是零件程序中的1號刀：T1。系統(tǒng)中有一張刀具表。它有兩欄。一欄是刀套號，一欄是對應(yīng)刀套號的當(dāng)前程序刀號。假如我們編一個三把刀具的加工程序，刀具的放置起始是1號刀套裝T1（1號刀），2號刀套裝T2，3號刀套裝T3，我們知道當(dāng)主軸上T1在加工時，T2刀即準(zhǔn)備好，換刀后，T1換進2號刀套，同理，在T3加工時，T2就裝在3號刀套里。一個循環(huán)后，前一把刀具就安裝到后一把刀具的刀套里。數(shù)控系統(tǒng)對刀套號及刀具號的記憶是永久的，關(guān)機后再開機刀庫不用“回零”即可恢復(fù)關(guān)機前的狀態(tài)。如果“回零”，那必須在刀具表中修改刀套號中相對應(yīng)的刀具號。（3）機械手刀庫換刀時間一般為4秒（從一次切削到另一次切削）。（4）刀具數(shù)量一般比圓盤刀庫多，常規(guī)有18、20、30、40、60等（5）刀庫的凸輪箱要定期更換起潤滑、冷卻作用的齒輪油8-13。1.6換刀裝置的形式換刀裝置的形式有回轉(zhuǎn)刀架換刀、更換主軸換刀、更換主軸箱換刀、帶刀庫的自動換刀系統(tǒng)1。2 總體方案的確定圖2-1系統(tǒng)設(shè)計簡圖2.1 刀庫主要參數(shù)載刀量：24把主軸鼻端：刀具形式BT40刀具直徑：80mm平均重量：7Kg初選刀庫直徑：660mm刀盤最低轉(zhuǎn)速：60r/min由于刀具形式為BT40，其刀具直徑為80mm，按初選的刀庫直徑660mm來排列可知每把刀之間的間隔約為6mm，符合安裝要求。刀庫的系統(tǒng)傳動部分的簡圖如上圖2.1所示。2.2 電動機的初選（1） 選擇電動機類型按工作要求和條件，選用三相異步電動機，電壓380V，Y型。（2） 選擇電動機的容量初選電動機型號為Y27122，其主要參數(shù)如下表1：表2-1 （需添加表名）型號額定功率滿載轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩質(zhì)量Y271220.5528202.22.3電動機輸出轉(zhuǎn)矩：9550 Nm=9550 Nm=1.86 Nm在此論文中、分別為軸承、齒輪傳動（包括蝸輪蝸桿）的傳動效率。取=0.98(滾子軸承), =0.97(齒輪精度為8級,不包括軸承效率)。 （3） 確定電動機轉(zhuǎn)速刀庫工作刀庫轉(zhuǎn)盤所必需滿足的轉(zhuǎn)速最低為： n = 60根據(jù)傳動比合理取值，取一級齒輪的傳動比i2,二級渦輪蝸桿減速器傳動比i20，則總傳動比合理范圍為i40，故電動機轉(zhuǎn)速約為 n= in=40=24002.3 確定傳動裝置的總傳動比和分配傳動比由選定電動機滿載轉(zhuǎn)速n和工作機主動軸轉(zhuǎn)速n,可得傳動裝置總傳動比為 （2-1） 總傳動比為各級傳動比,、的乘積，即電動機型號為Y27122，滿載轉(zhuǎn)速n=2820。（1） 總傳動比由式(1) =47（2） 分配減速器的各級傳動比 按展開式布置?？紤]潤滑條件，得2，=19.5則此時的輸出轉(zhuǎn)速為n=72.312.4 確定各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率（1） 各軸轉(zhuǎn)速 （2-2）式中：電動機滿載轉(zhuǎn)速；電動機至軸的傳動比。以及 = （2-3） （2-4）由式（2-3）（2-5）得I軸 =1410 II軸 = = 1410 III軸 = = 72.31 （2） 各軸輸入功率 kW （2-5） kW , （2-6） kW, （2-7）式中、分別為軸承、齒輪傳動的傳動效率。由式（5）（7）得I軸 = 0.55 0.98 =0.54kWII軸 = = 0.5390.980.97 =0.51kW III軸 0.51 0.40 kWIIII軸的輸出功率則分別為輸入功率乘軸承效率0.98,例如I軸輸出功率為0.53kW,其余類推。（3） 各軸輸入轉(zhuǎn)矩 Nm （2-8）其中為電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，按下式計算： 9550 Nm （2-9）所以 = 9550 Nm （2-10）= 9550 Nm （2-11） = 9550 Nm （2-12） = 9550 Nm （2-13）由式（8）（13）電動機軸輸出轉(zhuǎn)矩 9550=9550= 1.86 NmIIII軸的輸入轉(zhuǎn)矩I軸 = 9550 =1.860.97 2 = 3.61NmII軸 =0.97 =3.610.97 =3.50 NmIII軸 = = 3.5019.50.980.80 = 53.51 NmIIII軸的輸出轉(zhuǎn)矩則分別為各軸的輸入轉(zhuǎn)矩乘軸承效率0.98,例如I周的輸出轉(zhuǎn)矩為3.610.98=3.54 Nm,其余類推。運動和動力參數(shù)計算結(jié)果如下表2-2： 表2-2 （需添加表名）軸名轉(zhuǎn)矩TNm功率PkW轉(zhuǎn)速n傳動比i效率輸入輸出輸入輸出電動機軸1.860.55282020.96I軸3.613.540.540.53141010.95II軸3.503.430.510.50141019.50.78III軸53.5152.440.400.3972.311.000.972.5 電動機的校核（1）轉(zhuǎn)矩校核加載在刀盤轉(zhuǎn)軸上的重力為刀庫旋轉(zhuǎn)刀架的重力，其中刀架厚度為15mm：G1=5.640.0150.160.06+（-）0.03+（-）0.0310=150N 刀庫轉(zhuǎn)盤的重量，其中轉(zhuǎn)盤厚度為30mm：G2=+7024=5.60.15=4560N則可得刀庫作用在軸3上的轉(zhuǎn)矩T/3 =Gd3=0.004(4560+150)0.06 Nm =1.13 Nm可得T/3<,故此電動機的轉(zhuǎn)矩符合刀庫的設(shè)計要求。（2）轉(zhuǎn)速校核由上述計算可知電動機要滿足刀庫最低每分鐘60轉(zhuǎn)的要求，則此電動機轉(zhuǎn)速應(yīng)不低于n= in=40=2400，而此次選的電動機的轉(zhuǎn)速為n=2820，即n> n，故此電動機的轉(zhuǎn)速也滿足刀庫的轉(zhuǎn)速要求。綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸、轉(zhuǎn)矩、價格和帶傳動、減速器的傳動比，可見此電動機比較合適。因此選定電動機型號為Y2-112-2。3 刀庫設(shè)計與校核3.1 齒輪傳動的計算1、選擇齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1） 選用直齒輪2） 加工中心為一般工作機器且輕質(zhì)載荷，故選用7級精度（GB1009588）3） 材料選擇。選擇小齒輪材料為40（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。4） 選小齒輪齒數(shù)=20，傳動比為= 2, 大齒輪齒數(shù)= 220 = 402、 按齒面接觸強度設(shè)計由設(shè)計計算公式（109a）進行試算，即2.32(1) 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值1） 試選載荷系數(shù)=1.3。2） 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。= Nmm =0.3657 Nmm3)由表107選取齒寬系數(shù)= 1。4)由表106查得材料的彈性影響系數(shù)= 189.8 5)由表1021d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限=600;大齒輪的接觸疲勞強度極限=550。6）由式1013計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。 = 60 = 6014101（283658）= 1.441=0.2517)由圖1019取接觸疲勞壽命系數(shù)=0.95;=0.96。218）計算接觸疲勞許用應(yīng)力。取失效概率為1，安全系數(shù)S = 1，由式（1012）得 =0.95600=570 =0.96550=528(2) 計算1） 試算小齒輪分度圓直徑，代入中較小的值。 2.32=2.32mm=22.6mm由于機床實際的尺寸關(guān)系，這里小齒輪的分度圓直徑取為=40mm2)計算圓周速度v。 v=1.083)計算齒寬b。 根據(jù)機床經(jīng)驗公式，齒寬為模數(shù)的68倍，這里模數(shù)先試取2，故b =（68）m = 16mm , 這里取b=20mm4)計算齒寬與齒高之比。模數(shù) = 40/20 mm = 2 mm齒高 h = 2.25 = 2.252 mm = 4.5 mm = = 10.675)計算載荷系數(shù)。根據(jù)v = 1.46, 7級精度，由圖108查得動載系數(shù)= 1.06 21；直齒輪，=1由表102查得使用系數(shù)=1.25；由表104用插值法查得7級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時，=1.420。由= 10.67, =1.420查圖1013得=1.35；故載荷系數(shù)=1.251.0611.420 = 1.88156）按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式(1010a)得：=40=45.246mm7）計算模數(shù)m m = =mm = 2.26mm3、按齒根彎曲強度設(shè)計由式(105)得彎曲強度的設(shè)計公式21為 m（1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值1） 由圖1020c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限=500大齒輪的彎曲強度極限=3802） 由圖1018取彎曲疲勞壽命系數(shù)=0.88,=0.90；3） 計算彎曲疲勞許用應(yīng)力。取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式(1012)得：=314.29=244.294） 計算載荷系數(shù)K。K=1.251.0611.35=1.7895） 查取齒形系數(shù)。由表105查得 =2.80;=2.40。 6） 查取應(yīng)力校正系數(shù)。由表105查得 =1.55;=1.67。7） 計算大、小齒輪的并加以比較。=0.01381=0.01640大齒輪的數(shù)值大。（2） 設(shè)計計算 m mm=0.81 mm故可知上面所預(yù)選的模數(shù)m=2符合設(shè)計要求。=20 大齒輪齒數(shù) =220=40。4、幾何尺寸計算（1）計算分度圓直徑 =m=202=40 mm =m=402=80 mm（2）計算中心距a=mm = 60mm（3）計算齒輪寬度根據(jù)機床實際設(shè)計取值，取=20mm,=15mm。5、結(jié)構(gòu)設(shè)計及繪制齒輪零件圖3-1圖3-1（需添加圖名）3.2軸的校核圖3-2 （需添加圖名）受力分析圖及彎扭矩圖：圖3-3（需添加圖名）圖3-4（需添加圖名）（1）計算作用在軸上的作用力蝸輪：由于軸3的輸入轉(zhuǎn)矩=53.51 Nm則由式=為渦輪的分度圓直徑，=62.25mm可得=/=53.51/0.06225=859.60N這個力是作用在蝸輪上，對軸3產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由已知導(dǎo)程角和齒形角可算出其余的力，蝸輪的受力情況可由蝸桿的受力圖分析：圖3-5（需添加圖名）圓周力=859.60N徑向力=tan= tan=1774.36N周向力=4875N為刀庫旋轉(zhuǎn)刀架的重力，其中刀架厚度為15mm：=5.640.0150.160.06+（-）0.03+（-）0.0310=150N 為刀庫轉(zhuǎn)盤的重量，其中轉(zhuǎn)盤厚度為30mm：=+7024=5.60.15 =4560N(2) 計算支座反力a、垂直面上的軸承的支承力。由=0和以左齒輪中點A的彎矩平衡得：+= 即 150+4560+859.60+=168+89=46+75可得=10790N =5220Nb、水平面上的軸承的支承力。由=0和以右齒輪B中點的彎矩平衡得：+= 即 +=1774.36N75=29可得=-686.09N =1088.27N(3)、水平面上的彎矩=79=11.85N*M=168+89=431.04 N*M=75+46=431.04 N*M=29=151.38 N*M(4)、垂直面上的彎矩=46=31.56N*M=29=31.56N*M(5)、兩平面上的彎矩的合成=431.04 N*M=154.62 N*M(6)、計算當(dāng)量彎矩由圖可看出A處為危險截面，計算A截面的當(dāng)量彎矩，因為是單向回轉(zhuǎn)軸，所以扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力應(yīng)視為脈動循環(huán)應(yīng)力，取折算系數(shù)=0.6A處：=432.23N*M(7)、彎扭合成強度校核=M=20.01 M因為D點比A點多出Z方向的彎矩，雖然D點在Y方向上的彎矩不是最大的，但也應(yīng)校核一下D點的強度：=157.92 N*M=M=7.31M由上述計算可知A點比D點更加危險，根據(jù)選定的軸的材料45號鋼，調(diào)質(zhì)處理，由查表得=60 M。因為<,故強度足夠，此軸符合設(shè)計要求！3.3 滾動軸承的校核3軸上的軸承的校核1、徑向載荷根據(jù)軸的分析，可知A點總支反力=10811.79N,2點總支反力=5332.24 N，兩軸承的周向力同為=2438.65N。2當(dāng)量動載荷根據(jù)有輕微沖擊的工況查表得出載荷系數(shù)=1.11軸承：=0.226<e，故查表可得X=1，Y=0，故=1.110811.79=11892.97N2、軸承：=0.457<e，故查表可得X=1，Y=0，故=1.15332.24=5865.46N3驗算軸承壽命選擇軸承的型號為7011AC，其=35.2KN。因為>，故只需驗算軸承A。軸承預(yù)期壽命與整機預(yù)期壽命相同，為8（年）365（天）12（小時）=10220小時。=10340.43h>10220h其中，為溫度系數(shù)=1（軸承工作溫度小于120），軸承具有足夠壽命。3.4蝸輪蝸桿設(shè)計取中心距a = 80mm,傳動比為i = 19.5，模數(shù) m = 3.15，齒數(shù)為 Z1 = 2，Z1 = 39，其它：=0.1，=。圖3-6 （需添加圖名）3.5 鍵的校核校核3軸上蝸輪上的鍵為代表由3軸的細部結(jié)構(gòu)設(shè)計，選定鍵1為=11mm11mm-24mm。齒輪軸段d = 60mm,鍵的接觸高度0.5h=0.511mm=5.5mm;傳遞的轉(zhuǎn)矩T=53.51Nm，查表得鍵靜聯(lián)接時的擠壓許用應(yīng)力 = 100MP（鍵、齒輪輪轂、軸的材料均為方45鋼，調(diào)質(zhì)）。=15.15M<,故鍵聯(lián)接強度足夠！4 刀具交換裝置4.1換刀簡介換刀過程的完成依靠連軸器上布置的三個軸轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速測量定位裝置。三個傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過軟件分析可以對刀庫刀盤的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角進行準(zhǔn)確定位，從而快速、準(zhǔn)確地找到所需刀號，使其位于換刀位上，為接下來的換刀做好準(zhǔn)備。刀具選定后，換刀開始。4.2換刀過程圖4-1（需添加圖名）如圖4-1所示， 當(dāng)?shù)毒哌x定后，滑塊A沿著活塞桿向上滑動，帶動撥叉B，使得刀套C繞O點旋轉(zhuǎn)，從而使刀具完成倒刀過程。 倒刀結(jié)束后，D點受壓（如圖4-2），使得鋼珠向外擴張，刀具松動從而可以實現(xiàn)換刀；換刀完成后，D點松開，鋼珠重新受壓，刀具被加緊，刀套再由垂直方向轉(zhuǎn)回水平方向，完成整個換刀動作。圖4-2（需添加圖名）結(jié) 論數(shù)控技術(shù)的發(fā)展必定是未來制造業(yè)的發(fā)展方向，刀庫的發(fā)展極大的左右了加工中心的發(fā)展，而盤式刀庫的結(jié)構(gòu)解決了刀庫容量，機床加工范圍等的眾多問題。在傳統(tǒng)的制造業(yè)中，大量的時間用于更換刀具、裝卸零件、測量和搬運零件等非切削時間上，切削加工時間僅占整個工時中較小的比例1。而刀庫即有此“工序集中”的特點及功能，因此數(shù)控加工特別是帶刀庫的加工中心是未來制造業(yè)的發(fā)展方向。本次設(shè)計的刀庫滿載裝刀24把，刀盤最低轉(zhuǎn)速達到60r/min，滿足了實際加工中節(jié)省時間的目的，提高了加工效率。通過這次比較完整的盤式刀庫設(shè)計，我擺脫了單純的理論知識學(xué)習(xí)狀態(tài)，和實際設(shè)計的結(jié)合鍛煉了我的綜合運用所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)知識，解決實際工程問題的能力，同時也提高我查閱文獻資料、設(shè)計手冊、設(shè)計規(guī)范以及電腦制圖等其他專業(yè)能力水平，而且通過對整體的掌控，對局部的取舍，以及對細節(jié)的斟酌處理，都使我的能力得到了鍛煉。致 謝從十二月份接受課題到現(xiàn)在完成畢業(yè)設(shè)計論文，我的本科畢業(yè)設(shè)計論文一直是在導(dǎo)師宋本基教授的悉心指導(dǎo)下進行的，衷心的感謝我的指導(dǎo)老師宋本基老師給予了精心的指導(dǎo)和熱情的幫助，尤其在課題設(shè)計的前期準(zhǔn)備階段和本人的總體的設(shè)計階段，導(dǎo)師提出許多寶貴的設(shè)計意見，在最后的修改階段老師在百忙之中抽出時間為我提供了必要的幫助，這樣使得我得以順利的完成畢業(yè)設(shè)計開發(fā)工作，在短暫的幾個月的相處時間里，老師淵博的知識，敏銳的思路和實事求是的工作作風(fēng)給我留下了深刻的印象，這將使得我終身受益。宋本基教授治學(xué)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)，學(xué)識淵博，為人和藹可親，在機械及自動化方面具有豐富的實踐經(jīng)驗，對我的實驗工作給予了很多的指導(dǎo)和幫助，使我能夠?qū)⒗碚撝械慕Y(jié)果與實際相結(jié)合。并且在整個畢業(yè)設(shè)計過程中，宋本基教授不斷對我得到的結(jié)論進行總結(jié)，并提出新的問題，使得我的畢業(yè)設(shè)計課題能夠深入地進行下去，也使我接觸到了許多理論和實際上的新問題，使我做了許多有益的思考。另外，他對待問題的嚴(yán)謹(jǐn)作風(fēng)也給我留下了深刻的印象。在此表示深深的謝意！參考文獻1 夏田數(shù)控加工中心設(shè)計M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20062 高德文數(shù)控加工中心M北京：化學(xué)工業(yè)出版社，20033 邱混城刀庫之發(fā)展趨勢與未來展望J制造技術(shù)與機床，2007，(4)：114-1154 余仲裕數(shù)控技術(shù)M北京：機械工業(yè)出版社，20035 孫漢卿數(shù)控機床維修技術(shù)M北京：機械工業(yè)出版社，20016 熊永超，陶勇國產(chǎn)數(shù)控機床現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J煤礦機械，2006，27(3)：361-3637 譚春暉加工中心換刀方式的選擇J組合機床與自動化加工技術(shù)，2004，(3)：1128 雷才洪，陳志雄.數(shù)控機床M北京：科學(xué)出版社，20059 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M3132010墊圈145鋼GB971-85 2012螺釘1Q235GB70-85 M10352013螺釘1Q235GB70-85 M8282019螺釘1Q235GB71-85 M5132020螺釘4Q235GB70-85 M8452021螺釘2Q235GB70-85 M10322022螺釘4Q235GB70-85 M42026擋圈165錳GB/T894.1-1986 552027螺釘4Q235GB/T70-85 M12402031螺釘135鋼M16502032墊圈145鋼GB/T859-1987 2033圓錐銷1Q235GB/T117 8402034圓柱銷2Q235GB/T119 16502035圓柱銷2Q235GB/T119 16452045螺母2Q235GB/T810-19982047螺釘2Q235GB70-85 M4152049螺釘4Q235GB70-85 M52050螺釘4Q235GB70-85 M62052螺釘4Q235GB70-85 M62053螺釘2Q235GB71-85 M122054銷48Q235GB/T119 8402055螺釘48Q235GB70-85 M8422056螺釘24Q235GB71-85 M8402059擋圈4865錳GB/T894.1-1986 82061擋圈4865錳GB/T894.1-1986 82062螺釘24Q235GB70-85 M42063彈簧4865錳GB/T1239.6-92 2065彈簧2465錳GB/T1239.6-92附錄2（基本件）序號名稱數(shù)量材料備注2001悶堵1鑄鐵2003套筒145鋼2004鍵135鋼GB/T1096-2003 6122005齒輪145鋼m =2 z = 402006箱體1鑄鐵2011軸承蓋1HT2002014鍵135鋼GB/T1076-2003 5172015鍵135鋼GB/T1076-2003 5202016鋼絲圈145鋼2017齒輪145鋼m = 2 z = 202018鍵135鋼GB/T1096-2003 5162023幅板4HT2002024幅板4HT2002025套環(huán)145鋼2028鍵135鋼GB/T1096-2003 181252029墊塊145鋼2030耳環(huán)蓋145鋼2036軸套445鋼2037軸245鋼2038軸座445鋼2039軸承蓋1鑄鐵2040箱體1鑄鐵2041軸承蓋1鑄鐵2042軸245鋼2044鍵135鋼GB/T1096-2003 18242046蝸輪145鋼m = 3.15 z = 392048箱蓋1鑄鐵2057刀套24粉墨冶金2058轉(zhuǎn)軸2445鋼2060轉(zhuǎn)軸2445鋼2064圓珠7240Cr附錄3（外購件）序號名稱數(shù)量材料備注2002軸承22009軸承2GB/T292-1994 7004AC2043軸承2GB292-94 7011C2051行程開關(guān)128