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機(jī)電05-1班 哈爾濱理工大學(xué) 課程設(shè)計(jì)說明書 設(shè)計(jì)題目：數(shù)控車床自動回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 班級： 學(xué)號： 姓名： 指導(dǎo)老師： 日期：2008.9.24 設(shè)計(jì)任務(wù) 題目：數(shù)控車床自動回轉(zhuǎn)刀架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 任務(wù)：設(shè)計(jì)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(shí)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(jì) 1、 減速傳動機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 普通的三項(xiàng)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(diǎn)，采用蝸桿副減速時(shí)最佳選擇。蝸桿副傳動可以改變運(yùn)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(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的小型化。 2、 上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 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(jì)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(shí)，上下端面齒相互嚙合，這時(shí)上刀體不能繞刀架的中心軸旋轉(zhuǎn)；換刀時(shí)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(jì) 要想使上、下刀體的兩個(gè)端面齒脫離，就必須設(shè)計(jì)適合的機(jī)構(gòu)使上刀體抬起。本設(shè)計(jì)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(shí)，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(shí)，上刀體與下刀體的端面齒相互嚙合，因?yàn)檫@時(shí)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(shí)，上刀體就與螺桿一起轉(zhuǎn)動。 設(shè)計(jì)螺桿時(shí)要求選擇適當(dāng)?shù)穆菥?，以便?dāng)螺桿轉(zhuǎn)動一定的角度時(shí)，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(shí)，兩銷的情況如圖A所示，此時(shí)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(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出刀架轉(zhuǎn)位信號，三項(xiàng)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(shí)，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)過約時(shí)，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(shí)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(shí)的正向轉(zhuǎn)動。 上刀體4帶動磁鐵轉(zhuǎn)到需要的刀位時(shí)，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(shí)，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(shí)現(xiàn)精定位，經(jīng)過設(shè)定的延時(shí)時(shí)間后，刀架電動機(jī)停轉(zhuǎn)，整個(gè)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(cuò)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(shí)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(jì) 1. 蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)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(shí)蝸輪與上刀體直聯(lián)。已知電動機(jī)額定功率=90W。,額定轉(zhuǎn)速=1480r/min，上刀體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速=40r/min，蝸桿副的傳動比i=/=37。刀架從轉(zhuǎn)位到鎖緊時(shí)，需要蝸桿反向，工作載荷不均勻，啟動時(shí)沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命=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(jì)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(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 刀架中的蝸桿副采用閉式傳動，多因齒面膠合或點(diǎn)蝕而失效。因此，進(jìn)行載荷計(jì)算時(shí)，先按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，再按齒根彎曲疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。 按蝸輪接觸疲勞強(qiáng)度條件設(shè)計(jì)計(jì)算的公式 a (4-1) 式中 a——蝸桿副的傳動中心距，單位mm； K——載荷系數(shù)； ——作用在渦輪上的轉(zhuǎn)矩，單位N.mm； ——彈性影響系數(shù)ZE； []——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(gè)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,設(shè)蝸桿頭數(shù)=1，蝸桿副的傳動效率η=0.8，由電動機(jī)的額定功率=90W，可以算出蝸輪傳動的功率=η，再由蝸輪的轉(zhuǎn)速=40r/min求得作用在蝸輪上的轉(zhuǎn)矩 =9.55=9.55=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(shí)沖擊較大，因此取KA=1.15； 為齒向分布系數(shù)，因工作載荷在啟動和停止時(shí)有變化，故取KB=1.15； 為動載系數(shù)，由于轉(zhuǎn)數(shù)不高。沖擊不大，可取K=1.05。則載荷系數(shù)K=KA KB K ≈1.39 使用系數(shù) 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(shí)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)ZE，鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時(shí)，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) 先假設(shè)蝸桿分度圓直徑d1 和傳動中心距a的比值d1/a=0.35。查表的Zp=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[] 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=268MPa已知蝸桿為單頭，蝸輪每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)時(shí)每個(gè)輪齒嚙合的次數(shù)j=1；蝸輪轉(zhuǎn)數(shù)=40r/min；蝸桿副的使用壽命=10000h。 則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： N=60j n2 =2.4 ×10 7 壽命系數(shù)： KHN =0.693 許用接觸應(yīng)力： [σ ]=KHN×=186MPa 6）計(jì)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)=1，設(shè)模數(shù)m=1.6mm，得蝸桿分度圓直徑d1=28mm。這時(shí)d1/a=0.59，查表得接觸系數(shù)=2.35。因?yàn)檩^大，所以上述計(jì)算結(jié)果可用。 （4）蝸桿和渦輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 由蝸桿和渦輪的基本尺寸和主要參數(shù)，算的蝸桿和渦輪的主要幾何尺寸后，即可繪制蝸桿副的工作圖。 1）蝸桿的參數(shù)與尺寸 頭數(shù)=1，模數(shù)m=1.6mm，軸向齒距=m=5.027mm軸向齒厚=0.5m=2.514mm，分度圓直徑=28， 直徑系數(shù)q==17.5， 分度圓導(dǎo)程角==。 取齒頂高系數(shù)=1，徑向間隙系數(shù)=0.2， 則齒頂圓直徑=+2m=31.2mm， 齒根圓直徑=-2m（+）=24.314mm。 2）渦輪參數(shù)與尺寸 齒數(shù)=60，模數(shù)m=1.6mm， 分度圓直徑為=m=96mm， 變位系數(shù)=[a-()/2]/m=0.6， 渦輪喉圓直徑為=+2m（）=101.12mm， 渦輪齒根圓直徑=-2m（-+）=94.08mm， 渦輪咽喉母圓半徑=a-/2=12.44mm。 （5）校核渦輪齒根彎曲疲勞強(qiáng)度 即檢驗(yàn)下式是否成立： =[] 由蝸桿頭數(shù)=1，傳動比i=35，可以計(jì)算出渦輪齒數(shù)=i=35 則渦輪的當(dāng)量齒數(shù)： ==35.17 根據(jù)渦輪變位系數(shù)=0.6和當(dāng)量齒數(shù)=35.17，查表的齒形系數(shù) =2.08 螺旋角影響系數(shù) =1-=0.977 根據(jù)渦輪的材料和制造方法，查表得渦輪基本許用彎曲應(yīng)力： =56MPa 渦輪的壽命系數(shù)： ==0.702 渦輪的許用彎曲應(yīng)力： = =39.3MPa 將數(shù)據(jù)帶入得： 可見， ，渦輪齒根的彎曲強(qiáng)度滿足要求。 蝸輪的基本許用彎曲應(yīng)力（MPa） 蝸輪材料 鑄造方法 單側(cè)工作 雙側(cè)工作 鑄錫青銅ZCuSn10P1 砂模鑄造 40 29 金屬模鑄造 56 40 鑄錫鋅鉛青銅ZCuSn5Pb5Zn5 砂模鑄造 26 22 金屬模鑄造 32 26 鑄鋁鐵青銅ZCuAl10Fe3 砂模鑄造 80 57 金屬模鑄造 90 64 灰鑄鐵 HT150 砂模鑄造 40 28 HT200 砂模鑄造 48 34 2.螺桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 （1） 螺距的確定 刀架轉(zhuǎn)位時(shí)，要求螺桿在轉(zhuǎn)動約 的情況下，上刀體的端面齒與下刀體的端面齒完全脫離;在鎖緊的時(shí)候，要求上下端面的嚙合深度達(dá)2mm。因此，螺桿的螺距P應(yīng)滿足P>2.4mm，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= 150，外螺紋大徑=50mm，牙頂間隙=0.5mm，基本牙型高度=0.5P=3mm，外螺紋牙高=3.5mm，外螺紋中徑=47mm，外螺紋小徑=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： = 6.50 而螺紋升角： = 2.33 小于當(dāng)量摩擦角。因此滿足自鎖條件。