【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，朝著高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化等方向發(fā)展。 國(guó)產(chǎn)數(shù)控車床今后將向中高檔發(fā)展，中檔采用普及型數(shù)控刀架配套，高檔采用動(dòng)力型刀架，兼有液壓刀架、伺服刀架、立式刀架等品種 。 數(shù)控刀架的發(fā)展趨勢(shì)是：隨著數(shù)控車床的發(fā)展，數(shù)控刀架開始向快速換刀、電液組合驅(qū)動(dòng)和伺服驅(qū)動(dòng)方向發(fā)展。 3 2 方案設(shè)計(jì) 普通的機(jī)械零件的加工制造過程 中，大量的時(shí)間用于更換刀具、裝卸零件、測(cè)量和搬運(yùn)零件等非切削時(shí)間上，切削加工時(shí)間僅占整個(gè)工時(shí)中較小的比例。為了縮短非切削時(shí)間，充分發(fā)揮機(jī)床的效率，通常采用“工序集中”的原則。常見的自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架就是為了實(shí)現(xiàn)上述功能而設(shè)計(jì)的。 自動(dòng)刀架的基本形式和應(yīng)滿足的要求 自動(dòng)刀架的形式 圖 )所示為螺母升降轉(zhuǎn)位刀架，電動(dòng)機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器、蝸輪副帶動(dòng)螺母旋轉(zhuǎn)，螺母舉起刀架使上齒盤與下齒盤分離，隨即帶動(dòng)刀架旋轉(zhuǎn)到位，然后給系統(tǒng)發(fā)信號(hào)螺母反轉(zhuǎn)鎖緊。 凸輪n(a) (b)(c) (d) (e)內(nèi)裝信號(hào)盤 刀架端齒盤定位電動(dòng)機(jī)上齒盤下齒盤螺母蝸輪副刀架銷釘銷釘?shù)都芡馆喩淆X盤下齒盤電動(dòng)機(jī)棘爪棘輪拔爪液壓缸擺動(dòng)閥芯開合轉(zhuǎn)位聯(lián)軸器圖 回轉(zhuǎn)刀架的形式及其工作原理圖 圖 )所示為利用十字槽輪來轉(zhuǎn)位及鎖緊刀架（還要加定位銷），銷釘每轉(zhuǎn)一周，刀架便轉(zhuǎn) 1/4 轉(zhuǎn)（也可設(shè)計(jì)成六工位等）。 圖 )所示為凸臺(tái)棘爪式刀架 圖 )所示為電磁式刀架， 4 圖 )所示為液壓式刀架 自動(dòng)刀架的基本要求和功能分析 ①基本要求： 1） 滿足工藝要求 2） 保證足夠高的重復(fù)定位精度 3） 具有足夠的剛度 4） 提高可靠性 5） 縮短換刀時(shí)間 ② 功能分析 ： 1)抬起：為了使刀架能夠轉(zhuǎn)位，回轉(zhuǎn)刀架必須先抬起。 2)轉(zhuǎn)位 ： 為了完成工件若干個(gè)工 序的加工，在 回轉(zhuǎn) 刀架上固定著 6組刀具，為使各組刀具能依次參加工作， 回轉(zhuǎn) 刀架需相應(yīng)轉(zhuǎn)位 。 3)定位 ： 為保證加工精度，在加工時(shí) 回轉(zhuǎn) 刀架應(yīng)精確定位。 初步確定自動(dòng)刀架的方案 初步?jīng)Q定選用 )所示形式的電動(dòng)刀架。 電動(dòng)刀架的初步方案簡(jiǎn)圖如下圖 所示。 n內(nèi)裝信號(hào)盤 刀架端齒盤定位電動(dòng)機(jī)上齒盤下齒盤螺母蝸輪副聯(lián)軸器開合轉(zhuǎn)位 圖 電動(dòng)刀架簡(jiǎn)圖 其工作原理為：當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，通過聯(lián)軸器帶動(dòng)蝸桿旋轉(zhuǎn)，在經(jīng)過蝸輪帶動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)，從而使刀架抬起，刀架抬起后，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)刀架轉(zhuǎn)位，完 成轉(zhuǎn)位后，由微動(dòng)開關(guān)發(fā)出信號(hào)使電機(jī)反轉(zhuǎn)，壓緊刀架。 5 3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 普通的三相異步電動(dòng)機(jī)因轉(zhuǎn)速太快，不能直接驅(qū)動(dòng)刀架進(jìn)行換刀，必須經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)進(jìn)行減速?？紤]到本設(shè)計(jì)減速比較大，且為立式刀架，需改變傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)方向，要求自鎖，因此綜合比較之后選用蝸桿副減速。蝸桿傳動(dòng)單級(jí)傳動(dòng)能得到很大的傳動(dòng)比，傳動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)噪聲，沖擊載荷小，且能優(yōu)化整體結(jié)構(gòu)，做到外型輪廓小，結(jié)構(gòu)緊湊，固選用蝸桿傳動(dòng)。 上刀體鎖緊與精定位機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)上刀體的鎖緊與定位機(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)都芴幱诂嵕o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轉(zhuǎn)動(dòng)；換刀時(shí)電動(dòng)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(dòng)，完成轉(zhuǎn)位動(dòng)作。 刀架抬起機(jī)構(gòu)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)合適的機(jī)構(gòu)使上刀體抬起。從經(jīng)濟(jì)型方面考慮，應(yīng)采用經(jīng)濟(jì)的螺桿 螺母副，在上刀體內(nèi)部加工出內(nèi)螺紋，當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)螺桿繞中心軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，作為螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動(dòng)，要么上下移動(dòng)。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(dòng)，所以螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使上刀體向上移動(dòng)。當(dāng)端面齒脫離嚙合時(shí)，上刀體就與螺桿一同轉(zhuǎn)動(dòng)。 設(shè)計(jì)螺桿時(shí)要求選擇適當(dāng)?shù)穆菥啵员惝?dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度時(shí)，使得上刀體與下刀體的端面齒能夠完全脫離嚙合狀態(tài)。 6 4 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的工作原理 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程如圖 所示。 刀架電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)蝸輪蝸桿減速 銷聯(lián)接螺桿螺母上蓋圓盤旋轉(zhuǎn)上刀體抬起端面齒錯(cuò)開圓柱銷落入上蓋圓盤上刀體旋轉(zhuǎn)到位回答刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)霍爾元件觸發(fā)反靠銷反靠端面齒嚙合上刀體下降，粗定位精定位延時(shí)鎖緊電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)螺桿旋轉(zhuǎn)螺桿旋轉(zhuǎn)圖 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程 當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，通過彈簧安全離合器帶動(dòng)蝸桿正轉(zhuǎn)，再經(jīng)過蝸輪帶動(dòng)螺桿轉(zhuǎn)，作為 螺母的上刀體要么轉(zhuǎn)動(dòng)，要么上下移動(dòng)，此處設(shè)計(jì)為電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)上刀體向上移動(dòng)，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(dòng)，所以螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使作為螺母的上刀體向上移動(dòng)，從而使刀架抬起，在螺桿旋轉(zhuǎn)的同時(shí)也帶動(dòng)上蓋圓盤一起旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)都芡耆鸷?，端面齒脫離嚙合，上刀體上部的圓柱銷落入上蓋圓盤，上蓋圓盤就通過圓柱銷帶動(dòng)一同轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了上刀體的轉(zhuǎn)位，再通過霍爾元件觸發(fā)判斷上刀體是否轉(zhuǎn)到了工作位置。完成轉(zhuǎn)位后，由微動(dòng)開關(guān)發(fā)出信號(hào)使電機(jī)反轉(zhuǎn)，通過彈簧安全離合器帶動(dòng)蝸桿反轉(zhuǎn)，再經(jīng) 過蝸輪帶動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，螺桿旋轉(zhuǎn)的同時(shí)也帶動(dòng)上蓋圓盤一起旋轉(zhuǎn)，上蓋圓盤通過上刀體上部的圓柱銷帶動(dòng)上刀體開始反轉(zhuǎn)，上刀體下部的反靠銷馬上就會(huì)落入反靠圓盤的十字槽內(nèi)，反靠銷反靠，上刀體停轉(zhuǎn)，至此，實(shí)現(xiàn)粗定位。螺 7 桿的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)使上刀體下降，最后至上刀體的端面齒與下刀體的端面齒完全嚙合，實(shí)現(xiàn)精定位，電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，再延時(shí)鎖緊，整個(gè)換刀過程至此結(jié)束。 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀過程中有關(guān)銷的位置 圖 表示自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在換刀過程中有關(guān)銷的位置。 上蓋圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向 上蓋圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向 上蓋圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向 上蓋圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)方向圖 刀架轉(zhuǎn)位 過程中銷的位置 a) 換刀開始時(shí)，圓柱銷 2 與上蓋圓盤 1 可以相對(duì)滑動(dòng) b) 上刀體 4 完全抬起后，圓柱銷 2落入上蓋圓盤 1 槽內(nèi)，上蓋圓盤 1將帶動(dòng)圓柱銷 2 以及上刀體 4 一起轉(zhuǎn)動(dòng) c) 上刀體 4 連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反靠銷 6可從反靠盤 7的槽左側(cè)斜坡滑出 d) 找到刀位時(shí)，刀架電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，反靠銷 6 反靠，上刀體停轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)粗定位 1— 上蓋圓盤 2— 圓柱銷 3— 彈簧 4— 上刀體 5— 圓柱銷 6— 反靠銷 7— 反靠圓盤 8 5 主要傳動(dòng)部件的設(shè)計(jì)計(jì)算 蝸桿副的設(shè)計(jì)計(jì)算 由于刀架轉(zhuǎn)動(dòng)所需的功率較小，所以 選取額定功率為 1P =110W，額定轉(zhuǎn)速1n =1440r/min 的電動(dòng)機(jī) ,上刀體設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速 min/252 rn ? ， 則蝸桿副的傳動(dòng)比??? nni 。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(dòng)時(shí)沖擊較大，今要求蝸桿副的使用壽命 hh 10000L ? 。 蝸桿的選型 GB/T100851988 推薦采用漸開線蝸桿（ ZI 蝸桿）和錐面包絡(luò)蝸桿（ ZK 蝸桿）。本設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便的漸開線型圓柱蝸桿 (ZI 型 )。 蝸桿副的材料 刀架中的蝸桿副傳遞的功率不大，但蝸桿轉(zhuǎn)速較高，因此，蝸桿的材料選用 45 鋼；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,采用金屬模鑄造。 按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì) 刀架中的蝸桿副 要 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)算的公式為： ? ? 23 2 ()EPHZZa KT ?? （ ） 從式（ ）算出蝸桿副的中心距 a之后，根據(jù)傳動(dòng)比 i=， 經(jīng)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 2T 22211 0 0. 89. 55 9. 55 33 .6 16 33 61 625pT N m N m mn ?? ? ? ? ? ? ? 載荷系數(shù)： 1 . 1 5 1 . 1 5 1 . 0 5 1 . 3 9AVK K K K?? ? ? ? ? ③確定彈性影響系數(shù) EZ 9 鑄錫磷青銅蝸輪與鋼蝸桿相配時(shí)，從有關(guān)手冊(cè)查得彈性影響系數(shù)12160EaZ MP? 。 ④確定接觸系數(shù) PZ 先假設(shè)蝸桿分度圓直徑 1d 和傳動(dòng)中心距 a 的比值 1 ? ，可查得接觸系數(shù) ? 。 ⑤確定許用接觸應(yīng)力 ? ?H? 根據(jù)蝸輪材料為鑄錫磷青銅 10 1ZCuSn P 、金屬模鑄造、蝸桿螺旋齒面硬度大于 45HRC，則應(yīng)力循環(huán)次數(shù)： 726 0 6 0 1 2 5 1 0 0 0 0 1 . 5 1 0hN jn L? ? ? ? ? ? ? 壽命系數(shù)： 78 10 0 .8 9 6HNK N?? 許用接觸應(yīng)力 : ? ? ? ? 0 .8 9 6 2 6 8 2 4 0 .1 3H H N HK M P a M P a?? ?? ? ? ? ⑥計(jì)算中心距 將以還是各參數(shù)帶入式 (),求得中心距 : 23 1 6 0 2 . 91 . 3 9 3 3 6 1 6 ( ) 3 8 . 6 32 4 0 . 1 3a m m m m?? ? ? ? 經(jīng) 查表 ,取中心距 a=50mm,已知蝸桿頭數(shù) 1 1z? ,設(shè)模數(shù) m=,得蝸桿分度圓直徑 1 20d mm? .這時(shí) 1 / ? ,由圖 得接觸系數(shù) ? ? 。因?yàn)?ppZZ?? ,所以上述結(jié)果可用。 蝸桿和蝸輪的主要參數(shù)與幾何尺寸 由蝸桿和蝸輪的基本尺寸和主要參數(shù)，算得蝸桿和蝸輪的主要幾何尺寸后，即可繪制蝸桿副的工作圖了。 ①蝸桿參數(shù)與尺寸 頭數(shù) 1 1z? ，模數(shù) m=，軸向齒距 5 .0 2 7ap m mm??? ，軸向齒厚0 .5 2 .5 1 4as m m m???，分度圓直徑 1 20d mm? ，直徑系數(shù) 1 / d m??，分度圓導(dǎo)程角 1a r c ta n ( / ) 4 3 4 2 6zq? ? ??? ? ?。 齒頂圓直徑 *11 2 20 2 1 1. 6 23 .2aad d h m m m? ? ? ? ? ? ?， 齒根圓直徑 ? ?**11 2 ( ) 2 0 2 1 . 6 ( 1 0 . 6 ) 1 6 . 1 6fad d m