【正文】 Meanwhile the tool magazine can hold a large number of cutting tool, so more plex machining processes can be done, the adaptability and processing efficiency of machine can be improved. Keywords　 Highspeed Cutting；Tool Magazine；Exchange Spindle；ATC；Tool chasing Time II 目錄摘要 IAbstract II 背景及研究意義 3 自動(dòng)換刀裝置國(guó)內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀 3 工作內(nèi)容 4 設(shè)計(jì)構(gòu)想 5第2章 設(shè)計(jì)總體方案論證 6 刀庫(kù)和交換主軸換刀裝置的原理 7 主軸交換的原理 7 主軸抬起及轉(zhuǎn)位的原理 7 刀庫(kù)及換刀裝置 8 本章小結(jié) 9第3章 主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 10 傳動(dòng)系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì) 10 電動(dòng)機(jī)的選擇 10 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù) 11 圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11 設(shè)計(jì)內(nèi)容及方法 11 齒輪的設(shè)計(jì) 12 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 14 齒輪的受力分析 14 輸出軸齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 16 齒輪的設(shè)計(jì) 16 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 18 齒輪的受力分析 18 主軸及組件的設(shè)計(jì)計(jì)算 18 主軸組件的設(shè)計(jì)要求 18 主軸及組件的設(shè)計(jì)與校核 19 鍵連接的設(shè)計(jì)計(jì)算 23 夾緊裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算 23 花鍵軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 26 花鍵軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 26 傳動(dòng)齒輪鍵連接的設(shè)計(jì)計(jì)算 28 潤(rùn)滑與密封 29 系統(tǒng)的潤(rùn)滑 29 軸承的密封 29 本章小結(jié) 29第4章 轉(zhuǎn)位裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算 30 中心液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算 30 轉(zhuǎn)位齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 31 選擇齒輪傳動(dòng)的材料及熱處理 31 確定選擇齒輪傳動(dòng)的參數(shù)和尺寸 31 驗(yàn)算齒根彎曲應(yīng)力 32 本章小結(jié) 33第5章 刀庫(kù)的設(shè)計(jì)計(jì)算 34 電動(dòng)機(jī)的選擇 34 蝸輪蝸桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 34 蝸輪蝸桿的計(jì)算 34 蝸輪、蝸桿承載能力計(jì)算 37 本章小結(jié) 38第6章 機(jī)械手驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì) 39 概述 39 凸輪聯(lián)動(dòng)裝置的原理 39 基本原理 39 凸輪曲線的設(shè)計(jì) 40 本章小結(jié) 41結(jié)論 42致謝 43參考文獻(xiàn) 44附錄A 45附錄B 48緒論 背景及研究意義隨著機(jī)械加工工業(yè)的發(fā)展，制造行業(yè)對(duì)于具有高效高性能的加工中心的需求量越來(lái)越大。 自動(dòng)換刀裝置國(guó)內(nèi)外發(fā)展與現(xiàn)狀從換刀系統(tǒng)發(fā)展的歷史來(lái)看，1956年日本富士通研究成功數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床，美國(guó)IBM公司同期也研制成功了“APT”（刀具程序控制裝置）。T公司研制出帶ATC（自動(dòng)刀具交換裝置）的加工中心。1978年以后,加工中心迅速發(fā)展,帶有ATC裝置，可實(shí)現(xiàn)多種工序加工的機(jī)床，步入了機(jī)床發(fā)展的黃金時(shí)代。目前國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀系統(tǒng)中，刀具、輔具多采用錐柄結(jié)構(gòu)，刀柄與機(jī)床主軸的聯(lián)結(jié)、刀具的夾緊放松機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式幾乎都采用同一種結(jié)構(gòu)模式。切削加工正在進(jìn)入以高速切削（HSC）為特征的發(fā)展階段，因高速切削而切削效率飛速提高，因此，進(jìn)一步減少機(jī)床加工輔助時(shí)間的技術(shù)也伴隨高速切削的發(fā)展而不斷發(fā)展。許多研究人員利用各種方法來(lái)縮短換刀時(shí)間來(lái)提高切削速度。每根主軸由各自的電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，并且每個(gè)主軸上安裝了不同的刀具。這個(gè)移動(dòng)時(shí)間就是換刀時(shí)間，而且非常短。奧地利 ANGERG 公司生產(chǎn)這種結(jié)構(gòu)的機(jī)床，是目前世界上切屑對(duì)切屑換刀時(shí)間最短的機(jī)床。雙主軸換刀加工中心有兩個(gè)工作主軸，但不是同時(shí)用于切削加工。在需要換刀時(shí)，加工的主軸迅速退出，換好刀具的主軸立即開始加工。每個(gè)主軸的換刀裝置和普通加工中心一樣。刀庫(kù)布置在主軸周圍的轉(zhuǎn)塔方式 刀庫(kù)布置在主軸的周圍刀庫(kù)本身就相當(dāng)于機(jī)械手，即通過(guò)刀庫(kù)拔插刀并采用順序換刀，使機(jī)床切屑對(duì)切屑換刀時(shí)間較短。 多機(jī)械手方式刀庫(kù)同樣布置在主軸的周圍，但采用每把刀有一個(gè)機(jī)械手的方式使換刀幾乎沒有時(shí)間的損失，并可以采用任意選刀的方式。其刀庫(kù)布置在加工主軸的周圍可隨主軸一起移動(dòng)，每一個(gè)刀具有一套換刀機(jī)械手，這樣換刀時(shí)就幾乎沒有時(shí)間的損失，是目前世界上單主軸機(jī)床切屑對(duì)切屑換刀時(shí)間最短的加工中心。 工作內(nèi)容主軸箱先抬起30mm，然后旋轉(zhuǎn)180176。換刀和回零。無(wú)電刷，最高轉(zhuǎn)速不受火花限制。所以選擇交流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。刀庫(kù)刀庫(kù)由伺服電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿驅(qū)動(dòng)。換刀裝置由于凸輪聯(lián)動(dòng)式單臂雙手爪機(jī)械手由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，不需要復(fù)雜的液壓系統(tǒng)及其密封、緩沖機(jī)構(gòu)，沒有漏油現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作可靠。所以本設(shè)計(jì)也采用了這種裝置。第2章 設(shè)計(jì)總體方案論證通過(guò)的市場(chǎng)的調(diào)研和常見的換刀裝置的比較，多主軸換刀的方式刀具數(shù)量有限，不能進(jìn)行多工序加工；刀庫(kù)布置在主軸周圍的轉(zhuǎn)塔方式，換刀的時(shí)間隨所選刀在刀庫(kù)的位置不同而長(zhǎng)短不等。加工中心有兩個(gè)工作主軸，1 轉(zhuǎn)塔體 2壓縮空氣管接頭 3行程開關(guān) 4活塞 5液壓缸 6彈簧 7大齒輪 8碟形彈簧9拉桿 10主軸 11拉釘 12刀夾 13端面鍵 14鋼球 15滑移齒輪圖21 雙主軸換刀但不是同時(shí)用于切削加工。在需要換刀時(shí)，加工的主軸迅速退出，換好刀具的主軸立即開始加工。 刀庫(kù)和交換主軸換刀裝置的原理 主軸交換的原理：轉(zhuǎn)塔頭內(nèi)交錯(cuò)分布著兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的刀具主軸，主軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由電動(dòng)機(jī)由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、滑移齒輪15和大齒輪7輸入。同時(shí)在中心液壓缸的作用下使轉(zhuǎn)塔體1抬起（）。（），將下一工序的主軸轉(zhuǎn)到工作位置。刀夾12以錐度為7：14的錐柄在主軸10前端的錐空中定位，并通過(guò)擰緊在錐柄尾部的拉釘11被拉緊在錐孔中。切削扭矩由端面鍵13傳遞。此時(shí)行程開關(guān)3發(fā)出信號(hào)，換刀機(jī)械手隨即將刀夾取下。機(jī)械手把新刀裝上主軸后，液壓缸5接通回油，碟形彈簧8又拉緊刀夾。 主軸抬起及轉(zhuǎn)位的原理，當(dāng)滑移齒輪和主軸齒輪脫離嚙合時(shí)，中心液壓缸2通壓力油，使轉(zhuǎn)塔體8抬起，定位銷5和大齒輪6隨著轉(zhuǎn)塔體一起上移，與軸8上的小齒輪4嚙合。轉(zhuǎn)位完成時(shí)，中心液壓缸接通回油，轉(zhuǎn)塔體落下，定位銷實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)塔體的定位。一般僅用于輕便而簡(jiǎn)單的機(jī)型。在鉆削中心儲(chǔ)刀位置即主軸,其外部結(jié)構(gòu)緊湊但內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，精度要求高。沿盤面徑向排列或成銳角排列的形式的刀庫(kù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，應(yīng)用較多，但刀具單環(huán)排列，空間利用率低。刀具數(shù)量一般不多于32把。鏈?zhǔn)降稁?kù)包括單環(huán)鏈和多環(huán)鏈,鏈環(huán)形式可有多種變化，其特點(diǎn)：適用于刀庫(kù)容量較大的場(chǎng)合，所占的空間小。僅增加鏈條長(zhǎng)度即可增加刀具數(shù)，可以不增加圓周速度，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不像盤式刀庫(kù)增加的那樣大。多用于數(shù)控車床和鉆床上。轉(zhuǎn)塔式與盤式刀庫(kù)的組合及鏈?zhǔn)降稁?kù)的組合，每單個(gè)刀庫(kù)的儲(chǔ)刀量較小，換刀速度快。彈匣式和格子式刀庫(kù)。通過(guò)以上比較，由于本次設(shè)計(jì)的換刀裝置用于中小型加工中心，所以選用盤式刀庫(kù)，刀具的數(shù)量為20把刀，并且把刀庫(kù)和換刀裝置設(shè)計(jì)為一個(gè)整體，放置在機(jī)床主軸的上方，節(jié)省了空間。 本章小結(jié)本章通過(guò)對(duì)刀庫(kù)和交換主軸的總體原理設(shè)計(jì)，確定了換刀裝置的基本結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)刀庫(kù)的了解，確定了刀庫(kù)的形式及容量。其中最主要的是裝置的抬起和轉(zhuǎn)位部分，抬起和轉(zhuǎn)位是本次設(shè)計(jì)中的最大的難點(diǎn)之一。圖31 主傳動(dòng)系統(tǒng) 電動(dòng)機(jī)的選擇選擇電動(dòng)機(jī)的類型按已知要求和條件選擇Y系列一般用途的全封閉自扇冷鼠籠式三相異步電動(dòng)機(jī)。其主要技術(shù)數(shù)據(jù)、外形和安裝尺寸見表31：表31 電動(dòng)機(jī)主要技術(shù)數(shù)據(jù)、外形和安裝尺寸表型號(hào)額定功率/ kw額定轉(zhuǎn)速r/min最大轉(zhuǎn)矩（額定轉(zhuǎn)矩）Y160M22152930外形尺寸/ mmmmmmL（AB/2+AD）+HD中心高/mmH安裝尺寸/mmAB軸伸尺寸/ mmmmmmDE65043038516025425442110 計(jì)算傳動(dòng)裝置的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力參數(shù)各軸轉(zhuǎn)速軸Ⅰ 軸Ⅱ 軸Ⅲ 各軸功率軸Ⅰ 軸Ⅱ 軸Ⅲ 各軸扭矩 由文獻(xiàn)[6]電機(jī)軸 軸Ⅰ 軸Ⅱ 軸Ⅲ 圓柱齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)內(nèi)容及方法圓柱齒輪傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)內(nèi)容包括齒輪的結(jié)構(gòu)選擇、齒輪精度選擇及潤(rùn)滑方式的選擇。其中實(shí)心式結(jié)構(gòu)適用于齒頂圓直徑的齒輪，齒輪軸式結(jié)構(gòu)的齒輪與軸做成一體，適用于齒根圓直徑與軸的直徑相差很小，或齒根到鍵槽底部的距離小于的齒輪；腹板式結(jié)構(gòu)適用于齒頂圓直徑的結(jié)構(gòu)，其他尺寸確定如下：輪轂外徑為（為內(nèi)孔直徑），長(zhǎng)度（b為齒輪的寬度），腹板的厚度c=～，且mm。 齒輪的設(shè)計(jì) 選擇齒輪傳動(dòng)的材料及熱處理由表查取，主動(dòng)齒輪的材料用40Cr鋼，調(diào)質(zhì)熱處理230～260HBS，取260HBS，從動(dòng)齒輪與主動(dòng)齒輪相同。按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) （31）其中：Aa由表，按直齒輪，β=0176。所以實(shí)際中心距 （33），取, , 驗(yàn)算齒根彎曲應(yīng)力 （34） （35） （36）其中：（1）（2）由表，按原動(dòng)機(jī)工作平穩(wěn)，工作載荷有中等沖擊，查得，取。（4）由圖136，按,主從動(dòng)齒輪齒面硬度小于350HBS，查取。（6）由圖134，按，查取。（8）由圖133，按齒面材料，調(diào)質(zhì)熱處理，齒面硬度為260HBS，查取。（10），一般。（12）由圖1312，按齒面材料，調(diào)質(zhì)熱處理，查取?？傻茫?齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 如圖32表示直齒圓柱齒輪的零件簡(jiǎn)圖。按，主從動(dòng)齒輪齒面硬度均小于350HBS，直齒，查?、蚬罱M的精度等級(jí)為7級(jí)，齒輪精度為877GB。為了計(jì)算方便，將法向力Fn在節(jié)點(diǎn)P處分解為兩個(gè)相互垂直的分力，即圓周力Ft和Fr。對(duì)于按標(biāo)準(zhǔn)中心距安裝的標(biāo)準(zhǔn)齒輪?？傻?， 輸出軸齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 齒輪的設(shè)計(jì) 選擇齒輪傳動(dòng)的材料及熱處理由表查取，小齒輪的材料用40Cr鋼，調(diào)質(zhì)熱處理230～260HBS，取260HBS，大齒輪的材料用45鋼，調(diào)質(zhì)熱處理200～250HBS，取230HBS。按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)由（31） 得 其中：Aa表131，按直齒輪，β=0176。所以實(shí)際中心距 由（33）得 ，取 , , 驗(yàn)算齒根彎曲應(yīng)力 由公式（34），（35），（36）得其中：（1）（2）由表133，按原動(dòng)機(jī)工作平穩(wěn)，工作載荷有中等沖擊，查得=～，取。（4）由圖136，按,大小齒輪齒面硬度小于350HBS，查取。（6）由圖134，按，查取。（8）由圖133，按齒面材料，調(diào)質(zhì)熱處理，齒面硬度為260HBS，查取。（10），一般。（12）由圖1312，按齒面材料，調(diào)質(zhì)熱處理，查取。 齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 小齒輪采用實(shí)心式結(jié)構(gòu) 小齒輪采用腹板式結(jié)構(gòu)按，主從動(dòng)齒輪齒面硬度均小于350HBS，直齒，查?、蚬罱M的精度等級(jí)為7級(jí)，齒輪精度為877GB。目的是保證加工零件的精度和表面粗糙度。剛度不足時(shí)，不僅影響加工精度和表面質(zhì)量，還容易引起振動(dòng)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在其他條件允許的條件下，盡量提高剛度值?？拐裥灾苯佑绊懠庸け砻尜|(zhì)量和生產(chǎn)率，應(yīng)盡量提高。并且溫度過(guò)高會(huì)改變軸承等元件的間隙、破壞潤(rùn)滑條件，加速磨損甚至抱軸磨損性 指長(zhǎng)時(shí)期保持其原始精度的能力。同時(shí)。 主軸及組件的設(shè)計(jì)與校核 初定軸的直徑（危險(xiǎn)截面） 軸的材料選用45鋼，經(jīng)正火處理。故 考慮到有鍵連接軸徑應(yīng)增加3%，故取危險(xiǎn)端面尺寸66mm。 MV1= , MV2=4）求出合成彎矩，并畫出合成彎矩圖（）。 鍵連接的設(shè)計(jì)計(jì)算選擇鍵連接類型及尺寸由于齒輪傳動(dòng)的對(duì)中性要求較高以免齒輪嚙合不良，所以選擇普通的平鍵連接，按表且根據(jù)d=66和B=64選擇雙圓頭平鍵，尺寸為: b=20mm , h=12mm, l=60mm , k=。鍵連接的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）軸的鍵槽尺寸偏差寬度為；槽深；，（2）輪轂的鍵槽尺寸偏差寬度為。 夾緊裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算概述目前國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀系統(tǒng)中,刀具、輔具