CK3225转塔刀架结构设计学士学位论文.doc

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1、沈阳理工大学学士学位论文 I 摘要 数控机床集计算机技术，电子技术，自动控制技术，传感测量，机械制造， 是典型的机电一体化产品。它的发展和应用开创了制造业的新时代，改变了制造业 的生产方式，产业结构，管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。 传统的普通车床换刀的速度慢、精度不高，导致生产效率低，不能适宜现代化生产的 需要。因此对数控车床的刀架系统相关内容进行研究，探索数控车床转塔刀架的组成 和工作原理。 本课题为 CK3225 转塔刀架结构设计，该刀架能够在一次装夹中完成多道工序， 使加工范围扩大，大大提高了加工精度和生产效率。液压系统以及凸轮设计部分是 这次设计中的重点内容，同时也是难

2、点。 关键字：转塔刀架；液压系统；凸轮 沈阳理工大学学士学位论文 II Abstract The numerical control engine bed collection computer technology, the electronic technology, the automatic control technology, the sensing survey, the machine manufacture, is the typical integration of machinery product. Its development and the application

3、 founded the manufacturing industry new times, changed the manufacturing industry production method, the industrial structure, manages the way, caused the world manufacturing industry the pattern to have changed .Conventional lathe tool change is too slow,the accuracy is not high,low productivity,ca

4、n not meet the need of modern production. Therefore,make a research on the tool system of CNC.Explore the composition and working principle of the turret system. This subject is the structural design of turret on CK3225,turret can complete the process in one time chucking,Make the range of processin

5、g expand,improve machining accuracy substantially and the production efficiency. Hydraulic system and cam mechanism is the emphasis and difficulty of this design. Keywords: turret；Hydraulic system；cam 沈阳理工大学学士学位论文 III 目录目录 摘要.I ABSTRACTII 前言.1 第一章 绪论.3 1.1 数控机床发展过程.3 1.2 机床发展趋势.4 1.3 研究实际社会意义.5 1.4

6、CK3225 系列数控机床5 1.4.1 机床组成与主要功能5 1.4.2 本机床结构分析6 1.4.3 机床参数7 第二章 转塔刀架的工作原理.8 2.1 设计本转塔刀架的指导思想.8 2.2 刀架应该满足的要求.8 2.3 液压驱动转塔刀架的工作原理.9 2.4 步进式凸轮的工作原理.10 第三章 液压驱动转塔刀架的零件选用与计算.12 3.1 鼠牙盘的选用.12 3.2 转塔夹紧力的计算.13 3.3 油缸尺寸的计算.15 3.4 油杠盖螺栓的计算.16 3.5 凸轮尺寸计算.17 3.6 柱销强度的校核.19 3.7 刀架的液压控制部分.28 3.8 滚动轴承的选用.29 沈阳理工大学

7、学士学位论文 IV 总结.30 致谢.31 参考文献.32 附录 A.33 附录 B.39 沈阳理工大学学士学位论文 1 数控机床液压驱动转塔刀架设计 前言 制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区 经济的实力，科技水平，生活水准和国防实力。国际市场的竞争归根到底是各国制 造生产能力及机械制造装备的竞争。 自从 20 世纪 60 年代世界上第一台数控机床问世以来，随着计算机技术、微电 子技术、现代控制技术、传感检测技术、信息处理技术、网络通信技术和机械制造 技术等各相关领域的发展，数控技术已成为现代先进制造系统中不可缺少的基础技 术。由于机床数控系统技术复杂，种类繁

8、多。现在数控机床的“使用难、维修难 ” 问题，已经是影响数控机床有效利用的首要问题。 从 20 世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变 化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳 动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床 是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度 要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精 密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控 机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。 工业

9、发达国家都非常注重机械制造业的发展，为了用先进技术和工艺装备制造 业，机械制造装备工业得到先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还 比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备， 数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致“刚性”强,更新产品速度慢，生 产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一个工人，一把 刀，一台机床 ”，导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此，要缩小我国同 工业发达国家的差距 ,我们必须在机械制造装备方面大下功夫，其中最重要的一个 方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程

10、进行控制的技术，数控装备是以 数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产 品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术； (2)信 沈阳理工大学学士学位论文 2 息处理、加工、传输技术； (3)自动控制技术； (4)伺服驱动技术； (5)传感器技术； (6)软件技术等。 沈阳理工大学学士学位论文 3 第一章 绪论 数字控制机床是用数字代码形式的信息（程序指令），控制刀具按给定的工作程 序、运动速度和轨迹进行自动加工的机床，简称数控机床。 数控机床具有广泛的适应性，加工对象改变时只需要改变输入的程序指令；加工 性能比一般自动机床高，可以精确加工

11、复杂型面，因而适合于加工中小批量、改型频 繁、精度要求高、形状又较复杂的工件，并能获得良好的经济效果。随着数控技术的 发展，采用数控系统的机床品种日益增多，有车床、铣床、镗床、钻床、磨床、齿轮 加工机床和电火花加工机床等。此外还有能自动换刀、一次装卡进行多工序加工的加 工中心、车削中心等。 1.1 数控机床发展过程 1948 年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加 工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计 算机控制机床的设想。1949 年，该公司在美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室 的协助下，开始数控机床研究，并于 1952

12、年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装 而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产，于 1957 年正式投入使用。这是制造技 术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是 现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。 世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展1。 当时的数控装置采用电子管元件，体积庞大，价格昂贵，只在航空工业等少数有 特殊需要的部门用来加工复杂型面零件；1959 年，制成了晶体管元件和印刷电路板， 使数控装置进入了第二代，体积缩小，成本有所下降；1960 年以后，较为简单和经济 的点位控制数控钻床，和直

13、线控制数控铣床得到较快发展，使数控机床在机械制造业 各部门逐步获得推广。我国于 1958 年开始研制数控机床，成功试制出配有电子管数控 系统的数控机床，1965 年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。 1965 年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠 性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。60 年代末，先后出现 了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统（简称 DNC），又称群控系统；采 沈阳理工大学学士学位论文 4 用小型计算机控制的计算机数控系统（简称 CNC）,使数控装置进入了以小型计算机化 为特征的第四代。 1974 年，研制

14、成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置（简称 MNC），这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍， 而体积则缩小为原来的 1/20，价格降低了 3/4，可靠性也得到极大的提高。 80 年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制 程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化 程度进一步提高，开始具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能2。 1.2 机床发展趋势 （一） 智能、高速、高精度化 新一代数控机床为提高生产效率，向超高速方向发展，采用新型功能部件(如电主 轴、直线电机等)主轴转速达 15,000r

15、/min 以上。计算机技术及其软件控制技术在机床产 品技术中占的比重越来越大，计算机系统及其应用软件的复杂化，带来了机床系统及 其硬件结构的简化，数控机床的智能化程度日趋提高。一台机床的重复定位精度如果 能达到 0.005 mm，就是一台高精度机床，在 0.005mm 以下，就是超高精度机床。高精 度的机床，要有最好的轴承、丝杠。随着电脑辅助制造(CAM)系统的发展，精密度已 达到微米级。 （二） 设计、制造绿色化 绿色设计是一种综合考虑了产品设计、制造、使用和回收等整个生命周期的环境特 性和资源效率的先进设计理论和方法。它在不牺牲产品功能、质量和成本的前提下， 系统考虑产品开发、制造及其活动

16、对环境的影响，从而使得产品在整个生命周期中对 环境的负面影响最小，资源利用率最高。数控机床在设计时要考虑：绿色材料设计； 可拆卸性设计；节能性设计；可回收性设计；模块化设计；绿色包装设计等。绿色制 造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，通过绿色生产过程生产出绿 色产品。数控机床在制造时要考虑：节约资源的工艺设计；节约能源的工艺设计；环 保型工艺设计等。随着世界经济的迅速发展，尤其是国内改革开放以来工业化程度的 加快，所带来的环境污染问题越来越严重，环境保护的呼声越来越高，环保问题已经 沈阳理工大学学士学位论文 5 成为各国经济可持续发展的制约因素之一。数控机床作为装备制造业的核心，

17、能否顺 应环保趋势，加大绿色设计与制造的研制，将是影响经济发展的重要要素之一。 （三） 复合化与系统化 工件一次装夹，能进行多种工序复合加工，可大大地提高生产效率和加工精度， 是机床一贯追求的。由于产品开发周期愈来愈短，对制造速度的要求也相应提高，机 床也朝高效能发展。机床已逐渐发展成为系统化产品，用一台电脑控制一条生产线的 作业。产品对外观曲线要求的提高，机床五轴加工、六轴加工已日益普及，机床加工 的复合化已是不可避免的发展趋势3。 1.3 研究实际社会意义 传统的车床的刀架上只能装配一把刀，换刀的速度慢，换刀后还需重新对刀，并 且精度不高，生产效率低，不能适宜现代化生产的需要，因此有必要对

18、机床的换刀装 置重新进行改造，数控车床上使用的刀架是一种简单的换刀装置。其在一定的空间范 围内能松开、转位以及定位等一系列动作的机构。功能强大，可靠性稳定、功率大、 结构简单、维修方便。在工件的一次装夹中完成多个工序的加工，缩短加工的辅助时 间，减少多次安装所引起的加工误差，充分发挥数控机床的效率，采用转塔刀架。 1.4 CK3225 系列数控机床4 1.4.1 机床组成与主要功能 CK3225 系列数控车床由床身、主轴箱、刀架、进给系统、液压系统、冷却、润滑 等部件和数控系统组成。 CK3225 系列数控车床分为三个品种，CK3225、CK3225X1000 和 CKA3225。前面 两种是

19、以轴类件加工为主，最大加工长度分别为 400mm 和 1000mm。而后一种则是以 盘类件加工为主。该系列三种车床配备先进的数控系统和直流无极调速主电机，由直 流伺服电机通过滚珠丝杠带动刀架纵横方向进给而组成两坐标连续控制的数控机床。 依靠数控系统的基本功能，可车削内、外圆柱和圆锥及各种圆弧曲面，适用于形状复 杂、精度高的轴类和盘类零件的加工。由于该类机床精度高，刚性好，进给系统准确 沈阳理工大学学士学位论文 6 可靠，使之能适应高速强力切削，同时也能进行精加工。加工精度在纵向，横向均能 保证在 0.01mm 以内。 该系列数控车床还能加工各类螺纹（米制、英制、锥螺纹、端面螺纹、多线螺纹 和变

20、螺距螺纹），因为在主轴箱上安装有主轴同步运转的脉冲编码器，由脉冲编码器 发出的脉冲信号控制伺服电机进给，可使刀架实现每转进给量，这是螺纹切削应满足 的必要条件。同时在切削过程中，为了防止乱扣，脉冲编码器在发出进给脉冲时，还 要发出同步脉冲，以保证刀具每次走刀都在工件的同一点切入。总之，与普通车床相 比，数控车床有很大一部分功能是由电气系统实现的，简化了复杂的机械系统。随着 机电一体化技术的飞速发展，将使数控车床更加完善。 1.4.2 本机床结构分析 根据工件的工艺分类所需运动及主要技术参数而确定各部分的相对位置，并完成 工件和刀具的相对运动，保证加工精度，方便操作、调整和维修。一般来说，中小规

21、 格的数控车床采用斜床身居多，只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身。 CK3225 系列机床均采用 60斜床，占地面积小，便于排屑。斜床身具有以下特点： 1） 容易实现机、电、液一体化。 2） 机床外形整齐、美观，占地面积小。 3） 容易排屑和安装排屑装置。 4） 从工件上切下的过热铁屑不容易堆在导轨上，不至影响导轨精度。 5） 便于安装机械手实现单机自动化。 图 1.1 (a)平床身 （b）（c）斜床身 （d）直立床身 沈阳理工大学学士学位论文 7 1.4.3 机床参数 表 1.1 机床参数表 机床型号CK3225CKA3225CK3225X1000 卡盘直径（mm）2502502

22、50 床身上最大回转直径（mm）400400400 轴类件最大切削直径（mm）4001000 盘类件最大车削直径（mm）250 滑鞍最大纵向行程（Z）（mm）5004001045 +225+200+225滑板最大横向行程 （X）（mm）-12-20-12 主轴孔径（mm） 75 75 75 回转刀架工位888 主轴每转刀架纵向进给量 （mm） 0.01601.01600.0160 主轴每转刀架横向进给量 （mm） 0.01450.01450.0145 加工螺纹螺距范围（mm）0.01600.01600.0160 纵向0.0010.0010.001最小输入当量 （mm）横向0.0010.0010

23、.001 主轴转速范围（r/min）453000453000453000 主电动机功率（kW）23.523.523.5 纵向888滑鞍快移速度 （m/min）横向666 尾座套筒最大行程（mm）8080 沈阳理工大学学士学位论文 8 第二章 转塔刀架的工作原理 2.1 设计本转塔刀架的指导思想 目前数控车床的刀架冲总体结构来看，大致可以分为两类，即排刀式刀架和转塔 式刀架。前者只适合加工 100mm 以下的轴类零件，而对加工 250mm 规格的车床只 能采用转塔式刀架。 转塔式刀架利用转塔头安置各种不同用途的刀具，通过转塔头的分度旋转定位来 实现机床的自动换刀动作。一般来说，转塔刀架要求分度准

24、确，定位可靠，重复定位 精度高，转塔头卡紧刚性好，转位速度快，从而保证数控车床的高精度和高效率。 转塔刀架按其动力来分，大体可分为电机传动和液压传动两类。电动转塔的最大 优点是可以使机械结构简单，省去大量的液压管道，同时也可以减少漏油现象。不过 目前电动刀架国内刚刚开始，其可靠性还有待实践的检验。但从趋势上来看，它具有 很强的生命力。然而目前液压驱动转塔刀架使用的比较广泛，性能也比较稳定的刀架 系统，所以 CK3225 系列数控车床均采用液压转塔刀架系统。 2.2 刀架应该满足的要求5 （一） 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

25、同，要求刀架能够布置足够多的刀具，而且能 够方便而正确地加工各工件表面， 为了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。 （二） 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，采用自动交换刀具时，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。 （三） 刀架应具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀 具在自动转

26、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，所以刀架必须具有足够的刚度，以使切削过程和换 沈阳理工大学学士学位论文 9 刀过程平稳。 （四） 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。 （五） 刀架是为了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 0.86 秒之间不等。而且还在进 一步缩短。 （六） 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

27、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。 2.3 液压驱动转塔刀架的工作原理 液压驱动转塔刀架的机构组成： 该刀架的结构简图见图纸。刀架由油缸 22、中心花键轴 58、回转盘 18、鼠压盘 26，27、凸轮 39、回转轮 56、支撑轴 48、液压马达 34、顶面轴承盖 16、凸轮轴 60、 及开关 KX1-KX9 等组成。 转位开始时，液压油进入油缸 22 的后腔，通过缸体推动中心花键轴 58 和回转盘 18 抬起，使定位的鼠牙盘 26，27 脱离啮合。为转位作好准备。当回转盘 18 完全抬起 后，微动开关 kx9 发出信号，使

28、液压马达 34 开始旋转。液压马达 34 通过花键套 37 带 动凸轮轴 60 和凸轮 39 旋转，凸轮依次推动回转轮 56 上的八个柱销使回转轮做分度动 作，因为回转轮 56 和中心花键轴 58 通过花键相结合，而中心花键轴 58 又通过顶面轴 承盖 16 与回转盘 18 连成一体，所以中心花键轴 58 和回转盘 18 也着回转随回转轮 56 一起转动。凸轮每转一周拨过一个柱销，也就是使回转盘 18 转过 1/8 周（一个工位） 。 支撑轴 48 的顶部装有一个行程开关座 13，其上装有 8 个行程开关 kx1kx8。而回转盘 18 上装有一个随中心花键轴 58 同步动作的撞快，中心花键轴

29、58 每转过一个工位（45） ，撞快就压合一个行程开关，信号输入数控系统，当回转盘 18 转到预选那个工位时， 电器控制系统发出指令使液压马达刹车，转位凸轮 56 停止旋转，此时回转盘 18 处于 预定位状态，而后油缸 22 前腔进油将中心花键轴 58 和回转盘 18 拉下，两个鼠压盘 26 和 27 啮合并卡紧，刀盘精定位，此时回转头又重新压下微动开关 kx9，发出转位结束 沈阳理工大学学士学位论文 10 信号。以上过程实现了刀架的转位动作。 2.4 步进式凸轮的工作原理6 刀架转位采用凸轮式步进传动机构，这种机构属于强制驱动式。即转位部件的运 动始终靠凸轮轮廓强制驱动。其运动规律完全取决于

30、凸轮轮廓的形状。凸轮式步进传 动机构中的凸轮有圆柱式和圆弧式二种，由于圆弧式凸轮的加工难度大而且成本高， 所以 图 2.1 图 2.2 本设计不采用圆弧式结构，而采用圆柱式凸轮结构。 圆柱凸轮是在圆柱表面上做出一条两端有头的凸起轮廓。从动件回转盘是一个端 面多销圆盘。因为刀架有八个工位，所以圆盘上有十个均部的柱销。间隔为 45。图 （1）为这种结构的示意图。图 2.2 为圆柱子凸轮轮廓的展开简图，这是一个 k=1 的间 歇传动机构。按照图 2.1 所示的旋转方向运动时，B 销先开始进入凸轮轮廓的曲线段。 凸轮驱使回转轮转位，与此同时，A 销与凸轮轮廓脱开。当凸轮转过 270时转位动作 终了，

31、B 销接触凸轮轮廓将由曲线段过渡到直线段。同时与 B 销相邻的 C 销开始与凸 轮的直线轮廓在另一侧面接触。使凸轮继续转动时回转轮不动即实现间歇，在间歇阶 段 B 销和 C 销同时贴在凸轮直线轮廓段的两侧，完全限制了回转轮的转动。对回转轮 来说也就实现了定位，凸轮继续转动，C 销以直线轮廓段进入曲线轮廓段时间歇结束， 沈阳理工大学学士学位论文 11 下一次转位又重新开始。同时 B 销与凸轮轮廓脱离，就这样下去，凸轮每转过一周， 多销回转轮就被拨过一个销子，回转轮转过 1/8 周。这种圆柱式步进驱动机构可实现高 达每分钟 1500 次的转位动作，这一个最高的动作颠峰是远远超过转塔刀架上刀盘的转位

32、频率。所以 将这种结构用于转塔刀架上是完全没有问题的，转塔刀架上的回转轮是通过花键来带 动中心花键轴及刀盘作分度定位动作的。当回转轮在间歇状态时（即柱销在凸轮的直 线轮廓段时） ，刀盘可实现绝对稳定可靠的预定位，因为回转轮的二个柱销夹持凸轮的 直线段，此时凸轮停止运动，回转轮只能在圆柱销和直线段的配合间隙中作左右摆动。 因为间隙是很小的.回转轮刀盘系统左右摇摆的范围是微乎其微的。这样保证了刀架不 发生过位和不到位夹紧的问题。 凸轮的曲线段轮廓设计为正弦曲线（严格来说应该是凸轮轮廓形成凹槽的中心线 为正弦曲线，而两侧的轮廓为圆柱销磙子的包络线） ，因为圆柱销按正弦曲线的规律运 动时，使销子在转位

33、开始时和转位终了时的线速度均为零，在凸轮曲线中点处即曲线 拐点处的加速度为零。又由于正弦曲线比较光滑，且在曲线始末两端各引入 15的引入 端，这样一来就避免了在转位过程中的刚性和柔性冲击，达到转位平稳可靠，转位精 度高。 综上所诉，凸轮是一个两端有开口的不闭合曲线轮廓，当凸轮正反转时均可带动 刀盘作正反两个方向的旋转，这样就可以实现刀架在转位时选择最短的路径，通过控 制系统内的可编程控制器（PLC）来自动计算识别和选择最短路径所需要的旋转方向。 例如，刀架要从第一工位换到第八工位工作，由于只能作单方向旋转，所以刀盘得旋 转 315才能到达第八工位，而采用凸轮机构后，刀架只需反向旋转 45即可到

34、达第八 工位，节省了换刀时间，提高了机床效率。 沈阳理工大学学士学位论文 12 第三章 液压驱动转塔刀架的零件选用与计算 3.1 鼠牙盘的选用7 鼠牙盘的动齿盘和静齿盘是转塔刀架的两个重要零件其精度决定了刀架性能的好 坏。为了保证鼠牙盘的定位精度和刚度，对鼠牙盘做以下技术要求：鼠牙盘材料采用 40Cr，齿部渗氮后磨齿加工；齿宽接触率为 70%以上；齿高接触为啮合高度 85%以上， 两齿盘啮合时的接触齿数应在 90%以上，接触不良的齿不啮合；安装基准孔轴线对分 度中心的位置度，一般取 0.020.04mm，对精密齿盘应在 0.01mm 以内；安装基准端面 对分度的平行度，一般取 0.010.04

35、mm，对精密齿盘应在 0.01mm 以内。本刀架采用标 准直齿鼠牙盘，齿的啮合深度通常设计为 3-4mm，由于本刀架的液压系统采用变量泵， 可获得所需的锁紧力满足刀架刚度要求，所以本次设计将齿的啮合深度设计为 3mm。 这一设计也可减少活塞的行程，节省功率。 查得有关标准得出以下参数： 鼠牙盘外径 d：鼠牙盘的外径主要由设计结构所允许的空间范围来确定。在结构允许 的情况下，外径越大越好，这样可以增强分度或定位机构的稳定性。 根据车削中心动力刀架的总体结构和外径系列选取 d=480mm。 齿数 z： 查得当外径 d=480mm 时，齿数可以 72，它们的最小分度角分别为和 6 ， 本次设计的动力

36、刀架工位数为 8 工位，转一个工位从动盘需要转 5 过角度，应该是最小分度角的倍数关系，所以选取最小分度角为， 45 5 从而选取 z=72 正好合适。 齿幅 F=15 mm 外径 D1=480mm 内径 d1=370mm 齿数 N=72 齿定厚度 H1=31.97mm 内部齿厚 H2=26mm 齿总厚度=60 图 3.1 沈阳理工大学学士学位论文 13 3.2 转塔夹紧力的计算8 当转塔夹紧时一个齿圈上的齿进入另一个齿圈上的齿沟，使转塔定位。此时，齿 侧面上产生过盈。 卡紧力的大小及切削力的方向，对这些定位器的刚度和抗振性能影响很大。在给 3 P 定齿数，结合参数和负荷下，有某个适宜的，减小

37、它完全导致转塔刚度显著下降。 3 P 与此同时，提高超过他的适宜值，刚度性能也只能得到不大的提高。 3 P 当转塔夹紧时，定位副一对鼠牙盘的接触面上产生比压。转塔加上偏心载荷后， 这比压将重新分布。当比压低于某一极限值时，接触面处的接触刚度将集聚下降。计 算时可根据接触面上最小负载总的最小允许比压值来确定夹紧力。 根据公式： FQ+Pz+1/Rcp +tg（3.1） 3 P min qyxMM 22 z M 式中： 转塔夹紧力 3 P 鼠牙盘平均半径（因鼠压盘的齿数比其直径小的多，内径与外径上的比压差别 cp R 不大，因此计算可取位于平均半径上的相应点进行） 主切削力 z p 接合面最小负载

38、总最小允许比压 min q 、切削力在鼠牙盘接合面处的扭矩。 x M y M z M 接合面在平面 Q 上的投影面积 Q F 平面 Q齿圈内外圆柱体中截取的环平面。 =2bhz tg Q F 其中： b齿长，为 15mm h平均啮合深度，为 3.181mm z齿数为 72 齿形半角，为 45 接触不平均和不连续的利用系数，取 0.5 则可计算出： 沈阳理工大学学士学位论文 14 =2153.181480.5tg45=2290.32mm2 Q F 对于 ck3232 系列数控车床来说设计最大主切削力 ：=1000kgf. 根据一般情况下，车 z P 削力的分布规律： : : =1:0.4:0.2

39、5 z P y P x P 则：=1000kgf =400kgf =250kgf z P y P x P 设： 为切削点到齿盘啮合平面中心为原点的坐标轴的距离 p x p y p z 图 3.2 根据刀架结构安排： =-365mm p x =-35mm p y =50mm p z 取：接合面最小负载点最小允许比压=10kgf/cm2 min q 则计算出： = +=1000（-35）+40050=15000kgfmm x M z P p y y P p z =- =-1000（-365）-25050=352500kgfmm y M z P p x x P p y = =400（365）250（

40、35）=137250 kgfmm z M y P p x x P p y 所需夹紧力: 3 P 1010-22290.32+1000+ 3 P 480 1 2524 10525 . 3 105 . 1）（）（ 沈阳理工大学学士学位论文 15 +1.3725105tg45=2249.9kgf P32249.9kgf 即当转塔夹紧力大于 2249.9kgf 时，刀架系统具有足够的刚性和抗振性。 3.3 油缸尺寸的计算 （1）根据刀架所需夹紧力来确定油缸内径： 当液压系统油压为 p=30kgf/cm2 时，所需油缸活塞的有效工作面积： =P3/p=2249.9/30=75 cm2 0 F 根据结构需

41、要活塞杆直径=16.5 cm 左右 0 d 则油缸内径： =（3.2） 0 D 2 0 0 4 d F cm18.19 5 . 16 754 2 0 D 根据结构需要取油缸内径=30cm 可满足夹紧力的要求（油缸可调整到略低于 0 D 30kgf/cm2） (2) 油缸壁厚的计算 根据公式： （3.3） 1 3 . 1 4 . 0 2 0 y y p p D 式中：油杠壁厚 许用应力，取为 600kgf/cm2 试验应力（=1.2p=1.2 30=36 kgf/cm ） y p y p 2 D =30cm 0 则1 363 . 1600 364 . 0600 2 30 cm807 . 0 现取

42、油缸壁厚=3cm (根据结构需要) 完全满足强度要求。 沈阳理工大学学士学位论文 16 3.4 油杠盖螺栓的计算9 根据公式： 拉应力： = （3.4） zd p 2 1 4 1 式中： p油杠盖受的载荷 p=kgfpdD 5 . 1478330 5 . 1630 4 1 4 1 22 2 0 2 0 z螺栓个数 剪应力： （3.5） zd d tgp 3 1 2 16 2 式中对于公制普通三角形螺纹，在常用 d=1068mm 范围内，有以下关系： d (d 为螺纹中径，d 为螺纹根部直径) 21 12 . 1 d 21 升角=1.53.5时，tg=0.01940.0433 tg=f =0.1

43、5 ,将上述数据平均值代入扭转剪应力公式中，可得=0.5 应用第四强度理论，螺纹部分强度校核公式为： （3.6） 3 . 13 22 即 现选用 M12 普通粗牙螺栓，由机械设计手册查得该种螺栓内径 d =10.106mm 1 则：=2304.9 kgf/cm 810106.10 4 1 5 . 14783 4 12 1 2 1 zd p 2 kgf/cm 4 . 2996 9 . 23043 . 13 . 1 2 螺栓材料为 40Cr 钢，其许用应力为： （3.7） n s 沈阳理工大学学士学位论文 17 由机械设计手册查得 40Cr 钢的屈服极限=8010.2 kgf/cm s 2 安全系

44、数 n 取 2.5 则kgf/cm 1 .3204 5 . 2 2 . 8010 2 22 / 1 . 3204/ 4 . 2996cmkgfcmkgf 所以油杠盖螺栓安全。 3.5 凸轮尺寸计算 （1）凸轮直线段轮廓宽度 b 的计算 由图 3.2 可见：b=2R sin-d（3.8） 1 R 回转轮上柱销中心分度圆半径 （R =9cm） 11 动程角之半（） 8 z d柱销磙子直径（d=4.5cm） 则：b=2mm 8 . 235 . 4 8 sin9 图 3.3 沈阳理工大学学士学位论文 18 （2） 凸轮其余各部分尺寸的确定 1 凸轮的直径大小与压力角有关，直径越大，压力角越小。越有利于

45、回转轮的驱动， 0 在结构条件许可的情况下，尽量加大凸轮直径，根据结构安排，现取凸轮轮廓外径 D =100mm. 2 2 凸轮饿升程等于两个柱销间的距离： 0 S=mmcmR88.68888 . 6 8 sin92sin2 1 其中 S凸轮的升程 3 凸轮滚道中心线轨迹为正弦曲线，其升程 S=68.88mm 所以该曲线方程为：y= 0 （3.9） 23 2 sin 2 88.68 的范围为 0 3 2 整个凸轮在前 270为曲线轮廓，后 90为直线轮廓，如图 3.4 所示。为了便于在两端开 口处引入柱销滚子可各加上 15的引入端。 图 3.4 凸轮曲线轮廓宽度 b 应小于两个柱销之间的距离 b

46、,设计中取凸轮总宽度 1 B=154mm . 这样二个凸轮曲线段宽度 沈阳理工大学学士学位论文 19 b mm 1 7 . 23458 .23 2 1 154 2 1 2 1 2 1 dbB b b 这样就保证了在回转轮分度时，柱销不与凸轮凸起轮廓部分发生干涉。 1 3.6 柱销强度的校核 在刀盘分度转位时，由凸轮强制拨动柱销推动回转轮运动，所以有必要对柱销的强度 进行校核。 （1）转位时刀盘所需最大扭矩计算 设计要求转位速度为每 1.5 秒一个工位，此时凸轮旋转一周，即 2角度，因为凸轮曲 线为正弦曲线，所以当凸轮旋转时，回转轮的加速度和角加速度为零，而在凸轮曲 4 3 线的起点和终点，其速

47、度为零，而加速度和角加速度最大，此时柱销受到最大的推力， 即刀盘所受的扭矩为最大 Mmax 1 柱销运动方程为： 0 =34.22sin =-34.22sin 23 2 sin22.34 ty t 3 2 2 t 3 2 2 = t 3 2 cos22.34 柱销的速度： t dt dy v 3 2 sin22.34 3 2 柱销的加速度： t dt yd a 3 2 cos22.34 9 4 2 2 2 因为凸轮是等速旋转： 当t秒时， 2 3 5 . 12t 则 弧度/秒 在起始点：t=0 3 4 2 3 2 t 沈阳理工大学学士学位论文 20 则 0sin22.34 3 2 tv 2 2 2 /55.253122.34 3 4 9 4 3 2 cos22.34 9 4 秒mmta 柱销沿半径切线方向的加速度为： a 2200 /7 . 9/03.975 .