数控车床四工位刀架设计 - 图文

图2.1. 四方回转刀架结构

1-轴；2-涡轮；3-刀座；4-密封圈；5-下端齿盘；6-上端齿盘；7-压盖；8-刀架；9-套筒；10-轴套；11-垫圈；12-螺母；13-销；14-底盘；15-轴承；16-联轴器；17-轴；18-套；19-蜗杆；20-开关；21-套筒；22-压缩弹簧；23-电机；24-压盖；25-开关

2.1.4.2、工作步骤原理：

a、刀架抬起：当数控装置发出换刀指令后，电机23正转，并经联轴器16、轴17，由键带动蜗杆19、蜗轮2、轴1、轴套10转动。轴套10的外圆上有两个凸起，可在套筒9内孔中的螺旋槽内滑动，从而举起与套筒9相连的刀架8以及上端齿盘6，使上端齿盘6与下端齿盘5分开，完成刀架抬起动作。

b、刀架转位：刀架抬起后，轴套10仍在继续转动，同时带动刀架8转过90°（或者180°，270°，360°），并有开关20发出信号给数控装置。

c、刀架压紧：刀架转到位后，由微动开关发出的控制信号使电机23反转，销13使刀架8定位而不随轴套10回转，于是刀架8向下移动，上、下端齿盘合拢压紧，蜗杆19继续转动则产生轴向位移，压缩弹簧22，套筒21的外圆曲面使开关20动作，电机23停止转动从而完成一次转位。

2.1.5、自动回转刀架主要传动部件的设计计算

1、设计一台四工位的立式自动回转刀架，适用于常用经济型数控车床。推荐刀架所用电动机的 额定功率为90W，额定转速为1440r/min，换刀时要求刀架转动的速度为30r/min。

2、蜗杆副的设计计算

自动回转刀架的动力源时三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直连，刀架转位时涡轮与上刀体直连。已知电动机额定功率P 1=90W，额定转速n1 =1440r/min，上刀体设计转速 n2 =30r/min，则蜗杆副的传动比i =n1/n2 =1440 /30=48.刀架从转位刀锁紧时，需要蜗杆反向，工作载荷不均匀，启动时冲击较大，今要求蜗杆副的使用寿命Lh =10000h 。 2.1.6、蜗杆的选型

GB/T10085----1988推荐采用渐开线蜗杆（Z1蜗杆）和锥面包络蜗杆（ZK蜗杆）。本设计采用结构简单，制造方便的渐开线型圆柱蜗杆(Z1型)。 2.1.7、蜗杆副的材料

刀架中的蜗杆副传递的功率不大，但蜗杆转速较高，因此蜗杆的材料选择45钢，其螺旋齿面要求淬火，硬度为45~55HRC，以提高表面耐磨性；涡轮的转速较低，其材料主要考虑耐磨性，选用铸锡磷青铜ZcuSn10P1,采用金属模铸造。

按齿面接触疲劳强度进行设计

刀架中的蜗杆副采用闭式传动，多因齿面胶合或点蚀而失效。因此，在进行承载能力计算时，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再按齿根弯曲疲劳强度进行校核。

按涡轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为：

a?KT2(3ZEZ?[?H])2 式中 a-------蜗杆副的传动中心距，单位为mm； K-------载荷系数；

T2-------作用在涡轮上的转矩T ，单位N.mm; ZE------弹性影响系数，单位为MPa；

Z?--------接触系数

[?H]----许用接触应力，单位为MPa；

从式中算出蜗杆副的中心距a之后，根据已知的传动比i=48，可以选择合适的中心距a值，以及相应的蜗杆，涡轮参数。

（1）确定作用在涡轮上的转矩T

设蜗杆头数z1 =1,蜗杆副的传动效率取? =0.8。由电动机的额定功率P1 =90W,可以算出涡轮传递的功率P2 =P 1 ,再由涡轮的转速n2 =30r/min,求得作用在涡轮上的转矩：

T2=9.55P2/n2=9.55P1 /n2=22920N.mm （2）确定载荷系数K 载荷系数

K?KAK?Kv.其中KA为使用系数，由于工作载荷分布步均匀，启动时冲击较

大，因此取 KA=1.15;K 为齿向载荷分布系数，因工作载荷在启动和停止时有变化，故取

K? =1.15；Kv 为动载系数，由于转速不高，冲击不大，可取Kv=1.05,则载荷系数

K?KAK?Kv?1.39

（3）确定弹性影响系数ZE

铸锡磷青铜涡轮与钢蜗杆相配时，从参考文献中差得弹性影响系数ZE =160MPa （4）确定接触系数

Z?

Z?先假设蜗杆分度圆直径d1 和传动中心距a的比值d 1/a=0.35,可得系数（5）确定许用接触力[?H]

=2.9

根据涡轮材料为铸锡磷青铜ZCuSn10P1,金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度大于45HRC，

'[?]H涡轮的基本许用力 =268MPa，已知蜗杆为单头，涡轮每转一转时每个轮齿咬合的次

数j=1;涡轮转速n =30r/min;蜗杆副的使用寿命L =10000h。则应力循环次数

N=60jn2Lh=1.8?107 寿命系数：KHN=0.929 许用接触应力：

[?H]?KHN?[?H]'?249MPa

（6）计算中心距 将以上各参数代入式

a?3KT2(ZEZ?[?H])2 ，

求得中心距：

a?KT2(3ZEZ?[?H])2?31.39?22920?(

160?2.92)?24948mm

取中心距a=50mm,已知蜗杆头数z1 =1,设模数m=1.6mm,得直径d1 =20mm,这时d1/a=0.4,可得接触系数

'Z? =2.74。因为

'Z?<

Z? ，所以上述计算结构可用。

2.1.8、蜗杆和涡轮的主要计算参数和几何尺寸

（1） 蜗杆参数及尺寸

头数z1 =1,模数m=1.6mm,轴向齿距Pa = 3.14?m=5.027mm,轴向齿厚s a=0.5 ,分度圆直径d1 =20mm,直径系数q =d1 /m=12.5,分度圆导程脚r=arctan(Z1/q)=4°34‘26“

（2）涡轮参数与尺寸

齿数z2=48,模数m=1.6mm,分度圆直径为d 2=mz 2=1.6 ?48mm=76.8mm,变位系数 x 2=[a-(d 1+d2 )/2]/m=[50-(20+76.8)/2]/1.6=1,涡轮喉圆直径为da2=d2+2m(h*a+x2)=83 .2mm,涡轮齿根圆直径df2=d2-2m(h*a-x2+c)=76.16mm

2.1.9、校核涡轮齿根弯曲疲劳强度

即校验下式是否成立：

?F?

1.53KT2YFa2Y??[?F]d1d2

式中 ?F ........涡轮齿根弯曲应力，单位为Mpa;

YFa2Y? ..........涡轮齿形系数；

......... 螺旋角影响系数

[?F] .........涡轮的许用弯曲应力，单位为MPa 由蜗杆头数Z1=1，传动比i=48,可以算出涡轮齿数

z2?i?z1?48

则涡轮的当量齿数：

zv2?z2?48.46cos3?

根据涡轮变位系数x2=1和当量齿数ZV2=48.46,得齿形系数

YFa2=1.95

旋转角影响系数;

Y??1??140??0.967

根据涡轮的材料和制造方法，可得涡轮基本许用弯曲应力：

'[?]F =56MPa

涡轮的寿命系数：

KFN610?9?0.72571.8?10

涡轮的许用弯曲应力：

[?F]?[?F]'?KFN?40.6MPa

?F?将以上参数带入式

1.53KT2YFa2Y??[?F]d1d2 ，得涡轮齿根弯曲应力：?F=37.4

可见，?F?[?F] ,涡轮齿根的弯曲强度满足要求。 2.1.10、蜗杆的设计计算