立式加工中心畢業(yè)設計.pdf

立式加工中心 Z 向進給裝置與刀庫設計 摘 要 : 加工中心是由機械設備與數(shù)控系統(tǒng)組成的適用于加工復雜形狀工件的高效 率自動化機床 ,它的特點是 具有自動化程度高，加工范圍廣，適應性強，高柔性 化，智能化，勞 動強度低，適用于單件、小批量、形狀復雜的零件的加工 ,有立 式和臥式之分 。 現(xiàn)在，加工中心受到各個國家越來越多的重視， 其發(fā)展 程度 代表了 一個國家 的 設計、制造水平 。 加工中心的研制和開發(fā)是數(shù)控技術未來發(fā)展的方向之一。本次設計的主要內 容為加工中心總體即布局和機床聯(lián)系尺寸圖（由同組同學共同參與完成）、刀庫 及 Z 軸傳動系統(tǒng)設計。 在總體設計中，通過對其總體布局方式進行比較和分析， 確定了加工中心的總體布局方案。刀庫設計采用圓盤形布置和無機械手的抓刀方 式。本文對刀庫及其自動換刀裝置的結構設計、滾珠絲杠的選擇、電機的選擇、 軸的選擇、等進行了闡述及詳細設計計算。加工中心性能在很大程度上取決于進 給伺服系統(tǒng)的性能，為此說明書對 Z軸滾珠絲杠、導軌等關鍵機械部件進行了設 計和計算校核。 本次刀庫及 Z軸進給系統(tǒng)設計采用的滾珠絲杠、滾動導軌和與其相配的各種 機械結構保證了加工中心運行高速高效、穩(wěn)定、精度高，滿足其性能要求。 關鍵詞 ： 加工中心 ,刀庫 ,自動換刀裝置 ,進給系統(tǒng) DESIGN OF THE OVERALL, TOOL MAGAZINE AND Z-AXIS FEED SYSTEM OF MACHINE CENTER ABSTRACT Machining center is a CNC machine with tool magzine and can automatically replace the right tools for the multi-process to workpiece. It has the characteristics of operations concentration, high precision machining, strong adaptability and high production efficiency. Its development represent the manufacture lever of a nation, the companies at home and abroad highly valued. The research and development of machining center(MC) is one of the NC technology development directions of the future.The design of overall、 tool magazine and the Z-axis feed system of MC. In the overall design, comparison and analysis are made for its way of layout, determined the layout of the overall for vertical. The tool magazine used disk-shaped layout and the no mechanical hand grasping the tool way. The tool magazine and automatic tool change(ATC) structure design, the choice of ball screw and motor, axes, key are introduced and designed in detail in this paper. Performance of MC depends to a large extent on the servo feed system performance, the design and calculation of check to Z-axis ball screws, guide and other key mechanical components are made in the paper. The ball screw, rolling rails and the the mechanical structure match with them are used in the design of tool magzine and the Z-axis feed system to make the system running fast and efficient, stability, high accuracy to meet the performance requirements of the MC. KEY WORDS : machining center, tool magazine, automatic tool changer, feed system 前 言 . 5 第 1 章 概述 . 6 1.1 加工中心的特點 . 6 1.2 加工中心的結構 . 6 1.2.1 加工中心的構成 . 7 1.2.2 加工中心對結構的要求 . 7 1.3 加工中心的發(fā)展 方向 . 8 第 2 章 數(shù)控加工中心總體設計 . 錯誤 !未定義書簽。 2.1 總體布局方案設計 . 錯誤 !未定義書簽。 2.2.1 總體布局方案的確定 . 錯誤 !未定義書簽。 2.2.2 總體布局方案的說明 . 錯誤 !未定義書簽。 第 3 章 刀庫及自動換刀裝置 . 10 3.1 加工中心刀庫 . 錯誤 !未定義書簽。 3.2 刀庫設計計算 . 錯誤 !未定義書簽。 3.2.1 刀庫設計參數(shù) . 錯誤 !未定義書簽。 3.2.2 滾珠絲杠的選擇 . 錯誤 !未定義書簽。 3.2.3 電機的選擇 . 錯誤 !未定義書簽。 3.2.4 軸的選擇 . 錯誤 !未定義書簽。 3.2.5 鍵的設計 . 錯誤 !未定義書簽。 3.2.6 齒輪的設計 . 錯誤 !未定義書簽。 第 4 章 加工中心 Z 軸進給傳動系統(tǒng) . 錯誤 !未定義書簽。 4.1 滾珠絲杠的設計及計算 . 錯誤 !未定義書簽。 4.1.1 電機及檢測元件 . 錯誤 !未定義書簽。 4.1.2 電機與進給絲桿 的連接 . 錯誤 !未定義書簽。 4.1.3 傳動裝置 . 錯誤 !未定義書簽。 4.1.4 滾珠絲桿螺母副 . 錯誤 !未定義書簽。 4.2 導軌的設計 . 錯誤 !未定義書簽。 4.2.1 選擇導軌的結構類型 . 錯誤 !未定義書簽。 4.2.2 選擇滾動導軌類型 . 錯誤 !未定義書簽。 4.2.3 滾動導軌的預緊 . 錯誤 !未定義書簽。 4.2.4 導軌的保護裝置 . 錯誤 !未定義書簽。 4.2.5 導軌的材料與熱 處理 . 錯誤 !未定義書簽。 4.2.6 導軌的潤滑 . 錯誤 !未定義書簽。 結 論 . 錯誤 !未定義書簽。 參考文獻 . 43 致 謝 . 錯誤 !未定義書簽。 前 言 加工中心（ Machining center 簡稱 MC） 是一種 多工序自動換刀 的 數(shù)控機床。 它 具有自動化程度高，加工范圍廣，適應性強，高柔性化，智能化，勞動強度低 的優(yōu)點和特點，適用于單件、小批量、形狀復雜的零件的加工 ， 它 綜合了機械 制 造 技術、電子 電工技術、計算機軟件技術、氣動技術、現(xiàn)代控制技術、 傳感技術 以及通信診斷、刀具和編程技術的高技術產品，它 集銑削、車削、鉆削等功能于 一身 ， 并 且增設有自動換刀裝置和刀庫，可以在一次安裝工件后， 通過 數(shù)控系統(tǒng) 控制機床 進行零件的自動加工， 按不同工序自動選擇和更換刀具，自動改變機床 主軸轉速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及其他輔助功能；依次完成 各個面、 孔、槽、倒角等的加工。 加工中心 可以減少工件裝夾、測量和調整時間， 使機床 的切削利用率高于普通機床的 34 倍，達 80%以上。所以說 ,加工中心不僅提高 了工件的加工精度，而且是數(shù)控機床中生產率和自動化程度最高的綜合性機床。 本說明書分 5章 ,第 1章介紹加工中心的結構 ,第 2章講述了加工中心總體設計 , 第 3章介紹了 刀庫及自動換刀裝置 ,第 4章講述加工中心 Z向進給系統(tǒng)的滾珠絲杠 和滾動 軸承 設計選用，支承件及導軌的設計講述導軌的選用。 限于設計水平 ,設計定有錯誤和不妥之處 ,敬請答辯組老師的批評指正。 第 1 章 概述 1.1 加工中心的特點 加工中心（ Machining Center）是典型的集多種新興 技術于一體的機械加工 設備，它的 程度 代 表了一個國家設計、制造的水平， 如今 ，加工中心已經成為現(xiàn) 代機床發(fā)展的主流方向，廣泛應用于 各行各業(yè)的 機械制造中 。 它 有立式和臥式之 分，而立式加工中心是指主軸軸線與工作臺垂直設置的加工中心，主要適用于加 工 各種 板類、盤類、模具及小型殼體類復雜零件，對工件一次裝夾后進行多工序 加工，可連續(xù)完成鉆 、鏜、銑 、鉸、攻絲等多種工序，因而大大 減少了工件 的 裝 夾時間、測量和機床調整等輔助工序時間，并且立式加工中心工件裝夾、定位方 便，刃具運動軌跡 容易 觀察，與相應的臥式加工中心相比，結構簡單，占地面積 較小，價格較低 。 與普通 的 數(shù)控機床相比，它具有以下幾個突出特點。 （ 1） 工序集中 加工中心備有刀庫并 且 能自動換刀， 能連續(xù) 對工件進行多 道 工序加工，使得 工件在一次裝夾后 通過 數(shù)控系統(tǒng)能控制機床 進行零件的自動加工， 按不同的工序， 自動選擇和 更換刀具，自動控制調整 機床主軸轉速、進給量和刀具相對工件的運 動軌跡， 和 其他輔助功能，現(xiàn)代加工中心 則 更大程度地 能使工件在一次裝夾后實 現(xiàn)多表面、多特征、多工位的連續(xù)、高效 加工，即工序集中。 （ 2） 對加工對象的適應性強 加工中心可以根據(jù)需要編制相應的程序以適應不同的復雜零件的加工過程 加工能力和加工范圍大 ，因此加工適應能力強 。 （ 3） 加工精度高 加工中心因為 加工工序集中，并且由數(shù)控系統(tǒng)控制零件的自動加工減少了人 工操作的誤差 ，故加工精度更高，加工質量更加穩(wěn)定。 （ 4） 加工生產率高 加工中心帶有刀庫和自動換刀裝置， 能集中完成多種工序，因而可以減少工 件裝夾、機床的調整等輔助時間， 使機床的切削利用率（切削時間和開動時間之 比） 得到很大提高 ， 高于普通機床的 34倍 。 （ 5） 降低 操作者的勞動強度 加工中心是按事先編好的程序自動完成 對零件的加工 的，操作 人員 除了操 作鍵盤、裝卸零件、進行 一些必要的 關鍵工序的中間測量 和進行 觀察機床的運動 之外，不需要 重復進行繁重的手工操作， 可大為減輕 勞動強度，改善勞動條件 。 1.2 加工中心的結構 1.2.1加工中心的構成 數(shù)控 加工中心又可以分為立式加工中心、臥式加工中心、龍門式加工中心、 五軸加工中心和虛軸加工中心等類型。雖然 看起來 外形結構各異，但 是 總體上都 是又以下幾大部分組成。 （ 1） 基礎部件 這些 由床身、立柱和工作臺等大件組成，他們是加工中心結構中的基礎部件。 這些大件有鑄鐵件，也有焊接的鋼結構件，它們 需要承受加工中心的靜載荷以及 在加工時的切削負載，因此對 靜動剛度 有較高的要求。 （ 2） 主軸部件 主軸部件 由主軸箱、主軸電機、主軸、主軸軸承等零件組成。主軸的啟動、 停止等動作和轉速均由數(shù)控系統(tǒng)控 制，加工工件時通過裝在主軸上的刀具進行切 削。主軸部件是切削加工的 輸出部件，是加工中心的關鍵部件，其結構 性能 的好 壞，對加工中心的 加工 性能有很大的影響。 （ 3） 進給系統(tǒng) 進給運動是機床成形運動的一個重要部分 ，它 由絲杠、電動機、導軌、等零 件組成 ，其傳動質量直接關系到機床的加工性能，所以加工中心機床對進給系統(tǒng) 要求也較高。 （ 4） 數(shù)控系統(tǒng) 包括 CNC裝置、可編程序控制器、伺服驅動裝置以及電動機等部分 ，是 數(shù)控 加工中心執(zhí)行控制動作和控制過程的中心。 （ 5） 自動換刀裝置（ ATC） 加工中心與一般 的 數(shù)控機床的顯著區(qū)別是 配有刀庫， 可以 對零件進行多工 序 加工 ，有一套自動換刀裝置 13-15。 1.2.2 加工中心對結構的要求 （ 1） 具有更高的 動 剛度 在機床的切削過程中的振動不僅直接影 響零件的加工精度和表面質量， 刀具 壽命 也會因此降低 ， 進而影響生產率。又因加工中心 是連續(xù) 切削的，不能再加工 中及時做出調整 消除或減少振動，因此，還必須提高加工中心的動剛度。 （ 2） 具有更小的熱變形 加工中心 的各部件在加工中受切削熱、摩擦熱等內外熱源的影響， 將發(fā)生不 同程度的熱變形，這將 會 影響工件的加工精度。這就要求必須采取措施減少熱變 形對加工精度的影響。主要措施有：對發(fā)熱源采取有效的液冷、風冷等方法來控 制溫升；改善機床結構，使構件的熱變形發(fā)生在非誤差敏感方向上 （ 3） 運動件間的摩擦小并消除傳動系統(tǒng)間隙 加工中心工作臺的位移量以脈沖當量作為它的最小單位，在對刀、工件找正 等情況下，工作臺常以極低的速度運動。這就要求工作臺能對數(shù)控裝置發(fā)出的指 令作出準確的響應，它與運動件的摩擦特性有關。加工中心采用滾動導軌或靜壓 導軌，滾動導軌和靜壓導軌的摩擦力較小，并且在潤滑油的作用下，它們的摩擦 力隨運動速度的提高而加大，這就有效地避免了低速爬行現(xiàn)象，從而使加工中心 的運動平穩(wěn)性和定位精度都有所提高。進給系統(tǒng)中采用滾珠絲杠代替滑動絲杠， 也是基于同樣的道理。另外，采用脈沖補償裝置進行螺距補償，消除了進給傳動 系統(tǒng)的間隙，也有的機床采用 無間隙齒輪作為傳動副。 （ 4） 壽命高、精度保持性好 良好的潤滑系統(tǒng)保證了加工中心的壽命，導軌、進給絲杠及主軸部件都采用 新型的耐磨材料，使加工中心在長期使用過程中能夠保持良好的精度。 1.3 加工中心的發(fā)展方向 數(shù)控技術與加工中心的發(fā)展已走過了半個多世紀歷程，隨著科學技術的 發(fā)展，世界先進制造技術的興起和不斷成熟，對數(shù)控加工技術提出了更高的要求， 超高速切削、超精密加工等技術的應用，對加工中心的各個組成部件提出了更高 的性能指標。當今的加工中心正在不斷采用最新技術成就，超著高速化、高精度 化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化與高可靠性等方向發(fā)展。 加工中心總體設計 2.1 加工中心的結構組成 加工中心本體包括床身立柱橫梁等一些支承件、和導軌等。其中支承件是加 工中心機床的基本構件，主要是指床身、立柱、橫梁、工作臺、箱體、升降臺等 大件。這些大件的作用第一是支承作用，即支承其他零部件，在機床切削時，承 受著一定的重力、切削力、摩擦力、夾緊力；第二是基準作用，即保證機床在使 用中或長期使用后，能夠保證各部件之間正確的相互位置關系和相對運動軌跡 。 加工中心的總體布局有著多種形式，每種布局形式都有著各自的運動分配形式， 當然，布局不同的話，其加工能力和加工范圍，以及各自的加工精度也會隨著布 局的不同而有所差異。 機床 的結構性能也會因此而各有差異， 有的布局形式，機 床的剛性比較好 ，比如工作臺直接放置在床身上，那么工作臺的承載能力會較強 一點。有的布局形式，立柱會受到偏載的影響導致立柱會有前傾的傾向，比如主 軸箱懸掛于立柱的一側，其結果就會導致立柱受到偏心載荷。但是主軸箱如果卡 裝載框式立柱的中間的話，那樣就會形成一種對稱布局的形式，受力以后，它的 變形較小，從而使其加工精度得以提高 。 總體布局方案的確定 參照目前國內外加工中心的多種常用布局形式并適當結合本次設計的任務， 即： 小型立式加工中心總體布局的確定（由小組三人共同商討合 作完成） 也就是 機床的總體尺寸聯(lián)系圖，根據(jù)目前現(xiàn)有的 幾種加工中心比如： MCV2520 小型立式 加工中心、 VMC800、 VMC1250立式加工中心和 XH714等銑削加工中心的總體布局 的形式，再以實驗室內的加工中心的機型作為設計的參考，綜合考慮機床的各個 部件之間尺寸大小和運動形式 初步確定了機床的總體布局方案，并且根據(jù)刀庫配 置形式的不同擬定了以下兩種總體布局方案 ： 第一種方案： 第二種方案 ： 以上 兩種布局 形式 的主要區(qū)別在于刀庫的放置方式不同 。 第一種方案的布局形式中，刀庫懸掛于立柱左邊的橫梁之上，刀庫可以通過驅動裝置在 橫梁上左右移動，另一方面 刀庫 也可以進行轉動以進行刀具的選擇與切換。這是一種不需要 換刀機械手的換刀裝置，當主軸需要換刀的時候 , 刀庫放在主軸箱可以運動的地方，或整個 刀庫或某一刀位能移動到主軸箱可以到達的位置，同時，刀庫中刀具的存放方向一般與主軸 上的裝刀方向一致 ，但是刀具的長度會有所限制 。換刀時，由驅動裝置驅動機床主軸運動到 刀庫上 的換刀位置，利用主軸直接取走或放回刀具。這樣的主軸需要有刀具自動夾緊裝置 ， 這樣，主軸才能完成刀具的自動拆卸和安裝。同時，結構比較簡單，所以制造成本也相對來 說比較低。同時換刀時，刀庫需要整體在橫梁上移動到主軸可以到達的地方，這樣來看，刀 庫的支撐剛度就比較低，所以這樣的布局形式需要機床的立柱和橫梁要有較高的剛度 ，但是 換刀過程中，必須遵循主軸拔刀、刀庫選刀、主軸換刀的過程，上述過程不能同時進行，因 此換刀時間會有點長。 第二種方案的布局形式中， 刀庫側掛于主軸箱旁邊，刀庫軸線 與機床主軸軸 線相互垂直。由于機床主軸和刀具軸線不平行，這樣在主軸換刀的時候就需要一 個輔助裝置來幫助主軸換刀，這個裝置就是換刀機械手。第二種方案其實就是有 換刀機械手的刀庫結構形式 ， 這種自動換刀裝置有一個專做儲存刀具用的刀庫，機床只 需一個夾持刀具進行切削的刀具主軸（鉆、鏜、銑類加工中心）。當需用某一刀具進行切削 加工時，將該刀具自動地從刀庫移送至刀具主軸或刀架中；切削完畢后，又將用過的刀具自 動地從刀具主軸或刀架移回刀庫中 ， 這樣的刀庫中的刀具長度可以稍微長一些 ， 并且，換刀 時，拔刀和還刀可以 同時進行，這樣換刀時間就可以縮短一些 。 結合本次設計的任務（小型立式加工中心），考慮制造成本及其它因素，選擇采用第 一種方案的 布局形式。其優(yōu)點 主要是這種刀庫機構不需要機械手，結構簡單、緊湊 節(jié)省占地 空間 ， 降低加工制造成本 。由于交換刀具時機床不工作，所以不會影響加工精度，但會影響 機床的生產率。其次受刀庫尺寸限制，裝刀數(shù)量不能太多。 而且 這種換刀方式常用于小型加 工中心。 因此采用此種結構方式。 第 3 章 刀庫及自動換刀裝置 3.1 加工中心刀庫 刀庫是所有加工中心都必須配有的裝置 ， 刀庫是 加工中心重要的組成部分。 加工中心備有刀庫，才能具有自動換刀功能，才可以依次選用不同的刀具對工件 一次裝夾后進行多工序加工，完成不同的加工工藝。刀庫的作用是用來存放刀具 的，它是自動換刀裝置中最重要的部件之一。其中，刀庫的布局、容量還有刀具 的具體結構也因機床結構的不同而有所差異。目前加工中心最常用的刀庫形式主 要有鼓輪式刀庫和鏈式刀庫等，其布局形式主要根據(jù)機床整體的布局形式而確定。 其中，鼓輪式刀庫又稱盤式刀庫，常見的形式有刀具軸線與鼓輪軸線平行式和刀 具軸線與鼓輪軸線傾斜式布局兩種。而鏈式刀庫具有結構緊湊、布局靈活、 刀庫 容量大的優(yōu)點，可以實現(xiàn)刀具的預選，因此換刀時間比較短。但鏈式刀庫一般需 要安裝在機床的側面或頂部，占地面積大，并且，一般情況下刀具軸線和主軸軸 刀庫 主軸 刀庫 主軸 主軸 刀庫 刀庫 主軸 刀庫 主軸 刀庫 主軸 (a) (b) (c) (f)(e)(d) 線相互垂直，需要通過機械手進行換刀，因此，機械結構比鼓輪式刀庫結構復雜 。 加工中心利用其所配置的刀庫實現(xiàn)主軸的換刀過程，這是目前加工中心大量使用 的換刀方式，由于有了刀庫，機床只要一個固定主軸夾持刀具，有利于提高主軸 剛度。 另外 獨立的刀庫，大大增加了刀具的儲存數(shù)量，有利于擴大機床的功能， 并能較好地隔離各種影響加工精度的干擾因素 。圖為立式加工中心無機械 手換刀 系統(tǒng)的換刀過程 。 抓刀 主軸至換刀位（到位行程開關），所選刀已被刀庫送至當前位置，首先 主軸卡爪松開，主軸頭下移到抓刀位（行程開關）主軸松刀缸活塞下部通氣，卡 爪抓緊刀柄，氣壓系統(tǒng)對主軸孔吹氣停止，主軸提升到換刀位。 還刀 主軸回裝刀位（到位行程開關），卡爪松開刀柄，主軸提升到位，還刀 結束。 刀庫還刀 刀庫換刀結束后，刀庫按照下步工序要求，采用就近方式旋轉， 將下步刀具送至當前位置，完成選刀過程，等待下次主軸的抓刀過程。 這種換 刀機構不需要機械手，結構簡單、緊湊。由于交換刀具時機床不工作， 所以不會影響加工精度，但會影響機床的生產率。其次受刀庫尺寸限制，裝刀數(shù) 量不能太多 ，一般為 8 24把。 刀庫分為盤式刀庫、鏈式刀庫、格子式刀庫，其中盤式刀庫按取刀方式又分 為徑向取刀和軸向取刀以及刀具軸線和刀盤軸線成一定的夾角幾種形式 本次加工中心的刀庫選用盤式刀庫，刀具軸線和刀盤軸軸線相互平行，采用 軸向取刀的方式 。 大致結構參考下圖 ： 3.2 刀庫設計計算 3.2.1 刀庫設計參數(shù) 刀庫容量： 20把刀 換刀方法：直接換刀 刀庫旋轉：電機和齒輪箱 換刀時間： 8 s 最大刀具質量： 10kg 刀柄類型： No.45系列 ISO7388/1-A 拉釘： ISO7388/2-A 刀庫最大承重： 100kg 刀庫最大位移量： 300mm 查閱相關資料并經過具體設計計算和驗算校核 根據(jù)生產實踐和各參 考資料，設計刀庫如圖 3-3： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1718192021222627282930 39232425 3233 34 35 36 37 38 31 圖 3-3 刀庫結構 圖 1-導軌副； 2-軸承端蓋； 3-軸承； 4-圓螺母； 5-墊片； 6-支撐板； 7-滾珠絲杠； 8-螺釘； 9-墊片； 10-箱體； 11-圓螺母； 12-墊片； 13-護罩； 14 齒輪箱體； 15-大齒輪； 16-鍵； 17- 擋圈； 18-圓錐滾子軸承； 19-墊片； 20-軸承端蓋； 21-軸； 22-盤形刀架； 23-聯(lián)軸器； 24- 錐環(huán)； 25-螺釘； 26-彈簧墊圈； 27-圓螺母； 28-齒輪； 29-伺服電機； 30-手爪； 31-聯(lián)軸器； 32-錐環(huán)； 33-螺釘； 34-伺服電動機； 35-螺栓； 36-螺釘； 37-螺栓； 38-擋板； 39-主軸頭 刀庫除了儲存刀具之外，還要求根據(jù)要求將個工序所用的刀具運送到 換刀位置。本設計才采用電機 34 和 29 驅動。刀庫由電機 34 驅動聯(lián)軸器 31，然后經滾珠絲杠 7把電機的轉動轉換成刀庫整體的移動，刀庫靠近主 軸 39，并在此過程中利用銷釘把護罩打開，使刀柄外露，當?shù)稁焱Ｖ乖趽Q 刀位置后，主軸 39 向下移動，把上道工序所用刀具放回刀庫中的指定安 放位置（盤形刀架 22 上均布 24 個手爪 27，其外側邊緣上有相應的 24 個 刀座編碼板。在刀庫的下方裝有固定不動的刀座號讀取裝置，當盤形刀架 22 轉動時，刀座編碼板依次經過刀座號讀取裝置，并讀出各刀座 的編號， 與輸入指令相比較，當找到所要求的刀座號時，即發(fā)出換刀信號）；松開 刀柄和拉釘，并向上移動一定位移量，使主軸處在刀庫上方；之后，刀庫 在氣馬達 26 的帶動下，經過聯(lián)軸器傳動，帶動刀庫的整體轉動，把所要 求的下道工序刀具轉動到主軸頭 36 的正下方，主軸頭 36 從新向下移動， 加緊刀柄和拉釘，向上移動遠離刀庫，完成換刀動作。電機 34 反轉，帶 動刀庫返回起始位置，等待下一次換刀指令 。 當然，在設計的過程中，必須首先了解刀庫的工作原理和弄清刀庫的 具體結構，才能清 楚 明白進行刀庫的設計工作?？偟膩碚f，此次選的的刀 庫結構 形式主要有兩大部分組成，第一個是 讓刀庫橫向水平移動的部分， 也叫做刀庫的橫移裝置，第二部分是帶動刀盤旋轉的以便進行選刀和換刀 的部分，也叫做刀庫的轉動裝置。 其中刀庫的橫向移動可以有多種方案的 選擇，比如說 可以有氣缸推動刀庫進行橫向移動，或者是液壓缸進行驅動， 也可以用電機加絲杠或者滾珠絲杠進行橫向移動的驅動裝置，導軌可以用 滑動導軌，也可以選用滾動導軌，或者是圓柱導軌，當然它們之間也可以 進行不同的組合得到更多的組合方案。另外，刀庫的轉動部分也有多種設 計方案，第一，可以用電機加渦輪蝸桿進行傳動帶動刀盤進行轉動；第二， 電 機加槽輪機構帶動刀盤軸進行轉動；再者，可以選擇 電機加齒輪傳動的 方式進行傳遞扭矩。當然橫向裝置和轉動裝置之間也可以進行交叉組合得 出多種方案以供選擇。經過綜合考慮和多種方案的比較，最終的選擇方案 如下：橫向移動裝置選則使用電機加滾珠絲杠的形式，導軌選用滾動導軌； 轉動部分選擇使用電機加齒輪減速機構進行傳動。其特點如下伺服電機加 滾珠絲杠可以使刀庫的橫向移動沖擊更小，更加平穩(wěn) ，定位精度較高，誤 差較??；而步進電機則可以精確控制轉動的角度和方向，通過發(fā)送脈沖進 行動作，通過控制發(fā)送脈沖的數(shù)量控制其轉動的角度，通過控制脈沖的頻 率來控制起轉動的速度，并且，對于齒輪傳動來說，齒輪傳動的傳動比比 較準確，傳動效率高，承載能力較強等 故綜上所述選擇以上方案為最 終方案。此外，借助三維建模軟件 SolidWorks 進行三維建模的零部件的 設計以及裝配 體模型 ，以便更加清楚直觀的表示出其總體的空間布局和結 構以及各個部件之間的布局關系以及相互位置關系。其 大致 三維視圖如下 圖所示 ： 軸測圖： 如上圖所示：刀庫的橫向移動裝置在橫梁上左右移動，刀庫的 橫向移動是由 伺服電機直接帶動滾珠絲杠來完成的，電機通過螺栓固定在橫梁上，滾珠絲杠通 過軸承座固定在橫梁上，電機和滾珠絲杠通過聯(lián)軸器直接相連接 。 主視圖： 如圖所示 ， 在機床的橫梁之上，安裝有導軌，導軌選用滾動導軌副， 并且水平 放置 左視圖： 導軌上有與之相配的滑塊，一般是四個滑塊組合在一起使用， 圖上只畫出兩個僅 作為示意而用。 滑塊和右側的滑座通過螺栓連接固定在一起，然后，滑座和滾珠 絲杠螺母副通過螺母座連接在一起，螺母座和滑座都不是標準件，是根據(jù)刀庫的 放置形式和具體結構而專門制作的。整個刀庫的轉動部分就 和 滑座 固連在一塊， 這樣當橫向上的驅動電機通過聯(lián)軸器帶動滾珠絲杠轉動時，滾珠絲杠就將電機的 轉動轉變成直線運動，接著通過螺母座將直線運動傳遞下去，從而使整個刀盤部 分做水平移動 。 刀庫的轉動部分是通過步進電動機經過一級減速齒輪來完成的。由于刀盤的 轉動速度不是特別高，則與電機直接相連接的軸的速度也不是很高 ，電機和第一 根軸之間也是采用聯(lián)軸器直接相連在一起 ，從而需要選擇使用減速電機。 這樣， 電機通過聯(lián)軸器經過一級齒輪減速裝置將運動傳遞到刀盤軸，帶動刀盤軸進行轉 動從而進行選刀和換刀。 后視圖： 刀庫容量的確定 立式加工中心的刀庫中，其刀庫容量的多少基本上就決定了這臺立式加 工中心的加工能力的大小或者說是加工工藝范圍的大小。 一般來說，加工中心要 有適應和滿足加工不同零部件的加工能力，以及加工零件的多樣性、加工工序的 復雜性的能力，所以說，該加工中心的刀庫中必須要有一定的刀具數(shù)量，否則很 難滿足零件加工的復雜性和工序多樣性的要求。而本次設計的加工中心大部分是 用來加工一些需要鉆孔和銑削不大的平面的中小型零件，刀具主要是一些加工孔 的刀具，比如：鉆頭、擴孔鉆、锪孔鉆 等，還有就是一些銑 削平面的銑刀，主要 有立銑刀和直徑不是太大的面銑刀。并且，一般而言，刀庫中的刀具數(shù)量越多， 那么刀庫的外形輪廓尺寸也就越大，在空間中所占的地方位置也越大，成本也會 越高，而刀庫中的刀具數(shù)量如果過少的話，其加工能力會受到極大的限制，不能 滿足其對零件的加工要求。綜合考慮結構尺寸和成本因素，刀庫中最終決定采用 20把刀。 一般情況下，刀盤的轉動速度不是特別快，大概為每分鐘 30 40 轉，也有 少部分轉速比較低的約為每分鐘 15 轉左右，還有一些轉懂速度比較快的，其轉 動速度能達到每分鐘 100轉左右。當然轉動速度越快的話，其刀庫和主 軸之間的 換刀時間也會有所縮短，設計人員也可能是出于這樣的考慮，通過減少換刀的時 間來提高機床的生產率和加工效率。 本次初選刀盤的轉動速度為 30r/min，初選 刀庫的直徑為 D=650mm 3.2.3 刀庫轉動部分的計算 1、 刀庫參數(shù)的選擇 刀具數(shù)量： 20 把 刀具最大直徑 60 mm 刀具最大重量： 10Kg 刀具最大長度： 150mm 刀庫最大移動速度： 8m/min 1）初選刀庫直徑 650mm 采用輪輻式結構，選用 45 鋼材料 ,根據(jù)刀具的形式和 刀具的最大直徑，現(xiàn)擬采用的排列方式為單環(huán)排列 由于一般情況下刀具的最大運動線速度為 20 30m/min ,為了節(jié)省換刀時間， 選刀盤轉速為 n=30 r/min 2)采用電機電機通過一級圓柱齒輪減速裝置帶動刀盤轉動 ，傳動比初定為 i=2， 則與電機軸相連的小齒輪軸的轉速為 60r/min，轉速比較低，故在此選用減速 電機 按刀盤所需扭矩 T=200N m來算 則 轉盤軸所需的功率為 Pw= Kw= =0.63 Kw 則 所需電機的輸出功率為： Pd=Pw =0.630.932= 0.674 Kw 總效率 ： =123 n 其中查表知 各種零件的傳動效率如下 ： 彈性聯(lián)軸器： 1=0.99 0.995 取為 0.99 一對軸承： 2=0.98 0.995 取為 0.99 圓柱齒輪： 3=0.96 0.98 取為 0.97 則 =123=0.99 0.993 0.97=0.932 由以上算的功率和轉速查資料初選減速電機型號為 R57 功率為 1.1KW 輸出轉速 64r/min 輸出轉矩 155 N m 使用系數(shù) 2.7 3)電機驅動轉矩的校核 設與電機直接相連的軸為軸，刀盤軸為軸 則各軸上的轉速和 功率以及扭矩為： 軸 ：因為通過聯(lián)軸器與電機直接相連接 則軸上的轉速 n1=n0= 64 r/min 軸所傳遞的 功率 P = Pd 0.99=1.089 KW 軸上承受的扭矩 T1=9550 1.08964 = 166 N m 軸： 軸上的轉速 n2=n1/i=27.8 28 r/min 軸所傳遞的 功率 P = P 0.99 0.97=1.046 軸上承受的扭矩 2=9550 Pn 2 =9550 1.04628 =356.8 N m 因為 2=356.8 N m > T=200 N m 故電機的驅動轉矩滿足設計要求。 2、 圓柱齒輪的設計 參考書上例題， 由以上可知 輸入功率為 P=1.089 KW ，小齒輪轉速 為 n1=64 r/min 預期工作時間為 10 年 （一年按 300天算）傳動比定為 i=2.3 首先 （ 1） 選用直齒圓柱齒輪傳動 ，壓力角取 20 （ 2）參考機械設計表 10-6 選用 7級精度 （ 3） 選擇小齒輪的材料為 40Cr （調質），齒面硬度為 280 HBS 大齒輪選用 45鋼（調質） （ 4） 初選小齒輪齒數(shù) Z1=31 ，則大齒輪的齒數(shù) Z2= i Z1=71.3 取 Z2= 72 1）、按齒面接觸疲勞強度設計 （ 1） 根據(jù)式（ 10-11） 試算小齒輪的分度圓直徑 d1t 2KHtT1(u+1)（ ZHZEZ） 2 duH2 3 小齒輪傳遞的扭矩 T1=9.55 106P/n1=9.55 106 1.08964 =162499.2 N m 初選 KHt=1.3 齒寬系數(shù) d=0.6 由圖 10-20 查得區(qū)域系數(shù) ZH=2.5 由表 10-5 可得 ZE=189.8 MPa1/2 重合度系數(shù) a1=cos1 Z1 cos/(Z1 +ha)=cos131 cos20/(31+2 1)=28.025 a2=cos1 Z2 cos/(Z2 +ha)=cos172 cos20/(72+2 1)=23.908 =Z1(tana1 tan)+Z2(tana2 tan)/2 =31 (tan28.025 tan20 )+72 (tan23.908 tan20 )/2 =(5.217+5.712)/2 =1.740 Z=43 =41.7403 =0.868 計算接觸疲勞許用應力 H 由圖 10-25d 可知小齒輪的接觸疲勞極限 HLim1=600 MPa，大齒輪的接觸疲 勞極限 HLim2=550 MPa 應力循環(huán)次數(shù) ： N1=60n1jLh=60 64 1 (8 300 10)=9.216 107 N2=N1 /=4.007 107 由圖 10-23 查得壽命系數(shù) KHN1=0.94 KHN2=0.95 取失效概率為 1% ，安全系數(shù) S=1 ,則由式 (10-14) H1=KHN1HN1S =0.94 6001 =564 MPa H2=KHN2HN2S =0.95 5501 =525.3 MPa 取 H = H2=525.3 MPa (2）、試算小齒輪的分度圓直徑 按上面的公式代入數(shù)據(jù)可得： d1t 2 1.3 162499 (72/31+1)（ 2.5 189.8 0.868） 2 1 72/31 525.32 3 71.88 mm 2)、調整小齒輪的分度圓直徑 （ 1）要計算實際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準備 圓周速度 v v= d1tn160 1000 = 71.88 6460000 =0.241 m/s 齒寬 b b= dd1t =71.88 0.6=43.128 mm （ 2）計算實際載荷系數(shù) KH 由書中表 10-2查取使用系數(shù) KA=1 根據(jù)圓周速度 v=0.241 m/s 7 級精度，由圖 10-8 可查取動載系數(shù) KV=1.05 齒輪圓周力 Ft1= 2T1/d1t=2 162499/71.88=4521 N KAFt1/b=1 4521/43.128=104.83 N/mm 100 N/mm 查表 10-3可取齒間載荷分配系數(shù) KH =1.2 ，由表 10-4采用插值法可得 齒向載荷分布系數(shù) KH=1.317 則可計算得到實際載荷系數(shù) KH=KAKvKHKH=1 1.05 1.2 1.317=1.659 （ 3）由公式 10-12，可以得到按實際載荷系數(shù) KH計算的分度圓直徑 d1=d1tKHK Ht 3 =71.88 1.659 1.3 3 =77.96 mm 以及相對應的齒輪模數(shù) m=d1/Z1=77.96/31=2.515 mm 3、按齒根彎曲強度進行設計 1）、按公式 10-7試算齒輪模數(shù) mt 2KFtT1YYFaYsa dz12F 3 (1)選擇公式中的各個參數(shù) 初選 KFt=1.3 根據(jù) 10-5計算按彎曲疲勞強度所用的重合度系數(shù) Y=0.25+0.75 =0.25+0.751.740=0.681 計算 YFaYsa F 根據(jù)圖 10-17查取齒形系數(shù) YFa1=2.55 YFa2=2.25 根據(jù)圖 10-18查取應力修正系數(shù) Ysa1=1.63 Ysa2=1.75 根據(jù)圖 10-24查取小齒輪的齒根彎曲疲勞極限為 FLim1=500MPa 大齒輪的齒根彎曲疲勞極限為 FLim2=380MPa 根據(jù)圖 10-22查取彎曲疲勞壽命系數(shù) KFN1=0.90 KFN2=0.92 若取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，那么 根據(jù)式 10-14可得 F1=KFN1FLim1S =0.90 5001.4 =321.43 MPa F2=KFN2FLim2S =0.92 3801.4 =249.71 MPa YFa1Ysa1 F1 =2.55 1.63321.43 =0.0129 YFa2Ysa2 F2 =2.25 1.75249.71 =0.0158 因為 YFa2Ysa2 F2 =2.25 1.75249.71 =0.0158 YFa1Ysa1 F1 =2.55 1.63321.43 =0.0129 所以取 YFaYsa F =YFa2Ysa2 F2 =2.25 1.75249.71 =0.0158 2） 試算齒輪的模數(shù) 按公式： mt 2KFtT1YYFaYsa dz12F 3 =2 1.3 162499 0.681 1 312 3 =1.654 mm (2)調整齒輪的模數(shù) 要計算實際載荷系數(shù)前的數(shù)據(jù)準備 1）圓周速度 v d1=mtz1=1.654 31=51.274 mm v=d1n160000= 51.274 6460000 =0.172 m/s 2)齒寬 b b= b= dd1=0.6 51.274=30.76 mm 3)寬高比 b/h h=(2ha +c)mt=2.25 1.654 =3.722 b/h=30.76/3.722=8.26 計算實際載荷系數(shù) KF 1）由所算數(shù)據(jù) v=0.172 m/s 7級精度 根據(jù)圖 10-8查取動載系數(shù) Kv=1.02 2） Ft1=2T1/d1=2 162499/51.274=6338.64 N KAFt1/b=6338.46 1/30.76=206.06 N/mm >100 N/mm 根據(jù)表 10-3 查取齒間載荷分配系數(shù) KF=1.0 3）根據(jù)表 10-4 采用插值法算得 KH=1.312 再結合 b/h=8.26由圖 10-13可 得 KF=1.34 那么，載荷系數(shù)可得 ; KF=KAKvKFKF=1 1.02 1.0 1.26=1.285 那么，根據(jù)式 10-13可以計算出按實際載荷系數(shù)所算得的模數(shù) m=mtKFK Ft 3 =1.654 1.285 1.3 3 =1.648 mm 綜合對比以上計算結果，按齒根彎曲疲勞強度所算的模數(shù)小于根據(jù)齒面接觸 疲勞強度所算的模數(shù)，因為齒輪的模數(shù)的大小取決于彎曲疲勞強度決定的承載能 力，而齒輪直徑的大小則與齒面 接觸疲勞強度決定的承載能力有關。所以可以取 由彎強計算得到的模數(shù) 1.684 mm，并將其圓整為標準值 m=2 mm，根據(jù)接觸疲勞 強 度 計 算 的 小 齒 輪 分 度 圓 直 徑 d1=77.96 mm, 由 此 算 得 齒 輪 齒 數(shù) z=d1/m=77.96/2=38.98 取小齒輪齒數(shù) z1=39,那么，大齒輪的齒數(shù) z2=iz1=2.3 39=89.7 取 z2=90 4、尺寸計算 （ 1）分度圓直徑 d1=z1m=39 2=78 mm d2=z2m=90 2=180 mm (2)中心距 a=( d1+ d2 )/2=129 mm 130 mm (3)齒輪寬度 取小齒輪齒寬 b1=45 mm ,則大齒輪齒寬略短 5mm,即 b2=40 mm 二、軸的設計與校核 1、軸的設計計算 軸所傳遞的 功率 P = Pd 0.99=1.089 KW 軸上的轉速 n1=n0= 64 r/min 估算軸的直徑 按扭轉強度的條件進行計算，軸的扭轉強度條件為 T= TW T 9550000 P n 0.2d3 T 公式中 : T 扭轉切應力 ,單位 MPa; T 軸所承受的扭矩， 單位 N m WT 軸的抗扭截面系數(shù) ，單位 mm3 n 軸的轉速 ，單位 r/min P 軸所傳遞的功率 ，單位 KW d 計算截面處軸的直徑 ,單位 mm T 軸的許用扭轉切應力 ，單位 MPa 根據(jù)以上公式可以得到軸的直徑 d 9550000P0.2 tn 3 =9550000 0.2t 3 P n 3 =A 0 P n 3 公式中， A0=95500000.2 t 3 ，查閱 下 表 表 3-1 軸常用材料的 T 及 A0 軸的材料 Q235-A、 20 Q275、 35 45 40Cr、 35SiMn T /MPa 1525 2035 2545 3555 A0 149126 135112 126103 11297 選取軸的材料為 40Cr,可以取 A0=110， T=40 MPa, 則軸的直徑為 d A0Pn3 =110 1.089643 =28.2 mm 一般來說，如果當軸的截面上開有鍵槽的時候，應該適當考慮軸上的 鍵槽對軸的強度的削弱作用，所以應該適當?shù)脑龃筝S的直徑。如果軸的 直徑 d>100 mm,當軸上只有一個鍵槽的時候，軸的直徑應增大 3%，當軸 上有兩個鍵槽的時候，軸的直徑應該增大 7%。如果軸的直徑 d < 100 mm, 那么，當軸上只有一個鍵槽的時候，軸的直徑應增大 5% 7%；當軸上 有兩個鍵槽的時候，軸的直徑應該增大 10% 15%并且將軸的直徑圓整為 標準直徑 因為軸上開有兩個鍵槽，故軸的直徑應增大為 d=28.2 (1+0.15)=32.4 mm 圓整為 d=35 mm 2 軸的校核 按扭轉強度進行計算 T= TW T 9550000 P n 0.2d3 =18.95 MPA 因為 T T=40 MPa, 故軸的設計滿足要求。 3 軸的設計計算 軸所傳遞的 功率 P = P 0.99 0.97=1.046 軸上的轉速 n2=n1/i=27.8 28 r/min 估算軸的直徑 按扭轉強度的條件進行計算，軸的扭轉強度條件為 d A0Pn3 查閱表 15-3 ，選取軸的材料為 45鋼 ，那么可以取 A0=110 ， T=40 MPa, 那么，代入數(shù)據(jù)可以算的軸的直徑為 d A0Pn3 =110 1.046283 =36.2 mm 當軸上開有兩個鍵槽的時候，應該適當增大軸的直徑以考慮軸上的鍵 槽對軸的削弱作用，因為軸的直徑 d < 100 mm,那么由以上說明，軸的直 徑應該增大為 d=36.2 1.10=39.82 mm 并將其圓整為 d=40 mm 軸的結構設計 結構圖如下： 由結構圖知，可以選擇軸承內徑為 45mm 的角接觸球軸承 70000AC， 軸承型號為 7209 下面為軸的工作示意圖： 軸的校核 （ 1）軸上所承受的轉矩 T2=9550 Pn 2 =9550 1.04628 =356.8 N m （ 2）求作用在齒輪上的載荷 已知： 低速級大齒輪的分度圓直徑為 d2=mz2=2 90=180 mm 作用在齒輪上的圓周力 Ft=2T2d 2 =2 356760.7180 =3964 N 作用在齒輪上的徑向力 Fr=Fttan=3964 tan20=1442.8 N 軸的計算簡圖如下： 豎直面內 ： 求支反力 由圖易知： FA+ FB =Fr=1442.8 N 由力矩平衡條件得 Fr