《8刀位液压星型刀塔设计【全套图纸》由会员上传分享,免费在线阅读,更多相关内容在应用文档-天天文库。
目录1绪论12445668102刀塔的设计及计112.1刀塔的功能,类型和应满足的要求11121213141414151617171818383液压系统设计与计算393939393.2液压缸的设计423.2.1选择液压缸类型42和活塞杆直径4243434致谢455参考文献4645/46
11绪论现代工业发展其实就是制造工艺的发展,而这其中一个非常重要的因素就是制造工具——机床的发展。现代机床的发展都趋向于自动化、复合化以及高速化。而作为制造业主力军的数控机床来说,它的发展更是日新月异。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[1]。当前,数控机床发展迅猛,一方面向高速、高效、高精度方面发展,同时,在制造行业中广泛存在原有设备的数控改造和系统升级问题。作为关键附件,高性能的刀塔对于提高机床整体运行的可靠性、稳定性和效率有着重要意义,数控刀塔是由数控系统来控制的,因此,在刀塔本身性能提高的情况下,如何实现控制任务就显得十分重要了。国内数控车床转塔刀架的设计和生产都是依赖先进国家的,而且产品的性能方面跟国外还有一定的差距,期待开发设计一种性能最优,最有实用价值的转塔刀架,来适应市场,替代进口产品低价位的数控车床用转塔刀架,占领国内市场,并达到国际领先水平,为国产机床工业的发展作出贡献。数控车床今后将向中高当发展,中档采用普及型数控刀架配套,高档采用动力型刀架,兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种,预计近年来对数控刀架需求量将大大增加,随着数控车床的发展,数控刀架开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展,因此对刀塔的设计以及它本身性能的研究就显得十分重要。机床拥有量在一定程度上标志着国家的制造能力的大小。因此,我国对机床工业的发展十分重视,经过40多年的努力,目前我国已是机床生产的大国之一,机床的年产量超过16万台,各类机床品种已达2500多个,年产值达220亿元,机床产业已是我国国民经济的重要组成部分。我国的机床拥有量也是惊人的,在八十年代初已达到328万台以上,居世界第二位。目前初略估计,我国机床拥有量已接近400万台。但是也应看到,我国所拥有的机床,大约有一半以上是质量较差的,还有相当数量的机床的役龄已超20~30年,且数控机床、精密加工机床在整个机床拥有量中的所占的比例很小。另一方面,我国所制造的机床中,现代数控、精密的机床所占比例也很小,整个机床产值与机床产量之比很不相称,机床的质量和可靠性也不能适应现代制造业的需要。因此,45/46
2在我国目前所拥有的数控和精密加工机床中,多数是从国外进口的[2]。近十多年来,我国在技术改造上,一改以往传统的强调在原来旧机床上进行改进的做法,而是用购置大量新的各类数控机床来实施技术更新。如一汽的轿车生产线、建设集团的汽车空调器生产线,都大量使用数控机床、加工中心和机电一体化的专用加工设备,使工厂生产率、加工质量和加工自动化程度都有了极大的提高,能与世界先进的同类工件加工生产线相媲美。航天工业总公司近年来花了数亿元购置了数百台各类数控机床、机械加工中心,并先后建立了CAD、CAM和FMC试点。所有这一些,形成了一种巨大的推动力,促我国工艺技术和管理人员的素质。也使加工产品的功能和精度有了长足的进步。在技术引进上,八十年代我国就引进了FANUC的技术,与SIEMENS也有合作,对促进我国数控系统的开发也起到过一定的促进作用。但我国数控技术更新换代的步伐很慢,且所引进的技术含量也值得商榷,尤其在引进技术时着眼促进形成我国自己的技术基础上考虑不够,这是值得引起注意的一个问题。在引进数控机床等贵重设备时,普遍目的性很强,以满足加工需要。但从整体上看,引进的数控设备几乎是"万国牌的,尤其是数控系统,这给维修造成了困难,从长远考虑,将会影响设备的正常使用和利用率。另外在引进设备时着意选择功能更全、精度更高的,甚至还考虑日后更为复杂的加工对象。这种超前的做法,其结果,不仅加大了投资力度,而且还导致许多功能长期不用的浪费。况且,当前机床型号更新极快,以德国Deckel公司为例,刚接收型号为DC30、DC40的订货,数月后即宣布由DC35、DC45替代;又如德国Leitz公司的三坐标测量机数控系统,刚销售的为UMESS系统,但很快就为QUINDOS所取代。因此有许多设备的功能尚未使用就已经过时。数控机床的大量推广使用,充分发挥数控机床的作用,合理管理,提高开动率是十分重要的国外统计资料表明,普通机床的最好开动率不超过15%,而数控机床的开动率可高达85%,而从调查我国引进数控机床使用情况来看,管理和使用情况参差不齐,开动率一般不超过50%,且也有只达到30%以下开动率的管理不够完善的原因很多,大致有:1>引进的设备种类繁多,增加了管理的复杂性;2>数控系统的种类很多,增加了管理的工作量;3>引进的软件由于装备不同而不能充分运用;4>同一地区引进同一设备数量过多,超过所需很多而使设备闲置[3]。本次的课题是8位星型液压刀塔设计,该机构可以一次装夹8把动力刀,可以在加工过程中一次性的进行多道工序的加工,大大提高了加工精度和生产效率。本次设计的主要内容是:1〕对刀塔的结构,刀塔的传动形式以及驱动方式的设计;45/46
32〕刀塔与刀座的连接形式、刀座的选择;3>刀具的交换动作设计、交换时间以及定位锁紧计算;4>刀塔其他辅助部件的设计其结构尺寸进行选择设计,根据课题所要求的刀塔的驱动方式,对其进行设计进而加以优化。本课题的意义在于:1〕根据设计要求,在最短的时间内设计出最优的8位星型刀塔结构,并对其进行动力驱动;2〕减少物质的浪费,用最少的材料设计出满足其设计要求及加工精度的刀塔结构;3>为解决同类问题即关于刀塔的结构形式、刀塔的驱动方式,提供一种研究方法;4>培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力;5>强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力;6〕使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、外文资料文献阅读、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力;7〕培养正确的设计思想和工程经济观点,理论联系实际的工作作风,严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。刀塔概况刀塔是数控车床非常重要的部件,数控车床根据其功能,刀塔上可安装的刀具数量一般为8把、10把、12把或者16把,有些数控车床可以安装更多的刀具。刀塔的结构形式一般为回转式,刀具沿圆周方向安装在刀塔上,可以安装径向车刀、轴向车刀、钻头、镗刀。车削加工中心还可安装轴向铣刀、径向铣刀。少数数控车床的刀塔为直排式,刀具沿一条直线安装。数控车床可以配备两种刀塔:1>专用刀塔由车床生产厂商自己开发,所使用的刀柄也是专用的。这中刀塔的优点是制造成本低,但缺乏通用性。2>通用刀塔根据一定的通用标准,而生产的刀塔,数控车床什产厂家可以根据数控车床的功能要求进行选择配置。45/46
4目前动力刀塔主要可分为两大主流,一是日系工具机大厂自行开发的动力刀塔,另一个则是刀塔制造厂商所开发的动力刀塔。目前国内数控刀塔以电动为主,分为立式和卧式两种。立式刀塔有四、六工位两种形式,主要用于简易数控车床;卧式刀塔有八、十、十二等工位,可正、反方向旋转,就近选刀,用于全功能数控车床。另外卧式刀塔还有液动刀塔和伺服驱动刀塔[4]。如下图是##六馨刀塔。刀塔发展趋势当前,国产数控机床发展迅猛,并向高速、高效、高精度、柔性化、环保方面发展。我国数控机床的快速发展,急需数控机床附件的大力跟进,也就是说好马还须配好鞍。国产数控车床今后将向中高档发展,中档采用普及型数控刀塔配套,高档采用动力型刀塔,兼有液压刀塔、伺服刀塔、立式刀塔等品种,预计近几年对数控刀塔需求量将大大增加。数控刀塔今后的发展趋势是:随着数控车床的发展,数控刀塔开始向快速换刀、电液组合驱动和伺服驱动方向发展,具体来说有一下几个方面:45/46
51〕刀塔转位时间最短,且转位准确。刀塔的质量主要取决于换刀时间和故障率。2〕刀塔定位精度高、动作迅速、稳定可靠。因为数控机床的切削加工精度在很大程度上取决于刀尖位置。由于在加工过程中刀尖位置不进行人工调整,因此,转塔刀塔在结构上必须有良好的强度和刚性,以及合理的定位结构,以保证转塔刀塔在每一次转位之后,具有尽可能高的重复定位精度。3〕可多刀夹持,双向转位和任意刀位就近选刀。4〕应用范围广,维修方便等特点。刀塔设计正在向模块化、标准化、高速化方向发展[5]。现代数控机床的特点纵观二十世纪以来,特别是近十多年来,机床借助于微电子、计算机技术的飞速进步,正向着高精度、多功能、高速化、高效率、复合加工功能、智能化等方向迈进,明显地反映出时代的特征,其主要表现为:1>高精度化:当代工业产品对精度提出了越来越高的要求,仪器、钟表、家用电器等等都有相当高精度的零件,典型的高精度零件如陀螺框架、伺服阀体、涡轮叶片、非球面透镜、光盘、磁头、反射鼓等,这些零件的尺寸精度要求均在微米、亚微米级。因此,加工这些零件的机床也必须受到需求的牵引而向高精度发展。如中等规格的普通机加中心的定位精度,八十年代初为±0.012mm~300mm,到了九十年代初,已提高为±0.002~0.005mm全程<如瑞士DIXI公司的座标镗铣中心>。航天工业是当今高精度数控加工机床发展的典型的受益工业部门之一。第一代惯性器件、伺服机构等高精度仪表零件的高精度关键部位的尺寸精度均在1Lm以下。而当前第二代惯性器件,以动马达为例,其关键部位的尺寸精度已提高到0.1~0.2mm,为适应这种要求,机床主轴回转精度已达到0.1mm以下。当前一些透镜、磁盘等的精度也已要求0.1mm以下的精度,为适应这种需要,数控机床和机械加工中心也必须提高精度,才能与之相适应。为此,在计算机技术发展的推动下,各种加工精度补偿技术得到应用和发展。机床的结构材料,在高精度机床上也已开始普遍使用各种性能稳定、温度影响小新型材料:如花岗岩、人造花岗岩、精密陶瓷、Invar、Superinvar、Zerodur等。典型的实例有瑞士Studer的精密磨床,其床身采用人造花岗岩;日本东京精密公司的三坐标测量机结构件大多是花岗岩,而关键部位采用的是精密陶瓷;德国Heidenhain公司的高精度光栅尺,是用公司Zerodur45/46
6制造,其精度达0.2~200mm。为了保证机床的直线性精度,导轨普遍采用双V型,超高速主轴则采用Si3N4陶瓷滚珠的轴承。2>高速度化:提高生产率是机床技术发展的的永恒主题,这也表现在提高机床主轴的转速上。在八十年代中期,中等规格的机加中心的最高转速为4000~6000r/min;而传统机床的转速均在3000r/min以下;而到了九十年代,则达到了8000~12000r/min,甚至达到50000r/min。为了适应主轴的高速化,滚珠轴承采用油气润滑、喷雾润滑、环下润滑,使用陶瓷滚珠轴承等,各种新型轴承如静压轴承、动压轴承、磁力悬浮轴承等也开始得到应用。另一方面,为提高生产率,缩短工具交换和托板交换等非切削时间也有很大的进步。如数控车床的刀塔__转位时间已从1~30s,减少到0.4~0.6s;机加中心的换刀机构的改进,换刀时间也从5~10s减少到1~3s;托板交换时间则由12~20s减少到6~10s,有的少到2.5s;坐标轴的快速移动目前已提高到18~24m/min,甚至达到30~40m/min。所有这些对缩短非切削时间都起了很大的作用。上述各项措施突出表明了高速化对提高生产率的作用。3>高柔性化:当代产品的多样化和个性化,对机床提出了更高的柔性加工要求。如:车削加工中心可以进行铣削、钻孔;铣削加工中心可以车削、钻孔、攻丝;切削与磨削可在一台机床上完成;最近还有一家日本公司为满足用户需要,将电加工与切削加工集成于一台机床上完成。这种将各种加工功能在一台机床上进行集成,均是为了能在一台机床上实现一次装夹就能完成不同工件的不同的加工要求,以充分展示机床加工的柔性。而机械加工中心的出现,正是适合了这种发展趋势,并与当代产品的多样化和个性化发展默契配合。单件、小批量产品的传统加工,许多精密零件的生产准备时间很长,如惯性平台的四大件,以往的小批量的生产准备周期要长达一年半以上,而使用机械加工中心,则可在同一机械加工中心上逐个完成台体、外环、内环和基座这四大件的加工,成套提供装配,大大缩短了生产准备周期和加工时间。4>高度自动化:自动化是指在全部加工过程中,减少人的"介入",而能自动地完成规定的任务。传统的自动化往往与大批量生产加工联系在一起,使用大量专用机床和组合机床。而目前可以通过数控机床和机械加工中心,不仅能在大批量生产中实现自动化加工,45/46
7也可在小批量、多品种产品的加工中实现自动化生产。另外还应注意的是自动化的"面"也在不断扩展,如自动编程、自动换刀、自动上下料<工件>、自动加工、自动检测、自动监控、自动诊断、自动对刀、自动传输、自动调度、自动管理等等。自动化程度的提高,进一步推动了标准化和进线的生产能力。机械加工的自动化大大提高了生产率,但检测计量往往是一个薄弱环节。如复杂箱体的加工,在机械加工中心上的加工周期已缩短到几个小时,而传统检测,则需要几倍于加工时间。而今生产型三坐标测量机进入生产线,缓解了这种矛盾,使自动化更加全面。另外,数控机床也有了自动检测的系统<如英国Renishaw公司的测量系统>,使在线检测成为现实,检测自动化更加完善。5>造型宜人化:当一台机床展示时,是其外观给人们留下第一形象。近年来,机床造型的宜人化已成为一门学科,宜人化的内容,除了外观、颜色之外,考虑操作使用时方便、省力等人体学知识也是一个重要的方面。好的数控机床不仅要功能齐全、操作可靠安全、性能良好,而且要成为外观宜人和符合操作人体学的一件艺术品。6>高的可靠性:这是一项硬指标,好的数控机床的无故障工作时间
8高速化、高效化:机床向高速化方向发展,可充分发挥现代刀具材料的性能,不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本,而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。90年代以来,随着超高速切削机理、超硬耐磨长寿命刀具材料和磨料磨具,大功率高速电主轴、高加/减速度直线电机驱动进给部件以及高性能控制系统〔含监控系统〕和防护装置等一系列技术领域中关键技术的解决,欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床,加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元〔电主轴,转速15000-100000r/min〕、高速且高加/减速度的进给运动部件〔快移速度60~120m/min,切削进给速度高达60m/min〕、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破,达到了新的技术水平。根据高效率、大批量生产需求和电子驱动技术的飞速发展,高速直线电机的推广应用,开发出一批高速、高效的高速响应的数控机床以满足汽车、农机等行业的需求。还由于新产品更新换代周期加快,模具、航空、等工业的加工零件不但复杂而且品种增多。4>高精度化:精密化是为了适应高新技术发展的需要,也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性,减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。从精密加工发展到超精密加工〔特高精度加工〕,是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级,乃至纳米级〔<10nm〕,其应用范围日趋广泛。超精密加工主要包括超精密切削〔车、铣〕、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工〔三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等〕。随着现代科学技术的发展,对超精密加工技术不断提出了新的要求。新材料及新零件的出现,更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺,发展新型超精密加工机床,完善现代超精密加工技术,以适应现代科技的发展。随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高,机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要,近10多年来,普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm,精密级加工中心的加工精度则从±3~5μm,提高到±1~μm。5>高可靠性:数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上,但也不是可靠性越高越好,仍然是适度可靠,因为是商品,受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工厂而言,如果要求在16小时内连续正常工作,无故障率P
91的话〔数控的可靠比主机高一个数量级〕。此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时,而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。6>智能化:随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展,数控系统的智能化程度将不断提高,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面。〔1〕应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息,并自动调整系统的有关参数,达到改进系统运行状态的目的。〔2〕引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验,加工的一般规律和特殊规律存入系统中,以工艺参数数据库为支撑,建立具有人工智能的专家系统。〔3〕引入故障诊断专家系统〔4〕智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载,而自动调整参数,使驱动系统获得最佳的运行。可以通过自动识别负载,而自动调整参数,使驱动系统获得最佳的运行。综上所述,由于数控机床不断采纳科学技术发展中的各种新技术,使得其功能日趋完善,数控技术在机械加工中的地位也显得越来越重要,数控机床的广泛应用是现代制造业发展的必然趋势[6]。现代技术给机床业带来的新动向飞快的科技进步,给机床发展提出了更高的期望和要求,在这种需求的带动下,机床的设计朝着性能价格比更高、构造更合理新颖、更为用户服务方面着想发展,出现了一些新的动向。摘其要点简介如下:1>廉价数控机床的涌现近年来,全球机床业界掀起了一阵廉价加工中心的高潮,其发展速度极快,成为近几年国际机床展览会中的"宠儿"。与过去的数控机床相比,其特点是售价极低。这一方面应归功于计算机技术的高速进步,数控系统广泛采用个人计算机
10更具开发能力,更能实现高精度加工,提高分辨率,改善伺服跟踪系统,使控制功能更可靠,而价格随PC机的下降而大幅度下降。另一方面,追数控机床"全功能"的心态被实际生产需要所替代,数控机床只保留实用的功能,删除多余功能,从机构上大幅度减少零件数量。廉价数控机床的设计要点是紧密结合工艺,从生产实际需要出发,提高质量,降低成本。廉价数控机床的出现和发展,展示了机床发展的基本趋势。2〕全新结构的数控机床最早在美国IMTS94机床博览会上,出现了被称为"六条腿"的机床。这种新型结构机床的六条腿能自由伸缩,没有导轨和拖板,也称为虚轴机床
11机床上的刀塔是安放刀具的重要部件,许多刀他还直接参与切削工作,如卧式车床上的四方刀塔,转塔车床的转塔刀塔,回轮式转塔车床的回轮刀塔,自动车床的转塔刀塔和天平刀塔等。这些刀塔既安放刀具,而且还直接参与切削,承受极大的切削力作用,所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。随着自动化技术的发展,机床的刀塔也有了许多变化,特别是数控车床上采用电<液>换位的自动刀塔,有的还使用两个回转刀盘。加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手,定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能,这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把,自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。这种刀库和换刀机械手组成的自动换刀装置,就成为加工中心的主要特征。机床刀塔的类型按换刀方式的不同,数控车床的刀塔系统主要有回转刀塔、排式刀塔和带刀库的自动换刀装置等多种形式,下面对这三种形式的刀塔作简单的介绍。1〕排式刀塔一般用于小规格数控车床,以加工棒料或盘类零件为主。它的结构形式为:夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的X坐标轴方向排列在横向滑板上。刀具的典型布置方式如图4所示。这种刀塔在刀具布置和机床调整等方面都较为方便,可以根据具体工件的车削工艺要求,任意组合各种不同用途的刀具,一把刀具完成车削任务后,横向滑板只要按程序沿X轴移动预先设定的距离后,第二把刀就到达加工位置,这样就完成了机床的换刀动作。这种换刀方式迅速省时,有利于提高机床的生产效率。##机床厂生产的CK7620P全功能数控车床配置的就是排式刀塔。2〕回转刀塔回转刀塔是数控车床最常用的一种典型换刀刀塔,一般通过液压系统或电气来实现机床的自动换刀动作,根据加工要求可设计成四方、六方刀塔或圆盘式刀塔,并相应地安装4把、6把或更多的刀具。回转刀塔的换刀动作可分为刀塔抬起、刀塔转位和刀塔锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀塔根据刀塔回转轴与安装底面的相对位置,分为立式刀塔和卧式刀塔两种。3〕带刀库的自动换刀装置上述排刀式刀塔和回转刀塔45/46
12所安装的刀具都不可能太多,即使是装备两个刀塔,对刀具的数目也有一定限制。当由于某种原因需要数量较多的刀具时,应采用带刀库的自动换刀装置。带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。回转刀塔排式刀塔图机床刀塔类型结构图机床刀塔应满足的要求1〕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同,要求刀塔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,所以要求刀塔可以方便地转位。2〕在刀塔以要能牢固地安装刀具,在刀塔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。刀塔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,刀塔的运动轨迹必须准确,运动应平稳,刀塔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。3〕刀塔应具有足够的刚度。由于刀具的类型、尺寸各异,重量相差很大,刀具在自动转换过程中方向变换较复杂,而且有些刀塔还直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量,所以刀塔必须具有足够的刚度,以使切削过程和换刀过程平稳。4〕可靠性高。由于刀塔在机床工作过程中,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。5〕—6秒之间不等。而且还在进一步缩短。45/46
136〕操作方便和安全。刀塔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,往往是评价刀塔设计好坏的指标。刀塔上应便于工人装刀和调刀,切屑流出方向不能朝向工人,而且操作调整刀塔的手柄〔或手轮〕要省力,应尽量设置在便于操作的地方。刀塔的整体方案设计刀塔是车床的重要组成部分,用于夹持切削用的刀具,因此其结构直接影响到车床的切削性能和切削效率。根据前部分对机床刀塔类型、性能及其使用场合的综合比较,并结合现有数控车床的实例,本次设计8刀位星型液压刀塔。该刀塔的换刀动作分为刀盘抬起、刀盘分度转位和刀盘锁紧三个步骤,其中刀盘抬起和刀盘锁紧由液压来实现,而刀盘的分度转位于液压马达驱动。车床刀塔的转位机构方案设计一般来说,机床刀塔的转位机构主要有以下几种:1〕液压〔或气动〕驱动的活塞齿条齿轮转位机构这种由液动机驱动的转位机构调速范围大、缓冲制动容易,转位速度可调,运动平稳,结构尺寸较小,制造容易,因而应用较广泛。而转位角度大小可由活塞杆上的限位档块来调整。也有采用气动的,气动的优点是结构简单,速度可调,但运动不平稳,有冲击,结构尺寸大,驱动力小。故一般多用于非金属切削的自动化机械和自动线的转位机构中。2〕圆柱凸轮步进式转位机构这种转位机构依靠凸轮轮廓强制刀塔作转位运动,运动规律完全取决于凸轮轮廓形状。圆柱凸轮是在圆周面上加工出一条两端有头的凸起=轮廓,从动回转盘〔相当于刀塔体〕端面有多个柱销,销子数量与工位数相等。当圆柱凸轮按固定的旋转方向运动时,有的柱销会进入凸轮轮廓的曲线段,使凸轮开始驱动回转盘转位,与此同时有的圆柱销会与凸轮轮廓脱离,当柱销接触的凸轮轮廓由曲线段过渡到直线段时,即使凸轮继续旋转,回转盘也不会转动,即完成了一次刀盘分度转位动作。如此反复下去,就能实现多次的刀塔换刀操作。由于凸轮是一个两端开口的非闭合曲线轮廓,所以当凸轮正反转进均可带动刀盘正反两个方向的旋转45/46
14。这种转位机构转位速度高、精度较低,运动特性可以自由设计选取但制造较困难、成本较高、结构尺寸较大。这种转位机构可以通过控制系统中的逻辑电路或PC程序来自动选择回转方向,以缩短转位辅助时间[8][9]。3〕液压马达驱动的刀塔转位随着现代技术的发展,可以采用液压马达驱动齿轮副〔消除间隙〕实现刀塔转位,转位的速度和角位移均可通过霍尔检测元件定位,因而这种转位机构转位速度精度高,结构简单、实现容易[10]。结合上述三种转位机构的转位机理和特点,并结合实际情况,本次设计的刀塔采可采用第三种转位机构,液压马达驱动齿轮副带动刀盘转位。刀塔定位机构方案设计目前在刀塔的定位机构中多采用锥销定位和端面齿盘定位。由于圆柱销和斜面销定位时容易出现间隙,圆锥销定位精度较高,它进入定位孔时一般靠弹簧力或液压力、气动力,圆锥销磨损后仍可以消除间隙,以获得较高的定位精度。端齿盘定位由两个齿形相同的端面齿盘相啮合而成,由于齿合时各个齿的误差相互抵偿,起着误差均化的作用,定位精度高。端齿盘定位的特点:1〕定位精度高由于端齿盘定位齿数多,且沿圆周均布,向心多齿结构,经过研齿的齿盘其分度精度一般可达左右,一对齿盘啮合时具有自动定心作用。所以中心轴的回转精度、间隙及磨损对定心精度几乎没有影响,对中心轴的精度要求低,装置容易。2〕重复定位精度好由于多齿啮合相当于上下齿盘的反复磨合对研,越磨合精度越高,重复定位精度也越好。3〕定位刚性好,承载能力大,两齿盘多齿啮合。由于齿盘齿部强度高,并且一般齿数啮合率不少于90%,齿面啮合长度不少于60%,故定位刚性好,承载能力大。考虑到端面齿盘具有以上的各种优点,因而本次设计的刀塔采用端面[11[12]。45/46
15下图所示为回转刀塔的结构图,刀塔的松开和夹紧以及刀盘的分度转位分别由液压系统和液压马达来实现。安装刀具的刀盘与主轴固定连接,换刀时,液压缸注入压力油,俩个与端齿盘固定的活塞拉动静端齿盘向右移动,使得与动端齿盘脱开,既所谓的刀盘松开。当刀盘松开之后,微机判断是正转还是反转,进而液压泵给马达供如压力油,带动刀盘旋转,既所谓的换刀,另外指出,此次设计主轴带动刀盘换刀,是通过液压马达带动齿轮副,并且通过拨叉使扭矩传递到主轴,进而带动刀盘旋转的。刀盘旋转指定刀位后,液压马达带刀盘停止转动,与静端齿盘固定的俩个液压缸动作,活塞向左移动,使得经端齿盘和动端齿盘啮合,完成精定位和刀盘的锁紧。而当刀盘而刀盘的粗定位由霍尔元件实现,精定位由端齿盘的啮合来完成〔端面齿盘齿形为梯形状〕。当加工工件时,即动力刀座驱动,首先通过拨叉把马达到刀盘的传动链断掉,然后为了使扭矩传递到刀座上,通过液压泵把压力油注入缸体右腔,活塞向左移动,传动链则变成液压马达→齿轮副→锥齿轮副→刀座。此时再刀盘紧锁的状态下,动力刀加工工件。于是如此循环往复。图2.1八刀位星型液压装配图2.液压马达的选型计算假设用直径为40mm的8齿圆柱铣刀,铣削宽度为25mm的铸铁,铣刀γ0=5o,fz=0.05mm/r,ap=4mm45/46
16则可计算铣削力为:取最大铣削速度Vc=188m/min则取铣削时,消耗功率为:刀盘设计与计算刀盘相邻刀位换刀时间为0.1S,则换刀时刀盘的转速为=75r/min故=24则:=2445/46
17可选择输入功率为防止根切,小齿轮齿数齿轮的计算Ⅰ.高速级齿轮计算1〕选定齿轮类型,精度等级,材料及齿数<1>根据途中传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动<2>传动速度不高,故选用7级精度〔GB10095-88〕<3>材料选择,由表10-1选择,小齿轮材料为40Cr<调质>,硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢〔调质〕,硬度为240HBS,二者材料硬度相差为40HBS<4>选小齿轮齿数为20齿,大齿轮的齿数2>按齿面接触强度设计:由设计计算公式<2.1>进行试算,即:<1>确定公式各值①试选载荷系数②计算小齿轮传递的转矩:45/46
18③查表选齿宽系数④查表查的材料的弹性影响系数⑤查图得按齿面硬度查的小齿轮得接触疲劳强度极限,大齿轮的接触疲劳强度极限为⑥由式6-13计算应力循环次数=60×1800×2×〔2×8×300×15〕×=×⑦查表接触疲劳寿命系数⑧计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%,安全系数S=1,则:=540MPa45/46
19=522.5MPa<2>计算①试算小齿轮分度圆直径,代入中较小的值=②计算圆周速度V③计算齿宽b=1×④计算齿宽与齿高之比模数:齿高:m245/46
20×所以⑤计算载荷系数查图取系数如下:动载荷系数KV=1.22直齿轮由表查得使用系数KA=1由表用插值法查得7级精度小齿轮相对支承非对称布置时由=8.89,,查图10-13得:故载荷系数:=1××1×⑥按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径,由式〔〕得:⑦计算模数m45/46
213〕按齿根弯曲强度设计:由式〔〕得弯曲强度的设计公式为:〔1〕确定公式内的各计算数值①由图10-20c查的小齿轮的弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度极限②由图10-18取弯曲疲劳寿命系数③计算弯曲疲劳许用应力由式〔10-12〕得:45/46
22④计算载荷系数K⑤查取齿形系数查得:2.65⑥查表查得:1.58⑦〉计算大、小齿轮的,并加以比较:大齿轮的数值较大〔2〕设计计算45/46
23对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数,由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力,而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力,仅与齿轮直径〔即模数与齿数的乘积〕有关,可取由弯曲强度算的的模数1.41,并就近圆整为标准值m=,按接触强度算的的分度圆直径=37.224mm,算出小齿轮齿数:25大齿轮齿数:z2=6×25=1504〕几何尺寸计算〔1〕计算分度圆直径:=150×=225mm〔2〕计算中心距:〔3〕计算齿轮宽度45/46
24=1×取=37.5mm=40mmⅡ.低速级齿轮计算1>选定齿轮类型,精度等级,材料及齿数<1>根据途中传动方案,选用直齿圆柱齿轮传动<2>传动速度不高,故选用7级精度〔GB10095-88〕<3>材料选择,由表10-1选择,小齿轮材料为40Cr<调质>,硬度为280HBS,大齿轮材料为45钢〔调质〕,硬度为240HBS,二者材料硬度相差为40HBS<4>选小齿轮齿数为Z3=20齿,大齿轮的齿数Z4=4×20=802>按齿面接触强度设计:由设计计算公式〔2.1〕进行试算<1>确定公式各值①试选载荷系数Kt②计算小齿轮传递的转矩=已知数据经过高速级齿轮副传动,假设传递效率为0.98,则输出到低速级齿轮功率为45/46
25=300r/min③查表选齿宽系数④查表查的材料的弹性影响系数⑤按齿面硬度查的小齿轮得接触疲劳强度极限,大齿轮的接触疲劳强度极限为⑥计算应力循环次数=60×300×<2×8×300×15>==⑦接触疲劳寿命系数⑧计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%,安全系数S=1,由式〔10-12〕得:45/46
26=540MPa<2>计算①试算小齿轮分度圆直径,代入中较小的值②计算圆周速度V③计算齿宽b=1×④计算齿宽与齿高之比模数:45/46
27齿高:×所以⑤计算载荷系数查图表得:动载荷系数KV=0.9直齿轮查表得使用系数KA=1查表用插值法查得7级精度小齿轮相对支承非对称布置时由=11.1,,查图10-13得:故载荷系数:=1××1×⑥按实际的载荷系数校正所算得的分度圆直径,得:⑦计算模数m45/46
283>按齿根弯曲强度设计:由弯曲强度的设计公式〔2.4〕计算〔1〕确定公式内的各计算数值①查表得小齿轮的弯曲疲劳强度极限大齿轮的弯曲疲劳强度极限②查图取弯曲疲劳寿命系数③计算弯曲疲劳许用应力取弯曲疲劳安全系数得:45/46
29④计算载荷系数K⑤查取齿形系数查表得:2.65⑥查表得:1.58⑦计算大、小齿轮的,并加以比较:大齿轮的数值较大〔2〕设计计算45/46
30对比计算结果,由齿面接触疲劳强度计算的模数m大于由齿根弯曲疲劳强度计算的模数,由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力,而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力,仅与齿轮直径〔即模数与齿数的乘积〕有关,可取由弯曲强度算的的模数2.8,并就近圆整为标准值m=3mm,按接触强度算的的分度圆直径=68.746mm,算出小齿轮齿数:23大齿轮齿数:z4=4×23=924>几何尺寸计算〔1〕计算分度圆直径:=23×3=69mm=92×3=276mm〔2〕计算中心距:45/46
31〔3〕计算齿轮宽度=1×69=69mm取Ⅲ.由于此时高速级大齿轮转速为75r/min,而需要铣削速度需要达到1500r/min,所以传动比可分配为:为了简单计算,在分好传动比的基础上,着重考虑锥齿轮的相关计算如下:1>选定齿轮传动类型、材料、热处理方式、精度等级。〔1〕齿轮类型由设计要求知选用标准直齿锥齿轮。〔2〕通用减速器的传动精度范围为6—8级,故选用7级精度。〔3〕查表选用小齿轮的材料为40cr<调质处理>,硬度为280HBS;大齿轮的材料为45钢〔调制处理〕,硬度为240HBS。二者材料的硬度差为40HBS.〔4〕初选小齿轮的齿数为Z1=18,则大齿轮的齿数为Z2=4×18=72。按齿面接触疲劳强度计算由公式〔2.1〕计算小齿轮分度圆直径确定公式内各参数值①②小齿轮传递转矩×106×PⅠ/n1×104N·mm③齿宽系数取④材料弹性影响系数查得:④查表得小齿轮的接触疲劳强度极限:大齿轮的接触疲劳强度极限:45/46
32⑤计算应力循环次数:N1=60n1×j×L×h=60×1400×1×<2×8×300×15>×109×109⑥计算接触疲劳许用应力取失效概率为1%,安全系数S=1.2〕计算(1)试算小齿轮分度圆直径d1,代入[]中较小的值d1≥×=(2)计算小齿轮的圆周速度V==/s(3)计算齿宽bRt=d1=b/R得b=×Rt=29.3mm(4)计算mt(5)计算载荷系数①根据小齿轮的圆周速度V=3.297,7级精度,查图得②动载荷系数③齿间载荷分配系数KHa=KFa=1④使用系数45/46
33⑤齿向载荷分布系数KH=KF=1.5KHbe查表得KHbe=1.25,则KH=KF×⑥齿形系数和应力校正系数YFa=YSa⑦由于当量齿数Zv1=Z1/cos=22Zv2=Z2/cos<90->=242查表得故载荷系数K=KAKvKHaKH⑧按实际载荷系数校正所得的分度圆直径d1=d1=40mm⑨计算模数1〕按齿根弯曲强度设计由设计计算公式〔2.5〕m≥确定公式内各参数值(1)由图查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限:=45/46
34大齿轮的弯曲疲劳强度极限:=(1)由图差得弯曲疲劳寿命系数(2)取弯曲疲劳安全系数S=1.4得[]=KFN1×/S=[]=KFN2×/S=(3)计算载荷系数:K=KAKvKFaKF(4)齿形系数:(5)计算大、小轮的并加以比较m≥=对比计算结果,得齿面接触疲劳强度计算的模数m大于齿根弯曲疲劳强度的模数。由于齿轮模数m的大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力,而齿面接触疲劳强度所决定的承载能力仅与齿轮直径有关,可取弯曲强度算得的模数1.93,并圆整为标准值m=2mm。接触强度算得的分度圆直径d1=40mm,算出小齿轮齿数Z1=d1/m=40/2≈20大齿轮齿数Z2=2×40≈8045/46
35这样设计出的齿轮传动,既满足了齿面接触疲劳强度,又满足了齿根弯曲疲劳强度,并做到结构紧凑,避免浪费。2〕齿轮几何尺寸计算(1)计算分度圆直径d1=Z1×m=20×2=40mmd2=Z2×m=160mm(2)计算齿轮宽度b=×RR=d1mm×mm名称代号计算公式小齿轮大齿轮分锥角吃顶高haHa=ha*m=1×m=2mm齿根高hfHf=
36故同样可得并且由上可得,故满足齿根弯曲疲劳强度的要求。刀塔主轴的计算1〕主轴的输出功率、转速、和转矩分别为,,,,则2〕求作用在齿轮上的力因已知低速级大齿轮分度圆直径为则:3〕确定最小轴直径:选取轴材料为45钢,调制处理,取则:45/46
37由此看出最小轴直径为2.3mm,本次设计最小轴比2.3mm大的多,所以不应该存在断裂等现象。轴上各零件参考装配图。3液压系统设计与计算由于该刀塔刀盘的松开和夹紧均由液压系统通过液压缸活塞的往反运动来实现,当车床在切削加工时,刀具所受的切削力由端面齿盘通过螺栓卸荷给刀塔,为使刀塔在强力切削下能稳妥可靠地工作,液压缸必须有足够的拉紧力拉住刀盘,使用于夹紧定位的端面齿盘在车床切削过程中始终处于啮合状态。因而液压泵及油泵电动机的配置对液压系统的工作性能有重要的影响。液压油泵的选择选择油泵的主要依据是压力和流量,一般来说,齿轮泵价格低,维修方便,但当系统压力达到较大值时,输油压力脉动大,噪声大。不宜作数控机床的油源;叶片泵的输油压力脉动小,噪声小。因而被广泛用于数控机床的主要油源。所以本液压系统的液压泵选用叶片泵。油泵电动机功率的选择计算1〕油泵工作压力的计算油泵工作压力应等于液压缸的工作压力和油液在管道中流动时产生的压力损失之和。即45/46
382〕液压缸工作压力的估算对于中小型的数控车床,通常推荐液压缸的拉紧力为10。液压缸活塞的有效工作面积设定为;本设计中的刀塔液压缸的工作压力。3〕油液压力损失的估算在液压系统方案未确定之前,先对整个系统的压力损失进行估算,等到正式系统设计完成后,再进行详细的验算。式中----油的运动粘度〔厘沲〕;----流量〔升/分〕;----管子的内径〔毫米〕;-----管道总长〔米〕;----修正系数。当时,=1当时,。流量的计算方式如下:液压系统所需的油泵流量是由工作油缸的尺寸和运动速度的快慢要求来决定的。工作油缸需油量用下式计算:式中----活塞运动速度;----活塞有效工作面积。取;取。代入公式〔3.3〕得=考虑到泄漏的影响油缸实际需油量为:45/46
39式中为修正系数在之间。所以选用管径油管内径应足够大,以减少油的压力损失。但管径若过大则会使结构笨重、增加制造成本。正确选用管径一般是先选取管中的流速,然后计算管径,再按与标准规格相近的选用。由于所以式中----管子的内径;----通过管子的流量;。将上面计算的结果代入式中得设液压系统管道的总长度则有得油泵的工作压力根据能量守恒原理,油泵输出液压油的功率就是需要油泵电动机的功率〔不考虑效率〕。因此只需算出油泵输出液压油的功率就可以确定该选多大功率的电动机。45/46
40油泵的输出功率式中----液压泵的工作压力;----液压系统的液压油流量。将相关数据代入可得=则油泵电动机的功率为:型叶片泵,.此外,尚需考虑电动机本身的效率及从电动机到油泵的联轴节或皮带传动等的效率,故电动机的功率应适当地加大。3.2液压缸的设计选择液压缸类型由于该液压缸主要用于驱动刀塔主轴的直线往反动动.故选用双作用单杆活塞缸.液压缸内径和活塞杆直径的计算计算液压缸的内径和活塞杆直径都必须考虑到设备的类型,例如在金属切削机床中,对于动力较大的机床<刨床,拉床和组合机床>一定要满足牵引力的要求,计算时要以力为主;对于轻载高速的机床<磨床,珩磨机和研磨机等>一定要满足速度的要求,计算时要以速度为主.由于本刀塔的抬起动作是在数控车床脱离切削时完成的,因而在换刀过程中并没有承受切削力的作用,因而符合第二种情况,计算时以速度为主。以速度为主计算液压缸的内径和活塞杆直径根据执行机构的速度要求和选定的液压泵流量来确定液压缸内径和活塞杆直径,再从标准中选取相近尺寸加以圆整。对于单活塞杆缸来说,当液压油进入油腔时45/46
41式<3.6>中----输入液压缸的流量;----液压缸活塞的运动速度;设液压缸活塞的往复速度比值为,即:。由于活塞往复运动的速度相等,所以。由相关资料可知,当时,一般取。则得从GB-2348-80标准中选取的液压缸内径为80mm,活塞杆直径取40mm.原理设计液压回路的原理1〕回转刀盘分系统回转刀盘分系统有2个执行元件,刀盘的松开与夹紧由液压缸执行,液压马达则驱动刀盘回转。因此,分系统的控制回路也有2条支路。第一条支路有三位四通换向阀3和2个单项调速阀9和10组成。通过三位四通换向阀3的切换控制液压马达即刀盘正转、反转,儿2个单项调速阀9和10与变量液压泵,则使液压马达在正传、反转时都能通过进油路容积调速来调节旋转速度。第二条支路控制刀盘的放松与夹紧是通过二位四通换向阀的切换来实现的。刀盘的完整旋转过程:齿盘松开→刀盘通过左转或者右转就近到达指定刀位→刀盘夹紧。因此电磁铁的动作顺序是4DT得电〔刀盘松开〕→8DT〔正转〕或者7DT〔反转〕得电〔刀盘旋转〕→8DT<正转时>或7DT〔反转时〕失电〔刀盘停止转动〕→4DT失电〔刀盘夹紧〕。2〕动力刀座驱动动力刀座系统驱动的执行元件45/46
42是液压缸,控制油路则由一个有2个电磁铁的二位四通换向阀1,、1个二位四通换向阀2/2个减压阀6和7组成。进油路:液压泵→减压阀6→换向阀2→换向阀1→液压缸右腔回油路:液压缸左腔→换向阀1→油箱。卸载动力刀座驱动:阀1切换至右位。此时右移。进油路:液压泵→减压阀6→换向阀2→换向阀1→液压缸左腔回油路:液压缸右腔→换向阀1→油箱。图3.1液压系统框图45/46
434致谢在这次毕业设计中得到了很多老师和同学的热心帮助,在这里我要一一向他们表示感谢。首先我要感谢我们的指导老师彭玉海老师。从毕业设计开始到期末答辩,彭老师一直严格要求我们,为我们安排了合理的作息时间,避免了由于作息时间无序而出现的懒散现象的发生。为了能使我们按时胜利的完成毕业设计任务,彭老师尽量给我们寻找资料,加深了我们对刀塔的理性认识。由于有关刀塔的资料较少,在网上也难以找到,彭老师亲自通过不同途径为我们找到相关的资料,保证了毕设的进度。正是在彭老师有效的指导下,使得我们小组每个同学的进度都达到了学院的要求。在学院组织的中期检查中,我们组的同学没有一个因为进度跟不上而遭到检查老师的批评。我很欣赏彭老师严谨的治学态度,敬佩他的为人,感谢他对我们的耐心指导。我相信这三个月来他对我的教诲一定会使我终身受益。其次我要感谢我们小组的所有同学,在设计过程中他们给了我无私的帮助。他们在许多方面都走在我们的前面,让我觉得有一本手册,随时都能解决我在设计中遇到的困惑。还有很多我无法一一列举##的师长和友人给了我指导和帮助,在此衷心的表示感谢,他们的名字我一直铭记在心!最后,衷心感谢在百忙之中抽出时间审阅本论文的专家教授。45/46
445参考文献[1]盛伯浩主编.机床的现状与发展.:机械工业,2005.1.~98页.[4]李小兵.双刀塔四轴联动车床在套管螺纹自动加工线中的应用.~152页.[5]~30页.[6]吉涛,刘乘.多工位转塔刀架的数控实现.机床与液压.20##9期第89~90页.[7]陈浩然,陈辉.数控机床刀塔定位的改进.设备管理与维修.20##第7期20~24页[8]陈远龄,黎亚元主编.机床电器自动控制.:##大学,[9]许洪基,雷光主编.现代机械传动手册.:机械工业,[10]卜炎主编.实用轴承设计手册.:[11]章宏甲,黄谊,王积伟主编.液压与气压传动.:机械工业,[12]成大先主编.机械设计手册.[15]·[16]刘士玉.五轴联动车铣中心现状与发展策略.世界制造技术与装备市场.20##6月第3期94~96页.[17]王巍,钱可强.机械工程图学[M].:机械工业,2000.2~255[18]数字化手册系列〔软件版〕编写委员会.机械设计手册〔软件版〕[DK]:机械工业,1999.[19]WilliamOrthwein.MachineponentDesign.WestPublishingpany,,MN,USA.1990;[20]KuehnleMR.ToroidalDrivebinesConcepts.ProductEngineeringAug.1979.[21]S-GWangandY-LHSU.One-Passmillingmachiningparameteroptimizationtoachievemirrorsurfaceroughness.EngineeringManufacture.2005.45/46
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