伺服轉塔刀架設計含15張CAD圖,伺服,刀架,設計,15,CAD 摘要 對于加工人員來說，耗時最多，費力最多的就是將工件進行裝夾定位，所以他們更愿意能在一次裝夾定位中完成所有的加工步驟，但是因加工要求的不同，一個產品的加工難以采用一把刀完成，所以，相關人員就針對機床的刀架系統(tǒng)進行研究，最終設計了可以更換刀具的刀架系統(tǒng)，能有效的降低因換刀過程中造成的生產效率低，加工精度下降等問題。 具有回轉功能的轉塔刀架，配合臥式結構的數(shù)控機床，可以在工件裝夾以后，可以實現(xiàn)多刀多工序加工。這種加工方式可以適應不同規(guī)格的工件，在市場應用性方面也比較廣，得到了廣大機械加工人員的歡迎。 本次畢業(yè)設計的目的是設計一款具有8位盤型的伺服轉塔刀架，它采用伺服電機為刀盤提供轉位動力，大大提高換刀速度，所以在可靠性方面比較高。本次設計工作如下：首先，完成轉塔刀架的結構，選定電機型號，確定轉塔刀架的傳動形式；其次，確定刀盤的樣式；再次，對端齒盤子系統(tǒng)、鎖緊裝置進行設計，確定刀盤轉換功能的設計；最后，完成相關輔助設計，包括冷卻系統(tǒng)，刀盤內部結構等部分的設計。 關鍵詞轉塔刀架；刀盤；伺服電機；鎖緊裝置；端齒盤 Abstract For processing staff, the most time-consuming, laborious most is the workpiece clamping position, so they are more willing to complete all processing steps in a clamping position, but because of the different requirements of the processing, processing of a product is difficult to use a knife, so that relevant personnel for carriage system the machine tool is studied, the final design of the turret system can replace the tool, can effectively reduce the tool change process due to low production efficiency, machining precision down. Turret turret with rotary function, with the horizontal structure of CNC machine tools, you can work in the workpiece after clamping, you can achieve multi - knife, multi - process processing. This method of processing can adapt to different specifications of the workpiece, in the market application is also relatively wide, has been welcomed by the vast number of machining personnel. The purpose of this graduation project is to design a servo turret turret with 8 disk type. It uses servo motors to provide power for the cutter to transfer gears, and greatly improves the speed of tool changing, so it is relatively high in reliability. This design work is as follows: firstly, to complete the structure of turret, the selected motor model, determine the transmission form of the turret; secondly, to determine the cutter style; again, the end tooth plate system, locking device design, determine the cutter conversion function design; the most complete, aided design the cooling system, including design, cutter and other parts of the internal structure. Key wordsTurret; cutter head; servo motor; locking device; end gear disc 目錄 摘要 1 ABSTRACT 2 第一章緒論 4 1.1 本課題研究的背景及其意義 4 1.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀 4 1.3 本次設計研究內容 6 第二章伺服轉塔刀架的方案設計 7 2.1 伺服轉塔刀架功能部件的介紹及工作原理 7 2.1.1伺服轉塔刀架各部分功能介紹 7 2.1.2伺服轉塔刀架工作原理 7 2.2 傳動系統(tǒng)方案設計 8 2.3 分度裝置的方案設計 9 2.4 端齒盤鎖緊方案設計 9 2.5 冷卻系統(tǒng)方案設計 10 2.6 伺服轉塔刀架設計要求 10 第三章 伺服轉塔刀架轉位機構的設計與計算 11 3.1伺服電機的選型計算 11 3.2齒輪傳動部分各軸的轉速、功率、扭矩的計算。 13 3.3齒輪部分設計與計算。 14 3.3.1第一級齒輪的傳動計算 14 3.3.2第二級齒輪的傳動計算 18 3.3.3第三級齒輪的傳動計算 21 第四章 端齒盤結構選型與設計 25 4.1端齒盤主要參數(shù)的設計計算 25 4.2鎖緊力的校核 28 4.3液壓缸的行程 29 第五章 冷卻系統(tǒng)的設計 30 5.1箱體管道的設計 30 5.2出水盤設計 31 5.3分水盤設計 32 5.4刀盤冷卻孔的設計 33 總結 34 參考文獻 35 致謝 36 2 第一章緒論 1.1 本課題研究的背景及其意義 工業(yè)的發(fā)展，從本質上講就是制造技術的發(fā)展，機床作為現(xiàn)代制造業(yè)的重要加工設備，更是日新月異的發(fā)展，隨著計算機技術的發(fā)展，現(xiàn)代機床的發(fā)展方向也趨于自動化、高速化、高精度。 刀架是機床的重要組成部分，隨著上個世紀五十年代初，麻省理工學院在一臺銑床上研發(fā)了一款可以控制三軸運動的數(shù)控系統(tǒng)，到了五十年代末，美國的卡奈特雷克公司就在數(shù)控機床的基礎上研發(fā)出具有自動換刀裝置的刀架。隨著數(shù)控機床技術的發(fā)展，具有自動換刀裝置的刀架也相應得到了發(fā)展。與數(shù)控機床一樣，刀架系統(tǒng)也使用數(shù)控系統(tǒng)，所以采用高性能的刀架系統(tǒng)對于數(shù)控機床的加工精度與加工穩(wěn)定性有著重要的意義。目前，國內已經(jīng)有許多公司可以生產數(shù)控機床上專用的轉塔刀架，但是其生產技術與生產工藝大部分都來自于歐美等先進工業(yè)國家，所以所生產的產品在性能方面與原裝進口產品有一定的差距，這些差距主要體現(xiàn)在設計理念與加工工藝方面，從技術水平來看，存在一到兩代的差距，由于進口轉塔刀架在價格上遠高于國內產品，所以市場上迫切希望國內能生產出性能比較優(yōu)秀的轉塔刀架，能代替一部分進口產品，有效降低企業(yè)的生產成本。 1.2 國內發(fā)展現(xiàn)狀 目前，我國數(shù)控刀架起點較低，存在一定的缺點，其產品種類單一，在生產上也存在一定的不可靠性，其相關配套廠家也比較少，所以與世界上先進的制造業(yè)國家相比較，存在一定的差距。 近年來，我國數(shù)控機床等相關產品也將出現(xiàn)井噴式的發(fā)展，其發(fā)展方向必然為趨向中高檔方向，特別是高檔機床，將采用具有動力源型的刀架，所以在此基礎上對數(shù)控刀架技術的研究就有了重要的意義。 在分類上，數(shù)控轉塔刀架主要分為兩種形式，分別是非動力刀架和動力刀架，其中非動力刀架主要有電動刀架、液壓刀、以及伺服刀架等幾種形式，而動力刀架主要分為雙動力刀架、單動力刀架以及復合型刀架幾種形式。 非動力刀架的劃分一般根據(jù)其驅動形式來進行的，其中電動刀架的驅動力來源自普通電機，液壓刀架的驅動力來源自液壓馬達，伺服刀架的驅動力來源自伺服刀架，直驅刀架的的驅動力來源自直驅電機。 其中伺服刀架廣泛應用在高檔數(shù)控機床之上，它采用液壓系統(tǒng)鎖緊，響應時間迅速且鎖緊可靠，受到用戶的廣泛好評。伺服刀架的機械部分主要由伺服電機、傳動系統(tǒng)、液壓鎖緊系統(tǒng)等部分構成，由電氣控制系統(tǒng)操作，可迅速完成刀盤的轉位、定位以及鎖緊等操作步驟。其外形圖如圖1-1所示。 圖1-1 伺服轉塔刀架 隨著我國對高檔數(shù)控機床的需求量越來越多，對伺服轉塔刀架的需求量也越來越大，由于我國目前在相關轉塔刀架的研發(fā)水平與先進制造國家有差距，導致市場上的伺服轉塔刀架大多是進口產品，且價格都比較高，這也價格最終會轉化的產品的成本上，所以迫切需要我國的研發(fā)設計人員能設計出達到，或者接近進口轉塔刀架的產品，進而增強產品的市場競爭力，本次設計就是在這一需求的基礎上提出的。 1.3 本次設計研究內容 本次設計的目的是完成任務書要求的伺服轉塔刀架的結構設計，由于伺服轉塔刀架分為機械系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)兩部分，本次設計的內容是完成機械系統(tǒng)的設計以及部分零部件的選型工作，其步驟如下： 1. 完成伺服轉塔刀架的方案設計，分析伺服轉塔刀架的各部分功能，對相關部分進行初步方案設計； 2. 完成伺服轉塔刀架主體結構的設計，完成伺服電機的選型，初步完成齒輪、軸及鍵的強度校核。 3. 完成鎖緊裝置的設計，包括鎖緊力的校核，液壓缸的選型與設計。 4. 對伺服轉塔刀架的輔助系統(tǒng)進行設計，主要是刀盤的冷卻系統(tǒng)。 第二章伺服轉塔刀架的方案設計 高檔數(shù)控機床普遍使用伺服轉塔刀架，它采用伺服電機和液壓驅動的方式對刀盤進行旋轉和鎖緊。從換刀動作進行分析，換刀過程可以分為刀盤的抬起、分度轉位、鎖緊三個步驟，其中刀盤分度轉位由伺服電機提供動力，而刀盤的抬起和刀盤的鎖緊功能由液壓缸提供動力。 以上工作步驟為伺服轉塔刀架的工作過程，下面將根據(jù)以上工作內容，對伺服轉塔的各個部件進行選型和設計，對整機方案進行設計。 2.1 伺服轉塔刀架功能部件的介紹及工作原理 2.1.1伺服轉塔刀架各部分功能介紹 1. 刀盤用于安裝刀具，因設計要求采用8工位，所以刀盤結構設計采用8工位設計，為了在切削加工時對切削刀進行冷卻，刀盤內部設計有潤滑通道； 2. 動力轉動部分這部分的功能是完成刀盤的分度轉位，由伺服電機提供動力，經(jīng)多級齒輪傳動后實現(xiàn)刀具的轉動，由于采用多級齒輪減速，可以實現(xiàn)刀盤的精度定位； 3. 液壓控制系統(tǒng)這部分的作用是完成刀盤的抬起和刀盤的鎖緊功能，通過液壓系統(tǒng)，控制端齒盤結構的鎖緊與分離。 4. 其它輔助部件這兩面包括箱體結構，分水盤等部件，主要為伺服轉塔刀架的正常工作而存在的。 2.1.2伺服轉塔刀架工作原理 伺服轉塔刀架的換刀工作過程簡單來說可以分為三個步驟，分別是端齒盤分離，刀盤接受指令轉到預定位置，以及端齒盤重新在液壓系統(tǒng)的作用下鎖緊。但是實際操作過程中，因涉及多個部件的工作，需要一個精確的數(shù)控系統(tǒng)才能實現(xiàn)，其工作原理可以見圖2-1。 如圖2-1所示，其換刀工作通過數(shù)控系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的操作共同完成的。 2.2 傳動系統(tǒng)方案設計 工業(yè)上常用的傳動形式有兩種，分別是圓柱齒輪傳動和渦輪蝸桿傳動兩種形式，圓柱齒輪傳動和渦輪蝸桿傳動在傳遞動力上都有精度高、傳動穩(wěn)定等特點。但是它們之間又有一定的區(qū)別。 圓柱齒輪傳動是最常用的傳遞形式，齒輪傳動減速比配比比較自由，可以通過多級減速實現(xiàn)所需要的傳遞轉速，制造成本也比較高。 渦輪蝸桿傳動的特點是采用空間交錯的方式進行傳遞運動，其空間交錯的夾角可以任意調節(jié)。與圓柱齒輪相比較，具有單級速比比較大，特別是渦輪材料需要使用減磨青銅材料，具有加工難度大，造價比較高的缺點。特別是傳動效率比較低。 根據(jù)兩種傳動方式的比較，本次設計所選擇的傳動方式為圓柱齒輪傳動。 2.3 分度裝置的方案設計 在轉塔刀架換刀過程中，換刀位置的精確與否主要由分度裝置來掌握，對于轉塔刀架裝置，端齒盤，也叫做鼠牙盤，是最為常用的分度裝置，由于其特殊的結構形式，端齒盤具有分度精確度高、重復定位精度高以及能夠自動定心等優(yōu)點。特別是其在使用壽命方面是其它分度裝置所不能媲美的，所以本身設計的分度裝置選擇的也是端齒盤結構。 2.4 端齒盤鎖緊方案設計 當換刀工作到位后，需要對端齒盤進行鎖緊，使端齒盤重新嚙合，才能進行下一步的加工工作，在轉塔刀架裝置中，常用的鎖緊裝置有兩種，分別采用的是液壓鎖緊和電磁鐵鎖緊。 液壓鎖緊裝置采用的方法是液壓缸驅動的方式進行鎖緊，將要鎖緊的端齒盤與液壓鎖緊裝置中的活塞部件通過螺栓進行連接，在液壓油的作用下，活塞可以在一個行程內進行前進或者后退，當活塞后退時，兩個端齒盤進行分離，當活塞前進時，兩個端齒盤重新嚙合。 電磁鐵鎖緊裝置采用電磁鐵通電或者斷電的方式進行鎖緊，鎖緊時電磁鐵的磁力線圈通電產生磁場，這樣楔形鐵塊在磁力的作用下做軸向運動，楔形磁鐵進而推動端齒盤進行前進，從而實現(xiàn)端齒盤的鎖緊工作；換刀時電磁鐵的磁力圈失電，這樣楔形鐵塊在彈簧的作用下后退，帶動端齒盤后退。 通過兩種方式的對比，液壓鎖緊裝置具有相應時間迅速，運行平穩(wěn)，且設計比較自由，制造也比較容易，所以本次設計鎖緊裝置選用液壓鎖緊。 2.5 冷卻系統(tǒng)方案設計 由于刀具在切削加工過程中產生大量的熱，所以需要冷卻液對其進行降溫處理，在本次設計中，冷卻液通過轉塔刀架殼體兩端的輸入口進入出水盤，出水盤固定在箱體上，出水盤上有四個孔，分別與刀架課題的四個輸入孔對應，當使用一端的輸入口時，另一端的輸入口采用水堵堵住，分水盤與刀盤一起轉動，分水盤上一共有16個孔，當?shù)侗P轉動到工作位置時，分水盤上的孔與輸入口的孔對應，這樣冷卻液通過分水盤進入刀盤，然后從刀盤的流道流出，進而對刀具盡心降溫處理。 2.6 伺服轉塔刀架設計要求 通過以上方案的設計，可以初步完成伺服轉塔刀架的整體結構方案設計，下面對伺服轉塔刀架的各部分進行設計計算。其設計要求見表2-1： 表2-1 伺服轉塔刀架性能參數(shù) 中心高 100 轉45°時間（s） 0.2 轉45°并鎖緊時間（s） 0.35 轉180°并鎖緊時間（s） 0.76 最大攜帶轉動慣量（Kg.m2） 3 最大不平衡力矩（N.m） 30 重復定位精度 ±1.6” 分度精度 ±4” 工作壓力（MPa） 3.5±0.2 最大切向力矩（N.m） 3200 最大軸向力矩（N.m） 4000 第三章 伺服轉塔刀架轉位機構的設計與計算 在完成伺服轉塔刀架總體方案設計后，下一步需要進行的工作是需要對伺服轉塔刀架各部分進行設計計算，根據(jù)已知設計條件，對各部分進行選型與設計計算。 3.1伺服電機的選型計算 在伺服電機的選擇上，需要同時滿足轉塔刀具在工作時的負載扭矩和啟動過載中克服自身阻力產生的扭矩。根據(jù)設計任務書說明，負載扭矩為3N.m，所以根據(jù)設計參數(shù)，對伺服轉塔刀架的電機進行選型。 1.伺服轉塔刀架相關技術參數(shù) 工位數(shù)：8 減速齒輪比：36 負載扭矩：3N.m 2.伺服電機扭矩計算 伺服轉塔刀架在運轉過程中需要克服的扭矩有以下幾個 1）.刀盤在啟動過程中的加速扭矩TZ； 2）.刀盤在完成刀具安裝后所產生的不平衡，這個不平衡所引起的扭矩TP，轉塔刀架在實際應用中一般采用滿載狀態(tài)，所以產生的偏載扭矩很小，此處取0； 3）.伺服轉塔刀架在工作過程中產生的摩擦扭矩TM，由于伺服轉塔刀架內部結構比較復雜，所以在對摩擦扭矩的計算一般選用經(jīng)驗法，在本次設計中取TM=30N.m； 首先是計算刀盤在啟動過程的加速扭矩TJ 式中?????????? nm—在換刀過程中電動機轉速(r/min)； ?? ?tj?—加速時間，通常取0.05s； ?????????????? ?Jm—電動機轉子慣量(kg.m2)； ??????????????? TL—負載扭矩，3N.m； 負載慣量折算到電動機軸上的慣量的JL估算 式中 ?????????????? ?Jh—各個旋轉部件的轉動慣量(kg.m2)； ??????????????? —各個旋轉部件的角速度(rad/s)； —電機的角速度(rad/s)； 其中各個旋轉部件的轉動慣量包括齒輪、軸、刀盤等各個部分的旋轉部件的旋轉慣量，在設計中，對于齒輪、軸等部件。由于其在轉動過程中所產生的轉動慣量很小，遠小于刀盤和刀盤上負載的轉動慣量，所以在本次計算中，對于這一步的轉動慣量不予考慮， 在本次設計中，刀盤的轉動慣量的計算方法采用三維建模的方式得到，在完成刀盤的三維建模后，以自身旋轉軸為中心，計算刀盤的轉動慣量。JL僅代表刀盤的轉動慣量，經(jīng)建模后驗算，刀盤轉動慣量為3.6kg.m2。而刀盤上最大負載的轉動慣量作用在電機的負載扭矩為3N.m。 將刀盤的轉動慣量數(shù)值帶入公式，可得 N.m 所以可以求得轉塔刀架在啟動過程中的加速扭矩TZ TZ= Tj +TP +TM=303+0+30=333N.m 根據(jù)計算，伺服電機在輸出端所輸出的最大扭矩為333N.m，因此扭矩是電機經(jīng)多級齒輪減速后得到的，所以伺服電機所輸出的最大扭矩應該為333/36=9.25N.m。查詢電機樣本，最終選擇的伺服電機的型號為ECMA-EΔ1310S(DELTA)，輸出功1Kw，額定扭矩4.77，最大輸出扭矩14.3N.m，額定轉速2000r/min，最高轉速3000r/min。 3.2齒輪傳動部分各軸的轉速、功率、扭矩的計算。 在完成伺服電機的選型以后，需要齒輪傳動系統(tǒng)進行設計，本次齒輪傳動的減速比為36，采用三級減速，在減速比的分配上，減速器的第一級、第二級、第三級速比分別是i1=2.5，i2=3.2,，i3=4.5。 1. 齒輪傳動各軸的理論轉速 電機軸：nd=2000 r/min Ⅰ軸：n1=2000 r/min Ⅱ軸： Ⅲ軸： 輸出軸： 2. 齒輪傳動各根軸的理論輸入功率 電機軸： Ⅰ軸： Ⅱ軸： Ⅲ軸： 輸出軸： 2.各根軸的理論輸入扭矩 電機軸： Ⅰ軸： Ⅱ軸： Ⅲ軸： 輸出軸： 在完成以上數(shù)值的計算后，然后再進進行匯總，可得到表3-1 表3.1 各軸運動和動力參數(shù)匯總表(理論值) 軸號 理論轉速 （） 輸入功率 （） 理論轉矩 （） 理論傳動比 電機軸 2000 1 4775 / 軸1 2000 0.99 4727 2.5 軸2 800 0.95 11341 3.2 軸3 250 0.91 34762 4.5 輸出軸 55.6 0.87 149433 3.3齒輪部分設計與計算。 在完成傳動系統(tǒng)速比的分配后，可以對齒輪傳動系統(tǒng)中的齒輪進行設計，由于轉塔刀架在工作時傳遞的扭矩不大，本次設計齒輪選擇圓柱直齒輪，這樣齒輪在傳遞過程中不承受軸向力，且軸承可以選用深溝球軸承。下面將對三級齒輪傳動系統(tǒng)一一進行計算。 3.3.1第一級齒輪的傳動計算 兩個齒輪的具體材料屬性如下： 小齒輪：20CrMnTi 熱處理方式：滲碳淬火，齒面硬度58-62HRC，齒輪芯部35-40HRC 接觸疲勞強度極限： 彎曲疲勞強度極限： 大齒輪：20CrMnTi 熱處理方式：滲碳淬火，齒面硬度58-62HRC，齒輪芯部35-40HRC 接觸疲勞強度極限： 彎曲疲勞強度極限： 初步選取小齒輪的模數(shù)1.5，齒數(shù) Z1=24，則大齒輪的齒數(shù)：Z2=i·Z1=2.5×24=60 1.按齒面接觸強度進行校核 確定公式內的各計算值 1） Kt：載荷系數(shù)；取1.3。 2） 計算許用接觸應力 ①應力循環(huán)次數(shù) 小齒輪： 大齒輪： ②接觸疲勞壽命系數(shù) 查《機械設計》圖10-19得，KHN1=0.88；KHN2=0.9。 ③計算許用接觸應力 設失效概率1%，安全系數(shù)S=1; 小齒輪： 大齒輪： 其中取數(shù)值較小的，所以 3） T1:小齒輪轉矩；T1=4721N.mm。 4） ：齒寬系數(shù)；查表10-7，由于傳遞的扭矩不大，取。 5） ZE：材料彈性影響系數(shù)；查表10-6得，Mpa1/2 6） u：傳動比；u=2.5。 將以上各值帶入計算 7）試算小齒輪分度圓直徑 根據(jù)前文所選取的模數(shù)與齒數(shù)，小齒輪的分度圓d1t=36mm，所以選取的模數(shù)與齒數(shù)合適。 8）計算圓周速度 9）計算齒寬b 10）計算載荷系數(shù)，公式： ① KA：使用系數(shù)；查表10-2,得 ② KV：動載系數(shù)；查《圖10-8，得KV=1. ③ ：齒間載荷分布系數(shù)；查表10-3，得。 ④ ：齒向載荷分布系數(shù)；查表10-4，得。 將載荷系數(shù)帶入下式： 根據(jù)齒面接觸強度設計，所選擇的模數(shù)與齒數(shù)符合設計要求。 2. 按齒根彎曲強度進行校核 1）計算載荷系數(shù) ①彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4。 ②彎曲疲勞壽命系數(shù)：查圖10-18， 得，。 2）計算兩個齒輪的并加進行對比 對比： 故取0.01572。 將以上各值帶入進行計算 所選取的齒輪模數(shù)為1.5mm，所以所選取的齒輪模數(shù)滿足齒根彎曲強度設計要求。 3.幾何尺寸計算 1）計算中心距 2）計算大小齒輪的分度圓直徑 3)計算齒輪寬度 圓整后b=15mm。 3.3.2第二級齒輪的傳動計算 兩個齒輪的具體材料屬性如下： 小齒輪：20CrMnTi 熱處理方式：滲碳淬火，齒面硬度58-62HRC，齒輪芯部35-40HRC 接觸疲勞強度極限： 彎曲疲勞強度極限： 大齒輪：20CrMnTi 熱處理方式：滲碳淬火，齒面硬度58-62HRC，齒輪芯部35-40HRC 接觸疲勞強度極限： 彎曲疲勞強度極限： 初步選取小齒輪的模數(shù)1.5，齒數(shù) Z1=20，則大齒輪的齒數(shù)：Z2=i·Z1=3.2×20=64 1.按齒面接觸強度進行校核 確定公式內的各計算值 1） Kt：載荷系數(shù)；取1.3。 2）計算許用接觸應力 ①應力循環(huán)次數(shù) 小齒輪： 大齒輪： ②接觸疲勞壽命系數(shù) 查《機械設計》圖10-19得，KHN1=0.9；KHN2=0.92。 ③計算許用接觸應力 設失效概率1%，安全系數(shù)S=1; 小齒輪： 大齒輪： 其中取數(shù)值較小的，所以 3） T1:小齒輪轉矩；T1=11341N.mm。 4） ：齒寬系數(shù)；查表10-7，由于傳遞的扭矩不大，取。 5） ZE：材料彈性影響系數(shù)；查表10-6得，Mpa1/2 6）u：傳動比；u=3.2。 將以上各值帶入計算 7）試算小齒輪分度圓直徑 根據(jù)前文所選取的模數(shù)與齒數(shù)，小齒輪的分度圓d1t=30mm，所以選取的模數(shù)與齒數(shù)合適。 8）計算圓周速度 9）計算齒寬b 10）計算載荷系數(shù)，公式： ⑤ KA：使用系數(shù)；查表10-2,得 ⑥ KV：動載系數(shù)；查圖10-8，得KV=1.06 ⑦ ：齒間載荷分布系數(shù)；查表10-3，得。 ⑧ ：齒向載荷分布系數(shù)；查表10-4，得。 將載荷系數(shù)帶入下式： 根據(jù)齒面接觸強度設計，所選擇的模數(shù)與齒數(shù)符合設計要求。 2. 按齒根彎曲強度進行校核 1）計算載荷系數(shù) ①彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4。 ②彎曲疲勞壽命系數(shù)：查《機械設計》圖10-18， 得，。 7）計算兩個齒輪的并加進行對比 對比： 故取0.01536。 將以上各值帶入進行計算 所選取的齒輪模數(shù)為1.5mm，所以所選取的齒輪模數(shù)滿足齒根彎曲強度設計要求。 3.幾何尺寸計算 1）計算中心距 2）計算大小齒輪的分度圓直徑 4)計算齒輪寬度 3.3.3第三級齒輪的傳動計算 兩個齒輪的具體材料屬性如下： 小齒輪：20CrMnTi 熱處理方式：滲碳淬火，齒面硬度58-62HRC，齒輪芯部35-40HRC 接觸疲勞強度極限： 彎曲疲勞強度極限： 大齒輪：20CrMnTi 熱處理方式：滲碳淬火，齒面硬度58-62HRC，齒輪芯部35-40HRC 接觸疲勞強度極限： 彎曲疲勞強度極限： 初步選取小齒輪的模數(shù)1.75，齒數(shù) Z1=18，則大齒輪的齒數(shù)：Z2=i·Z1=4.5×18=81 1.按齒面接觸強度進行校核 確定公式內的各計算值 1）Kt：載荷系數(shù)；取1.3。 2）計算許用接觸應力 ①應力循環(huán)次數(shù) 小齒輪： 大齒輪： ②接觸疲勞壽命系數(shù) 查圖10-19得，KHN1=0.92；KHN2=0.96。 ③計算許用接觸應力 設失效概率1%，安全系數(shù)S=1; 小齒輪： 大齒輪： 其中取數(shù)值較小的，所以 3）T1:小齒輪轉矩；T1=34762N.mm。 4）：齒寬系數(shù)；查表10-7，由于傳遞的扭矩不大，取。 5）ZE：材料彈性影響系數(shù)；查表10-6得，Mpa1/2 6）u：傳動比；u=4.5。 將以上各值帶入計算 7）試算小齒輪分度圓直徑 根據(jù)前文所選取的模數(shù)與齒數(shù)，小齒輪的分度圓d1t=31.5mm，所以選取的模數(shù)與齒數(shù)合適。 8）計算圓周速度 9）計算齒寬b 10）計算載荷系數(shù)，公式： ① KA：使用系數(shù)；查表10-2,得 ② KV：動載系數(shù)；查圖10-8，得KV=1.04 ③ ：齒間載荷分布系數(shù)；查表10-3，得。 ④ ：齒向載荷分布系數(shù)；查表10-4，得。 將載荷系數(shù)帶入下式： 根據(jù)齒面接觸強度設計，所選擇的模數(shù)與齒數(shù)符合設計要求。 2. 按齒根彎曲強度進行校核 1）計算載荷系數(shù) ①彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4。 ②彎曲疲勞壽命系數(shù)：查圖10-18， 得，。 7）計算兩個齒輪的并加進行對比 對比： 故取0.01523。 將以上各值帶入進行計算 所選取的齒輪模數(shù)為1.75mm，所以所選取的齒輪模數(shù)滿足齒根彎曲強度設計要求。 3.幾何尺寸計算 1）計算中心距 2）計算大小齒輪的分度圓直徑 4)計算齒輪寬度 圓整后取b=15mm 將以上各部分進行計算后，其相關幾何尺寸見表3.2 表3.2 齒輪參數(shù)表 第一級 第二級 第三極 mn 1.5 1.5 1.75 a 63 63 86.625 μ 2.5 3.2 4.5 精度 7 7 7 齒輪 1 2 3 4 5 6 24 60 20 64 18 81 (mm) 36 90 30 96 31.5 141.75 (mm) 15 15 15 15 15 15 第四章 端齒盤結構選型與設計 端齒盤又叫做鼠牙盤，是常用在加工中心、數(shù)控機床等需要精密分度的設備上的精密分度定位元件。在使用上，它具有以下優(yōu)點： 1. 分度精度高； 2. 分度范圍大； 3. 精度重復性和持久性好； 4. 剛度好； 5. 結構緊湊，使用方便； 6. 便于維護 雖然端齒盤具有以上優(yōu)點，但是在使用時，還具有以下缺點。 1. 需要設計升降結構，由于端齒盤在工作時需要脫開或者嚙合，需要有一定的機構完成此部分工作； 2. 需要有鎖緊機構，防止因外力而產生脫開，在設計時一般將此部分的設計與升降結構同時完成； 3. 需要有嚴格的密封環(huán)境，防止因雜物進入影響精度； 4. 不能任意連續(xù)分度。 4.1端齒盤主要參數(shù)的設計計算 1. 齒數(shù)的確定 端齒盤的齒數(shù)按下式進行計算： 式中，所以齒數(shù)Z=120 2. 齒盤外徑d 端齒盤的外景主要由安裝空間決定，在安裝空間許可的范圍，外徑越大，結構的穩(wěn)定性就會越好。 3．端齒盤齒形角 端齒盤的齒形角與最大切向力矩M和軸向的鎖緊力N有關，把作用在端齒盤齒的切向外力Q和鎖緊力進行分解，如圖4-1所示。 圖4-1 受力分析圖 由圖4-1可知 ，，， 所以上面的不等式可以變?yōu)? ，， 最后得 從上式可以看出，齒形角與鎖緊力成正比關系。所以在齒形角的設計時，要綜合考慮切向力矩和鎖緊力的平衡，通常齒形角有，，之分，本次選取。 4．端齒盤齒根角 齒根角如圖4-2所示，端齒盤在嚙合時齒寬方向的嚙合質量與齒根角有關。 圖4-2 端齒盤剖視圖 圖4-3 單齒俯視圖與軸向展開圖 在圖4-3中，可以根據(jù)三角關系，得出以下兩式 最終可得，將式帶入下圖三角關系中。 圖4-4 齒面嚙合剖視圖 可得 當時，上式可以變?yōu)? 5. 最大周節(jié)和最大齒厚 端齒盤齒厚的會向內沿著中心線方向縮小，將齒形沿圓周方向展開，最大周節(jié)t和最大齒厚B為： 圖4-5 沿周長方向展開齒形 6. 齒頂高和嚙合高度 齒頂高是指嚙合平面與齒頂?shù)淖畲缶嚯x，如圖4-5所示，齒頂高為h，h一般為 三角形高度的1/2.5，所以 當時，。 上下端齒的嚙合高度為2h，所以脫離高度應大于2h。 7. 齒寬 由于端齒盤嚙合時所有的齒同時嚙合，所以可按經(jīng)驗公式取 8. 齒底槽寬和齒頂寬 齒槽寬是齒底上加工的一定寬度和深度的槽，圖4-5所示b就為齒槽寬 齒頂寬在確定齒頂高的時候自然形成，所以在這里不需要另行計算。 4.2鎖緊力的校核 根據(jù)設計書要求，軸向鎖緊力矩為M=4000N.m，最大的切向力矩為3200 N.m，所設計的齒盤的齒面最大外徑為170mm，齒面的內徑為110mm?？梢杂嬎愠鳊X盤的周向力： 軸向力： 預緊力可以根據(jù)下式求得： 式中K為安全悉數(shù)，在這里取1.8 4.3液壓缸的行程 液壓缸行程的就散與齒的嚙合高度有關，為了保證端齒盤能脫開，脫離高度應大于嚙合高度，嚙合高度： 這里定液壓缸的行程為5mm。 第五章 冷卻系統(tǒng)的設計 機床在進行切削加工的時候，需要有冷卻液。冷卻液主要是為了降低加工區(qū)域的溫度、清理加工時產生的碎屑以及防止產生腐蝕等功能，冷卻液一般根據(jù)加工工件的不同而使用的種類也不相同。 由于轉塔刀架在使用過程中需要經(jīng)常的旋轉，所以使用常規(guī)的冷卻方法很難實現(xiàn)，在本次設計中，冷卻液通過轉塔刀架殼體兩端的輸入口進入出水盤，出水盤固定在箱體上，出水盤上有四個孔，分別與刀架課題的四個輸入孔對應，當使用一端的輸入口時，另一端的輸入口采用水堵堵住，分水盤與刀盤一起轉動，分水盤上一共有16個孔，當?shù)侗P轉動到工作位置時，分水盤上的孔與輸入口的孔對應，這樣冷卻液通過分水盤進入刀盤，然后從刀盤的流道流出。下面伺服轉塔刀架的冷卻系統(tǒng)進行設計。 圖5-1冷卻系統(tǒng)設計 5.1箱體管道的設計 在伺服轉塔刀架工作過程中，因冷卻管道的需要，輸入端最好保持在靜止狀態(tài)，在伺服轉塔刀架系統(tǒng)中，有足夠的空間，又保持靜止狀態(tài)的直郵箱體了，所以本次設計中冷卻管道的設計在箱體上，在結構上靠近刀盤端。 圖5-2 箱體管道設計 如圖5-2所示，冷卻液的進入口在箱體的兩端，在使用時根據(jù)工件的位置不同，采用一個堵住，另一個通冷卻液；圖5-2所示的上下四個孔以及中間的兩個孔為工藝孔，作用是將進入刀盤的孔串聯(lián)起來，以便冷卻液進入，這六個工藝孔在裝配時需要用絲堵堵住。 5.2出水盤設計 出水盤如圖5-3所示，出水盤采用四個沉頭螺釘固定在箱體上，冷卻液可以在左右四個通孔進入分水盤。 從圖5-1可知，出水盤固定在箱體上，冷卻液通過水嘴進入分水盤，水嘴采用PTFE材料，在彈簧的作用下，具有一定密封性能，使冷卻液到達分水盤不泄露。 出書盤冷卻液有四個通道，圖5-1所示為流通通道，采用的是水嘴，另一端是不流通通道，采用的是水堵，可根據(jù)現(xiàn)場加工條件調整冷卻液流通的方向。 圖5-3 出水盤設計 5.3分水盤設計 分水盤與旋轉的端齒盤通過銷固定在一起，所以在轉塔刀架轉動時與刀盤一起轉動，分水盤一共有16個冷卻液通道，當?shù)侗P旋轉到加工工位時，分水盤中的16個冷卻液通道中的兩個正好轉到出水盤所對應的通道商行，這樣冷卻液就可以通過分水盤進入到刀盤之內。圖5-1所示，分水盤與刀盤接觸面通過O型密封圈進行防水處理，保證冷卻液不會泄漏在外。 圖5-4 分水盤設計 5.4刀盤冷卻孔的設計 冷卻液最終是從刀盤流出的，所以刀盤的內部需要有相應的冷卻通道，由于刀盤需要轉動，所以與分水盤一致，一共有16個冷卻液通道，如圖5-5所示， 圖5-5 刀盤冷卻孔設計 總結 在本次畢業(yè)設計過程中，由于對所設計產品的不熟悉，主要通過網(wǎng)絡和圖書館獲取相關設計資料，特別是導師提供的參考資料，更是完成本次設計的關鍵所在。 畢業(yè)設計的目的是將本科期間所學的各個科目進行一個系統(tǒng)的復習，以及掌握一定二維繪圖及三維繪圖技巧。通過本次設計的完成，基本掌握伺服轉塔刀架的結構及運轉過程，對機械產品的設計有了一定的認識，初步掌握說明書的編寫以及基本的繪圖能力。 因時間及能力的關系，本次伺服轉塔刀架的設計主要完成了傳動系統(tǒng)、端齒盤結構以及冷卻結構的設計，對鎖緊原理和鎖緊力也進行了相關設計計算。由于液壓系統(tǒng)是一個復雜的系統(tǒng)，所以本次設計并沒有詳細敘述，只完成了圖紙設計部分，這是在以后的學習和工作中需要注意的地方。 參考文獻 [1]??高澤遠，王?金主編.?機械設計基礎課程設計.沈陽：東北工學院出版社?1987? 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[20]??孫?桓，陳作模主編.?機械原理.?北京：高等教育出版社?2000? 致謝 四年的大學生活就過去了，這四年的學習與生活，使我受益良多，是我一生之中都值得珍藏的美好記憶，完成畢業(yè)設計，我如釋重負，又感覺心中有些失落，學習的越多，才知道自己所知道的越少，四年的大學生活僅僅是生活的一小部分，但是對以后的生活，確實至關重要的一部分。 能夠完成本次設計，首先感謝的是劉晨曦老師，正是由于她的細心指導，我才能完成本次設計，如果沒有劉老師的直到，完成本次設計幾乎是不可能的，畢業(yè)設計對于我而言，更是一個修行過程，去除了我浮躁的心，使我能夠靜下心來完成本次設計。 在本次設計過程中，我查閱了機械設計相關的各種圖書及手冊，豐富了我的知識儲備量，特別是查閱相關技術手冊的能力，為以后的工作打好基礎。 由于伺服轉塔刀架結構復雜，加上本人技術水平不夠高，設計過程中難免有疏漏和不足的地方，請各位老師指正。 35