數(shù)控加工中心盤式刀庫設計說明書

畢業(yè)設計 (論文 ) 題 目： 數(shù)控加工中心盤式刀庫設計 學生姓名 學 號 分 院 機電工程分院 專業(yè)班級 指導教師 2008年 5月 杭州 中文摘要 I 摘 要 90 年代以來，數(shù)控加工技術得到迅速的普及及發(fā)展，高速加工中心作為新時代數(shù)控機床的代表，已在機床領域廣泛使用。自動換刀刀庫的發(fā)展儼然已超越其為數(shù)控加工中心配套的角色，在其特有的技術領域中發(fā)展出符合機床高精度、高效率、高可靠度及多任務復合等概念的獨特產(chǎn)品。刀庫作為加工中心最重要的部分之一，它的發(fā)展也 直接決定了加工中心的發(fā)展。本論文完成的是盤式刀庫的總體設計、傳動設計、結(jié)構(gòu)設計以及傳動部分的運動和動力設計。這種刀庫在數(shù)控加工中心上應用非常廣泛，其換刀過程簡單，換刀時間短，定位精度高；總體結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，動作準確可靠；維護方便，成本低。本刀庫減速傳動部分分兩級減速，一級傳動部分采用齒輪減速裝置，二級傳動部分采用蝸輪蝸桿減速裝置，此種設計方案可提高輸出軸的傳動平穩(wěn)性能，即提高刀盤的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。本刀庫滿載裝刀 24 把，采用單環(huán)排列方式排放，按就近選刀原則選刀。 關鍵詞： 加工中心；刀庫；數(shù)控加工 英文摘要 II ABSTRACT Since the 1990s, CNC machining technology made the rapid and universal development, as a new era of the representatives of NC machine tools, High-speed processing center has been widely used in the field of machine tools. The deve lopment of automatic Tool Change,s tool house in recent years seems to have gone beyond the NC Center for supporting the role of technology in their unique areas of development to meet the high-precision machine tools, high efficiency and reliability, and more complex tasks, such as the concept of unique products . The tool house as a processing center one of the most important part, it has a direct bearing on the development of the processing centers development. This paper completed the overall design,transmission design,structure design and the transmission parts movement and dynamic design of the disc tool house. Such a tool house in the CNC Machining Center is widely used, the tool change is simple, tool change time is short, high-precision positioning； overall structure is simple and compact , Action is accurate and reliable； convenient maintenance and low cost. The slowdown part in the transmission of the tool house includes two parts, the first part of the transmission is gear deceleration device, the second transmission part of the transmission is Worm Gear deceleration device, such design can increase the output shaft of the transmission smooth performance, improve the smooth functioning of the tool house. The tool house which can load with the maximum of 24 tools use single-ring arrangement of emissions and according to the principle of the nearest to election tools. Key words: Machining centers； Tool house； NC 目錄 III 目 錄 1 引言 1 1.1 數(shù)控加工中心概述 1 1.2 數(shù)控加工中心的分類 1 1.3 加工中心的主要加工對象 2 1.4 加工中心的 特點 3 1.5 加工中心刀庫的形式 4 1.6 換刀裝置的形式 5 2 總體方案的確定 7 2.1 刀庫主要參數(shù) 7 2.2 電動機的初選 7 2.3 確定傳動裝置的總傳動比和分配傳動比 8 2.4 確定各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率 9 2.5 電動機的校核 11 3 刀庫設計與校核 13 3.1 齒輪傳動的計算 13 3.2軸的校核 17 3.3滾動軸承的校核 21 3.4蝸輪蝸桿的設計 22 3.5鍵的校核 22 4 刀具交換裝置 23 4.1換刀簡介 23 4.2換刀過程 23 結(jié)論 24 致謝 25 參考文獻 26 附錄 127 附錄 228 附錄 328 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 1 1 引 言 1.1數(shù)控加工中心概述 數(shù)字控制是 20 世紀中期發(fā)展起來的一種自動控制技術，是用數(shù)字化信號進行控制的一種方法 16。采用數(shù)控技術進行控制的機床，稱為數(shù)控機床 8。 加工中心（ Machining Center,簡稱 MC）是一種備有刀庫并能自動更換刀具對工件進行多工序加工的數(shù)控機床。它是適應省力、省時和節(jié)能的時代要求而發(fā)展起來的，它綜合了機械技術、電子技術、計算機軟件技術、氣動技術、拖動技術、現(xiàn)在控制理論、測量及傳感技術以及通訊診斷 、刀具和應用編程技術的高技術產(chǎn)品，將數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床的功能聚集在一臺加工設備上，且增設有自動換刀裝置和刀庫，可以在一次安裝工件后，數(shù)控系統(tǒng)控制機床按不同工序自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及其他輔助功能；依次完成多面和多工序的端平面、孔系、內(nèi)外倒角、環(huán)形槽及攻螺紋等加工 4。 隨著電子技術的迅速發(fā)展，以及各種性能良好的傳感器的出現(xiàn)和運用，加工中心的功能日趨完善，這些功能包括：刀具壽命的監(jiān)視功能，刀具磨損和損傷的監(jiān)視功能，切削狀態(tài)的監(jiān)視功能，切削異常的監(jiān)視 、報警和自動停機功能，自動檢測和自我診斷功能及自適應控制功能等 1。加工中心還與載有隨行夾具的自動托板進行有機連接，并能進行切屑自動處理，使得加工中心成為柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)合自動化工廠的關鍵設備和基本單元。 1.2 數(shù)控加工中心的分類 1.2.1 按照機床形態(tài)分類 （ 1） 臥式加工中心 指主軸軸線為水平狀態(tài)設置的加工中心。臥式加工中心一般具有 3-5 個運動坐標。常見的有三個直線運動坐標 (沿 X、 Y、 Z 軸方向 )加一個回轉(zhuǎn)坐標 (工作臺 )，它能夠使工件一次裝夾完成除安裝面和頂面以外的其余四個面的加工。 臥式加工中心較立式加工中心應用范圍廣，適宜復雜的箱體類零件、泵體、閥體等零件的加工。但臥式加工中心占地面積大，重量大；結(jié)構(gòu)復雜，價格較高 1。 （ 2） 立式加工中心 指主軸軸心線為垂直狀態(tài)設置的加工中心。立式加工中心一般具有三個直線運動坐標，工作臺具有分度和旋轉(zhuǎn)功能，可在工作臺上安裝個水平軸的數(shù)控轉(zhuǎn)臺用以加工螺旋線零件。立式加工中心多用于加工筒單箱體、箱蓋、板類零件和平面凸輪的加工。立式加工中心具有結(jié)構(gòu)簡單、占地面積小、價格低的優(yōu)點。 （ 3） 龍門加工中心 與龍門銑床類似，適應于大型或形狀復雜的工件 加工。 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 2 （ 4） 萬能加工中心 萬能加工中心也稱五面加工中心小工件裝夾能完成除安裝面外的所有面的加工；具有立式和臥式加工中心的功能。常見的萬能加工中心有兩種形式：一種是主軸可以旋轉(zhuǎn) 900 既可象立式加工中心一樣，也可象臥式加工中心一樣；另一種是主軸不改變方向，而工作臺帶著工件旋轉(zhuǎn) 900 完成對工件五個面的加工。在萬能加工中心安裝工件避免了由于二次裝夾帶來的安裝誤差，所以效率和精度高，但結(jié)構(gòu)復雜、造價也高 1， 2。 1.2.2按換刀形式分類 （ 1） 帶刀庫機械手的加工中心 加工中心換刀裝置由刀庫、機械手級組成，換刀動作由機械手完成。 （ 2） 機械手的加工中心 這種加工中心的換刀通過刀庫和主軸箱配合動作來完成換刀過程。 （ 3） 轉(zhuǎn)塔刀庫式加工中心 一般應用于小型加工中心，主要以加工孔為主。 加工中心常按主軸在空間所處的狀態(tài)分為立式加工中心和臥式加工中心，加工中心的主軸在空間處于垂直狀態(tài)的稱為立式加工中心，主軸在空間處于水平狀態(tài)的稱為臥式加工中心。主軸可作垂直和水平轉(zhuǎn)換的，稱為立臥式加工中心或五面加工中心，也稱復合加工中心。按加工中心立柱的數(shù)量分；有單柱式和雙柱式（ 龍門式 ） 7。 1.2.3按數(shù)控系統(tǒng)功能分類 加 工中心根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)控制功能的不同分：有三軸二聯(lián)動、三軸三聯(lián)動、四軸三聯(lián)動、五軸四聯(lián)動、六軸五聯(lián)動等。三軸、四軸是指加工中心具有的運動坐標數(shù)，聯(lián)動是指控制系統(tǒng)可以同時控制運動的坐標數(shù)，從而實現(xiàn)刀具相對工件的位置和速度控制 11。 1.2.4按工作臺的數(shù)量和功能分類 有單工作臺加工中心、雙工作臺加工中心，和多工作臺加工中心。 1.2.5按加工精度分類 （ 1） 普通加工中心 普通加工中心，分辨率為 1m，最大進給速度 1525m/min，定位精度 l0 m左右。 （ 2） 高精度加工中心 高精度加工中心，分辨率為 0.1m，最大進給速度為15 100m/min，定位精度為 2m左右。介于 2 l0 m之間的，以 5 m較多，可稱精密級 3。 1.3 加工中心的主要加工對象 加工中心適宜于加工復雜、工序多、要求較高、需用多種類型的普通機床和眾多刀具夾具，且經(jīng)多次裝夾和調(diào)整才能完成加工的零件。其加工的主要對象有箱體類零件、復雜曲面、異形件、盤套板類零件和特殊加工等五類 4-6。 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 3 1.3.1箱體類零件 箱體類零件一般是指具有一個以上孔系，內(nèi)部有型腔，在長、寬、高方向有一定比例的零件。這類零件在機床、汽車、飛機制造等 行業(yè)用的較多。箱體類零件一般都需要進行多工位孔系及平面加工，公差要求較高，特別是形位公差要求較為嚴格，通常要經(jīng)過銑、鉆、擴、鏜、鉸、锪，攻絲等工序，需要刀具較多，在普通機床上加工難度大，工裝套數(shù)多，費用高，加工周期長，需多次裝夾、找正，手工測量次數(shù)多，加工時必須頻繁地更換刀具，工藝難以制定，更重要的是精度難以保證。 加工箱體類零件的加工中心，當加工工位較多，需工作臺多次旋轉(zhuǎn)角度才能完成的零件，一般選臥式鏜銑類加工中心。當加工的工位較少，且跨距不大時，可選立式加工中心，從一端進行加工。 1.3.2復雜曲面 復 雜曲面在機械制造業(yè)，特別是航天航空工業(yè)中占有特殊重要的地位。復雜曲面采用普通機加工方法是難以甚至無法完成的。在我國，傳統(tǒng)的方法是采用精密鑄造，可想而知其精度是低的。復雜曲面類零件如：各種葉輪，導風輪，球面，各種曲面成形模具，螺旋槳以及水下航行器的推進器，以及一些其它形狀的自由曲面。這類零件均可用加工中心進行加工。銑刀作包絡面來逼近球面。復雜曲面用加工中心加工時，編程工作量較大，大多數(shù)要有自動編程技術。 1.3.3異形件 異形件是外形不規(guī)則的零件，大都需要點、線、面多工位混合加工。異形件的剛性一般較差，夾壓變 形難以控制，加工精度也難以保證，甚至某些零件的有的加工部位用普通機床難以完成。用加工中心加工時應采用合理的工藝措施，一次或二次裝夾，利用加工中心多工位點、線、面混合加工的特點，完成多道工序或全部的工序內(nèi)容。 1.3.4盤、套、板類零件 帶有鍵槽，或徑向孔，或端面有分布的孔系，曲面的盤套或軸類零件，如帶法蘭的軸套，帶鍵槽或方頭的軸類零件等，還有具有較多孔加工的板類零件，如各種電機蓋等。端面有分布孔系、曲面的盤類零件宜選擇立式加工中心，有徑向孔的可選臥式加工中心。 1.3.5特殊加工 在熟練掌握了加工中心的功能 之后，配合一定的工裝和專用工具，利用加工中心可完成一些特殊的工藝工作，如在金屬表面上刻字、刻線、刻圖案；在加工中心的主軸上裝上高頻電火花電源，可對金屬表面進行線掃描表面淬火；用加工中心裝上高速磨頭，可實現(xiàn)小模數(shù)漸開線圓錐齒輪磨削及各種曲線、曲面的磨削等 7， 8。 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 4 1.4加工中心的特點 加工中心（ Machining Center）是典型的集高新技術于一體的機械加工設備，它的發(fā)展代表了一個國家設計、制造的水平，因此在國內(nèi)外企業(yè)界都受到高度重視。如今，加工中心已成為現(xiàn)代機床發(fā)展的主流方向，加工廣泛應用于機械制造中 8， 9。與普通數(shù)控機床相比，它具有以下幾個突出特點 ： 1.4.1工序集中 加工中心備有刀庫并能自動更換刀具，對工件進行多工序加工，使得工件在一次裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機床按不同工序，自動選擇和更換刀具，自動改變機床主軸轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡，以及其他輔助功能，現(xiàn)代加工中心更大程度地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、高精度加 工，即工序集中 ， 這是加工中心最突出的特點。 1.4.2對加工對象的適應性強 加工中心生產(chǎn)的柔性不僅體現(xiàn)在對特殊要求的快速反應上而且可以快速實現(xiàn)批量生產(chǎn)，提高市場競爭能力 1.4.3加工精度高 加工中心同其他數(shù)控機床一樣具有加工精度高的特點，而且加工中心由于加工工序集中，避免了長工藝流程，減少了人為千擾，故加工精度更高，加工質(zhì)量更加穩(wěn)定。 1.4.4加工生產(chǎn)率高 零件加工所需要的時間包括機動時間與輔助時間兩部分。加工中心帶有刀庫和自動換刀裝置，在一臺機床上能集中完成多種工序，因而可減少工件裝夾、測量和機床的調(diào)整時間，減少工件半成品的周轉(zhuǎn)、搬運和存放時間，使機床的切削利用率（切削時間和開動時間之比）高于普通機床 3 4 倍，達 80以上。 1.4.5操 作者的勞動強度減輕 加工中心對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的，操作者除了操作鍵盤、裝卸零件、進行關鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行之外，不需要進行繁重的重復性手工操作，勞動強度和緊張程度均可大為減輕，勞動條件也得到很大的改善。 1.4.6經(jīng)濟效益高 使用加工中心加工零件時，分攤在每個零件上的設備費用是較昂貴的，但在單件、小批生產(chǎn)的情況下，可以節(jié)省許多其他方面的費用，因此能獲得良好的經(jīng)濟效益。例如，在加工之前節(jié)省了劃線工時，在零件安裝到機床上之后可以減少調(diào)整、加工和檢驗時間，減少了直接生產(chǎn)費用。另外 ，由于加工中心加工零件不需手工制作模型、凸輪、鉆模板及其他工夾具，省去了許多工藝裝備，減少了硬件投資還由于加工中心的加工穩(wěn)定，減少了廢品率，使生產(chǎn)成本進一步下降。 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 5 1.4.7有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化 用加工中心加工零件，能夠準確地計算零件的加工工時，并有效地簡化了檢驗和工夾具、半成品的管理工作。這些特點有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。當前有許多大型 CAD/CAM 集成軟件已經(jīng)開發(fā)了生產(chǎn)管理模塊，實現(xiàn)了計算機輔助生產(chǎn)管理。 1.5加工中心刀庫的形式 加工中心使用的刀庫最常見的形式是圓盤式刀庫和機械手換刀刀庫 2。 1.5.1圓盤式刀庫 圓盤式刀庫應該稱之為固定地址換刀刀庫，即每個刀位上都有編號，一般從 1編到 12、 18、 20、 24 等，即為刀號地址。操作者把一把刀具安裝進某一刀位后，不管該刀具更換多少次，總是在該刀位內(nèi)。 （ 1） 制造成本低。主要部件是刀庫體及分度盤，只要這兩樣零件加工精度得到保證即可，運動部件中刀庫的分度使用的是非常經(jīng)典的 “馬氏機構(gòu) ”，前后、上下運動主要選用氣缸。裝配調(diào)整比較方便，維護簡單。一般機床制造廠家都能自制。 （ 2） 刀號的計數(shù)原理。一般在換刀位安裝一個無觸點開關， 1 號刀位上安裝擋板。每次機床開機后刀 庫必須 “回零 ”，刀庫在旋轉(zhuǎn)時，只要擋板靠近（距離為0.3mm 左右）無觸點開關，數(shù)控系統(tǒng)就默認為 1 號刀。并以此為計數(shù)基準， “馬氏機構(gòu) ”轉(zhuǎn)過幾次，當前就是幾號刀。只要機床不關機，當前刀號就被記憶。刀具更換時，一般按最近距離旋轉(zhuǎn)原則，刀號編號按逆時針方向，如果刀庫數(shù)量是 18，當前刀號位 8，要換 6 號刀，按最近距離換刀原則，刀庫是逆時針轉(zhuǎn)。如要換 10號刀，刀庫是順時針轉(zhuǎn)。機床關機后刀具記憶清零。 （ 3） 固定地址換刀刀庫換刀時間比較長國內(nèi)的機床一般要 8 秒以上（從一次切削到另一次切削）。 （ 4） 圓盤式刀庫的總刀具數(shù)量受限 制，不宜過多，一般 40#刀柄的不超過 24把， 50#的不超過 20 把，大型龍門機床也有把圓盤轉(zhuǎn)變?yōu)殒準浇Y(jié)構(gòu)，刀具數(shù)量多達 60 把 8-13。 1.5.2機械手刀庫 機械手刀庫換刀是隨機地址換刀。每個刀套上無編號，它最大的優(yōu)點是換刀迅速、可靠。 （ 1） 制造成本高。刀庫有一個個刀套鏈式組合起來，機械手換刀的動作有凸輪機構(gòu)控制，零件的加工比較復雜。裝配調(diào)試也比較復雜，一般由專業(yè)廠家生產(chǎn)，機床制造商一般不自制。 （ 2） 刀號的計數(shù)原理。與固定地址選刀一樣，它也有基準刀號： 1 號刀。但我們只能理解為 1 號刀套，而不是零件程序中 的 1 號刀： T1。系統(tǒng)中有一張刀具浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 6 表。它有兩欄。一欄是刀套號，一欄是對應刀套號的當前程序刀號。假如我們編一個三把刀具的加工程序，刀具的放置起始是 1 號刀套裝 T1（ 1 號刀）， 2 號刀套裝 T2， 3 號刀套裝 T3，我們知道當主軸上 T1 在加工時， T2 刀即準備好，換刀后，T1 換進 2 號刀套，同理，在 T3 加工時， T2 就裝在 3 號刀套里。一個循環(huán)后，前一把刀具就安裝到后一把刀具的刀套里。數(shù)控系統(tǒng)對刀套號及刀具號的記憶是永久的，關機后再開機刀庫不用 “ 回零 ” 即可恢復關機前的狀態(tài)。如果 “ 回零 ” ，那必須在刀具表中修改刀套號中相對應的刀具號。 （ 3） 機械手刀庫換刀時間一般為 4 秒（從一次切削到另一次切削）。 （ 4） 刀具數(shù)量一般比圓盤刀庫多，常規(guī)有 18、 20、 30、 40、 60 等 （ 5） 刀庫的凸輪箱要定期更換起潤滑、冷卻作用的齒輪油 8-13。 1.6換刀裝置的形式 換刀裝置的形式有回轉(zhuǎn)刀架換刀、更換主軸換刀、更換主軸箱換刀、帶刀庫的自動換刀系統(tǒng) 1。 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 7 2 總體方案的確定 連軸器電動機I I I 軸II 軸I 軸圖 2-1 系統(tǒng)設計簡圖 2.1 刀庫主要參數(shù) 載刀量： 24 把 主軸鼻端：刀具形式 BT40 刀具直徑： 80mm 平均重量： 7Kg 初選刀庫直徑： 660mm 刀盤最低轉(zhuǎn)速： 60r/min 由于刀具形式為 BT40， 其刀具直徑為 80mm， 按初選的刀庫直徑 660mm來排列可知每把刀之間的間隔約為 6mm， 符合安裝要求。刀庫的系統(tǒng)傳動部分的簡圖如上圖 2.1 所示。 2.2 電動機的初選 （ 1） 選擇 電動機類型 按工作要求和條件，選用三相異步電動機，電壓 380V， Y 型。 （ 2） 選擇電動機的容量 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 8 初選電動機型號為 Y27122，其主要參數(shù)如下表 1： 表 2-1 （需添加表名） 型號 額定功率 滿載轉(zhuǎn)速 額定轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩 質(zhì)量 Y2 712 2 0.55 2820 2.2 2.3 電動機輸出轉(zhuǎn)矩： dT 9550mdnPN m =9550282055.0N m =1.86 N m 在此論文中 1 、 2 分別為軸承、齒輪傳動（包括蝸輪蝸桿）的傳動效率。 取 1 =0.98(滾子軸承 ), 2 =0.97(齒輪精度為 8 級 ,不包括軸承效率 )。 （ 3） 確定電動機轉(zhuǎn)速 刀庫工作刀庫轉(zhuǎn)盤所必需滿足的轉(zhuǎn)速最低為 ： n = 60 minr 根據(jù)傳動比合理取值，取一級齒輪的傳動比 i1 2,二級渦輪蝸桿減速器傳動比i2 20，則總傳動比合理范圍為 ia 40，故電動機轉(zhuǎn)速約為 nd= ia n=40 60 =2400 minr 2.3 確定傳動裝置的總傳動比和分配傳動比 由選定電動機滿載轉(zhuǎn)速 nm和工作機主動軸轉(zhuǎn)速 n,可得傳動裝置總傳動比為 nni ma （ 2-1） 總傳動比為各級傳動比 1i ,、 2i 、3i ni的乘積，即 電動機型號為 Y2 712 2，滿載轉(zhuǎn)速 nm=2820 minr 。 （ 1） 總傳動比 由式 (1) nni ma= 60282047 （ 2） 分配減速器的各級傳動比 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 9 按展開式布置?？紤]潤滑條件，得 1i2，2i=19.5 則此時的輸出轉(zhuǎn)速為 namin 5.1922820=72.31 minr 2.4 確定各軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率 （ 1） 各軸轉(zhuǎn)速 01 inn m minr （ 2-2） 式中：mn電動機滿載轉(zhuǎn)速； 0i電動機至 軸的傳動比。 以及 IIn =101 iinin mIminr （ 2-3） 2102 iiininn mIIIII minr （ 2-4） 由式（ 2-3） （ 2-5）得 I 軸 01 inn m = 22820 =1410 minr II 軸 IIn = In = 1410 minr III 軸 102 iininn mIIIII = 5.1922820= 72.31 minr （ 2） 各軸輸入功率 dI PP 3kW （ 2-5） 12 III PP kW , 3212 （ 2-6） 23 IIIII PPkW,3223 （ 2-7） 式中 2 、3分別為軸承、齒輪傳動的傳動效率。 由式（ 5） （ 7）得 I 軸 dI PP 01= 0.55 0.98 =0.54kW II 軸 12 III PP = 32 dP= 0.539 0.98 0.97 =0.51kW 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 10 III 軸 IIIP 3223 IIII PP0.51 80.098.0 0.40 kW IIII 軸的輸出功率則分別為輸入功率乘軸承效率 0.98,例如 I 軸輸出功率為 98.0 II PP 0.53kW,其余類推。 （ 3） 各軸輸入轉(zhuǎn)矩 010iTT dI N m （ 2-8） 其中dT為電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，按下式計算： dT9550mdnPN m （ 2-9） 所以 010iTT dI = 9550010 inPmdN m （ 2-10） 121 iTT III = 9550 120110 iinPmdN m （ 2-11） 232 iTT IIIII= 9550231201210 iiinPmdN m （ 2-12） 34 IIIIV TT= 955034231201210 iiinPmdN m （ 2-13） 由式（ 8） （ 13） 電動機軸輸出轉(zhuǎn)矩 dT9550mdnP =9550 282055.0 = 1.86 N m IIII 軸的輸入轉(zhuǎn)矩 I 軸 010iTT dI = 955001mdnP 0i =1.86 0.97 2 = 3.61N m II 軸 III TT 1 = 1T 0.97 =3.61 0.97 =3.50 N m 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 11 III 軸 232 iTT IIIII=212 iTII= 3.50 19.5 0.98 0.80 = 53.51 N m IIII 軸的輸出轉(zhuǎn)矩則分別為各軸的輸入轉(zhuǎn)矩乘軸承效率 0.98,例如 I 周的輸出轉(zhuǎn)矩為 98.0II TT3.610.98=3.54 N m,其余類推。 運動和動力參數(shù)計算結(jié)果如下表 2-2： 表 2-2 （需添加表名） 軸名 轉(zhuǎn)矩 T N m 功率 P kW 轉(zhuǎn)速 n minr 傳動比 i 效率 輸入 輸出 輸入 輸出 電動機軸 1.86 0.55 2820 2 0.96 I 軸 3.61 3.54 0.54 0.53 1410 1 0.95 II 軸 3.50 3.43 0.51 0.50 1410 19.5 0.78 III 軸 53.51 52.44 0.40 0.39 72.31 1.00 0.97 2.5 電動機的校核 （ 1）轉(zhuǎn)矩校核 加載在刀盤轉(zhuǎn)軸上的重力為 刀庫旋轉(zhuǎn)刀架的重力，其中刀架厚度為 15mm： G1= g =5.6 310 40.0150.160.06+4（ 26.0 - 255.0 ） 0.03+4（ 22.0 - 212.0 ） 0.0310=150N 刀庫轉(zhuǎn)盤的重量，其中轉(zhuǎn)盤厚度為 30mm： G2= g +7024=5.6 310 0.154 266.0 =4560N 則可得刀庫作用在軸 3 上的轉(zhuǎn)矩 T/3 = Gd3=0.004(4560+150)0.06 N m =1.13 N m 可得 T/3 nd，故此電動機的轉(zhuǎn)速也滿足刀庫的轉(zhuǎn)速要求。 綜合考慮電動機和傳動裝置的尺寸、轉(zhuǎn)矩、價格和帶傳動、減速器的傳動比，可見此電動機比較合適。因此選定電動機型號為 Y2-112-2。 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 13 3 刀庫設計與校核 3.1 齒輪傳動的計算 1、 選擇齒輪類型、精度等級、材料及齒數(shù) 1） 選用直齒輪 2） 加工中心為一般工作機器且輕質(zhì)載荷，故選用 7 級精度（ GB10095 88） 3） 材料選擇。選擇小齒輪材料為 40rC（調(diào)質(zhì)），硬度為 280HBS，大齒輪材料為 45 鋼（調(diào)質(zhì)）硬度為 240HBS，二者材料硬度差為 40HBS。 4） 選小齒輪齒數(shù) 1z =20，傳動比為 i = 2, 大齒輪齒數(shù) 2z = 2 20 = 40 2、 按齒面接觸強度設計 由設計計算公式（ 10 9a）進行試算，即 td1 2.323 21 )(1HEdZuuKT(1) 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 1） 試選載荷系數(shù)tK=1.3。 2） 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩。 1T = 115105.95 n P 1410 54.0105.95 5 N mm =0.3657 410 N mm 3)由表 10 7 選取齒寬系數(shù)d= 1。 4)由表 10 6 查得材料的彈性影響系數(shù) EZ = 189.8 21aMP 5)由表 10 21d 按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強度極限 1limH =600aMP；大齒輪的接觸疲勞強度極限 2limH =550aMP。 6）由式 10 13 計算應力循環(huán)次數(shù)。 1N = 60hjLn1= 60 1410 1 （ 2 8 365 8） = 1.441 910 2N = 75.5 10441.1 9 =0.251 910 7)由圖 10 19 取接觸疲勞壽命系數(shù)1HNK=0.95；2HNK=0.96。 21 8）計算接觸疲勞許用應力。 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 14 取失效概率為 1 00 ，安全系數(shù) S = 1，由式（ 10 12）得 H1=SKHN 1lim1=0.95 600aMP=570aMPH2=SKHN 2lim2=0.96 550aMP=528aMP(2) 計算 1） 試算小齒輪分度圓直徑td1，代入 H中較小的值。 td1 2.323 21 )(1HEdZuuKT=2.32 3 24 )5288.189(212110365 7.03.1 mm =22.6mm 由于機床實際的尺寸關系，這里小齒輪的分度 圓直徑取為td1=40mm 2)計算圓周速度 v。 v=100060 11 nd t=100060 51440 sm=1.08 sm 3)計算齒寬 b。 根據(jù)機床經(jīng)驗公式，齒寬為模數(shù)的 6 8 倍，這里模數(shù)先試取 2，故 b =（ 6 8） m = 16mm , 這里取 b=20mm 4)計算齒寬與齒高之比hb。 模數(shù) tm=11zdt = 40/20 mm = 2 mm 齒高 h = 2.25tm= 2.25 2 mm = 4.5 mm hb= 096.5 353.54= 10.67 5)計算載荷系數(shù)。 根據(jù) v = 1.46 sm , 7 級精度，由圖 108 查得動載系數(shù)vK= 1.06 21； 直齒輪，HK=FK=1 由表 10 2 查得使用系數(shù) AK =1.25； 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 15 由表 10 4 用插值法查得 7 級精度、小齒輪相對支承非對稱布置時，HK=1.420。 由hb= 10.67, HK=1.420 查圖 10 13 得FK=1.35； 故載荷系數(shù) K = AK vK HK HK =1.25 1.06 1 1.420 = 1.8815 6）按實際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式 (10 10a)得 ： 1d=td1 3tKK =40 3 3.18815.1 =45.246mm 7）計算模數(shù) m m = 11zd=20246.45mm = 2.26mm 3、按齒根彎曲強度設計 由式 (10 5)得彎曲強度的設計公式 21為 m3 211 )(2FSaFadYYzKT（ 1） 確定公式內(nèi)的各計算數(shù)值 1） 由圖 10 20c查得小齒輪的彎曲疲勞強度極限 1FE =500aMP大齒輪的彎曲強度極限 2FE =380aMP2） 由圖 1018 取彎曲疲勞壽命系數(shù)1FNK=0.88,2FNK=0.90； 3） 計算彎曲疲勞許用應力。 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，由式 (10 12)得 ： F 1 =SK FEFN 11=4.1 50088.0 aMP=314.29aMP F 2 =SK FEFN 22=4.1 38090.0 aMP=244.29aMP4） 計算載荷系數(shù) K。 K= AKvK FK FK=1.25 1.06 1 1.35 =1.789 5） 查取齒形系數(shù)。 由表 10 5 查得 1FaY=2.80；2FaY=2.40。 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 16 6） 查取應力校正系數(shù)。 由表 10 5 查得 1SaY=1.55；2SaY=1.67。 7） 計算大、小齒輪的 FSaFaYY并加以比較。 111 FSaFaYY=29.314 55.180.2 =0.01381 222 FSaFa YY=29.244 67.140.2 =0.01640 大齒輪的數(shù)值大。 （ 2） 設計計算 m 324 016 40.020110365 7.0789.12 mm =0.81 mm 故可知上面所預選的模數(shù) m=2 符合設計 要求。 1z = mdt1 = 240 =20 大齒輪齒數(shù) 2z =2 20=40。 4、幾何尺寸計算 （ 1）計算分度圓直徑 1d = 1z m=20 2=40 mm 2d = 2z m=40 2=80 mm （ 2）計算中心距 a=2 21 dd =28040mm = 60mm （ 3）計算齒輪寬度 根據(jù)機床實際設計取值，取 1B =20mm, 2B =15mm。 5、結(jié)構(gòu)設計及繪制齒 輪零件圖 3-1 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 17 圖 3-1（需添加圖名） 3.2軸的校核 受力分析圖及彎扭矩圖 ： DZYXF z 1F y 1FtFrFz 2F z 3F z 4F y 2A Bc圖 3-3（需添加圖名） 圖 3-2 （需添加圖名） 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 18 圖圖圖圖圖 3-4（需添加圖名） 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 19 （ 1）計算作用在軸上的作用力 蝸輪：由于軸 3 的輸入轉(zhuǎn)矩3T=53.51 N m 則由式3T=3F 3d3d為渦輪的分度圓直徑，3d=62.25mm 可得3F=3T/3d=53.51/0.06225=859.60N 這 個力是作用在蝸輪上，對軸 3 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由已知導程角 和齒形角 可算出其余的力，蝸輪的受力情況可由蝸桿的受力圖分析： FaFrFt圓周力tF=3F=859.60N 徑向力 rF =tan aF= tan 020 tan60.859=1774.36N 周向力aF=010tantF =4875N 4zF 為刀庫旋轉(zhuǎn)刀架的重力，其中刀架厚度為 15mm： 4zF = g =5.6 310 40.0150.160.06+ 4 （ 26.0 - 255.0 ） 0.03+ 4 （ 22.0 - 212.0 ） 0.0310 =150N 3zF為 刀庫轉(zhuǎn)盤的重量，其中轉(zhuǎn)盤厚度為 30mm： 圖 3-5（需添加圖名） 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 20 3zF= g +7024=5.6 310 0.154 266.0 =4560N (2) 計算支座反力 a、垂直面上的軸承的支承力。 由 zF=0 和以左齒輪中點 A 的彎矩平衡得： 4zF+3zF+tF+2zF=1zF即 150+4560+859.60+2zF=1zF4zF 168+3zF89=tF 46+ 2zF75 可得 1zF =10790N 2zF =5220N b、水平面上的軸承的支承力。 由 yF=0 和以右齒輪 B中點的彎矩平衡得： 1yF+2yF= rF 即 1yF+2yF=1774.36N 1yF 75= rF 29 可得1yF=-686.09N 2yF=1088.27N (3)、水平面上的彎矩 CYM= 4ZF 79=11.85N*M 左AYM= 4ZF 168+3zF89=431.04 N*M 右AYM= 2zF 75+tF46=431.04 N*M DYM = 2zF 29=151.38 N*M (4)、垂直面上的彎矩 左DZM=1yF 46=31.56N*M 右DZM=2yF 29=31.56N*M (5)、兩平面上的彎矩的合成 AM = 22 AyAZ MM =431.04 N*M DM = 22 DyDZ MM =154.62 N*M (6)、計算當量彎矩 由圖可看出 A 處為危險截面，計算 A 截面的當量彎矩，因為是單向回轉(zhuǎn)軸，所以扭轉(zhuǎn)切應力應視為脈動循環(huán)應力，取折算系數(shù) =0.6 浙江工業(yè)大學之江學院畢業(yè)設計（論文） 21 A 處： /AM= 232 )( TM A =432.23N*M (7)、 彎扭合成強度校核 A=WMA/ =36