“现代设计与制造综合实践”报告

题目：数控车床设计

学院：机械与电子控制工程

专业：机械工程及其自动化

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word/media/image2.gif年月日

摘要

数控车床集计算机技术，电子技术，自动控制技术，传感测量，机械制造，是典型的机电一体化产品。它的发展和应用开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式，产业结构，管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大的变化。本文较为详细的介绍了对车床重要组成部分的设计和它们的结构和工作原理，通过查阅各种资料对这些部分进行结构设计，工艺设计，软件模拟仿真等，让我们对数控车床的了解得到很大提高，同时也熟练掌握了很多专业软件。

abstract

Numerical control lathe set computer technology, electronic technology, automatic control technology, sensor measurement, machinery manufacturing, is a typical mechatronics product. The development and application of it opened a new era of manufacturing, changed the manufacturing production mode, industrial structure, management style, make the pattern of world manufacturing industry, great changes have taken place. This paper detailed introduces the design of an important part of the lathe and their structure and working principle, through consulting all kinds of information on these parts structure design, process design, the software simulation and so on, let's understanding of the numerical control lathe is greatly improved, but also mastered many professional software.

关键词：数控车床、结构设计、工艺设计、编程仿真

一．综合实践任务书

1.1、题目：数控车床设计

1.2、任务描述：了解机床的基本知识，明确重要组成部分的原理与过程，对机床完成结构设计、工艺设计、数控编程与仿真等

1.3、完成工作要求：各部分装配图1张、重要零件的零件图、典型零件的加工工艺过程卡和工序卡、典型零件的数控编程仿真加工程序

二．结构设计

2.1 、自动换刀装置设计

2.1.1、自动换刀装置的作用

对于现在的数控机床来说，自动换刀装置成为普遍现象，它能使数控机床在工件的一次装夹中完成多种甚至所有的工序，可以有效的缩短加工的辅助时间，减少加工过程中由于多次安装工件而引起的误差，从而提高机床的加工效率和加工精度。 

在机床的数控化改造中，对于后来加上去的自动换刀装置来说，主要要求：换刀时间短，刀具重复定位精度高，有足够的刀具储备量，如果带刀库时，刀库应占地面积小而且安全可靠等。 

2.1.2、自动换刀装置的形式

自动换刀装置因数控机床的形式、工艺范围和刀具的种类与数量不同而具有不同的形式，目前常用的是回转刀架式和带刀库的自动换刀装置。根据实验室教学机床，我们选择回转刀架式自动换刀装置。

2.1.3、回转式自动换刀装置 

回转式自动换刀装置也称转塔式刀架，它是数控车床上最常用，也是最简单的自动换刀装置，会装刀架使用回转头各刀座来安装或夹持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转分度来定位车床的自动换刀动作。回转刀架可以设计成四方刀架、六角刀架或圆盘式轴向装刀刀架等多种形式，其上可安装4把、6把或更多的刀具，并可按数控指令换刀。 

回转刀架在结构上必须具有良好的强度和钢度，以承受机床在切削加工时的切削抗力。由于车削加工精度在很大程度上取决于刀尖的位置，对于数控车床来说，加工过程中刀具位置不进行人工调整，有必要选择可靠地定位方案和合理的定位结构，以保证定位刀架，在每次转位后，具有尽可能高的重复定位精度（一般为0.001~0.005mm）。

一般情况下，回转刀架的换刀动作包括：刀架抬起、刀架转位、刀架定位及压紧。（本次设计对象为回转刀架式中常用的四方回转刀架。）

2.1.4、四方回转刀架的结构及其工作原理

2.1.4.1、结构：

数控车床常用的螺旋升降立体式四方回转刀架结构如图2.1所示：

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：

式中 a-------蜗杆副的传动中心距，单位为mm；

K-------载荷系数；

word/media/image7.gif-------作用在涡轮上的转矩T ，单位N.mm;

word/media/image8.gif------弹性影响系数，单位为MPa；

word/media/image9.gif--------接触系数

[word/media/image10.gif]----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word/media/image11.gif=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word/media/image12.gif.其中word/media/image13.gif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word/media/image13.gif=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word/media/image14.gif=1.15；word/media/image15.gif为动载系数，由于转速不高，冲击不大，可取word/media/image15.gif=1.05,则载荷系数

word/media/image16.gif

（3）确定弹性影响系数word/media/image8.gif

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word/media/image8.gif=160MPa

（4）确定接触系数word/media/image9.gif

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word/media/image9.gif=2.9

（5）确定许用接触力word/media/image17.gif

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，涡轮的基本许用力word/media/image18.gif=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=1.8word/media/image19.gif107

寿命系数：KHN=0.929

许用接触应力：

（6）计算中心距

将以上各参数代入式

，

求得中心距：

48mm

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 =2.74。因为<，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 =3.14m=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：

式中 ........涡轮齿根弯曲应力，单位为Mpa;

..........涡轮齿形系数；

......... 螺旋角影响系数

.........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

则涡轮的当量齿数：

根据涡轮变位系数x2=1和当量齿数ZV2=48.46,得齿形系数=1.95

旋转角影响系数;

根据涡轮的材料和制造方法，可得涡轮基本许用弯曲应力：

=56MPa

涡轮的寿命系数：

涡轮的许用弯曲应力：

将以上参数带入式，得涡轮齿根弯曲应力：=37.4

可见， ,涡轮齿根的弯曲强度满足要求。

2.1.10、蜗杆的设计计算

2.1.10.1、涡距的确定

刀架转位时，要求蜗杆在转到约170°的情况下，上刀体的断面齿与下刀体的断面齿完全脱离；在锁紧的时候，要求上下端面齿的咬合深度达2mm.因此，螺杆的螺距P应满足P170/360>2mm,即P>4.24mm.今取蜗杆的涡距P=6mm.

2.1.10.2、其它参数的确定

采用单头梯形螺杆，头数n=1,牙侧角b=15°，外螺纹达径d1=50mm,牙顶间隙ac=0.5mm,基本牙形高度H1=0.5P=3mm,外螺纹牙高h1=3.5mm,外螺纹中经d2=47mm,外螺纹校径d3=43mm,螺杆螺纹部分长度H=50mm。

2.1.11、自锁性能校核

螺杆-螺母材料均用45钢，取二者的摩擦因数f=0.11;再求得梯形螺旋副的当量摩擦角约为6.5°，而螺纹升角约为2.33°，小于当量摩擦角。因此，所选几何参数满足自锁条件。

应使作用在螺母上的合力通过丝杠轴心，以保证滚珠受力均匀，避免倾覆力。

（2）放逆转：滚珠丝杠副传动逆效率高，应考虑在电机停电后，因部件自重而产生螺旋副的逆传动（特别是在垂直方向上传动时），防止逆传动的方法可采用：停电自锁的电机、蜗轮蜗杆机构、离合器等方式。

（3）滚珠丝杠副在行程两端应有行程保护装置，以防止越程后滚珠丝杠副受撞击而影响精度、使用寿命甚至损坏。

（4）防止热变形：热变形对精密螺旋传动的定位精度有着重要的影响。其热源不单是螺旋副的摩擦热，还有其他机械部件工作时产生的热，致使丝杠热膨胀而伸长。为此必须分析热源的各因素，采用措施控制热源，还可以采用预拉伸、强制冷却等减少热变形对丝杠的伸长的影响。

（5）细长而又水平放置的丝杠，因自重使轴线产生弯曲变形，是影响导程累积误差的因素之一，还会使螺母受载不均。设计细长丝杠时，应考虑防止或减小自重弯曲变形的措施。

（6）防护与密封：尘埃和杂质进入滚道会妨碍滚动体运动流畅，会加速滚动体与滚道的磨损，使滚动螺旋副丧失精度。为此需要防尘措施。滚珠丝杠副在螺母两端已安装防尘圈，为避免丝杠外露，用户还需要为丝杠选择防护装置。

（7）合理润滑是减小驱动转矩、提高传动效率、延长螺旋副使用寿命的重要环节。接触表面的油膜还有吸振、减小传动噪声和冲洗丝杠上的粉尘等杂物的作用。因此要注入润滑脂。在螺母上还有油孔，用户可旋入油嘴，再采用其他合适的润滑方式。

（8）用内循环滚珠丝杠副，必须使丝杠螺纹两端中至少有一端的滚珠螺纹是通牙，并该端所有外圆尺寸均小于丝杠螺纹底径d2,否则无法装配螺母。

三．工艺设计

3.1 、刀架典型零件的工艺设计

3.1.1、蜗杆轴的工艺设计

图3.1.蜗杆轴零件图

3.1.1.1、蜗杆轴的作用

该蜗杆轴不仅具有轴类零件的共性即传动、支承、传递转矩等作用，而且在传递运动的同时，还有梯形螺纹起到减缓传递运动的作用。

3.1.1.2、结构特点

如图3.1 所示零件是减速器中的传动蜗杆轴。它属于台阶轴类零件，由外圆柱、轴肩、蜗杆螺纹、键槽组成。轴肩一般用来确定安装在轴上零件的轴向位置，φ17的两外圆柱表面为支撑轴承，键槽用于和外部动力输出轴配合。

3.1.1.3、结构工艺性

轴肩、轴颈、键槽、蜗杆螺纹。

3.1.1.4、关键表面技术分析

①φ20圆柱表面Ra值达到1.6；

②φ17圆柱表面Ra值达到1.6；

③word/media/image41.gif螺纹表面Ra值达到1.6；

3.1.1.5蜗杆轴的工艺设计

图为蜗杆轴零件图，该零件结构上有外圆柱、轴肩、蜗杆螺纹、键槽等加工表面。φ17的两外圆柱表面为支撑轴承。该零件选用材料为45钢是典型的轴用材料，综合机械性能良好，工艺性能亦好。

3.1.1.6、确定生产类型

生产类型为单件小批量生产。

3.1.1.7确定毛坯种类与毛坯图说明

根据零件材料确定毛坯为锻件。为保证质量，减少加工余量，采用立式精锻机锻造。用热轧棒料经拔长得到。简化锻造工艺，对直径相近的台阶适当合并。如毛坯图3.2：

图3.2 毛坯图

3.1.1.8选择定位基准

（1）粗基准：外圆表面（2）精基准：蜗杆轴的轴线（前后顶尖装夹）

3.1.1.9、确定工艺路线

下料(锯床) — 校直 — 车端面 ,打中心孔 — 粗车外圆表面 — 车另一端面，打中心孔— 粗车另一端外表面 — 半精车外圆表面（前后顶尖装夹） — 车螺纹 — 热处理— 研磨中心孔 — 磨削 — 检验

3.1.2、霍尔元件代替物的加工工艺过程

图3.3 霍尔元件代替物加工工艺过程卡片

图3.4 霍尔元件代替物加工工序卡片

四．数控编程及仿真

4.1 、刀架典型零件的数控编程与仿真

4.1.1、车类零件的数控编程与仿真

4.1.1.1、选择对象：套筒

运用mastercam软件对该零件模拟仿真，导出数控加工程序，再利用SL软件仿真。

仿真截图如图4.1、图4.2所示：

图4.1.1mastercam套筒仿真

图4.1.2 套筒mastercam仿真刀路

4.1.1.2、数控加工程序

见附件

4.1.2、铣类零件的数控编程与仿真

4.1.2.1、选择对象：霍尔元件代替物

仿真截图如图4.3、图4.4所示：

图4.1.3霍尔元件代替物mastercam仿真截图

图4.1.4 霍尔元件代替物mastercam仿真刀路截图

4.1.2.2、数控加工程序

见附件

五．任务与分工

尾座设计：雷鸣

刀架设计：雷云云

伺服进给系统x向设计：李世玉

伺服进给系统z向设计：李轶炜

参考文献

[1]宋宝玉.简明机械设计手册.哈尔滨工业大学出版社.2008.8

[2]濮良贵,纪名刚.机械设计(第八版).高等教育出版.2006.5

[3]陈婵娟.数控车床设计.化学工业出版社.2006.3

[4]温锦华.零件数控车削加工.北京理工大学出版社.2009.8

[5]王三民.机械设计计算手册(第二版).化学工业出版社.2012.7

[6]张思弟.数控车工实用技术手册.江苏科学技术出版社.2006.1

附件

机械装置各部分装配纸1张，所有零件图；

典型零件的加工工艺过程卡、工序卡；

典型零件的部分数控加工程序。

数控车床四工位刀架设计