数控车床刀架的设计.doc

1、西北工业大学继续教育学院毕业论文 1 摘 要 数控加工的加工精度高，生产率高，能减轻操作者劳动强度，改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。它的发展和运用，影响着制造业水平高低，实现生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向，所以非常值得我们去研究。 本设计通过对数控车床六工位自动控制刀架工作原理的分析，综合考虑刀架工作过程的优缺点，确定了设计方案，得到了最终设计的结果 ,也达到了预先设定的目的。本设计主要包括了数控车床刀架机构的主要部件，其中包括转位机构，刀架的定位机构，驱动伺服电机的选择，蜗轮蜗杆的设计，刀架主轴的结构设 计等。最终得到常用的数控车床六工位刀架应满足的要

2、求。 关键 词 :六工位；电动刀架 西北工业大学继续教育学院毕业论文 2 ABSTRACT With its high working accuracy and productivity, the numerical control processing can reduce the operators labor intensity, improve labor condition, and is thus advantageous in the modernization of manufacturing management as well as improvement of econo

3、mic benefit. Hence, the development and the utilization the numerical control processing play a role and become the development direction in the advancement of manufacturing industry. Based on the analysis of operating principle and process of six-station automatic control knife rest of numerically

4、controlled lathe, this paper determines its solution approach and conclusion. The paper first discusses how to choose such critical pieces of the knife rest of numerically controlled lathe as indexing mechanism, positioning mechanism, drive servo motors, and then discusses the design of worm gear, w

5、orm drive, and the structure of principle axis of the knife rest, etc. The paper then concludes the requirements of common six-station automatic control cutter of numerically controlled lathe. Key words: six-location; electronic knife rest 西北工业大学继续教育学院毕业论文 3 第一章 引言 1.1 毕业设计的 背景 及目的 。 机械制造业是一个国家或地区经济

6、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。 随着机械制造生产模式的演变 ,对机械制造装备提出了不同的要求，在 50 年代“刚性”生产模式下，通过提高效率，自动化程度，进行单一或少品种的大批量生产，以“规模经济 ” 实现降低成本和提高质量的目的。在 70 年代主要通过改善生产过程管理来进一步提高产品质量和降低成本。在 80 年代，我国逐渐开始采用 数控机床，机器人，柔性制造单元等高技术的集成来满足产品个性化和多样化的要求，以满足社会各消费群体的不同要求。从 90 年代开始，为了对世界生产进行快

7、速响应，逐步实现社会制造资源的快速集成，要求机械制造装备的柔性化程度更高 ,采用快速成形制造技术。 工业发达国家都非常注重机械制造业的发展，用 大量 先进技术和工艺装备制造业，机械制造装备工业得到 优 先发展。对比之下，我国目前机械制造业的装备水平还比较落后，表现在大部分工厂的机械制造装备基本上是通用机床加专用工艺装备，数控机床在机械制造装备中的比重还非常低，导致 “ 刚性 ” 强 ,更新产品速度慢，生产批量不宜太小，生产品种不宜过多；自动化程度基本上还是“一个工人，一台机床， 一把刀 ” ， 导致劳动生产率低下，产品质量不稳定。 因此，要缩小我国同发达工业国家的差距 ,我们必须在机械制造装备

8、方面大西北工业大学继续教育学院毕业论文 4 下功夫，其中最重要的一个方面就是增加数控机床在机械制造装备中的比重。 通过这次毕业设计，可以达到以下目的： 1、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； 2、强化工程实践能力和意识，提高本人综合素质和创新能力； 3、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、计算机应用、使用文献资料和技术手册、文字表达等各方面的能力； 4、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。 1.2 设计内容和研究方法 本课题设计一台

9、数控车床 CAK6140 数控车床回转刀架的结构设计为本次毕业设计的重点内容，同时也是难点。通过广泛查阅文献资料，参观数控车床实物样机以及和生产一线的工人相互讨论等途径，拟定了如下的研究手段： (1)本次研究的数控车床床身采用卧式斜床身结构。因为车床的床身是整个车床的 基础支承件，是车床的主体，一般用来放置导轨、主轴箱等重要部件。床身的结构对车床的布局有很大的影响。按照床身导轨面与水平面的相对位置，床身的结构有 后斜床身 斜滑板，直立床身 直立滑板，平床身 平滑板，前斜床身 平滑板和平床身 斜滑板等五种，它们各自有自己的优点和局限性，采用什么样的床身要根据实际情况定。一般来说，中、小规格的数控

10、车床采用斜床身和西北工业大学继续教育学院毕业论文 5 平床身斜滑板的居多。只有大型数控车床或小型精密数控车床才采用平床身平滑板结构，而立床身结构采用得较少。平床身工艺性好，易于加工制造，由于车床刀架水平放置，对提高刀架的运 动精度有好处 ,，但床身下部空间小，排屑 困 难。平床身斜滑板结构，再配置向上 倾 斜导轨防护罩，这样既保持了平床身工艺性好的优点，而且床身宽度也不会太大。斜床身和平床身斜滑板结构在现代数控车床中被广泛采用，是因为这种布局有以下的优点： 1） 易实现机电一体化； 2） 机床外观整齐 ， 美观 ， 占地面积小； 3） 容易设置封闭式防护装置； 4） 容易排屑和安装自支排屑器；

11、 机床床身的五种结构形式图示如下： (a) 斜床身 斜滑板 (b) 直立床身 直立滑板 (c) 平床身 平 滑 板 (d) 前斜床身 平滑板 (e) 平床身 斜滑板 图 1.1 床身结构示意图 西北工业大学继续教育学院毕业论文 6 5） 从工件上切下的炽热切屑不至于堆积在导轨上影响导轨精度； 6） 宜人性好 ， 便于操作； 7） 便于安装机械手，实现单机自动化 。 (2)数控车床的刀架采用回转刀架。回转刀架的换刀分为刀盘抬起、刀架转位和刀盘锁紧三个动作。其中刀盘抬起和刀架锁紧由液压来实现，而刀盘转位则由伺 服电机来驱动。刀盘抬起动作的实现须经以下步骤：数控系统发出刀盘抬起命令 液压系统启动 压

12、力油进入液压缸右腔 活塞向左运动 刀架主轴向左移动 端齿盘脱离啮 合 刀盘抬起。刀盘转位动作的实现顺经以下步骤：数控系统发出刀盘转位的命令 伺服电机启动 蜗轮蜗杆转动 刀架主轴转动 实现刀盘转位 。 刀盘锁紧动作的实现顺经 以下的步骤：数控系统发出刀盘锁紧命令 液压系统启动 压力油进入液压缸左腔 活塞向右运动 刀架主轴向右移动 端齿盘啮合 实现刀盘锁紧 。 图 1.2 回转刀架示意图 (3)本车床数控系统选用日本 FANUC 公司的 FANUC 系统。因为就目前来说，国内各数控机床用得最多的也是 FANUC 系统，因为它具有以下的优点： 西北工业大学继续教育学院毕业论文 7 1）高可靠性及完整

13、的质量控制体系。 2） 采用大规模及超大规模的专用集成电路芯片。 3） 全自动化工厂生制造。 4） 良好的控制软件设计。 5）数字式进给伺服和数字式主轴驱动。 第二章 数控车床刀架结构设计及计算 2 1 数控车床刀架的功能，类型和应满足的要求 2 1 1车 床刀架的功能 机床上的刀架是安放刀具的重要部件，许多刀架还直接参与切削工作，如卧式车床上的四方刀架，转塔车床的转塔刀架，回轮式转塔车床的回轮刀架，自动车床的转塔刀架和天平刀架等。这些刀架既安放刀具，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，机床的刀架也有了许多变化，特别是数控车床上

14、采用电 (液 )换位的自动刀架，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， 实 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 。 2.1.2机床刀架的类型 按换刀方式的不同，数控车床的刀架系统主要有回转刀架、排式刀架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架西北工业大学继续教育学院毕业论文 8 作简单的介绍。 1、 排式刀架 排式刀架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

15、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。这种刀架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。宝鸡机床厂生产的 CK7620P全功能数控车床配置的就是排式刀架。 2、 回转刀架 回转刀架是数控车床最常用的一种典型换刀刀架， 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、六方刀架或圆盘

16、式刀架，并相应地安装 4 把、 6 把或更多的刀 具 。回转刀架的换刀动作可 分为刀架抬起、刀架转位和刀架锁紧等几个步骤。它的动作是由数控系统发出指令完成的。回转刀架根据刀架回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀架和卧式刀架两种。 3、 带刀库的自动换刀装置 上述排刀式刀架和回转刀架所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀架，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。带刀库的自动换刀西北工业大学继续教育学院毕业论文 9 装置由刀库和刀具交换机构组成。 (a)回转刀架 (b) 排式刀架 图 2.1 机床刀架类型结构图 2.1.3机床刀架应满足的要

17、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，要求刀架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，所以要求刀架可以方便地转位。 2、 在刀架以要能牢固地安装刀具，在刀架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。刀架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，刀架的运动轨迹必须准确，运动应平稳，刀架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

18、正确位置。 3、 刀架应具有足够的刚度。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，而且有些刀架还直接承受切削力。考虑到采用新型刀具材料和 较大 的切削用量，所以刀架必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。 西北工业大学继续教育学院毕业论文 10 4、 可靠性高。由于刀架在机床工作过程中，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、 刀架是为了提高机 床自动化而出现的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生产率。目前自动换刀装置的换刀时间在0.8 6 秒之间不等。而且还在进一步缩短。 6、 操作方便和安全。刀架是工人经常操作的机

19、床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀架设计好坏的指标。刀架上应便于工人装刀和调刀，切屑流出方向不能朝向工人，而且操作调整刀架的手柄（或手轮）要省力，应尽量设置在便于操作的地方。 2.2 数控车床刀架总体方案设计与选择 2.2.1刀架的整体方案设计 刀架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 面 对机床刀架类型、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，本次设计的数控车床 CAK6140 拟采用回转刀架中的六工位六方刀架。该刀架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定位由液压来实现，而刀盘的分度转位 由 伺服电机驱动。 2.2.2车床刀架的转位机构方案设计 一般来说，机床刀架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