数控车床自动回转刀架机电系统设计（含CAD图纸）(3)

下刀体之间的端面齿慢慢脱开；

刀架转位：当转过170度时，两端面完全脱开，圆柱销由于弹簧的作用压在螺杆上端的台阶内侧，于是螺杆带动上刀体转动起来。

刀架定位：上刀体带动磁铁转到需要的刀位时，粗定位销在弹簧的作用下进入粗定位槽，同时发信盘上对应的霍尔元件输出高电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，由于粗定位销的作用，上刀体不会随螺杆的反转而反转，所以开始下降，上下刀体的端面逐渐啮合，实现精定位。

刀架夹紧：上下刀体的端面齿紧密啮合后.螺杆不再转动，而电机继续带动蜗轮向螺杆加力，经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。由于蜗杆副有自锁功能，所以刀架可以稳定的工作。

图3-3 自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置

图3-3表示自动回转刀架在换刀过程中有关销的位置。其中上部的圆柱销2和下部的反靠销6起着重要的作用。当刀架处于锁紧状态时，两销的情况如图a所示，此时反靠销6落在反靠圆盘7的十字槽内，上刀体4的端面齿和下刀体的端面齿处于咬合状态。需要换刀时，控制系统发出刀架转位信号，三相异步电动机正向旋转，通过蜗杆副带动螺杆正向转动，与蜗杆配合的上刀体4逐渐抬起，上刀体4与下刀体之间的端面齿慢慢脱开；于此同时，上盖圆盘1也随着螺杆正

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向转动(上盖圆盘1通过圆柱销与螺杆连接)当转过约170度时，上盖圆盘1直槽的另一端转到圆柱销2的正上方，由于弹簧3的作用，圆柱销2落入直槽内，于是上盖圆盘1就通过圆柱销2使得上刀体4转动起来（此时端面齿已经完全脱开）如图b所示。上盖圆盘1，圆柱销2以及上刀体4在正转的过程中，反靠销6能够从反靠圆盘7中十字槽的左侧斜坡滑出，而不影响上刀体4寻找刀位时的正向转动，如图c所示。上刀体4带动磁铁转到需要的刀位时，发信盘上对应的霍尔元件输出低电平信号，控制系统收到后，立即控制刀架电动机反转，上盖圆盘1通过圆柱销2带动上上刀体4开始反转，反靠销6马上就会落入反靠圆盘7的十字槽内，至此。完成粗定位，如图d所示。此时，反靠销6从反靠圆盘7的十字槽内爬不上来，于是上刀体4停止转动，开始下降，而上盖圆盘1继续反转，其直槽的左侧斜坡将圆柱销2的头部压入上刀体4的销孔内，之后，上盖圆盘1的下表面开始与圆柱销2的头部滑动。在此期间，上、下刀体的端面齿逐渐咬合，实现精定位。经过设定的延时时间后，刀架电动机停转，整个换刀过程结束。

3.2 蜗轮及蜗杆的设计及校核

按照设计要求对电机进行选型：要求功率为90W，转速1440r/min，经过查取有关资料，采用江西省泰隆电机有限公司生产的JW5614-90W三相异步电机。JW系列三相异步电动机，按JB1009-1012-91，GB12350-2000标准设计，具有外型匀称美观，起动转矩大，效率高，使用寿命长，运行性能良好，噪音小，结构合理，维护方便等特点。一般多用于驱动需要较大起动转矩的机械，如机床、建筑机械、农副产品加工、泵、空气压缩机、制冷压缩机、磨粉机、医疗器械、及农业机械的驱动。

自动回转刀架的动力源是三相异步电动机，其中蜗杆与电动机直连，刀架转位时蜗轮与上刀体直连。已知电动机额定功率P1=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。刀架从转位到锁紧时，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。

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3.2.1 蜗杆的选型

按蜗杆形状，蜗杆传动可分为圆柱蜗杆传动、环面蜗杆传动和锥蜗杆传动。圆柱蜗杆设计制造简单，应用十分广泛；环面蜗杆润滑性能较好，效率高，承载能力高，为普通蜗杆的2-4倍，但制造安装复杂，用在大功率的场合；锥蜗杆制造安装复杂，应用较少。

圆柱蜗杆传动包括普通圆柱蜗杆传动和圆弧圆柱蜗杆传动。根据螺旋线的不同，圆柱蜗杆可分为阿基米德圆柱蜗杆（ZA蜗杆）、法向直廓圆柱蜗杆（ZN蜗杆）、渐开线圆柱蜗杆（ZI蜗杆）和锥面包络线圆柱蜗杆（ZK蜗杆）。

阿基米德蜗杆（ZA蜗杆）的特点是在轴向齿廓呈齿条形状，法向齿廓为外凸曲线，在端平面上的齿廓为阿基米德螺旋线。这种蜗杆可以在车床上用于直线刀刃的单刀(当导程角γ≤3°时)或双刀(当γ>3°时)的车削加工，制造方便，应用广泛。一般用于头数较少、载荷较小、低速或不太重要的传动。

法向直廓圆柱蜗杆（ZN蜗杆）磨削起来难度较大，所以不推荐采用。 渐开线蜗杆（ZI蜗杆）如图（3-4）所示，这种蜗杆的端面齿廓位渐开线，所以相当于一个少数、大螺旋角的渐开线圆柱斜齿轮，ZI螺杆可用两把直线刀刃的车刀在车床上车削。

圆弧圆柱蜗杆传动（ZC蜗杆）。在轴向平面内具有凹圆弧齿廓，与蜗轮组成凹凸啮合传动型式，承载能力大、效率高、耐磨，在冶金、建筑、化工等机械中应用广泛。

图3-4渐开线蜗杆

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在GB/T10085——1988中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)。在机械设计中，越是简单的结构越稳定。在考虑稳定性以及小型化的因素上所以采用渐开线型圆柱蜗杆。 3.2.2 蜗杆副的材料

蜗杆一般是用碳钢或合金钢制成。高速重载蜗杆常用15Cr或20Cr，并经渗碳淬火；也有用40、45号钢或40Cr并经淬火。这样可以提高表面硬度，增加耐磨性。通常要求蜗杆淬火后的硬度为40～55HRC，经氮化处理后的硬度为55～62HRC。一般不太重要的低速中载的蜗杆，可采用40或45号钢，并经调质处理，其硬度为220～300HBS。

常用的蜗轮材料为铸造锡青铜（ZCuSn10P1，ZCuSn5Pb5Zn5）、铸造铝铁青铜（ZcuAl10Fe3）及灰铸铁（HT150、HT200）等。锡青铜耐磨性最好，但价格较高，用滑动速度v?3m/s的重要传动；铝铁青铜的耐磨性较锡青铜差一些，但价格便宜，一般用于滑动速度v ?4m/s的传动；如果滑动速度不高(vS?2m/s），对效率要求也不高时，可采用灰铸铁。为了防止变形，常对蜗轮进行时效处理。

设计要求电机功率为90W，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；蜗轮的转速较低，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。 3.2.3 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。

按蜗轮接触疲劳强度条件设计计算的公式为：

a?3?ZEZ?KT2?????H?????2 上式中：a——蜗杆副的传动中心距，单位为mm；

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K——载荷系数；

T2——作用在蜗轮上的转矩T ，单位N.mm；

ZE——弹性影响系数，单位为

MPa；

Z?——接触系数；

??H?——许用接触应力，单位为MPa；

由上式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，蜗轮参数。

1. 确定作用在蜗轮上的转矩T

设蜗杆头数z1=1，蜗杆副的传动效率取?=0.8。由电动机的额定功率P1 =90W，可以算出蜗轮传递的功率P2 =P1，再由蜗轮的转速n2=30r/min，求得作用在蜗轮上的转矩：T2=9.55P2/n2=9.55P1/n2=22920N.mm

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