聶小春，韓利紅，孫曉輝，汪菊英

(1.廣州工程技術(shù)職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510925;2.洛陽北方企業(yè)集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 471003)

1 引言

加工中心是一種帶有自動(dòng)換刀裝置，對工件能夠在一定的范圍內(nèi)進(jìn)行多種加工操作的數(shù)控機(jī)床。自動(dòng)換刀裝中的盤形刀庫為最常用的一種形式，每一刀座均可存放一把刀具。盤形刀庫的儲(chǔ)量一般為15～40把刀。盤形刀庫種類很多，單盤式刀庫、90°翻轉(zhuǎn)的圓盤刀庫、鼓輪彈倉式(又稱刺猬式)刀庫、多層盤形刀庫等［1］。由于單盤式刀庫的結(jié)構(gòu)簡單，取刀也較方便，因此應(yīng)用最為廣泛。筆者針對45#-16T型盤式刀庫設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

2 刀庫主要參數(shù)

其刀庫的主要參數(shù)為:載刀量:16把;刀具規(guī)格:BT45;刀具最大外徑:φ85;刀具最大重量:10 kg;初選刀庫直徑:φ700;刀庫回轉(zhuǎn)速度:100 r/min。

由于需要較快的換刀速度，考慮到刀庫執(zhí)行時(shí)的響應(yīng)速度，故初選刀庫回速度為100 r/min，線速度為3.66 m/s，其速度在允許范圍內(nèi)。

3 傳動(dòng)方案確定［2］

由于刀具形式為BT45，其刀具直徑為φ85，按初選的刀庫直徑φ700來排列可知每把刀的間隔約為52 mm，符合安裝要求?；緜鲃?dòng)方式如圖1所示。

圖1 刀庫的系統(tǒng)傳動(dòng)簡圖

由于伺服電動(dòng)機(jī)具有:①智能化自動(dòng)調(diào)整;②高速高響應(yīng);③超低振動(dòng)。這些條件都有利于數(shù)控機(jī)床的要求。所以選擇的伺服電機(jī)規(guī)格［3］如表1所列。

表1 電機(jī)規(guī)格

4 蝸桿組件設(shè)計(jì)與校核

4.1 蝸桿傳動(dòng)的特點(diǎn)及其材料的選用

蝸桿傳動(dòng)是在空間交錯(cuò)的兩軸間傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。蝸桿傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是能得到很大的傳動(dòng)比、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)和噪聲小等。所以本設(shè)計(jì)優(yōu)先選用蝸輪蝸桿傳動(dòng)。

蝸桿材料選用45鋼，表面淬火，硬度為45～55HRC。由于蝸輪屬于易損件工作時(shí)磨損嚴(yán)重故齒圈材料選用鑄錫磷青銅(ZcuSn10P1)，齒芯材料選用灰鑄鐵HT100制造。

4.2 蝸桿軸彎矩的校核

忽略帶輪壓軸力，蝸桿軸的載荷分析如圖2所示。

圖2 蝸桿軸受力與彎矩圖

計(jì)算蝸桿軸各段的彎矩。從蝸桿軸的結(jié)構(gòu)圖及彎矩和扭矩圖中可看出蝸桿的中間B截面是蝸桿軸的危險(xiǎn)截面。已知LAB=44.25 mm，LBC=50.5 mm，LCD=50.5 mm進(jìn)行計(jì)算。

(1)垂直面的支承反力

(2)水平面支承反力

(3)帶輪壓軸力F在支點(diǎn)產(chǎn)生的反力

已知皮帶有效拉力為Te=90.75 N，皮帶工作時(shí)的壓軸力為:

(4)繪垂直彎矩圖

(5)繪水平彎矩圖

而C截面F產(chǎn)生彎矩為:

(6)合成彎矩圖

(7)前面計(jì)算得軸傳遞的轉(zhuǎn)矩

(8)求危險(xiǎn)截面的當(dāng)量彎矩

從圖可知C截面最危險(xiǎn)，因此取抗彎截面系數(shù)W=0.1 d3=0.1×(27.625 mm)3=2.1×10-6m3，由于扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取α=0.6，軸的計(jì)算應(yīng)力:

(9)已經(jīng)選定蝸桿軸的材料為45#，調(diào)質(zhì)處理，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》表15-1得的許用彎曲應(yīng)力為［σ-1］=60 MPa。因此σca［σ-1］，軸的尺寸符合設(shè)計(jì)要求，故安全。

5 零部件設(shè)計(jì)與校核

5.1 刀夾的受力分析

刀夾間的拉伸彈簧對換刀有重大的影響，刀庫的穩(wěn)定性取決于彈簧的合理設(shè)計(jì)，故對其進(jìn)行設(shè)計(jì)與校核，從而保證刀庫穩(wěn)定性。刀夾單元的受力分析如圖3所示。

圖3 刀夾受力分析圖

刀具的離心力為:

式中:m為刀柄的質(zhì)量(kg);r為刀庫半徑(m);v為刀柄旋轉(zhuǎn)的線速度(m/s)。

計(jì)算彈簧的最小拉緊力:

初拉力:

式中:τ0為初切應(yīng)力，即τ0=G/1000(N)

6 結(jié)論

此設(shè)計(jì)是為了解決換刀的問題。圖4為此次設(shè)計(jì)的刀庫總體面局圖，刀庫的總?cè)萘繛?6T，故刀庫主要適用于經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床，滿足80%以上的數(shù)控加工。

圖4 刀庫總體布局圖

此設(shè)計(jì)體現(xiàn)的特點(diǎn)在于設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)比較簡單，主要由鑄件及其他的碳素鋼由螺釘或螺栓連接。刀庫理論的換刀速度值滿足效率高的要求。設(shè)計(jì)中應(yīng)用的彈簧經(jīng)過設(shè)計(jì)滿足要求，這從理論上解決了掉刀現(xiàn)象。設(shè)計(jì)上適應(yīng)未來制造業(yè)的不斷發(fā)展。

［1］ 邱焜城.刀庫之發(fā)展趨勢與未來展望［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2007(4):114-115.

［2］ 周健東.加工中心盤式刀庫的設(shè)計(jì)［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2007(8):83-85.

［3］ 曹秋霞.小型立式加工中心無機(jī)械手自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2006(9):54-56.