加工中心刀庫(kù)裝置設(shè)計(jì)

時(shí)雨

（哈爾濱市國(guó)際工程咨詢中心，哈爾濱150000）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，產(chǎn)品更新速度越來(lái)越快。形狀復(fù)雜的零件越來(lái)越多，對(duì)精度的要求也越來(lái)越高。多品種、中小批量的生產(chǎn)方式逐漸占據(jù)了工業(yè)市場(chǎng)。激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)使得產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)周期逐漸縮短。傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造方法已難以滿足這種多樣化、柔性化的高效高質(zhì)量零件加工要求。近幾十年來(lái)，世界各國(guó)十分重視發(fā)展能有效解決復(fù)雜、精密、小批多變零件的數(shù)控加工技術(shù)，在加工設(shè)備中大量采用以微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)控技術(shù)［1］。加工中心就是一種這樣應(yīng)運(yùn)而生的數(shù)控設(shè)備［2］。

目前我國(guó)加工中心技術(shù)水平同發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在巨大差距，本設(shè)計(jì)力求在刀庫(kù)及換刀裝置方面最大限度地改進(jìn)并設(shè)計(jì)出相對(duì)可靠、高效率的刀庫(kù)裝置［3］。

2 刀庫(kù)的綜述

首先我們要對(duì)刀庫(kù)進(jìn)行一次系統(tǒng)的定義。刀庫(kù)是儲(chǔ)存加工工序所需的各種刀具的機(jī)構(gòu)，可以按程序指令，把即將使用的刀具迅速、準(zhǔn)確地送到換刀位置，并接受計(jì)算機(jī)指令將使用過(guò)的刀具復(fù)位。因此，刀庫(kù)不單單是儲(chǔ)存刀具的單一機(jī)構(gòu)，而是能夠按程序運(yùn)作的一個(gè)精確機(jī)構(gòu)［4］。

常見(jiàn)刀庫(kù)形式可分為三種：圓盤式刀庫(kù)，鏈條式刀庫(kù)以及斗笠式刀庫(kù)，具體對(duì)比見(jiàn)表1。

對(duì)于每種刀庫(kù)，它們各自的結(jié)構(gòu)也不同，這里主要介紹設(shè)計(jì)中所選擇的圓盤式刀庫(kù)結(jié)構(gòu)［5］。傳統(tǒng)圓盤式刀庫(kù)通常可容納40把刀具，由直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)半聯(lián)軸器和蝸桿蝸輪帶動(dòng)與圓盤相連的軸轉(zhuǎn)動(dòng)。圓盤上均布40個(gè)刀座和刀套，其外側(cè)邊緣有相應(yīng)的刀座編碼板，刀庫(kù)下方有固定不動(dòng)的刀座號(hào)讀取裝置。圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，刀座號(hào)板依次經(jīng)過(guò)刀座號(hào)讀取裝置。這種刀庫(kù)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，總體布局比較緊湊，但圓盤直徑較大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，而且刀具離主軸較遠(yuǎn)，需使用換刀機(jī)械手來(lái)?yè)Q刀。

表1 常見(jiàn)刀庫(kù)形式

3 刀庫(kù)總體結(jié)構(gòu)方案擬定

圖1 刀庫(kù)、主軸箱、換刀裝置及床身裝配關(guān)系

設(shè)計(jì)的機(jī)械手在工件一次裝夾后，由數(shù)控系統(tǒng)控制，可連續(xù)完成銑、鉆、鉸、擴(kuò)、攻絲等多種工序加工，故適合于小型板類、盤類、殼體類、模具等零件的加工。具體布局為立柱的中間安裝機(jī)械手控制箱，機(jī)械手的長(zhǎng)度為主軸軸心線到刀庫(kù)的刀具換刀位置之間的距離。換刀機(jī)械手為單臂雙爪回轉(zhuǎn)式機(jī)械手，大致裝配關(guān)系如圖1。

各項(xiàng)主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 主要參數(shù)

4 刀庫(kù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 電機(jī)的選擇

根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)常用配套電機(jī)選擇方式及刀庫(kù)低扭矩、低轉(zhuǎn)速等要求，設(shè)計(jì)中選取FANUC FB15直流伺服電動(dòng)機(jī)，輸出功率1.4kW，最高轉(zhuǎn)速1500r/min，額定轉(zhuǎn)速757.9r/min。

4.2 蝸桿蝸輪參數(shù)計(jì)算

蝸桿蝸輪由于具有良好的傳動(dòng)性能，工作平穩(wěn)，噪聲低，結(jié)構(gòu)緊湊，可自鎖而且傳動(dòng)比準(zhǔn)確，能夠改變力矩方向，故在刀庫(kù)結(jié)構(gòu)中是最重要的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。盤式刀庫(kù)角速度一般在 10°/s～90°/s，驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速 1500r/min，故其運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)比大［6］。

在查閱相關(guān)文獻(xiàn)后，確定蝸桿蝸輪相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表3、表4。

蝸桿材料采用綜合機(jī)械性能較好的45鋼，表面淬火，蝸輪材料采用耐磨且強(qiáng)度較高的ZCuAl10Fe3，砂模鑄造；蝸桿通常與軸做成一體，有車制和銑制兩種。當(dāng)軸徑小于蝸桿齒根圓直徑時(shí)，采用車削；當(dāng)軸徑大于蝸桿齒根圓直徑時(shí)，采用銑削。故本設(shè)計(jì)采用銑削蝸桿。蝸輪結(jié)構(gòu)采用整體式。蝸桿與蝸輪分別采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑［7］。

表3 蝸桿幾何尺寸/mm

表4 蝸輪幾何尺寸 /mm

4.3 刀盤及刀具夾緊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刀盤用于固定刀套，16個(gè)刀套固定在刀盤上，隨著刀盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)換刀。故刀盤在換刀時(shí)起著至關(guān)重要的作用。假設(shè)刀套在圓盤上緊密排列（即刀套間以相切形式排列），則刀具中心線夾角22.5°，回轉(zhuǎn)半徑192.2mm；此時(shí)刀套中心所在圓的理論周長(zhǎng)為1207.016mm，而實(shí)際上刀套間存在一定的間隙，取間隙大約為25mm，這時(shí)刀套中心所在圓的周長(zhǎng)變?yōu)?607.016mm，此時(shí)刀套中心所在圓的直徑為511.8mm圓整后取525mm。刀套下表面到靜軸中心的距離為225mm，最終確定取刀盤的直徑420mm，厚20mm。靜盤用于刀套的輔助支撐，取其直徑為435mm,厚30mm。刀盤采用40Cr材料，調(diào)質(zhì)處理，保證機(jī)械性能［8］。

刀具夾緊彈簧用于防止刀具在刀套旋轉(zhuǎn)至垂直位置的過(guò)程中被甩出。查閱參考文獻(xiàn)，彈簧材料選用60Si2MnA。已知彈簧工作載荷100N，直徑2mm，中徑12mm，節(jié)距4.28mm，工作極限載荷184.4N。

5 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)完成了刀庫(kù)裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其中采用了常見(jiàn)的圓盤式刀庫(kù)，以便提高設(shè)備的通用性及可更換性。本設(shè)計(jì)中刀庫(kù)針對(duì)立式加工中心設(shè)計(jì)，故使用時(shí)需注意。

［1］ 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)用手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［2］ 王三民，諸文俊.機(jī)械原理與設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［3］ 李洪.實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.沈陽(yáng)：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

［4］ 黃鶴汀.金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

［5］ 趙寶生.CNC32數(shù)控車床的設(shè)計(jì)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［6］ 王建軍.齒輪系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［7］ 戴曙.機(jī)床滾動(dòng)軸承應(yīng)用手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［8］ CNC Machining Process and Equipment［M］.New York：Oxford University Press，2007.