45#-16T型立式加工中心盤式刀庫的設計*

聶小春，韓利紅，孫曉輝，汪菊英

(1.廣州工程技術職業學院，廣東 廣州 510925;2.洛陽北方企業集團有限公司，河南 洛陽 471003)

1 引言

加工中心是一種帶有自動換刀裝置，對工件能夠在一定的范圍內進行多種加工操作的數控機床。自動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。盤形刀庫的儲量一般為15～40把刀。盤形刀庫種類很多，單盤式刀庫、90°翻轉的圓盤刀庫、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構簡單，取刀也較方便，因此應用最為廣泛。筆者針對45#-16T型盤式刀庫設計進行論述。

2 刀庫主要參數

其刀庫的主要參數為:載刀量:16把;刀具規格:BT45;刀具最大外徑:φ85;刀具最大重量:10 kg;初選刀庫直徑:φ700;刀庫回轉速度:100 r/min。

由于需要較快的換刀速度，考慮到刀庫執行時的響應速度，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。

3 傳動方案確定［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?；緜鲃臃绞饺鐖D1所示。

圖1 刀庫的系統傳動簡圖

由于伺服電動機具有:①智能化自動調整;②高速高響應;③超低振動。這些條件都有利于數控機床的要求。所以選擇的伺服電機規格［3］如表1所列。

表1 電機規格

4 蝸桿組件設計與校核

4.1 蝸桿傳動的特點及其材料的選用

蝸桿傳動是在空間交錯的兩軸間傳動運動和動力的一種傳動機構。蝸桿傳動的主要優點是能得到很大的傳動比、結構緊湊、傳動平穩和噪聲小等。所以本設計優先選用蝸輪蝸桿傳動。

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磨損嚴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

計算蝸桿軸各段的彎矩。從蝸桿軸的結構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截面。已知LAB=44.25 mm，LBC=50.5 mm，LCD=50.5 mm進行計算。

(1)垂直面的支承反力

(2)水平面支承反力

(3)帶輪壓軸力F在支點產生的反力

已知皮帶有效拉力為Te=90.75 N，皮帶工作時的壓軸力為:

(4)繪垂直彎矩圖

(5)繪水平彎矩圖

而C截面F產生彎矩為:

(6)合成彎矩圖

(7)前面計算得軸傳遞的轉矩

(8)求危險截面的當量彎矩

從圖可知C截面最危險，因此取抗彎截面系數W=0.1 d3=0.1×(27.625 mm)3=2.1×10-6m3，由于扭轉切應力為脈動循環變應力，取α=0.6，軸的計算應力:

(9)已經選定蝸桿軸的材料為45#，調質處理，查《機械設計》表15-1得的許用彎曲應力為［σ-1］=60 MPa。因此σca［σ-1］，軸的尺寸符合設計要求，故安全。

5 零部件設計與校核

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，刀庫的穩定性取決于彈簧的合理設計，故對其進行設計與校核，從而保證刀庫穩定性。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為刀柄的質量(kg);r為刀庫半徑(m);v為刀柄旋轉的線速度(m/s)。

計算彈簧的最小拉緊力:

初拉力:

式中:τ0為初切應力，即τ0=G/1000(N)

6 結論

此設計是為了解決換刀的問題。圖4為此次設計的刀庫總體面局圖，刀庫的總容量為16T，故刀庫主要適用于經濟性數控機床，滿足80%以上的數控加工。

圖4 刀庫總體布局圖

此設計體現的特點在于設計結構比較簡單，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。設計中應用的彈簧經過設計滿足要求，這從理論上解決了掉刀現象。設計上適應未來制造業的不斷發展。

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

［2］ 周健東.加工中心盤式刀庫的設計［J］.組合機床與自動化加工技術，2007(8):83-85.

［3］ 曹秋霞.小型立式加工中心無機械手自動換刀裝置設計［J］.機床與液壓，2006(9):54-56.