一種用于自動交換銑頭的減震裝置

王海波 羅文耀 張海亮

(漢川數控機床股份公司，陜西 漢中723000)

銑頭做為機床的功能附件，在數控機床中有著廣泛的應用。隨著生產制造對機床性能要求的不斷提升，自動交換銑頭功能在各種中高檔數控機床中，也越來越多地被采用。隨之而來的是交換銑頭過程中的一系列問題:比如銑頭定位精度保持性差，導致銑頭與主軸對接時各種對接元器件容易損壞;交換銑頭時，定向停容易變化，造成交換動作無法進行;振動因素影響位置傳感器，使得系統對銑頭到位信號的檢測出現偏差等等。出現這些問題的原因是多種多樣的，其中，銑頭在頭庫中的準確定位與否是一項非常關鍵的因素，而影響這一因素的主要原因之一便是機床自動交換過程中銑頭的振動。因此，銑頭在頭庫中定位時，需要采取必要的減震措施，以避免因為振動而影響機床交換銑頭的穩定性。

1 銑頭交換過程的振動

一般能夠進行自動交換銑頭的機床都配置有放置銑頭的頭庫，圖1中，某型機床的銑頭放置在頭庫之中。我們把機床主軸將銑頭送還頭庫的過程稱為“還頭入庫”，把機床主軸從頭庫中抓取銑頭的過程稱為“銑頭抓取”。“銑頭抓取”動作時，銑頭已經在頭庫中定位，因此自動交換過程中振動對銑頭定位的影響主要在“還頭入庫”階段。這個階段的動作可以分為以下幾步:(1)頭庫準備就緒;(2)主軸移動至還頭位置;(3)主軸沿銑頭方向降落，位置傳感器確認銑頭到位信號;(4)松開銑頭，完成銑頭入庫動作。銑頭降落過程中，當銑頭定位面達到感應開關檢測位置時，系統便確認銑頭已經到位，進行松頭動作。實際上，此時銑頭距離頭庫的定位面還有一定距離，雖然此距離很小，小到幾乎不影響機床實現交換銑頭功能;但銑頭從這一距離落下的過程中仍會產生沖擊。因此而產生的振動有損銑頭在頭庫中的準確定位，這對換頭的精度保持性、可靠性有嚴重影響。

在銑頭落入頭庫時，定位面硬接觸，每次交換動作都會產生沖擊。在機床工作短期內，沖擊對定位精度的影響略小;但隨著時間的推移，影響會越來越大，以致銑頭在頭庫中的位置出現偏差，輕則導致元器件損壞，重則導致無法交換銑頭。因此需要在定位面做緩沖減震處理。

2 減震裝置的設計

2.1 減震裝置的設計方案

考慮到實際生產中銑頭以及頭庫結構限制，減震裝置不能夠過大，要能夠在定位面安裝。我們按照圖2中的布置，在銑頭定位面設置a、b、c、d這4處緩沖點，這樣不僅可以有效地減小減震器的外形尺寸，而且4點布置能夠讓銑頭得到更加平穩的緩沖。

某型銑頭重量為300 kg，頭庫定位面寬度30 mm。要在狹小的空間對該銑頭入庫的動作進行緩沖，我們采用碟簧緩沖的結構實現減震。圖3為該緩沖裝置的結構圖。在這里選擇碟簧，因為彈簧具有很優勢的特點，剛度大，能以小變形承受大載荷，適合于軸向空間要求小的場合。

“還頭入庫”過程中，沖擊主要發生在銑頭確認銑頭位置、主軸松開銑頭之后。根據前一節的分析，這段緩沖的距離非常小。一般而言，機床對這段緩沖距離的需求在1 mm以內，因此我們的緩沖裝置需要實現在1 mm以內對銑頭的減震，讓定位面能夠平穩準確地接觸。

圖3中，緩沖裝置安裝在頭庫定位面a、b、c、d這4處緩沖點，定位面對應位置加工相應的安裝孔。銑頭入庫之前，導桿在碟簧的作用下將支撐塊推至高位，限位螺釘能夠通過導桿將碟簧預壓，同時確保設計所需的緩沖距離。銑頭入庫之后，銑頭將4處緩沖裝置壓下，此時在頭庫與支撐塊之間有0.5 mm間隙，這能夠保證銑頭入庫后與定位面接觸，排除支撐塊對銑頭定位的影響。

動作要求:支撐塊要完全壓到頭庫定位面以下，不影響銑頭定位;碟簧反力要求在1 mm變形量范圍內能夠支撐銑頭平穩落下。

2.2 碟簧的選用計算

碟簧能以小變形承受大載荷，采用多片碟簧組合能夠讓碟簧更有效地發揮其特性。碟簧的組合型式分為疊合、對合以及復合3種方式，根據實際結構以及所受承載力來選用不同的組合形式。

上一節已知銑頭重量300 kg，緩沖點共有4處，那么每一處緩沖點所要承受的重量為75 kg，即對支撐塊的壓力F=750 N;緩沖距離為f0=1 mm。根據這幾項條件，我們來確定所需的碟簧及其組合型式。因為頭庫定位面寬度僅有30 mm，所以在選擇碟簧時要考慮到外徑大小。通過查閱資料，我們考慮選擇下表規格的碟簧。

表1

由D/d比值，可以查得碟簧的計算系數K=0.682;因為A14碟簧無支承面，取K1=1。

碟簧壓平時的載荷:

其中:E為彈性模量2.06×105MPa;μ為泊松比0.3。經過計算，Fc=1 040 N。

可以看出F＜F0＜Fc，因此在選用該碟簧時，無需疊合組合。只需要選擇合適的片數，使得對合組合滿足1 mm的變形量即可。

根據h0/t=0.4和F/Fc=0.72，可以查得單片碟簧在F作用下變形量f1與壓平變形量h0的比值f1/h0=0.72，由此可以得出f1=0.72h0，計算得出f1=0.216 mm。

滿足總變形量1 mm所需對合組數i=f/f1=4.6，取整i=5，對合組合碟簧的總自由高度H=iH0=5.5 mm。

由于摩擦力的阻尼作用，對合組合碟簧的各片變形量將依次遞減;所以在做相關計算時，應考慮其摩擦力，對碟簧載荷及變形予以修正。碟簧的摩擦存在于承載邊緣以及碟簧錐面間，對于對合組合碟簧，錐面間的摩擦可以忽略不計，因此我們計算時只需考慮承載邊緣的摩擦，其摩擦系數fR=0.04。修正后單片碟簧載荷F2=F(1-fR)，計算得出F2=720 N。

根據h0/t=0.4和F2/Fc=0.69，可以查得單片碟簧在F2作用下變形量f2與壓平變形量h0的比值f2/h0=0.69，由此可以得出f2=0.72h0，計算得出f2=0.207 mm。

實際所需對合組數i=f/f1=4.8，取整i=5，即所需碟簧為5片。設計時，所需的安裝高度，即對合組合碟簧的總自由高度H=iH0=5.5 mm。

2.3 支撐塊的可靠性驗證

該緩沖裝置的關鍵件是支撐塊，銑頭落下時，支撐塊受到銑頭重力沖擊。按照設計，1個銑頭有4處緩沖點，4點均布，1處緩沖點承受1/4的重力;因此我們只需要對其中之一進行驗證。

在此，通過設計軟件SolidWorks來完成對該零件的設計驗證。首先，建立三維模型，如圖4。考慮到實用性因素，支撐塊的材料選用普通碳鋼。取彈性模量2.1×105MPa，泊松比0.28，屈服強度2.2×102MPa。

為模型添加約束，并施加750 N的載荷，然后進行分析，結果如圖4。我們可以看到，應力主要集中在零件截面變化的位置，而變形主要分布在零件承載沖擊力的邊緣。最大應力為7.095×107N/m2，最大變形量0.006 9 mm。應力以及變形可以滿足我們的設計要求。但考慮到不同銑頭重量有所差別，同時該緩沖裝置在其他位置應用的可能性，我們需要讓該零件具有更好的通用性。因此，對支撐塊進行改進設計。

改善支撐塊的應力集中問題，能夠有效地提高其可靠性。在截面變化處，對零件做過渡處理，如圖5增加一圈小凸臺。對改進之后的零件依照同樣方法再次進行分析，結果顯示:支撐塊的最大應力為4.7×107N/m2，最大變形量0.005 6 mm。與改進前的結果對比，應力集中改善33%，零件最大變形量也減少了近20%。因此，在頭庫可能包含重量更大的銑頭或者該裝置應用于其他位置時，支撐塊設計采用第二種結構為最佳。

3 結語

有幾點需要注意:首先是緩沖點的設置，這需要根據實際情況確定緩沖點的數量，但要保證減震相對平穩，至少需要2個以上的緩沖點;其次是碟簧組合形式，在沖擊力過大且空間位置相對較小時，選擇合適的碟簧組合形式非常重要，這極大地影響著該裝置能夠達到的效果。

對于中高檔數控機床，工作的穩定性要求較高，在交換銑頭的動作中，避免一些不利因素就顯得格外重要。在配置有自動交換銑頭的機床上應用該減震裝置，能夠有效改善銑頭換取定位時的精度保持性，延長銑頭部分元器件的壽命，消除振動的不利影響。

［1］機械設計手冊編委會.機械設計手冊:第2卷［M］.北京:機械工業出版，2004.