臥式數(shù)控鏜銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)

程志

摘 要：為使加工精度得以提升，數(shù)控機(jī)裝通常具備自動(dòng)換刀能力，通過(guò)設(shè)計(jì)自動(dòng)換刀體系，能提高數(shù)控機(jī)床多刀、多工序生產(chǎn)制造質(zhì)量，借助換刀機(jī)械手，使主軸刀具、刀庫(kù)刀具可以自行轉(zhuǎn)換，滿足加工生產(chǎn)切實(shí)需求，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加工目標(biāo)，提高數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)加工效率，本文通過(guò)對(duì)臥式數(shù)控鏜銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)方略進(jìn)行分析，以期為提高該裝置應(yīng)用綜合成效提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：臥式數(shù)控鏜銑床；自動(dòng)換刀；裝置設(shè)計(jì)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.039

伴隨我國(guó)科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)制造能力得以提升，其中應(yīng)用最為廣泛的換刀裝置為刀庫(kù)式換刀裝置，該裝置以自動(dòng)換刀為基本模式，通過(guò)設(shè)計(jì)換刀程序，提高刀庫(kù)自動(dòng)換刀效率，能依據(jù)生產(chǎn)制造需求自行換刀，落實(shí)自動(dòng)化換刀及數(shù)控機(jī)床操作目標(biāo)，達(dá)到提高生產(chǎn)制造效率，節(jié)約機(jī)床生產(chǎn)制造時(shí)間的目的。臥式數(shù)控鏜銑床自動(dòng)換刀程序相對(duì)較為復(fù)雜，其換刀前提是將全部刀具納入該裝置中，通過(guò)調(diào)節(jié)尺寸，使刀庫(kù)安裝科學(xué)合理，繼而削減非切削時(shí)間，提高數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)效率。基于此，為使臥式數(shù)控鏜銑床自動(dòng)換刀更為科學(xué)高效，分析其裝置設(shè)計(jì)方略顯得尤為重要。

1 概述自動(dòng)換刀裝置

在數(shù)控機(jī)床內(nèi)工件、刀具二者相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生工作表面，為使數(shù)控機(jī)床運(yùn)行高效、穩(wěn)定，需在刀庫(kù)內(nèi)安裝足夠多的刀具，用以滿足數(shù)控機(jī)床運(yùn)行需求，避免換刀程序過(guò)于復(fù)雜或換刀時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，降低數(shù)控機(jī)床加工效率，為此需依據(jù)數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)加工切實(shí)需求，裝置自動(dòng)換刀系統(tǒng)，滿足各個(gè)工件表面加工需求，通過(guò)靈活調(diào)換刀庫(kù)內(nèi)刀具，使數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)制造效率得到保障。

在安裝刀具時(shí)刀架位置需精準(zhǔn)合理，刀具選擇需靈活高效，在自行換刀時(shí)，需保障進(jìn)行交換的若干刀具位置正確，能有效保障其精度，使處于刀庫(kù)內(nèi)刀具位置精準(zhǔn)、穩(wěn)定，為數(shù)控機(jī)床長(zhǎng)期使用刀具，提升刀具自動(dòng)化運(yùn)行成效。處于刀架上的刀具重量、用途、尺寸均存在極大差異，刀具自動(dòng)化運(yùn)行程序較為復(fù)雜，徒增自動(dòng)化換刀裝置運(yùn)行壓力，尤其對(duì)于有些需承擔(dān)切削力的刀具來(lái)講，其在換刀過(guò)程中需合理控制其方向，避免刀具在更換過(guò)程中出現(xiàn)碰撞、交叉等消極現(xiàn)象，為此機(jī)械手、刀庫(kù)均需具有一定穩(wěn)定性及剛度，確保切削過(guò)程平穩(wěn)，換刀過(guò)程合理高效，達(dá)到提高數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)旨在效率的目的[1]。

2 分析臥式數(shù)控鏜銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)方略

通過(guò)對(duì)自動(dòng)換刀裝置進(jìn)行分析可知，該裝置具有一定設(shè)計(jì)難度，并能有效提高數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)制造效率，為此在當(dāng)前數(shù)控機(jī)床加工體系中必不可少，為充分發(fā)揮自動(dòng)換刀裝置應(yīng)用效用，分析臥式數(shù)控鏜銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)方略勢(shì)在必行。

（1）機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)械手是控制自動(dòng)換刀裝置的基礎(chǔ)，只有該環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)得當(dāng)，技術(shù)人員才能保障自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)科學(xué)合理。機(jī)械手的手部結(jié)構(gòu)需能適應(yīng)驅(qū)動(dòng)力、夾緊力，依據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)，手指張開(kāi)范圍需達(dá)標(biāo)，并具有一定的開(kāi)閉程度，使工件抓取得當(dāng)且穩(wěn)固，機(jī)械手需重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、剛度強(qiáng)，使手抓夾精度得到保障。通常情況下，臥式數(shù)控鏜銑床自動(dòng)換刀裝置所需機(jī)械手結(jié)構(gòu)多為移動(dòng)型（手指可以做簡(jiǎn)單的往復(fù)動(dòng)作）、回轉(zhuǎn)性（分為連桿杠桿式、滑槽杠桿式兩種）、平面平移型（按照一定凹槽及既定軌跡進(jìn)行移動(dòng)）。手指夾緊力需依據(jù)FN≥K1K2K3G來(lái)計(jì)算，其中K1表示安全系數(shù)（1.2/2.0），K2表示工作情況系數(shù)，受慣性影響，（K2=1+b/a），K3為方位系數(shù)，依據(jù)臥式數(shù)控鏜銑床自動(dòng)換刀需求，以及工件和手指位置設(shè)計(jì)，G為機(jī)械手抓取工件重力。

機(jī)械手通常情況下由動(dòng)力源、傳送機(jī)構(gòu)、控制裝置、機(jī)體四個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，其中本體、小車等元件構(gòu)成機(jī)體，抓緊機(jī)構(gòu)及伸縮手臂為傳送機(jī)構(gòu)主要構(gòu)件，動(dòng)力源則由機(jī)械驅(qū)動(dòng)及液壓驅(qū)動(dòng)兩種形式構(gòu)成。

為使機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)科學(xué)得當(dāng)，技術(shù)人員需在掌握臥式數(shù)控鏜銑床自動(dòng)換刀需求基礎(chǔ)上，秉持運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、傳動(dòng)率高、能源預(yù)緊、工作壽命長(zhǎng)、同步性能好、定位精準(zhǔn)、可靠性高、不自鎖、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)、成本低等原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，使數(shù)控機(jī)床運(yùn)行成效得到保障[2]。

（2）刀庫(kù)設(shè)計(jì)。刀庫(kù)驅(qū)動(dòng)方式通常情況下分為普通電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、液動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等形式，為使刀庫(kù)設(shè)計(jì)科學(xué)合理，且符合數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)需求，以液動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)（齒輪式液壓馬達(dá)CBF—F10，其中轉(zhuǎn)速為每分鐘2500轉(zhuǎn)，最高轉(zhuǎn)速可得到每分鐘3000轉(zhuǎn)，10.8kW為驅(qū)動(dòng)功率，10mk/r為排量）為例，對(duì)刀庫(kù)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，確保刀庫(kù)設(shè)計(jì)科學(xué)可行。結(jié)合液動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)條件，能計(jì)算出臥式數(shù)控鏜銑床自動(dòng)換刀裝置轉(zhuǎn)矩T，其中T=35.45N·m，刀庫(kù)轉(zhuǎn)動(dòng)軸功率及轉(zhuǎn)速分別為187.5r/min，750r/min，為使設(shè)計(jì)精度得以提升，其圓柱齒輪轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)之比（nm/i1、nm/i2）中i的取值范圍控制在3—5之間，本次計(jì)算取平均值4。聯(lián)軸器效率為η=0.99，η=0.995為滾動(dòng)軸承效率，齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)效率為η=0.97。經(jīng)計(jì)算各軸轉(zhuǎn)矩分別為136.14N·m、525.58N·m，依據(jù)公式dmin=A03計(jì)算自動(dòng)換刀裝置軸最小直徑分別為dmin1=42.65mm，dmin2=39.84mm，經(jīng)計(jì)算得出齒輪重要幾何尺寸為：d1=m，z1=84mm，d2=m，z2=268mm，a=m/2（z1+z2）=176mm，b=φd，d1=58.8mm，經(jīng)計(jì)算刀庫(kù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度滿足臥式數(shù)控鏜銑床自動(dòng)換刀裝置設(shè)計(jì)需求[3]。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，為使臥式數(shù)控鏜銑床生產(chǎn)制造效率得以提升，技術(shù)人員需結(jié)合該機(jī)床運(yùn)行需求，合理設(shè)計(jì)換刀裝置，通過(guò)刀庫(kù)設(shè)計(jì)及機(jī)械手設(shè)計(jì)，使換刀裝置精準(zhǔn)高效，滿足該機(jī)床運(yùn)行切實(shí)需求。技術(shù)人員需不斷累積數(shù)控機(jī)床自動(dòng)化體系優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，在設(shè)計(jì)實(shí)踐進(jìn)程中累積經(jīng)驗(yàn)，用以提高相關(guān)裝置設(shè)計(jì)質(zhì)量，助力我國(guó)機(jī)械加工產(chǎn)業(yè)穩(wěn)健發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙曉勇，栗文岳，陳琳.關(guān)于數(shù)控鏜銑床（臥式）操作經(jīng)驗(yàn)總結(jié)[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（13）：14-15.

[2]黃寧玲，楊書(shū)根.基于多工位加工的臥式數(shù)控鏜銑床設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師，2015（12）：191-192.

[3]宋辰，高坤.關(guān)于“EBC110”數(shù)控臥式鏜銑床加工中心外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].環(huán)球市場(chǎng)，2016（29）：107.