ZH5125D立式鉆削加工中心刀庫部件設計

王偉

(北京市應用高級技工學校,北京 100000)

ZH51系列立式鉆削加工中心使用的刀庫為轉塔式刀庫，下面就立式鉆削加工中心ZH51系列產品轉塔式刀庫的發展現狀，與國外立式鉆削加工中心轉塔式刀庫來做一下主要對比與分析，根據國內外鉆削加工中心刀庫主要參數對照表對比發現，主軸刀柄由BT30變成BT40，除了容量為10把刀的刀庫外，提供14把刀的刀庫選配，為用戶的機床選型提供方便。同時，提高換刀時間。

按照這樣的總體設計要求，由于刀柄型號變大，刀庫包含刀具數量不變，導致刀盤直徑變大，刀盤整體質量變大，這樣，如何在有限的空間內排列各個零部件，以及相關零部件的設計、受力分析成為這部分設計的難點。

1 刀庫部件的設計要求

自動換刀裝置刀柄型號為BT40，刀庫容量10把，刀對刀換刀時間（T—T）＜1.8s，點對點換刀時間（P-P）＜0.6s，單把刀具最大重量3kg，刀庫滿刀允許最大重量24 kg，最大刀具直徑φ80mm，最大刀具長度200mm。由于刀柄型號變大，整體刀庫重量增加，刀庫電機預選功率為120kW，然后進行校核。

2 設計計算部分

2.1 電機的選擇

作為改進產品，以原機床參數作為參考，擬選用比原來功率大一些的電機，功率為120kW，減速比為1：9。擬選定電機品牌為恒峰電機，型號為YYTCJ-120-4/90-9。對選用的電機進行校核。

（1）電機轉動慣量校核。已知：電機轉子半徑r=30mm,長l=120mm ，電機轉子材料密度ρ=7.8×103kg/m3，刀盤轉動半徑r=0.07m，整體刀庫部件質量為滿刀時刀具質量與刀庫自身重量之和m=24kg+26kg=50kg，減速比i=1:9，刀庫錐齒輪傳動比為1:1。

計算：電機轉動慣量JM=mr2/2=(ρ×π×r2×l×r2)/2，帶入數據，電機轉動慣量JM=0.00119kg·m2由于刀庫錐齒輪傳動比為1:1，并且質量相對于整體刀庫來說較小，可忽略不計，因此，計算刀盤轉動慣量JL=mr2/(2i2)，代入數據，有刀盤轉動慣 量 JL=0.0013kg·m2，JL/JM=0.0013/0.00119=1.09=1～1.5所選電機在轉動慣量上可以滿足設計要求。

（2）電機轉速校核。根據設計要求，已知：要求點對點換刀時間t≤0.6s ，電機軸轉速n=1300rad/min，減速比i=1∶9。計算：電機經減速器輸出轉速為1300/9=144rad/min ，可推導出電機軸旋轉一周所需時間為

（3）電機轉矩校核。已知：刀庫總重m=50kg,刀盤旋轉半徑r=70mm,每換一把刀，刀盤旋轉時間t=0.4s，電機傳動功率 η=0.81，電機轉矩T電機= 7.8N·m 。

計算：刀盤10把刀，每換一把刀走位移。

時間t電機=0.4s ，在整個過程中，位移前半段滾針軸承作勻加速運動，位移前半段滾針軸承作勻減速運動，所以計算加速度取位移由，有，所選電機在轉矩上可以滿足設計要求。綜上，所選電機能夠滿足設計要求，電機可用。

2.2 換刀臂卡銷彈簧的校核（圖1）

圖1 換刀臂卡銷彈簧抱刀柄示意圖

在卡銷的設計中，我們要考慮到是卡銷能夠充分接觸刀柄，在ZH5120C的設計中，卡銷的設計為圓頭，如下圖所示，但是圓彈頭的設計使得卡銷與刀柄內槽的接觸僅為一點，因此，在ZH5120D的設計中，我們將圓彈頭的設計改為錐型彈頭，錐度與刀柄的卡槽錐度一致，這樣使得卡銷與刀柄卡槽的設計為線接觸（圖2）。

圖2 卡銷三維圖

裝配過程中，對卡銷彈簧施加預緊力，使得卡銷彈簧頂緊卡銷，兩側卡銷由此抱緊刀柄，在換刀過程中，卡銷彈簧應始終抱緊刀柄，卡銷彈簧對刀柄的力應大于刀庫轉位時刀柄所受離心力大小，這樣刀柄才不會在刀庫轉位過程中發生掉刀現象。擬選用彈簧自由長度L=28mm，彈簧中徑D=9m，彈簧材料直徑d=1.6m，旋向右旋，總圈數n總=8，有效圈數n=7，并進行熱處理Hh。彈簧切變模量G 79000MPa，（摘自GB/T1239.6-1992）。

對選用的卡銷彈簧進行校核（見圖3）。

如圖3所示，卡銷沒有接觸刀柄時，已知：此時彈簧僅受預緊力，取彈簧所能承受的極限力為預緊力計算，彈簧自然狀態長度為28mm，此時彈簧壓縮量為28-20.5=7.5m。計算：查公式，彈簧的預緊力F預=L·G·d4/(8 ·D3·n)，

代入數據計算所要求的彈簧預緊力：F預=95.12N 。

如圖4所示，卡銷走到刀柄最大直徑時，已知：此時取彈簧壓縮量最大，由圖可知彈簧此時長度為L=17.55m，計算：彈簧可壓縮到的最小長度：Smin=d·n=1.6×7=11.2m，L＞Smin。彈簧此時可用。

圖3 卡銷沒有接觸刀柄時

圖4 卡銷接觸刀柄最大直徑時

當卡銷完全抱住刀柄時，已知：此時彈簧受壓力，兩側彈簧給刀柄的徑向和力2F2應大于F離，取2F2=F離進行彈簧校核計算。

由《機械設計手冊》，查得公式：彈簧變形量L=8×D3×n×F1/(G ×d4)，代入數據L=4.55mm，4.55mm＜11.2mm彈簧此時可用。綜上校核，卡銷彈簧滿足受力要求，可用。

以上是對ZH5125D立式鉆削加工中心的刀庫部件設計過程的概述，刀庫部件是數控機床中的一個重要部件，是數控機床的重要組成部分，其設計過程也比較復雜，涉及到的內容也相當的廣泛。