數控車床搭載Baruffaldi動力刀塔結構分析與應用

■沈陽機床股份有限公司 （遼寧沈陽 110142） 潘明臣

目前工業自動化發展迅速，而裝備制造業作為工業的核心產業，其發展水平標志著國家的科技水平、經濟實力以及國防實力，國際市場的總體競爭歸結到底是各國裝備制造業的競爭。數控技術和數控機床為裝備制造業的母體，其技術的優劣直接決定了我國裝備制造業發展的水平，所以大力發展數控技術及數控機床是提高我國綜合實力的重要途徑。復雜且精度要求高的零件成為數控機床加工的難點，我國現有機床針對這些零件的加工現狀：一是采用加工中心工作平臺加工，此種加工手段雖能保證精度，但是設備的初期采購成本相當高，除了國家項目外，民營企業一般無法承擔購買費用；二是采用多種機床分序加工，比如一種法蘭盤類件毛坯到成品的加工，數控車床只能完成外圓、端面和內孔的加工工序，而分度圓上的孔或槽只能拆卸后裝夾在鉆床或者銑床上加工，需占用多臺設備，對于一些民營企業，廠房的占地成本也需要考慮，而且更換設備二次裝夾造成的累積誤差無法避免。如單獨使用數控車床搭載動力刀塔既能滿足各工序的復合切削，又能節約設備購買成本，還能減少設備的占地成本。

1. Baruffaldi動力刀塔的結構分析

Baruffaldi動力刀塔國內稱為巴拉法蒂動力刀塔，是意大利進口高精度機床部件，在金屬切削領域已是成熟產品，下面對其中一種型號——TBMA250臥式動力刀塔（見圖1）進行結構分析。

圖1 刀塔結構

工作原理：刀塔本體5為載體，通過后端的刀盤旋轉驅動馬達4聯接本體內部的傳動軸實現刀盤轉位并鎖緊，而驅動馬達靠數控系統進行控制。動力刀塔與傳統的刀塔相比，其強大的功能優勢在于其增加了加工工位的銑削功能，傳統刀塔在刀盤2鎖定狀態時，加工工位刀座整體與刀具是固定不動的，而動力刀塔加工工位通過銑削軸驅動部件（見圖1中II視圖）帶動銑削軸離合器部件（見圖1中I視圖）。動力源為銑削軸驅動電動機3，該電動機固定在電動機座25上，電動機座與刀塔本體相連固定，法蘭24和蓋板23聯接在電動機座上防止灰塵和水等雜物進入傳動部分，電動機軸通過傳動齒輪22聯接到銷軸21上的齒輪，并由緊定螺釘26周向固定，銷軸上的齒輪由其上的深溝球軸承19作徑向支撐并由兩側的擋圈20作軸向固定，再由刀塔中心大齒輪10過渡傳遞到套齒輪9，最后再由套齒輪傳到離合器8上，離合器前端爪與刀座1嚙合時形成刀具的轉動。總傳動比i＝i1×i2×i3＝1∶1，其中i1＝54/54；i2＝54/346；i3＝346/54，這樣既不損失轉速也能保持一定的輸出轉矩。套齒輪由兩組角接觸球軸承11支撐，離合器軸向移動并在嚙合時與刀座同時旋轉需要推力球軸承18提供支撐，其移動機構由其后端的活塞17與活塞缸12通過液壓油的作用實現，離合器由墊塊通過中心螺釘與活塞緊固，當油口1通過離合器控制油管7注入液壓油并保持一定壓力時，油推動蓋板14聯接活塞和離合器一起向左移動，使離合器爪與刀座爪聯接，與驅動電動機實現同步傳動，此時該位置通過信號控制電纜反饋給數控系統，如果此過程嚙合不到位，數控系統接收不到信號，則系統報警；反向則由油口2通過控制油管注入液壓油并保持一定壓力時，推動活塞向相反方向移動，完成離合器與刀座的脫離，同時該位置也通過信號控制電纜反饋給數控系統，原理同上，此時刀盤可以轉動實現換工位，油路密封均采用密封圈15。整個刀塔功能性完整且結構緊湊，定位精度能達到±4s，相鄰工位轉位時間0.12s，遠優于國內刀塔。

2. 動力刀塔復合加工的應用

以目前我廠生產的數控車床搭載此刀塔可完成復合切削，以用戶樣件閥門法蘭蓋（見圖2）為例，材質45鋼，分析校核加工參數并完成銑削軸驅動電動機的選型。

（1）車削加工方式 此動力刀塔可進行閥門法蘭蓋端面、外圓和內孔車削。此時銑削軸驅動電動機不工作，主軸旋轉，刀架所受切削力由刀座和刀盤承擔，這與傳統液壓或電動刀架一樣。

（2）銑削加工方式 閥門法蘭蓋上6個均布、直徑為22mm的通孔右端面需要銑削加工，直徑244～310m m范圍，深度2m m，此時傳統的車削方式不能滿足加工需求，這時動力刀塔的銑削軸發揮作用，主軸定位并抱死后，銑削軸介入。根據加工參數計算銑削軸需求功率：P＝0.00064Kpd00.27ae0.85fz0.75apzn/ η＝0.00064×1×160.27×0.80.95× 0.20.75×2×3×5001.15/0.75＝ 3.3（kW）。（式中各參數值查加工工藝手冊得出，其中硬質合金刀具修正系數Kp＝1；銑刀直徑d0＝16m m；側吃刀量ae＝0.8mm；每齒進給量fz＝0.2mm/z；背吃刀量ap＝2mm；銑刀齒數z＝3；銑削軸轉速n＝500r/min；機械部件傳動效率η＝0.75）。

根據加工參數計算切削力：F=CFKFap0.86f0.72d0-0.86z ap＝ 669×1×20.86×0.20.72×16-0.86× 3×2＝210（N）。（式中各參數值查加工工藝手冊得出，其中工件及銑刀類型系數CF＝669；刀具修正系數KF＝1）。

則銑削軸需提供轉矩T ＝ FR＝210×0.008＝1.68（N·m）。

（3）鉆削加工方式 閥門法蘭蓋6個均布直徑為22mm的通孔需要鉆削加工，同樣主軸定位并抱死后，銑削軸介入。根據加工參數先計算銑削軸需求轉矩：T＝5.87d02fσb0.7＝5.87×222×0.15× 4000.7＝28.2（N·m）。需求功率P=T v/（30d0η）＝28.2×35/（30×22×0.75） ＝1.99（kW）。（式中各參數值查加工工藝手冊得出，其中硬質合金刀具直徑 d0＝1 6 m m ； 進 給 量f ＝ 0.15mm/r；力學性能σb＝400MPa； 切削線速度v＝35m/min）。

圖2 加工示意

經過計算校核，選取銑削和鉆削中功率和轉矩最大值，再結合伺服電動機選型樣本選擇FANUCαil6/10000，額定功率5.5kW，額定轉矩35N·m，滿足加工要求。

3. 結語

當今世界機床市場正朝著高效、多功能方向發展，通過分析Baruffaldi動力刀塔的結構及其應用，得出其優點：①加工復雜零件時減少了裝夾次數且提高加工精度，減少了繁瑣的人工操作，解放了勞動力。②減少了加工件的周轉時間和設備的占地面積，有效節約了成本。本文為國內數控機床面向未來發展提供了參考，類似動力刀塔如在國內批量生產可提高車削中心及相關設備的整體競爭水平，滿足國內外市場需求。