數(shù)控車(chē)床搭載Baruffaldi動(dòng)力刀塔結(jié)構(gòu)分析與應(yīng)用

■沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司 （遼寧沈陽(yáng) 110142） 潘明臣

目前工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展迅速，而裝備制造業(yè)作為工業(yè)的核心產(chǎn)業(yè)，其發(fā)展水平標(biāo)志著國(guó)家的科技水平、經(jīng)濟(jì)實(shí)力以及國(guó)防實(shí)力，國(guó)際市場(chǎng)的總體競(jìng)爭(zhēng)歸結(jié)到底是各國(guó)裝備制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)。數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床為裝備制造業(yè)的母體，其技術(shù)的優(yōu)劣直接決定了我國(guó)裝備制造業(yè)發(fā)展的水平，所以大力發(fā)展數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床是提高我國(guó)綜合實(shí)力的重要途徑。復(fù)雜且精度要求高的零件成為數(shù)控機(jī)床加工的難點(diǎn)，我國(guó)現(xiàn)有機(jī)床針對(duì)這些零件的加工現(xiàn)狀：一是采用加工中心工作平臺(tái)加工，此種加工手段雖能保證精度，但是設(shè)備的初期采購(gòu)成本相當(dāng)高，除了國(guó)家項(xiàng)目外，民營(yíng)企業(yè)一般無(wú)法承擔(dān)購(gòu)買(mǎi)費(fèi)用；二是采用多種機(jī)床分序加工，比如一種法蘭盤(pán)類(lèi)件毛坯到成品的加工，數(shù)控車(chē)床只能完成外圓、端面和內(nèi)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(tái)設(shè)備，對(duì)于一些民營(yíng)企業(yè)，廠房的占地成本也需要考慮，而且更換設(shè)備二次裝夾造成的累積誤差無(wú)法避免。如單獨(dú)使用數(shù)控車(chē)床搭載動(dòng)力刀塔既能滿足各工序的復(fù)合切削，又能節(jié)約設(shè)備購(gòu)買(mǎi)成本，還能減少設(shè)備的占地成本。

1. Baruffaldi動(dòng)力刀塔的結(jié)構(gòu)分析

Baruffaldi動(dòng)力刀塔國(guó)內(nèi)稱(chēng)為巴拉法蒂動(dòng)力刀塔，是意大利進(jìn)口高精度機(jī)床部件，在金屬切削領(lǐng)域已是成熟產(chǎn)品，下面對(duì)其中一種型號(hào)——TBMA250臥式動(dòng)力刀塔（見(jiàn)圖1）進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

圖1 刀塔結(jié)構(gòu)

工作原理：刀塔本體5為載體，通過(guò)后端的刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)4聯(lián)接本體內(nèi)部的傳動(dòng)軸實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)轉(zhuǎn)位并鎖緊，而驅(qū)動(dòng)馬達(dá)靠數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制。動(dòng)力刀塔與傳統(tǒng)的刀塔相比，其強(qiáng)大的功能優(yōu)勢(shì)在于其增加了加工工位的銑削功能，傳統(tǒng)刀塔在刀盤(pán)2鎖定狀態(tài)時(shí)，加工工位刀座整體與刀具是固定不動(dòng)的，而動(dòng)力刀塔加工工位通過(guò)銑削軸驅(qū)動(dòng)部件（見(jiàn)圖1中II視圖）帶動(dòng)銑削軸離合器部件（見(jiàn)圖1中I視圖）。動(dòng)力源為銑削軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)3，該電動(dòng)機(jī)固定在電動(dòng)機(jī)座25上，電動(dòng)機(jī)座與刀塔本體相連固定，法蘭24和蓋板23聯(lián)接在電動(dòng)機(jī)座上防止灰塵和水等雜物進(jìn)入傳動(dòng)部分，電動(dòng)機(jī)軸通過(guò)傳動(dòng)齒輪22聯(lián)接到銷(xiāo)軸21上的齒輪，并由緊定螺釘26周向固定，銷(xiāo)軸上的齒輪由其上的深溝球軸承19作徑向支撐并由兩側(cè)的擋圈20作軸向固定，再由刀塔中心大齒輪10過(guò)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(shí)形成刀具的轉(zhuǎn)動(dòng)。總傳動(dòng)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(zhuǎn)速也能保持一定的輸出轉(zhuǎn)矩。套齒輪由兩組角接觸球軸承11支撐，離合器軸向移動(dòng)并在嚙合時(shí)與刀座同時(shí)旋轉(zhuǎn)需要推力球軸承18提供支撐，其移動(dòng)機(jī)構(gòu)由其后端的活塞17與活塞缸12通過(guò)液壓油的作用實(shí)現(xiàn)，離合器由墊塊通過(guò)中心螺釘與活塞緊固，當(dāng)油口1通過(guò)離合器控制油管7注入液壓油并保持一定壓力時(shí)，油推動(dòng)蓋板14聯(lián)接活塞和離合器一起向左移動(dòng)，使離合器爪與刀座爪聯(lián)接，與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)同步傳動(dòng)，此時(shí)該位置通過(guò)信號(hào)控制電纜反饋給數(shù)控系統(tǒng)，如果此過(guò)程嚙合不到位，數(shù)控系統(tǒng)接收不到信號(hào)，則系統(tǒng)報(bào)警；反向則由油口2通過(guò)控制油管注入液壓油并保持一定壓力時(shí)，推動(dòng)活塞向相反方向移動(dòng)，完成離合器與刀座的脫離，同時(shí)該位置也通過(guò)信號(hào)控制電纜反饋給數(shù)控系統(tǒng)，原理同上，此時(shí)刀盤(pán)可以轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)換工位，油路密封均采用密封圈15。整個(gè)刀塔功能性完整且結(jié)構(gòu)緊湊，定位精度能達(dá)到±4s，相鄰工位轉(zhuǎn)位時(shí)間0.12s，遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)內(nèi)刀塔。

2. 動(dòng)力刀塔復(fù)合加工的應(yīng)用

以目前我廠生產(chǎn)的數(shù)控車(chē)床搭載此刀塔可完成復(fù)合切削，以用戶(hù)樣件閥門(mén)法蘭蓋（見(jiàn)圖2）為例，材質(zhì)45鋼，分析校核加工參數(shù)并完成銑削軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型。

（1）車(chē)削加工方式 此動(dòng)力刀塔可進(jìn)行閥門(mén)法蘭蓋端面、外圓和內(nèi)孔車(chē)削。此時(shí)銑削軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不工作，主軸旋轉(zhuǎn)，刀架所受切削力由刀座和刀盤(pán)承擔(dān)，這與傳統(tǒng)液壓或電動(dòng)刀架一樣。

（2）銑削加工方式 閥門(mén)法蘭蓋上6個(gè)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(shí)傳統(tǒng)的車(chē)削方式不能滿足加工需求，這時(shí)動(dòng)力刀塔的銑削軸發(fā)揮作用，主軸定位并抱死后，銑削軸介入。根據(jù)加工參數(shù)計(jì)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(shù)值查加工工藝手冊(cè)得出，其中硬質(zhì)合金刀具修正系數(shù)Kp＝1；銑刀直徑d0＝16m m；側(cè)吃刀量ae＝0.8mm；每齒進(jìn)給量fz＝0.2mm/z；背吃刀量ap＝2mm；銑刀齒數(shù)z＝3；銑削軸轉(zhuǎn)速n＝500r/min；機(jī)械部件傳動(dòng)效率η＝0.75）。

根據(jù)加工參數(shù)計(jì)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(shù)值查加工工藝手冊(cè)得出，其中工件及銑刀類(lèi)型系數(shù)CF＝669；刀具修正系數(shù)KF＝1）。

則銑削軸需提供轉(zhuǎn)矩T ＝ FR＝210×0.008＝1.68（N·m）。

（3）鉆削加工方式 閥門(mén)法蘭蓋6個(gè)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(jù)加工參數(shù)先計(jì)算銑削軸需求轉(zhuǎn)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(shù)值查加工工藝手冊(cè)得出，其中硬質(zhì)合金刀具直徑 d0＝1 6 m m ； 進(jìn) 給 量f ＝ 0.15mm/r；力學(xué)性能σb＝400MPa； 切削線速度v＝35m/min）。

圖2 加工示意

經(jīng)過(guò)計(jì)算校核，選取銑削和鉆削中功率和轉(zhuǎn)矩最大值，再結(jié)合伺服電動(dòng)機(jī)選型樣本選擇FANUCαil6/10000，額定功率5.5kW，額定轉(zhuǎn)矩35N·m，滿足加工要求。

3. 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)今世界機(jī)床市場(chǎng)正朝著高效、多功能方向發(fā)展，通過(guò)分析Baruffaldi動(dòng)力刀塔的結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，得出其優(yōu)點(diǎn)：①加工復(fù)雜零件時(shí)減少了裝夾次數(shù)且提高加工精度，減少了繁瑣的人工操作，解放了勞動(dòng)力。②減少了加工件的周轉(zhuǎn)時(shí)間和設(shè)備的占地面積，有效節(jié)約了成本。本文為國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床面向未來(lái)發(fā)展提供了參考，類(lèi)似動(dòng)力刀塔如在國(guó)內(nèi)批量生產(chǎn)可提高車(chē)削中心及相關(guān)設(shè)備的整體競(jìng)爭(zhēng)水平，滿足國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求。