數控伺服刀塔切削能力分析

摘 要：數控伺服刀塔廣泛應用于車床加工中心，用于固定、支撐車刀，在使用過程中能快速切換，以提高加工效率，是車床加工中心的關鍵部件，切削能力是金屬切削機床及部件的重要指標，直接影響機床的加工能力及精度。本文介紹了數控伺服刀塔的結構、原理及數控伺服刀塔的切削特點。精密三齒盤是刀塔的核心零件，為伺服刀塔提供精準定位及剛性，通過液壓活塞進行齒盤鎖緊是伺服刀塔最常用的方法，液壓力直接影響數控刀塔的切削能力。本文針對刀塔核心零件三齒盤的鎖緊進行計算分析，得出刀塔能承受的軸向和徑向力，為刀塔的應用提供依據。

關鍵詞：伺服刀塔；三齒盤，液壓力；軸向力；徑向力" " "中圖分類號：TH 166" " 文獻標志碼：A

數控伺服刀塔是車床加工中心的核心零部件，集機械、電氣、液壓于一體[1]，是可以實現(xiàn)多刀具裝夾、快速轉換刀位、直接參與切削作業(yè)的裝置[2]，數控刀塔的應用提高了車削加工中心的加工效率。數控刀塔本體的剛性和精度是影響加工效果的重要一環(huán)。本文從數控刀塔的工作特點以及數控刀塔所承受的切削力特點出發(fā)，討論刀塔工作狀態(tài)下油缸鎖緊力對刀塔切削力的影響。

1 數控刀塔結構

刀塔按照驅動源可以分為液壓刀塔、數控伺服刀塔、直驅刀塔。按照布置方式可以分為立式刀塔和臥式刀塔，立式刀塔主要應用于簡易數控車床，常用立式刀塔為四工位，少數也可提供六工位，適合加工較大的、重型的工件。臥式刀塔主要用于全功能數控車床，提供8/10/12工位，主要用于回轉體零件的批量化、高精度加工，是目前市場上應用最廣的刀塔，本文涉及臥式刀塔。

目前，在市場上主要以數控伺服刀塔為主。數控刀塔由伺服電機驅動，通過減速機，1級齒輪傳動將動力傳到動齒盤，動齒盤帶動刀盤旋轉實現(xiàn)刀塔的轉位動作；當轉位動作完成后，伺服電機進行粗定位，到位后齒盤進行鎖緊，鎖緊齒盤移動，將動、靜齒盤結合，實現(xiàn)刀塔的精準定位，定位后進行切削作業(yè)，由齒盤保證伺服刀架的高剛性切削。精密三齒盤保證鎖緊刀塔的定位精度及重復定位精度。數控伺服刀塔的傳動結構如圖1所示。

當齒盤鎖緊定位時，鎖緊齒盤的動作由液壓來實現(xiàn)，在工作狀態(tài)下，齒盤處于鎖緊狀態(tài)，液壓力推動鎖緊齒盤與動齒盤、靜齒盤結合，液壓力的大小直接影響切削時的切削力大小，是數控伺服刀塔設計的重要部分。

2 傳動齒輪設計

齒輪傳動是指由齒輪副傳遞運動和動力的裝置，是現(xiàn)代裝備中應用最廣泛的一種機械傳動方式。它的傳動比較準確、效率高、結構緊湊、工作可靠、壽命長。數控伺服刀塔常常采用減速機+齒輪傳動的方式，將電機轉速降到工作所需轉速（一般約12次/min），同時使刀盤旋轉獲得大的扭矩，齒輪設計通常以滿足強度壽命為準則。

數控伺服刀塔齒輪設計主要考慮以下3個方面。1）齒輪傳動布局緊湊。2）齒輪齒數不小于17，防止根切現(xiàn)象。3）進行彎曲疲勞強度和接觸疲勞強度的校核。

數控伺服刀架的齒輪傳動只負責刀盤的旋轉，旋轉到位后齒盤鎖緊進行切削加工，因此刀架齒輪不參與切削加工，承受的扭矩較小，在實際設計中可利用機械設計手冊進行齒輪的設計及校核。

3 切削力計算

為了保證數控伺服刀架在切削工作中能夠承受切削產生的切削力、力矩等影響，必須對刀架的受力情況進行計算，以保證刀架設計的合理性。

當計算承載能力參數時候要確定數控伺服刀架工作時的受力情況，即計算工件加工切削力。在工件切削過程中，作用在刀具和工件上的力為切削力，切削力直接影響切削功率、切削熱、刀具磨損及刀具壽命，從而影響切削效率[3]。切削力是數控伺服刀塔設計必須要考慮的部分，與數控伺服刀塔的剛性及設計壓力有密切關系。

數控伺服刀塔一般參與車削加工，受車削力影響。切削力常采用經驗公式進行計算，需要準確了解某種切削條件下的切削力時，可以通過實際測量獲得。在加工過程中，車削力主要包括3個方面，分別為克服被加工材料彈性變形的抗力、克服被加工材料對塑性變形的抗力以及克服切削對前刀面的摩擦力和刀具后刀面與加工面間的摩擦力。

為了方便分析，將切削合力F分為主運動方向、背吃刀量方向和進給方向的3個分力，受力分解圖如圖2所示。

刀具在不同的切削參數滿足公式（1）。

Fx、Fy、Fz如公式（2）所示。

式中：CFx、CFy、CFz為切削系數，取決于工件材料及切削條件；ap為背吃刀量（切削參數）；f為每轉進給量（切削參數）；v為切削速度（切削參數）；XFx、XFy、XFz、YFx、YFy、YFz、ZFx、ZFy、ZFz為切削用量指數，取決于加工材料，刀具材料及加工形式；KFx、KFy、KFz為切削分力修正系數。

其中，切削系數、切削用量指數與加工材料、刀具材料及加工形式有關，具體可查閱相關資料。切削分力修正系數是指當實際加工條件與經驗公式的試驗條件不符時，各種因素對各切削力的影響程度，與刀具參數（例如前角、主偏角等）有關，可根據刀具參數查閱相關資料獲得。

根據公式（2）和切削條件計算Fx、Fy、Fz3個方向的切削力，驗證數控伺服刀架的切削能力是否滿足。

4 液壓力與切削能力計算

數控伺服刀架的切削力與其結構有密切關系，先計算數控伺服刀架可承受的切削力。計算中將切削力中軸向力Fx表示為F2、F3；將徑向力Fy表示為F4；將切向力Fz表示為F1+及F1-。

本示例采用三齒盤結構，齒形角30°，刀塔受力簡圖如圖3所示，液壓系統(tǒng)結構簡圖及參數如圖4所示，計算所用參數見表1。

4.1 鎖緊軸向力FP計算

鎖緊齒盤與活塞之間有4個矩形彈簧，保證齒盤處于預鎖緊狀態(tài)（如圖3所示）。鎖緊軸向力與液壓壓力及彈簧力有關，F(xiàn)P如公式（3）所示。

帶入參數，得到公式（4）。

式中：FP為軸向力；FP1為液壓壓力；FS為彈簧力。

4.2 切向力矩及切向力計算

齒形受力如圖5所示，齒形角為30°，軸向力和徑向力的關系如公式（5）所示，切向力矩如公式（6）所示（1.3為安全系數）。

式中：FP為軸向力；FT為徑向力；MT為切向力矩。

帶入數值，得到公式（7）。

切削力如公式（8）所示。

式中：F1+為正向切削力；F1-為負向切削力。

帶入數值，得到公式（9）。

4.3 傾覆力矩及傾覆力計算

傾覆力矩受力平面圖如圖6所示。

正向傾覆力以圖6所示齒盤下端為支點進行計算，如公式（10）所示。

式中：F2為軸向推力。

帶入數值，得到公式（11）。

傾覆力矩如公式（12）所示。

式中：TF2為傾覆力矩。

帶入參數，得到公式（13）。

反向傾覆力以圖6所示齒盤上端為支點進行計算，如公式（14）所示。

式中：F3為軸向拉力。

帶入數值，得到公式（15）。

傾覆力矩如公式（16）所示。

式中：TF3為傾覆力矩。

帶入參數，得到公式（17）。

F4對刀塔的作用也是傾覆力矩，其力矩方向與F3一致，以圖6所示上端為支點進行計算，如公式（18）所示。

式中：F4為傾覆力矩。

帶入數值，得到公式（19）。

傾覆力矩如公式（20）所示。

帶入參數，得到公式（21）。

5 結語

制造業(yè)水平是衡量一個國家經濟實力和現(xiàn)代化水平的重要標志，數控機床作為加工中心基礎設備，廣泛應用于制造業(yè)各領域，數控伺服刀塔作為車削加工中心的核心部件，其研發(fā)、制造能力體現(xiàn)了機床制造技術的核心水平。隨著科技進步，很多團隊對數控伺服刀塔的許多前沿技術進行研究，例如對熱變形和熱補償進行研究，以避免熱影響，從而提高刀塔精度；對齒輪噪聲進行研究，以降低齒輪噪聲，提高傳動壽命，但尚未在市場形成成熟的應用，數控伺服刀塔市場仍以三齒盤加液壓鎖緊作為主流。精密三齒盤及其松開和鎖緊機構是數控刀塔的核心，決定了刀塔精度、剛性等性能。數控刀塔采用液壓松開、鎖緊，狀態(tài)切削。液壓力與刀塔加工工況有密切關系。本文從數控伺服刀塔作為金屬切削機床部件出發(fā)，根據刀塔的特點，介紹了根據切削參數計算切削力的方法，并以某刀塔為例計算液壓力能滿足的切削力，為數控刀塔的應用提供了理論依據。

參考文獻

[1]楊家珺，崔博峰.進口刀塔故障的自主維修[J].設備管理與維修，2021（3）：65.

[2]李哲.數控刀架動靜態(tài)及可靠性分析[D].南京：東南大學，2019.

[3]陳捷.數控機床功能部件優(yōu)化設計選型應用手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2018.