【文章內(nèi)容簡介】 “二次革命” , 而價格不到相同功能和質(zhì)量的新機床的 2/3～ 1/2。這種行業(yè)已在世界三大機床博覽會的展示臺上占據(jù)了重要位置 , 引起了參觀者很大興趣 [7]。 第 11 頁 共 45 頁 2 刀塔的設(shè)計及計 ,類型和應(yīng)滿足的要求 機床刀塔的功能 機床上的刀塔是安放刀具的重要部件，許多刀他還直接參與切削工作，如臥式車床上的 四方刀塔，轉(zhuǎn)塔車床的轉(zhuǎn)塔刀 塔 ，回輪式轉(zhuǎn)塔車床的回輪刀 塔 ，自動車床的轉(zhuǎn)塔刀塔 和天平刀 塔 等。這些刀塔既安放刀具，而且還直接參與切削，承受極大的切削力作用，所以它往往成為工藝系統(tǒng)中的較薄弱環(huán)節(jié)。隨著自動化技術(shù)的發(fā)展，機床的刀塔也有了許多變化，特別是數(shù)控車床上采用電 (液 )換位的自動刀塔，有的還使用兩個回轉(zhuǎn)刀盤。加工中心則進一步采用了刀庫和換刀機械手，定現(xiàn)了大容量存儲刀具和自動交換刀具的功能，這種刀庫安放刀具的數(shù)量從幾十把到上百把，自動交換刀具的時間從十幾秒減少到幾秒甚至零點幾秒。這種刀庫和換刀機械手組成的自動換刀裝 置，就成為加工中心的主要特征。 機床刀塔的類型 按換刀方式的不同，數(shù)控車床的刀塔系統(tǒng)主要有回轉(zhuǎn)刀 塔 、排式刀 塔 和帶刀庫的自動換刀裝置等多種形式 ,下面對這三種形式的刀塔作簡單的介紹。 1） 排式刀 塔 一般用于小規(guī)格數(shù)控車床，以加工棒料或盤類零件為主。它的結(jié)構(gòu)形式為： 夾持著各種不同用途刀具的刀夾沿著機床的 X 坐標軸方向排列在橫向滑板上。刀具的典型布置方式如圖 4 所示。這種刀塔在刀具布置和機床調(diào)整等方面都較為方便，可以根據(jù)具體工件的車削工藝要求，任意組合各種不同用途的刀具，一把刀具完成車削任務(wù)后，橫向滑板 只要按程序沿 X 軸移動預(yù)先設(shè)定的距離后，第二把刀就到達加工位置，這樣就 完成了機床的換刀動作。這種換刀方式迅速省時，有利于提高機床的生產(chǎn)效率。寶雞機床廠生產(chǎn)的 CK7620P 全功能數(shù)控車床配置的就是排式刀塔。 2） 回轉(zhuǎn)刀 塔 回轉(zhuǎn)刀 塔 是數(shù)控車床最常用的一種典型換刀刀塔， 一般 通過 液壓系統(tǒng)或電氣來實現(xiàn) 第 12 頁 共 45 頁 機床的自動換刀動作，根據(jù)加工要求可設(shè)計成四方、六方刀 塔 或圓盤式刀 塔 ，并相應(yīng)地安裝 4 把、 6 把或更多的刀 具 ?；剞D(zhuǎn)刀塔的換刀動作可分為刀塔抬起、刀塔轉(zhuǎn)位和刀塔 鎖緊等幾個步驟。它的動作是由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出指令完成的?；剞D(zhuǎn)刀塔 根據(jù)刀塔回轉(zhuǎn)軸與安裝底面的相對位置，分為立式刀塔和臥式刀塔兩種。 3） 帶刀庫的自動換刀裝置 上述排刀式刀塔和回轉(zhuǎn)刀 塔 所安裝的刀具都不可能太多，即使是裝備兩個刀塔，對刀具的數(shù)目也有一定限制。當(dāng)由于某種原因需要數(shù)量較多的刀具時，應(yīng)采用帶刀庫的自動換刀裝置。帶刀庫的自動換刀裝置由刀庫和刀具交換機構(gòu)組成。 (a)回轉(zhuǎn)刀塔 (b) 排式刀塔 圖 機床刀塔類型結(jié)構(gòu)圖 機床刀塔應(yīng)滿足 的要求 1） 滿足工藝過程所提出的要求。機床依靠刀具和工件間相對運動形成工件表面，而工件的表面形狀和表面位置的不同，要求刀塔能夠布置足夠多的刀具，而且能夠方便而正確地加工各工件表面， 為了實現(xiàn)在工件的一次安裝中完成多工序加工，所以要求刀塔可以方便地轉(zhuǎn)位。 2）在刀塔以要能牢固地安裝刀具，在刀塔上安裝刀具進還應(yīng)能精確地調(diào)整刀具的位置，采用自動交換刀具時，應(yīng)能保證刀具交換前后都能處于正確位置。以保證刀具和工件間準確的相對位置。刀塔的運動精度將直接反映到加工工件的幾何形狀精度和表面 第 13 頁 共 45 頁 粗糙度上，為此，刀塔的運動軌跡必 須準確，運動應(yīng)平穩(wěn)，刀塔運轉(zhuǎn)的終點到位應(yīng)準確。面且這種精度保持性要好，以便長期保持刀具的正確位置。 3）刀塔應(yīng)具有足夠的剛度。由于刀具的類型、尺寸各異，重量相差很大，刀具在自動轉(zhuǎn)換過程中方向變換較復(fù)雜，而且有些刀塔還直接承受切削力。考慮到采用新型刀具材料和先進的切削用量，所以刀塔必須具有足夠的剛度，以使切削過程和換刀過程平穩(wěn)。 4） 可靠性高。由于刀塔在機床工作過程中，使用次數(shù)很多，而且使用頻率也高，所以必須充分重視它的可靠性。 5） 刀塔是為了提高機床自動化而出現(xiàn)的，因而它的換刀時間應(yīng)盡可能縮短，以利于提高生 產(chǎn)率。目前自動換刀裝置的換刀時間在 —6 秒之間不等。而且還在進一步縮短。 6）操作方便和安全。刀塔是工人經(jīng)常操作的機床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是評價刀塔設(shè)計好壞的指標。刀塔上應(yīng)便于工人裝刀和調(diào)刀，切屑流 出方向不能朝向工人，而且操作調(diào)整刀塔的手柄（或手輪）要省力，應(yīng)盡量設(shè)置在便于操作的地方。 刀塔的整體方案設(shè)計 刀 塔 是車床的重要組成部分，用于夾持切削用的刀具，因此其結(jié)構(gòu)直接影響到車床的切削性能和切削效率。根據(jù)前部分對機床刀塔類型、性能及 其使用場合的綜合比較，并結(jié)合現(xiàn)有數(shù)控車床的實例，本次設(shè)計 8 刀位星型液壓 刀塔。該刀塔的換刀動作分為刀盤抬起、刀盤分度轉(zhuǎn)位和刀盤鎖緊三個步驟，其中刀盤抬起和刀盤鎖緊由液壓來實現(xiàn)，而刀盤的分度轉(zhuǎn)位于 液壓馬達 驅(qū)動。 車床刀塔的轉(zhuǎn)位機構(gòu)方案設(shè)計 一般來說，機床刀塔的轉(zhuǎn)位機構(gòu)主要有以下幾種： 1） 液壓（或氣動）驅(qū)動的活塞齒條齒輪轉(zhuǎn)位機構(gòu) 這種由液動機驅(qū)動的轉(zhuǎn)位機構(gòu)調(diào)速范圍大、緩沖制動容易，轉(zhuǎn)位速度可調(diào)，運動平 第 14 頁 共 45 頁 穩(wěn)，結(jié)構(gòu)尺寸較小，制造容易，因而應(yīng)用較廣泛。而轉(zhuǎn)位角度大小可由活塞桿上的限位檔塊來調(diào)整。也有采用氣動 的，氣動的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，速度可調(diào)，但運動不平穩(wěn)，有沖擊，結(jié)構(gòu)尺寸大，驅(qū)動力小。故一般多用于非金屬切削的自動化機械和自動線的轉(zhuǎn)位機構(gòu)中。 2）圓柱凸輪步進式轉(zhuǎn)位機構(gòu) 這種轉(zhuǎn)位機構(gòu)依靠凸輪輪廓強制刀塔作轉(zhuǎn)位運動，運動規(guī)律完全取決于凸輪輪廓形狀。圓柱凸輪是在圓 周面上加工出一條兩端有頭的凸起 =輪廓，從動回轉(zhuǎn)盤（相當(dāng)于刀塔體）端面有多個柱銷，銷子數(shù)量與工位數(shù)相等。當(dāng)圓柱凸輪按固定的旋轉(zhuǎn)方向運動時，有的柱銷會進入凸輪輪廓的曲線段，使凸輪開始驅(qū)動回轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)位，與此同時有的圓柱銷會與凸輪輪廓脫離，當(dāng)柱銷接觸的凸輪輪廓由曲線 段過渡到直線段時，即使凸輪繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)盤也不會轉(zhuǎn)動，即完成了一次刀盤分度轉(zhuǎn)位動作。如此反復(fù)下去，就能實現(xiàn)多次的刀塔換刀操作。由于凸輪是一個兩端開口的非閉合曲線輪廓，所以當(dāng)凸輪正反轉(zhuǎn)進均可帶動刀盤正反兩個方向的旋轉(zhuǎn) 。這種轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)位速度高、精度較低，運動特性可以自由設(shè)計選取但制造較困難、成本較高、結(jié)構(gòu)尺寸較大。這種轉(zhuǎn)位機構(gòu)可以通過控制系統(tǒng)中的邏輯電路或 PC 程序來自動選擇回轉(zhuǎn)方向，以縮短轉(zhuǎn)位輔助時間 [8][9]。 3）液壓馬達驅(qū)動的刀塔轉(zhuǎn)位 隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，可以采用液壓馬達驅(qū)動齒輪副（消除間隙）實現(xiàn)刀塔 轉(zhuǎn)位，轉(zhuǎn)位的速度和角位移均可通過霍爾檢測元件定位，因而這種轉(zhuǎn)位機構(gòu)轉(zhuǎn)位速度精度高，結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)容易 [10]。 結(jié)合上述三種轉(zhuǎn)位機構(gòu)的轉(zhuǎn)位機理和特點，并結(jié)合實際情況，本次設(shè)計的刀塔采可采用第三種轉(zhuǎn)位機構(gòu)，液壓馬達驅(qū)動齒輪副帶動刀盤轉(zhuǎn)位。 刀塔定位機構(gòu)方案設(shè)計 目前在刀 塔 的定位機構(gòu)中多采用錐銷定位和端面齒盤定位。由于圓柱銷和斜面銷定位時容易出現(xiàn)間隙，圓錐銷定位精度較高，它進入定位孔時一般靠彈簧力或液壓力、氣動力，圓錐銷磨損后仍可以消除間隙，以獲得較高的定位精度。端齒盤定位由兩個齒形相同的端面齒盤相 嚙合而成，由于齒合時各個齒的誤差相互抵償，起著誤差均化的作用，定位精度高。 端齒盤定位的特點： 1）定位精度高 第 15 頁 共 45 頁 由于端齒盤定位齒數(shù)多，且沿圓周均布，向心多齒結(jié)構(gòu)，經(jīng)過研齒的齒盤其分度精度一般可達 39。3? 左右，一對齒盤嚙合時具有自動定心作用。所以中心軸的回轉(zhuǎn)精度、間隙及磨損對定心精度幾乎沒有影響，對中心軸的精度要求低，裝置容易。 2）重復(fù)定位精度好 由于多齒嚙合相當(dāng)于上下齒盤的反復(fù)磨合對研，越磨合精度越高，重復(fù)定位精度也越好。 3）定位剛性好， 承載能力大，兩齒盤多齒嚙合。 由于齒盤齒部強度高，并且一般齒數(shù)嚙合率不少于 90%，齒面嚙合長度不少于 60%，故定位剛性好，承載能力大。 考慮到端面齒盤具有以上的各種優(yōu)點，因而本次設(shè)計的刀塔采用端面 [11[12]。 下圖 所示為回轉(zhuǎn)刀 塔 的結(jié)構(gòu)圖，刀 塔 的松開和夾緊以及刀盤的分度轉(zhuǎn)位分別由液壓系統(tǒng)和液壓馬達來實現(xiàn)。安裝刀具的刀盤與主軸固定連接，換刀時，液壓缸注入壓力油， 倆個與端齒盤固定的活塞拉動靜端齒盤向右移動，使得與動端齒盤脫開，既所謂的刀盤松開。 當(dāng)?shù)侗P松開之后，微機判斷是正轉(zhuǎn) 還是反轉(zhuǎn)，進而液壓泵給馬達供如壓力油，帶動刀盤旋轉(zhuǎn)，既所謂的換刀，另外指出，此次設(shè)計主軸帶動刀盤換刀，是通過液壓馬達帶動齒輪副，并且通過撥叉使扭矩傳遞到主軸，進而帶動刀盤旋轉(zhuǎn)的。刀盤 旋轉(zhuǎn)指定刀位后， 液壓馬達帶刀盤停止轉(zhuǎn)動，與靜端齒盤固定的倆個液壓缸動作，活塞向左移動，使得經(jīng)端齒盤和動端齒盤嚙合，完成精定位和刀盤的鎖緊。而當(dāng)?shù)侗P而 刀盤的 粗定位由霍爾元件實現(xiàn)，精 定位由端齒盤的嚙合來完成 （端面齒盤齒形為梯形狀） 。 當(dāng)加工工件時 ，即動力刀座驅(qū)動，首先通過撥叉把馬達到刀盤的傳動鏈斷掉，然后為了 使扭矩傳遞到 刀座上，通過液 壓泵把壓力油注入缸體右腔，活塞向左移動，傳動鏈則變成液壓馬達 → 齒輪副 → 錐齒輪副 → 刀座。此時再刀盤緊鎖的狀態(tài)下，動力刀加工工件。于是如此循環(huán)往復(fù) 。 第 16 頁 共 45 頁 圖 八刀位星型液壓裝配圖 液壓馬達的選型計算 假設(shè)用直徑為 40mm 的 8齒圓柱銑刀，銑削寬度為 25mm 的鑄鐵，銑刀γ 0=5 o, fz =, ap=4mm 則可計算銑削力為 : 0. 86 0. 740. 8630 4 0. 05 25 8 1. 1 1. 00 1040Fc ? ? ? ?? ? ? ? = 取最大銑 削速度 Vc=188m/min 則 1000Vc dn?? n=取 n=1500r/min 銑削時，消耗功率為： 第 17 頁 共 45 頁 FcVcPc=60000 18860000?? ? 通過查液壓傳動控制手冊得到： CMK1 系列齒輪馬達，型號為 CMK1008(P28),額定轉(zhuǎn)速為1800r/min,理論輸出轉(zhuǎn)矩為 Nm? 刀盤設(shè)計與計算 刀盤相鄰刀位換刀時間為 ， 則換刀時刀盤的轉(zhuǎn)速為 14 2? ??? =75r/min 故 14 180075i ? =24 則： 1 1 314 4 2 4n n ni n n n? ? ? =24 可選擇 12 6i ? 34 4i ? 輸入功率 2 0 . 6 3 1 8 0 0 / m i n / 9 5 5 0P N m r? ? ? = 為防止根切，小齒輪齒數(shù) 1 17Z? 齒輪的計算 Ⅰ .高速級齒輪計算 第 18 頁 共 45 頁 1） 選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù) (1)根據(jù)途中傳動方案，選用直齒圓柱齒輪傳動 (2)傳動速度不高，故選用 7級精度（ GB1009588） (3)材料選擇，由表 101選擇，小齒輪材料為 40Cr(調(diào)質(zhì) )，硬度為 280HBS,大齒輪材料為 45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為 240HBS,二者材料硬度相差為 40HBS (4)選小齒輪齒數(shù)為 20 齒，大齒輪的齒數(shù) 2 6 20Z ?? 120? 2)按齒面接觸強度設(shè)計： 由設(shè)計計算公式 ()進行試算，即： 131 1 22 .3 2 ( )EtHK T u Zd du??? ?? （ ） (1)確定公式各值 ① 試選載荷系數(shù) K1= ② 計算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩 ： 5 11 195 .5 10 PT n?? 595 .5 10 3. 891800??? 10 N mm? ? ? ③ 查表 選齒寬系數(shù) 1d?? ④ 查表 查的材料的彈性影響系數(shù) MPa? ⑤ 查圖得 按齒面硬度查的小齒輪得接觸疲勞強度極限 lim 1 600H MPa? ? ，大齒輪的接觸疲勞強度極限為 lim 2