【文章內(nèi)容簡介】 機床，它主要是指具有自動換刀及自動改變工件加工位置工能的數(shù)控機床，具有自動換刀裝置是加工中心機床的典型特征，是多工序加工的必要條件。自動換裝置的功能，對整機的加工效率有很大的影響。由洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 6 于普通的數(shù)控立式銑床加工的一般是中小零件，其大多需要幾把刀具加工（ 10 把刀具以內(nèi)，）故增加自動換刀裝置 并同時自動變換主軸轉(zhuǎn)速?？蓽p輕勞動強度，減少換刀時間，既提高了機床的自動化程度，又提高了勞動生產(chǎn)率。因此，數(shù)控立式銑床作為數(shù)控銑床中數(shù)量最多、應(yīng)用范圍也最廣的一種，對其附加能夠快速、準(zhǔn)確地?fù)Q刀的自動換刀裝置是非常有必要的。 各類數(shù)控機床的自動換刀裝置的結(jié)構(gòu)取決于機床的型式、工藝范圍及刀具的種類和數(shù)量等。這種裝置主要可以分為以下幾種形式： 數(shù)控車床使用的回轉(zhuǎn)刀架是一種簡單的自動換刀裝置?；剞D(zhuǎn)刀架上分別安裝著四把、六把或更多的刀具，并按數(shù)控裝置的指令轉(zhuǎn)位換刀?；剞D(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須有良好的強 度和剛性，以及合理的定位結(jié)構(gòu)，以保證回轉(zhuǎn)刀架在每一次轉(zhuǎn)位之后具有盡可能高的重復(fù)定位精度。如： CK7815 型數(shù)控車床采用 BA200L 刀架，其工作循環(huán)是：刀架接收數(shù)控裝置的指令一松開一轉(zhuǎn)到指令要求的位置一夾緊一發(fā)出轉(zhuǎn)位結(jié)束的信號。 在帶有旋轉(zhuǎn)刀具的數(shù)控機床中，更換主軸頭換刀是一種簡單的換刀方式。主軸頭通有臥式和立式兩種，而且常用轉(zhuǎn)塔的轉(zhuǎn)位來更換主軸頭以實現(xiàn)自動換刀。各個主軸頭上預(yù)先裝有各工序加工所需要的旋轉(zhuǎn)刀具，當(dāng)收到換刀指令時 ,各主軸頭依次地轉(zhuǎn)到加工位置，并接通主運動使相應(yīng)的主軸帶動刀 具旋轉(zhuǎn)，而其他處于不加工位置上的主軸都與主運動脫開。 轉(zhuǎn)塔主軸頭換刀方式的主要優(yōu)點是省去了自動松夾、卸刀裝刀、夾緊以及刀具搬運等一系列復(fù)雜的操作，從而顯著地減少了換刀時間，提高了換刀的可靠性，但是由于結(jié)構(gòu)上的原因和空間位置的限制，主軸部件的剛性差且主軸的數(shù)目不可能很多。因此轉(zhuǎn)塔主軸頭換刀通常只適用于工序較洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 7 少，精度要求不太高的數(shù)控機床，如數(shù)控銑床。 帶刀庫的自動換刀形式主要是由刀庫和刀具交換裝置組成。目前這種換刀方法在數(shù)控機床上的應(yīng)用最為廣泛。帶刀庫的自動換刀裝置的數(shù)控機床主軸箱和轉(zhuǎn) 塔主軸頭相比較，由于主軸箱內(nèi)只有一個主軸，所以主軸部件具有足夠剛度，因而能夠滿足各種精密加工的要求。另外，刀庫可以存放數(shù)量較多的刀具，可進行復(fù)雜零件的多工序加工，可明顯提高數(shù)控機床的適應(yīng)性和加工效率。這種帶刀庫的自動換刀裝置特別適用于數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床和數(shù)控鏜床。 刀庫的類型按刀庫的結(jié)構(gòu)形式可分為：圓盤式刀庫、鏈?zhǔn)降稁?、箱型式刀?箱型和線型；按設(shè)置部位的不同，刀庫可以分為：頂置式、側(cè)置式、懸掛式和落地式等多種類型；按交換刀具還是交換主軸，刀庫可分為：普通刀庫 (簡稱刀庫 )和主軸箱刀庫。雖然刀庫有多種形式 ，但數(shù)控機床上常用的主要是圓盤式和鏈?zhǔn)絻煞N。交換裝置的機械手形式也多樣，目前在數(shù)控機床上用得最多的是回轉(zhuǎn)式雙臂機械手。其他形式還有擺動式單臂雙爪機械手、單臂單爪回轉(zhuǎn)式機械手、雙機械手等等。 自動換刀裝置應(yīng)當(dāng)滿足的基本要求 。 。 。 。 。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 8 第 2 章 總體方案的確定 刀庫系統(tǒng)的設(shè)計 確定刀庫容量 決定刀庫容量時，首先要考慮加工工藝的需要，同時還要調(diào)查分析同類型、相近規(guī)格的自 動換刀機床的刀庫容量及其發(fā)展趨勢。由于帶自動換刀裝置的數(shù)控機床主要是在多品種、單件小批生產(chǎn)時使用，因而應(yīng)根據(jù)廣泛的工藝統(tǒng)計，依大多數(shù)工件加工時需要的刀具數(shù)來確定刀庫容量。例如，對功能較為齊全的加工中心而言，它可承擔(dān)多個工件的切削任務(wù)，因而要配備刀具的種類和規(guī)格較多。通常，配備的刀具越多，機床能加工工件的比率也越高，但它們并不是成正比例關(guān)系。 圖 21 為刀庫容量與機床能加工工件的比率統(tǒng)計曲線。 刀庫儲存量過大，導(dǎo)致刀庫的結(jié)構(gòu)龐大而復(fù)雜 ,影響機床總體布局；儲存量過小，則不能滿足復(fù)雜零件的加工要求。因此，刀庫容量 應(yīng)在經(jīng)濟合理的條件下，力圖將一組類似的零件所需的全部刀具裝入刀庫，以縮短每次裝刀所需的裝調(diào)時間。對自動換刀數(shù)控機床的刀庫容量，有關(guān)資料曾對 15000 個零件進行分組統(tǒng)計，指出不同工序加工時必須的刀具數(shù)不同，如圖 21 所示。由圖可知， 4 把銑刀可完成加工工件的 95％左右的銑削工藝， 10把孔加工刀具可完成 70％的鉆削工藝， 14 把刀的容量就可完成 70％以上工件的鉆銑工藝，配有 14— 40把刀具的刀庫就能夠滿足 70％95％工件的加工需要。因此，對 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床，從使洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 9 用和經(jīng)濟效率角度來看，容量為 6 的刀庫就可滿足要求了。 確定刀庫形式 由以上考慮 XKA5032A/C 數(shù)控立式升降臺銑床的結(jié)構(gòu)布局等原因，決定采用軸向放置的鼓盤式刀庫形式。 這種刀庫結(jié)構(gòu)簡單， 刀具排列較為緊湊，在刀庫容理定為 6 的情況下體積 不大，且取刀也較為方便，但需要考慮機械手的換刀動作空間。 刀庫結(jié)構(gòu)設(shè)計 如刀庫裝配圖所示，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出換刀指令后，直流伺服電動機接通，其運動經(jīng)過十字聯(lián)軸器、波傳動減速器、套筒式聯(lián)軸器、蝸桿、蝸輪后，再經(jīng)花鍵聯(lián)接傳到刀盤上，刀盤帶動刀座上的 6 個刀套轉(zhuǎn)動，完成選刀動作。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 10 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 11 圖 2— 2 刀庫結(jié)構(gòu) 初選電動機與降速傳動裝置 刀庫的驅(qū)動系統(tǒng)中， 由于本刀庫的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩小，且所需轉(zhuǎn)速小，所以決定采用直流伺服電動機驅(qū)動。直流伺服電動機具有體積小，重量輕、伺服性好、力能指標(biāo)高等優(yōu)點，且該電機可用信號電壓進行無級調(diào)速。 采用型號為 90SZ03 的 SZ 系列電磁式直流伺服電動機，其基本參數(shù)為：功率，轉(zhuǎn)速 3000R/MIN（《袖珍機械師設(shè)計手冊》 P1275）；降速傳動裝置型號為 XB350100A 的扁平式諧波傳動減速器，其基本參數(shù)為：輸入功率 ，輸出轉(zhuǎn)矩 18N m（《袖珍機械師設(shè)計手冊》 P10781079）。 初估刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 由于刀庫容量 6，下面就以 THK6363 型自動換刀數(shù)控鏜銑床的刀庫為洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 12 設(shè)計參考 ，采用經(jīng)驗法初估回轉(zhuǎn)所需轉(zhuǎn)矩。 THK6363 型自動換刀數(shù)控鏜銑床的刀庫也是采用軸向放置的鼓盤式刀庫形式，其容量為 36 把刀具，最大刀具重達 10kg，刀庫回轉(zhuǎn)由最大扭矩為 25N m 的液壓馬達經(jīng)諧波減速器驅(qū)動。現(xiàn)在由于設(shè)計的刀庫容量為 6把刀具，可初估刀庫驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 (主要是指直接驅(qū)動刀盤轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩 )為T0=8N m。 刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)的普通圓柱 蝸桿傳動的設(shè)計 刀庫的主運動是圓周回轉(zhuǎn)運動， 如圖 23 所示 ,直流伺服電動機通過彈性柱銷聯(lián)軸器與諧波傳動減速器聯(lián)接減速后驅(qū)動蝸桿 ,設(shè)計刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)的普通圓柱蝸桿傳動 ， 由刀庫轉(zhuǎn)位機構(gòu)實現(xiàn)。 己知直流伺服電動機的功率為 ,轉(zhuǎn)速為 3000R/MIN,諧波傳動減速器的傳動比為 80%,電機 經(jīng) 減速器 減速后驅(qū)動蝸桿 ,蝸桿為主動 ,蝸輪為從動 ,要求傳動比為 6,單向旋轉(zhuǎn) ,單班工作制 ,預(yù)計壽命為 5年 . 圖 2— 3 刀庫傳動示意圖 根據(jù) GB10085— 88 的推薦，采用漸開線蝸桿（ ZI）。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 13 蝸桿采用 45 鋼，齒面淬火，硬度為 45～ 50HRC；蝸輪用鑄錫磷青銅ZCuSn10Pb1，金屬模鑄造， 39。 2HP? =220 MPa， 39。 2FP? =220 MPa。 蝸桿蝸輪傳動，以蝸桿為主動，蝸輪為從動。為了提高傳動效率，取Z1=6，傳動比取 6，單向旋轉(zhuǎn)，單工作制，預(yù)計壽命為 5 年。則 Z2= Z1ⅹ i= 6ⅹ 6=36。 m2d1? 239。2215000ZHP???????KT2 (mm3) （ 1） 計算蝸輪軸轉(zhuǎn)矩 T2 初估傳動效率 η =,則 T2=9549 12Pn =9549 11/Pniη =9549 80%30/6? ⅹ = N m 其中 n1 =3000/100=30(r/min) （ 2） 載荷系數(shù) K= （ 3） 許用接觸應(yīng)力 2HP? 2HP? = 39。 2HP? VSZ NZ =220ⅹ ⅹ = MPa 式中 , 39。 2HP? =220 MPa, 估計滑動速度 SV 5m/s，用浸 沒潤滑 ,則由 (參考文獻 11) (P972 圖 18— 2) 查 得 滑 動 速 度 影 響 系 數(shù) VSZ =, NZ = （ 其 中LZ =60a 2n t=60ⅹ 1ⅹ 306 ⅹ 5ⅹ 300ⅹ 8=ⅹ 610 ）； （ 4） 計算 m2d1 值 ,并選定模數(shù) m 和 蝸桿分度圓直徑 d1 m2d1? 21500036 ???????ⅹ ⅹ = mm3。 按 資料 查得模數(shù) m=(mm), d1= (mm) (m2d1值應(yīng)大于計算值 ) 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 14 SV （ 1） 計算蝸桿速度 1V 1V = 1160 1000dn???? = 3060 1000???? = m/s （ 2） 計算滑動速度 SV SV =1V /cos? =39。cos28148 = m/s 其中 ? = 1 11( / )tg Z m d? = 1 (6 / )tg ? ? = 39。28148 ,則初估的 SV 值合適。 驗算公式為 22212666 AVF F S F PT K K K YYd d m ? ????? （ 1） 使用系數(shù) AK =1 （ 2） 動載荷系數(shù) VK = （ 3） 載荷分布系數(shù) K? =1 d1= mm， 2d =m 2Z =?36= mm,其中模數(shù) m=(mm)。 （ 4） 蝸輪齒形系數(shù) FSY = （ 5） 按蝸輪當(dāng)量齒數(shù) 2VZ = 2Z / 3cos? =36/ 3 39。 cos 28148 =,由圖 17— 2查得。 （ 6） 導(dǎo)程角系數(shù) Y? =1? /120176。 =1 39。28148 /120 = （ 7） 許用彎曲應(yīng)力 2FP? 2FP? = 39。 2FP? NY =70?= MPa （ 8） 計算彎曲應(yīng)力 2 6 6 6 1 3 3 . 5 3 1 1 . 0 3 1 4 . 0 0 0 . 7 6 63 5 . 5 1 1 3 . 4 3 . 1 5F? ? ? ? ?? ? ???= 由于 2F? 2HP? ，故滿足蝸輪輪齒強度條件。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 15 （ 1） 分度圓直 徑 1d =， 2d =m2z =?36= （ 2） 中心距 a a=( 1d + 2d +2 2x m)/2=[++2? ()? ]/2=74 mm （ 3） 蝸桿導(dǎo)程角 39。28148? ? （ 1） 蝸桿齒頂圓直徑 1ad 1ad =1d +2 1ah =+2? = mm， 其中 1ah 為蝸桿齒頂高，且 1ah =m= mm； （ 2） 蝸輪喉圓直徑 2ad 2ad = 2d +2 2ah =+2? ? = mm， 其中 2ah 為蝸輪齒頂高，且 2ah =ah? + 2x == mm； （ 3） 蝸輪外圓直徑 2ed = 2ad +m=+=122 mm； （ 4） 蝸桿齒寬 1b 由于 1Z =6，故 1b 按結(jié)構(gòu)設(shè)計，取 1b =64 mm （ 5） 蝸輪齒寬 2b 2b ? 1ad =? =,取 2b =28 mm； （ 6） 蝸輪齒頂圓弧半徑 2aR 2aR = 12d m= = mm （ 7） 蝸輪齒根圓弧半徑 2fR 2fR = 12ad +c= 12ad += +? = mm； （ 8） 蝸桿軸向齒厚 1xs 1xs = xp /2= /2m? =? ? ,其中 xp 為蝸桿軸向齒距； （ 9） 蝸桿法向齒厚 1ns 1ns = 1xs cos? = 39。cos28148 = mm； （ 10） 蝸輪分度圓齒厚 2s 2s = m? =? ? = mm。 蝸桿傳動由于效率低，所以工作時發(fā)熱量大。在閉式傳動中，如果產(chǎn)洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 16 生的熱量不能及時地散逸，將因油溫不斷升高而使?jié)櫥拖♂?，從而增大磨擦損失，甚至發(fā)生膠合。所以必須根據(jù)單位時間內(nèi)的發(fā)熱量 1H 等于同時間內(nèi)的散熱量 2H 的條件進行熱功平衡計算，以保證油溫穩(wěn)定牌規(guī)定的范圍內(nèi)。 由于摩擦損耗的功率 fP = 1P （ 1 ? ） kW,則產(chǎn)生的熱流量（單位為1W=1j/s） 為 1H =10001P （ 1? ） W 式中 1P 為蝸桿傳遞的功率（單位： kW）。 以自然冷卻方式，從箱體外壁散發(fā)到周圍空氣中去的熱流量為 2H =kA(1t 0t )W 式中 k—— 熱導(dǎo)率，一般取 k=～ ( 2m C ),環(huán)境空氣流通較差時，取較小值，否則取較大值； A—— 傳動裝置散熱的計算面積，即內(nèi)面被沒浸濺的，而外面又被空氣所能冷卻的的箱殼面積（ 2m ）； 1t —— 潤滑油的工作溫度，一般限制在 60～ 70C ，最高不能超過 80C ；