數(shù)控鉆床多功能自動(dòng)刀架設(shè)計(jì)

高光明

（漢中市第一職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，陜西 漢中 723099）

引言

數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)對(duì)提高生產(chǎn)率、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量以及改善勞動(dòng)條件等已經(jīng)發(fā)揮了重要的作用。為了進(jìn)一步壓縮非加工時(shí)間，數(shù)控機(jī)床正朝著一臺(tái)機(jī)床在一次裝夾中完成多道工序加工的方向發(fā)展。在這些一次可以加工多道工序的機(jī)床中，刀架的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。數(shù)控機(jī)床為了能在工件一次裝夾中完成多種甚至所有加工工序，以縮短輔助時(shí)間，減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動(dòng)換刀裝置。自動(dòng)換刀裝置應(yīng)滿足換刀時(shí)間短、刀具重復(fù)定位精度高、具有足夠的刀具儲(chǔ)存量、刀庫占地面積小以及安全可靠等要求。這就要求我們所設(shè)計(jì)的刀架能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)工位的加工，減少換夾具和換刀的時(shí)間，這也就是我們要設(shè)計(jì)的多功能刀架。數(shù)控刀架最新技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r和發(fā)展趨勢(shì)：主機(jī)技術(shù)向高速、復(fù)合方向發(fā)展，從而使數(shù)控刀架技術(shù)也向高速、復(fù)合方向發(fā)展。

1 整體方案的擬定

刀架按其動(dòng)力來分，大體可分為電機(jī)傳動(dòng)和液壓傳動(dòng)兩大類。

1）液壓式：這類刀架用液壓缸實(shí)現(xiàn)刀盤鎖緊，低速大扭拒液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)刀盤轉(zhuǎn)位。

2）電動(dòng)式：這類刀架以電機(jī)為動(dòng)力源，使用方便，應(yīng)用較多，主要有以下三種形式：單面凸抓鎖緊式、雙插銷反靠式、雙向滾子端面凸輪鎖緊式。

液壓刀架雖然在廣泛應(yīng)用，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使其在設(shè)計(jì)時(shí)困難很多；而電動(dòng)刀架現(xiàn)在也在廣泛使用，因?yàn)殡妱?dòng)的最大優(yōu)點(diǎn)是可以使機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，省去大量的液壓管路，結(jié)構(gòu)也容易設(shè)計(jì)，所以本設(shè)計(jì)采用電機(jī)刀架系統(tǒng)。由電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)齒輪嚙合傳動(dòng)實(shí)現(xiàn)刀架的運(yùn)動(dòng)[1]。

2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 切削力的計(jì)算

由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知：

式中，N為電動(dòng)機(jī)功率，查機(jī)床說明書N=3 kW；η為主傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般為0.6～0.7，取0.65；K為進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取K=0.96；則Nc=3×0.65×0.96=2.496 kW。

2.2 電機(jī)的選擇

同一類型的電動(dòng)機(jī)，相同的額定功率有多種轉(zhuǎn)速可供選擇。如選用低轉(zhuǎn)速電動(dòng)機(jī)，因級(jí)數(shù)較多而外輪廓尺寸及重量較大，故價(jià)格較高，但可使傳動(dòng)裝置總傳動(dòng)比及尺寸較小，選用高轉(zhuǎn)速電機(jī)則相反。因此應(yīng)全面分析比較其利弊來選用電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。

由切削功率Nc=2.496 kW可查《械設(shè)計(jì)簡明手冊(cè)》。

取電機(jī)為Y100L2-4，額定功率為3 kW，額定轉(zhuǎn)矩為2.2 kN/m。

2.3 圓錐齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算

圓錐齒輪傳動(dòng)是用來傳遞空間兩相交軸之間運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種齒輪傳動(dòng)，其輪齒分布在節(jié)圓錐體上，齒形從大端到小端逐漸變小。圓柱齒輪中的有關(guān)圓柱均變成了圓錐。為計(jì)算和測(cè)量方便，通常取大端參數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)值。一對(duì)圓錐齒輪兩軸線間的夾角Σ稱為軸角。其值可根據(jù)傳動(dòng)需要任意選取，在一般機(jī)械中，多取Σ＝90°[2]。

2.4 傳動(dòng)零件的設(shè)計(jì)計(jì)算

進(jìn)行刀架裝配圖設(shè)計(jì)時(shí)，必須先求得各級(jí)傳動(dòng)件的尺寸、參數(shù)，并選好聯(lián)軸器的類型和尺寸。

2.4.1 選擇聯(lián)軸器類型和型號(hào)

聯(lián)軸器通常用來聯(lián)結(jié)兩軸，并在其間傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。有時(shí)也可以作為一種安全裝置用來防止被聯(lián)結(jié)基件承受過大的載荷，起到過載保護(hù)的作用。用聯(lián)軸器聯(lián)結(jié)軸時(shí)只有在機(jī)器停止運(yùn)轉(zhuǎn)且經(jīng)過拆卸后才能使兩軸分離[3]。

聯(lián)軸器除聯(lián)接兩軸并傳遞轉(zhuǎn)矩外，有些還有補(bǔ)充兩軸因制造和安裝誤差而造成的軸線偏移的功能，以及具有緩沖、吸振、安全保護(hù)等功能。因此要根據(jù)傳動(dòng)裝置工作要求來選定聯(lián)軸器類型。

由于軸的轉(zhuǎn)速較高，為了減少啟動(dòng)載荷，緩和沖擊，應(yīng)選用具有較小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和具有彈性的聯(lián)軸器。根據(jù)我們電機(jī)的轉(zhuǎn)速，在滿足要求的情況下，選擇圓錐銷聯(lián)軸器。由于考慮尺寸問題，聯(lián)軸器圖形省略，但設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該考慮到[4]。

2.4.2 離合器的選擇

離合器在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中可將傳動(dòng)系統(tǒng)隨時(shí)分離或接合。對(duì)離合器的要求有：接合平穩(wěn)、分離迅速而徹底、調(diào)節(jié)和修理方便、外廓尺寸小、質(zhì)量小、耐磨性好和有足夠的散熱能力、操縱方便省力。離合器的類型很多，常用的可分牙嵌式與摩擦式兩大類。牙嵌離合器由兩個(gè)端面上有牙的半離合器組成(如圖1)。其中1個(gè)（圖的左部）半離合器固定在主動(dòng)軸上；另一個(gè)半離合器用導(dǎo)鍵（或花鍵）與從動(dòng)軸聯(lián)接，并可由操縱機(jī)構(gòu)使其作軸向移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)離合器的分離與接合。牙嵌離合器是借牙的相互嵌合來傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩的。為使兩半離合器能夠?qū)χ?，在主?dòng)軸端的半離合器上固定1個(gè)對(duì)中環(huán)，從動(dòng)軸可在對(duì)中環(huán)內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。

用離合器聯(lián)結(jié)的兩軸可在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中隨時(shí)進(jìn)行結(jié)合和分離。在滿足要求的條件下，選用較簡單的結(jié)構(gòu)，所以選用牙嵌式離合器[5]。

牙嵌式離合器有兩個(gè)端面帶牙的半離合器1、2組成。從動(dòng)半離合器用導(dǎo)向平鍵與軸聯(lián)接，另一半離合器1用平鍵與軸聯(lián)接，對(duì)中環(huán)用來使兩軸對(duì)中，滑環(huán)可操縱離合器的分離與結(jié)合。牙嵌式離合器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 牙嵌式離合器結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)語

本文主要介紹了數(shù)控鉆床多功能自動(dòng)刀架的總體設(shè)計(jì)思路，重點(diǎn)討論了刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算，為今后解決相關(guān)領(lǐng)域的問題奠定了一定的理論基礎(chǔ)。

[1]上海編織工學(xué)院,哈爾濱工業(yè)大學(xué),天津大學(xué),主編.機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊(cè)[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,1979.

[2]龔桂義.機(jī)床設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)圖冊(cè)[M].北京:高等教育出版社,1989.

[3]吳宗澤,羅圣國.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:高等教育出版社,1999.

[4]上海柴油機(jī)廠工藝設(shè)備研究所.金屬切削機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1984.

[5]上海市金屬切削技術(shù)協(xié)會(huì)主編.金屬切削手冊(cè)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1984.