動力刀塔的設(shè)計制造及應(yīng)用研究

孫彥旭 白 迪 王 欣 劉 斌

(山東魯南機床有限公司，山東 滕州 277500)

世界機床市場正朝著高速、復(fù)合、智能、環(huán)保方向發(fā)展。作為數(shù)控車削中心主要功能部件之一的動力刀塔，我國起步晚、生產(chǎn)廠家少、市場占有率低，一定程度上制約著機床廠家車削中心的發(fā)展。在世界機床制造和機械加工領(lǐng)域，復(fù)合加工技術(shù)正以其獨特的魅力被逐漸認(rèn)識并應(yīng)用于實踐中。動力刀塔和電主軸被譽為21 世紀(jì)數(shù)控機床發(fā)展方向，動力刀塔是車銑復(fù)合車削加工中心的關(guān)鍵功能部件，只有在數(shù)控車床上配有動力刀塔才能實現(xiàn)工件加工集約化，即一次裝夾實現(xiàn)工件的車、銑、鉆、攻、鏜、鉸等工序的加工。其優(yōu)點一是明顯提高了復(fù)雜工件的加工精度，減少了半成品周轉(zhuǎn)時間和占地面積，縮短了整個工件加工的工藝流程;二是減少了不重要的繁瑣的重復(fù)性手工操作，減輕了操作者的勞動強度和緊張程度，勞動條件得到了相應(yīng)的改善。同時減少了效耗，是綠色機床制造的發(fā)展方向。

1 刀塔的結(jié)構(gòu)和工作原理

如圖1 所示為我公司自主研發(fā)設(shè)計制造的12 工位BMT65 動力刀塔結(jié)構(gòu)圖，其轉(zhuǎn)位換刀流程是:當(dāng)接到數(shù)控系統(tǒng)換刀指令后，首先內(nèi)置伺服電動機(電主軸)旋轉(zhuǎn)，通過螺旋傘齒輪副帶動動力輸出軸旋轉(zhuǎn)并精確定向，等待指定的動力刀位;然后刀盤松開→刀盤旋轉(zhuǎn)到指令要求的刀位→刀盤夾緊并發(fā)出轉(zhuǎn)位結(jié)束信號給系統(tǒng)。該動力刀塔的夾緊與松開為液壓系統(tǒng)控制，刀盤的轉(zhuǎn)位與旋轉(zhuǎn)刀具共用1 臺內(nèi)置電動機，其動力轉(zhuǎn)換靠氣缸控制的齒輪離合器完成，PLC 順序控制來實現(xiàn)。

圖1 中，電主軸的轉(zhuǎn)子5 是加熱收縮過盈裝配在轉(zhuǎn)子內(nèi)套6 上的，待電動機轉(zhuǎn)子組件冷卻后，把轉(zhuǎn)子內(nèi)套6 內(nèi)孔加工到圖紙尺寸精度，整體裝在一端帶有花鍵的套筒7 上，通過鎖緊錐套28 壓配產(chǎn)生的摩擦力來實現(xiàn)扭矩的傳遞;轉(zhuǎn)子內(nèi)套6 材料為20CrMnTi，左端套壁較薄，有較好的彈性;鎖緊錐套一端開有6 條均布的槽，通過鎖緊錐套的彈性變形收縮使轉(zhuǎn)子內(nèi)套緊緊抱在套筒7 上，套筒與電動機轉(zhuǎn)子就成為剛性一體。同樣電動機定子外套2 加熱后，熱裝在定子4 上，待冷卻收縮后形成過盈裝配，再加工定子外套外圓到圖紙尺寸精度，與箱體1 內(nèi)孔為小間隙配合。定子外套2左端用螺釘固定在箱體后端蓋上，下面用螺釘與箱體固定在一起，兩端都有O 型密封圈進(jìn)行密封，定子外套內(nèi)有環(huán)型密封油腔，用室溫同調(diào)油冷機對其冷卻。電動機的主軸就是轉(zhuǎn)子5、內(nèi)套6、套筒7 剛性組合體，電主軸的箱體1 就是電動機座，這樣就構(gòu)成了一種新型的電主軸系統(tǒng)。刀盤換位和旋轉(zhuǎn)軸的動力均用此電主軸。在套筒7 后部安裝有分辨率3600000脈沖/r、精度±4 s的齒盤分離式編碼器30，實時監(jiān)測電動機的運動狀況，并把信息回傳給控制器，以實現(xiàn)對電主軸旋轉(zhuǎn)速度和位置角度精確控制。

當(dāng)?shù)侗P15 需要轉(zhuǎn)位換刀時，依據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令，首先薄型氣缸38 動作，帶動撥叉36 推動齒輪外齒離合器34 左移，與內(nèi)齒離合器35 結(jié)合。因外齒離合器34 與套筒7 為滑動花鍵連接，內(nèi)齒離合器35 與傳動軸27 用脹套固定連接，故伺服電動機轉(zhuǎn)子6 旋轉(zhuǎn)速度和位置角度通過套筒7、離合器34、35、傳動軸27、螺旋傘齒輪副20 傳到輸出軸21，等待指定的動力刀位，同時通過高精度分離式編碼器30 確保輸出軸21扁尾槽與刀盤15 端面平行，避免刀盤轉(zhuǎn)動時，與動力刀座聯(lián)動動力軸扁尾干涉。然后液壓站控制換向閥換向，油缸體24、25 左腔進(jìn)油，推動鼠牙三齒盤(由鎖緊移動齒盤12、定位齒盤10、轉(zhuǎn)動齒盤11 組成)鎖緊移動齒盤12 右移，使其與定位齒盤10 轉(zhuǎn)動齒盤11 脫開，因轉(zhuǎn)動齒盤11 與刀盤15 用螺釘剛性聯(lián)固為一體，故刀盤15 松開(鼠牙三齒盤壓緊和松開有接近開關(guān)檢測，圖中未畫出)。同時薄型氣缸38 右移，帶動撥叉36 推動齒輪外齒離合器34 右移，與內(nèi)齒離合器35脫開。伺服電動機轉(zhuǎn)子6 旋轉(zhuǎn)速度和位置角度通過套筒7、齒輪離合器34、齒輪31、32、33、齒輪軸8、轉(zhuǎn)動齒盤11，帶動刀盤15 轉(zhuǎn)動到指定的刀位，液壓站控制換向閥再換向，油缸體24、25 右腔進(jìn)油，移動鼠齒盤12左移夾緊并精確定位。鼠牙三齒盤制造的定位精度±2″，重復(fù)定位精度±1″。

如刀位是普通刀具14，就可對工件直接進(jìn)行加工;如是動力刀具還需薄型氣缸38 動作，帶動撥叉36推動齒輪外齒離合器34 左移，與內(nèi)齒離合器35 結(jié)合。伺服電動機動力通過套筒7、離合器34、35、傳動軸27、螺旋傘齒輪副20 到輸出軸21，帶動動力刀具23旋轉(zhuǎn)，于是刀盤的整個轉(zhuǎn)位換刀循環(huán)完成。刀盤的轉(zhuǎn)位換刀精度靠伺服電動機的分離式編碼器和鼠齒盤雙層來保證。

2 刀塔的應(yīng)用布局和特點

從研制開發(fā)動力刀塔始，就統(tǒng)籌考慮在機床上與主軸排列布局應(yīng)用形式。如在斜床身上就有:單主軸單刀塔、雙主軸雙刀塔、雙主軸三刀塔及其有無獨立Y軸等12 種組合方式。圖2 為雙主軸三刀塔設(shè)計布局圖，主主軸固定，副主軸可來回移動(獨立可編程驅(qū)動軸)，2 個上動力刀塔采用左右對稱布局型式，獨立的Y 軸結(jié)構(gòu)，非合成軸，下動力刀塔配置在機床右下部，也可配Y 軸。

該刀塔的基本機型為星形式刀盤，刀座安裝在刀盤的圓周上，刀位數(shù)為12 個工位，每工位都可標(biāo)準(zhǔn)配裝BMT65 型刀座。星形式刀塔比盤式刀塔(刀座裝在刀盤的軸面上)有如下優(yōu)點:無論車刀座還是旋轉(zhuǎn)刀座均安裝在刀盤的圓周上，呈星形分布，刀具之間相隔比較遠(yuǎn)，干涉小，同等的刀盤直徑，可加工工件的直徑比盤式刀塔增大30%左右，適合完成副主軸上工件的背向加工。刀盤和刀座之間的接口為BMT 螺栓緊固方式，與傳統(tǒng)VDI 接口相比，剛性強、轉(zhuǎn)速高、扭矩大、重復(fù)定位精度高。根據(jù)結(jié)構(gòu)和外形:動力刀座分為直柄、直角、直角后縮、其他特殊結(jié)構(gòu)刀座。每個動力刀座能夠快速精確地實現(xiàn)鉆、攻絲、立銑、面銑、鉸、磨等功能的轉(zhuǎn)換，大大擴展了已有刀座的加工范圍，同時也使得動力刀座“一座多能”。如圖3 所示為刀塔刀座刀柄排列外觀圖。

3 模塊化，系列化

動力刀塔設(shè)計的基本要求，一是刀盤刀位數(shù)是鼠牙三齒盤端齒數(shù)的公約數(shù);二是確保刀盤刀位數(shù)與換刀齒輪速比一致。設(shè)計之初，考慮到刀塔在機床上的應(yīng)用配置和制造成本，采用模塊化設(shè)計方法，從刀塔功能結(jié)構(gòu)和安裝方式，整體統(tǒng)籌機械結(jié)構(gòu)、電氣、液壓、氣動以及電主軸冷卻回路、每個刀位冷卻液的液路等。以BMT65 刀塔為基型，劃分為三大模塊，一是刀塔箱體，二是箱體內(nèi)部零件，三是內(nèi)藏式電動機。如圖4，有Y 軸、無Y 軸刀塔內(nèi)部零件關(guān)系圖，刀塔所有零件不變，只是改變刀塔內(nèi)調(diào)整墊、支撐套、分液盤3 個零件的安裝位置角度，就可以形成有Y 軸無Y 軸兩種方式，安裝在機床上使用。再如刀塔安裝在機床上面，無Y 軸，無論左側(cè)還是右側(cè)，只需改變刀塔箱體(兩箱體成鏡像對稱關(guān)系)，而其他內(nèi)部零件不變即可，生產(chǎn)制造裝配調(diào)整方便。其余情況以此類推。

在刀塔系列化方面，一般常用刀盤刀位數(shù)有8 工位、10 工位、12 工位、16 工位。BMT 聯(lián)接動力軸規(guī)格有BMT55、BMT65、BMT75、BMT85 等。統(tǒng)籌兼顧刀塔的可靠性和使用慣例，刀盤刀位數(shù)較多者，使用BMT聯(lián)接動力軸規(guī)格較小的，即刀塔16 刀位，使用動力軸BMT55 的刀座，反之亦然。刀塔在機床上無論怎么安裝變換，箱體只有2 種。換刀齒輪速比為3 級6 對齒輪，對不同的刀位數(shù)，只需改變圖1 中34 號與32 號齒輪(保持中心距不變)齒數(shù)模數(shù)即可，其余2 組齒輪齒數(shù)模數(shù)始終不變。例如刀塔為12 工位，配動力軸BMT65 刀座，鼠牙三齒盤端齒數(shù)24 齒，換刀齒輪速比為40/60×30/30×14/112=1/12;16 工位刀塔換刀齒輪速比為33/66×30/30×14/112=1/16;8 工位刀塔換刀齒輪速比為50/50×30/30×14/112=1/8;10 工位刀塔換刀齒輪速比44/55×30/30×14/112=1/10。動力刀具速比為1:1。不同的刀盤，配不同的刀位數(shù)和不同的BMT 動力刀座，以及相應(yīng)的換刀速比齒輪，與鼠牙三齒盤端齒數(shù)的規(guī)格參數(shù)見表1。表中編號為圖1 中零件的號碼。

表1 規(guī)格參數(shù)表

4 結(jié)語

介紹了動力刀塔產(chǎn)品結(jié)構(gòu)模塊化、系列化的設(shè)計方法，為相關(guān)同仁研究和廠家生產(chǎn)配套應(yīng)用提供參考。該產(chǎn)品部分主要技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于國際同類產(chǎn)品，鄰刀換刀時間0.35 s，定位精度15 s，具有極大的性價比優(yōu)勢，完全可以替代國外進(jìn)口，填補了國內(nèi)空白。2010年11 月被國家知識產(chǎn)權(quán)局授于發(fā)明專利(專利號200910017805.6)。該動力刀塔的批量生產(chǎn)，滿足了高檔數(shù)控車床功能部件國產(chǎn)化的要求，進(jìn)而提高了國產(chǎn)車削中心及相關(guān)裝備的整體制造水平，推動了國產(chǎn)數(shù)控刀塔功能部件的發(fā)展和提高。