動(dòng)力刀架設(shè)計(jì)及載荷研究*

趙尚福，郭智春

(沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司 數(shù)控刀架分公司,沈陽(yáng) 110142)

0 引言

數(shù)控刀架是數(shù)控車床的核心功能部件，相比傳統(tǒng)數(shù)控刀架，伺服刀架具有精度高、分度時(shí)間短、可雙向就近選刀的特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于各類臥式、立式數(shù)控車床上，并將逐步取代傳動(dòng)的電動(dòng)刀架和液壓刀架。普通的伺服刀架只能安裝各類車刀，進(jìn)行外圓、端面、內(nèi)孔和螺紋的車削，盤類和軸類零件上的鍵槽、螺紋孔等特征則需借助立式加工中心等設(shè)備來(lái)完成后續(xù)的鉆孔、攻絲、銑削等加工。零件在車床和立式加工中心上多次裝夾，會(huì)帶來(lái)精度降低、零件輔助加工時(shí)間增加等問(wèn)題，不利于大批量生產(chǎn)降低成本提高生產(chǎn)效率。在車床上安裝動(dòng)力刀架，利用動(dòng)力刀架的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊加工螺紋孔和鍵槽，可提高數(shù)控車床的加工范圍，降低大批量生產(chǎn)的生產(chǎn)節(jié)拍，提高盤類和軸類零件的生產(chǎn)加工效率[1-4]。

1 動(dòng)力刀架設(shè)計(jì)

1.1 動(dòng)力刀架工況及載荷

如圖1所示為動(dòng)力刀架的工況及載荷示意圖，F(xiàn)1為車削時(shí)的主切削力，T為動(dòng)力切削(鉆孔、攻絲、銑鍵槽)時(shí)的切削扭矩，F(xiàn)2、F3、F4依據(jù)不同工況分別為進(jìn)給力或切深抗力。其中切削力F1、F2、F3、F4由刀盤和伺服刀架內(nèi)部的赫式三齒盤承受，動(dòng)力切削扭矩T由動(dòng)力刀架的驅(qū)動(dòng)模塊和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受[5-6]。

圖1 動(dòng)力刀架工況及載荷

對(duì)于車削、鉆孔、攻絲、銑削等典型加工方式，按單位切削力計(jì)算切削力和功率[7]。

Fc=10-6kcapf
Pc=10-9kcapfvc/60

其中，F(xiàn)c為切削力(N)，Pc為切削功率(kW)，kc為單位切削力(N)，ap為切削深度(mm)，f為進(jìn)給量(mm/r)，vc為切削速度(m/min)。

對(duì)于鉆孔時(shí)：

Pc=fnvcDkc/240×103
Mc=30×103Pc/πn

對(duì)于攻絲時(shí)：

Pc=πnMc/30×103
Mc=p2Dkc/8000

對(duì)于銑鍵槽時(shí)：

Pc=apaevfkc/60×106
Mc=30×103Pc/πn

其中，Mc為加工扭矩(Nm)，fn為鉆孔每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(mm/r)，D為鉆頭、絲錐直徑(mm)，n刀具轉(zhuǎn)速(rpm)，p為絲錐螺距(mm)，ap為銑削軸向切削深度(mm)，ae為銑削徑向切削深度(mm)，vf為銑削進(jìn)給量(mm/min)。

1.2 動(dòng)力刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為本文設(shè)計(jì)的動(dòng)力刀架的結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有伺服刀架本體的基礎(chǔ)上安裝動(dòng)力刀架盤、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊、動(dòng)力刀驅(qū)動(dòng)用伺服電機(jī)，將普通的伺服刀架升級(jí)為具有鉆孔、攻絲、銑鍵槽等動(dòng)力切削功能的模塊化伺服動(dòng)力刀架。

動(dòng)力模塊為一錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，動(dòng)力模塊及其支撐軸通過(guò)前端球軸承和后端滾針軸承支撐在伺服刀架箱體內(nèi)，并通過(guò)前端球軸承和彈簧軸向預(yù)緊定位。驅(qū)動(dòng)接口通過(guò)錐齒輪機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)軸、帶輪、同步帶、動(dòng)力刀驅(qū)動(dòng)用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)接口本文采用了標(biāo)準(zhǔn)的DIN1809傳動(dòng)接口，驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)球軸承和滾針軸承組及尾部球軸承支撐[8-9]。

1.伺服刀架箱體 2.動(dòng)力刀架盤 3.動(dòng)力刀驅(qū)動(dòng)用伺服電機(jī) 4.動(dòng)力模塊 5.驅(qū)動(dòng)接口 6.支撐軸 7.前端球軸承 8.后端滾針軸承 9.彈簧 10.驅(qū)動(dòng)軸 11.球軸承和滾針軸承組 12.尾部球軸承 13.帶輪 14.同步帶 15.帶輪圖2 伺服刀架的結(jié)構(gòu)

2 載荷研究

2.1 驅(qū)動(dòng)接口

如圖3為標(biāo)準(zhǔn)的DIN1809[10]驅(qū)動(dòng)接口工作時(shí)的受力示意圖。當(dāng)驅(qū)動(dòng)接口軸向和徑向?qū)R安裝良好時(shí)，刀具橫柄(如圖陰影部分所示)均勻受力，不產(chǎn)生支撐軸的軸向力。

F1max=T/L

當(dāng)驅(qū)動(dòng)接口安裝有偏差，極限情況下，刀具橫柄僅一端受力，并對(duì)支撐軸產(chǎn)生軸向作用力。

F1max=2T/L

驅(qū)動(dòng)接口承受的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力：

其中，Mt為驅(qū)動(dòng)接口傳遞的扭矩(Nm)安裝良好時(shí)驅(qū)動(dòng)接口雙邊承受扭矩T，安裝不良時(shí)僅單邊承受扭矩T，Wt為抗扭截面系數(shù)(m3)。

圖3 驅(qū)動(dòng)接口受力

2.2 支撐軸

當(dāng)DIN1809的驅(qū)動(dòng)接口軸向和徑向?qū)R良好時(shí)，支撐軸由前端球軸承和后端滾針軸承支撐，受力情況如圖4所示，支撐軸不受軸向載荷作用，僅受徑向載荷作用，用于克服切削扭矩，前端球軸承和后端滾針軸承的受力大小為：

R1=R2=T/(L1+L2)

圖4 支撐軸受力簡(jiǎn)圖

當(dāng)DIN1809的驅(qū)動(dòng)接口對(duì)齊不好時(shí)，支撐軸由前端球軸承和后端滾針軸承支撐，受力情況如圖5所示，軸向載荷作為脈沖正弦載荷分別由前端的球軸承和后端的彈簧承受，徑向載荷成正弦函數(shù)變化分別由前端的球軸承和后端的滾針軸承承受，軸承及彈簧受力大小分別為：

R1max=F1maxL2/(L1+L2)
R2max=F1maxL1/(L1+L2)
Faxis=F1max

圖5 支撐軸受力簡(jiǎn)圖

實(shí)際使用中，由于設(shè)計(jì)和裝配要求，DIN1809驅(qū)動(dòng)接口工作中的間隙非常小，材料彈性變形亦能補(bǔ)償對(duì)齊不良產(chǎn)生的間隙。

2.3 驅(qū)動(dòng)軸

驅(qū)動(dòng)軸承受皮帶輪產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)扭矩和徑向力，并由尾部球軸承和驅(qū)動(dòng)單元中的球軸承和滾針軸承組承受，危險(xiǎn)截面發(fā)生在尾部球軸承支撐點(diǎn)處(見(jiàn)圖6)，扭矩和彎矩的合成應(yīng)力為：

其中，Mt為同步帶輪傳遞的扭矩(Nm)，D為同步帶輪直徑(m)，Wt為抗扭截面系數(shù)(m3)，W為抗彎截面系數(shù)(m3)。

圖6 驅(qū)動(dòng)軸受力簡(jiǎn)圖

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 載荷計(jì)算

某動(dòng)力刀架采用BMT55接口，接口尺寸見(jiàn)圖3陰影部分驅(qū)動(dòng)橫柄寬8mm，驅(qū)動(dòng)接口直徑為28mm，L為26mm，支撐軸軸承間距見(jiàn)圖4所示L1=48mm，L2=205mm，加工正火碳素結(jié)構(gòu)鋼，單位切削力kc=1962N/mm2，分別進(jìn)行鉆孔、攻絲、銑削鍵槽時(shí)的工況和切削扭矩、功率如表1所示。

表1 典型工況計(jì)算

表1所示鉆孔工況，按安裝良好計(jì)算驅(qū)動(dòng)接口的應(yīng)力：

τ=Mt/Wt=

16T/(πd3-πd2d1)=

16×32.7×103/3.14/(283-282×8)=

10.6(MPa)

安裝良好時(shí)支撐軸軸承的徑向力：

R1=R2=T/(L1+L2)= 32.7/(48+205)= 0.129(kN)

安裝不良時(shí)支撐軸的軸向力：

Faxis=2T/L=
2×32.7/26=
2.515(kN)

可見(jiàn)驅(qū)動(dòng)接口安裝良好時(shí)，支撐軸受力較小，動(dòng)力模塊亦工作平穩(wěn)。

3.2 樣機(jī)制造

如圖7為制造的動(dòng)力刀架樣機(jī)及安裝在某T3.3數(shù)控車床上的調(diào)試圖片。樣機(jī)動(dòng)力刀架具有12個(gè)工位，實(shí)例中在9個(gè)工位上分別安裝了車刀、鉆頭、絲錐、立銑刀等加工刀具。

圖7 動(dòng)力刀架樣機(jī)調(diào)試

4 結(jié)束語(yǔ)

采用錐齒輪機(jī)構(gòu)和同步帶機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了動(dòng)力刀架的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用軸承和彈簧設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)模塊的支撐結(jié)構(gòu)。分析了動(dòng)力刀架的工況及載荷，給出動(dòng)力刀架進(jìn)行鉆孔、攻絲、銑鍵槽時(shí)的扭矩和功率計(jì)算公式，研究了動(dòng)力刀架驅(qū)動(dòng)接口、支撐軸、驅(qū)動(dòng)軸的受力，并推導(dǎo)計(jì)算公式。制造了樣機(jī)，計(jì)算了樣機(jī)的實(shí)際加工能力，為產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)及工程選型提供依據(jù)。