ZH5125D立式鉆削加工中心刀庫(kù)部件設(shè)計(jì)

王偉

(北京市應(yīng)用高級(jí)技工學(xué)校,北京 100000)

ZH51系列立式鉆削加工中心使用的刀庫(kù)為轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)，下面就立式鉆削加工中心ZH51系列產(chǎn)品轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)的發(fā)展現(xiàn)狀，與國(guó)外立式鉆削加工中心轉(zhuǎn)塔式刀庫(kù)來(lái)做一下主要對(duì)比與分析，根據(jù)國(guó)內(nèi)外鉆削加工中心刀庫(kù)主要參數(shù)對(duì)照表對(duì)比發(fā)現(xiàn)，主軸刀柄由BT30變成BT40，除了容量為10把刀的刀庫(kù)外，提供14把刀的刀庫(kù)選配，為用戶的機(jī)床選型提供方便。同時(shí)，提高換刀時(shí)間。

按照這樣的總體設(shè)計(jì)要求，由于刀柄型號(hào)變大，刀庫(kù)包含刀具數(shù)量不變，導(dǎo)致刀盤(pán)直徑變大，刀盤(pán)整體質(zhì)量變大，這樣，如何在有限的空間內(nèi)排列各個(gè)零部件，以及相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)、受力分析成為這部分設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

1 刀庫(kù)部件的設(shè)計(jì)要求

自動(dòng)換刀裝置刀柄型號(hào)為BT40，刀庫(kù)容量10把，刀對(duì)刀換刀時(shí)間（T—T）＜1.8s，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)換刀時(shí)間（P-P）＜0.6s，單把刀具最大重量3kg，刀庫(kù)滿刀允許最大重量24 kg，最大刀具直徑φ80mm，最大刀具長(zhǎng)度200mm。由于刀柄型號(hào)變大，整體刀庫(kù)重量增加，刀庫(kù)電機(jī)預(yù)選功率為120kW，然后進(jìn)行校核。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算部分

2.1 電機(jī)的選擇

作為改進(jìn)產(chǎn)品，以原機(jī)床參數(shù)作為參考，擬選用比原來(lái)功率大一些的電機(jī)，功率為120kW，減速比為1：9。擬選定電機(jī)品牌為恒峰電機(jī)，型號(hào)為YYTCJ-120-4/90-9。對(duì)選用的電機(jī)進(jìn)行校核。

（1）電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量校核。已知：電機(jī)轉(zhuǎn)子半徑r=30mm,長(zhǎng)l=120mm ，電機(jī)轉(zhuǎn)子材料密度ρ=7.8×103kg/m3，刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r=0.07m，整體刀庫(kù)部件質(zhì)量為滿刀時(shí)刀具質(zhì)量與刀庫(kù)自身重量之和m=24kg+26kg=50kg，減速比i=1:9，刀庫(kù)錐齒輪傳動(dòng)比為1:1。

計(jì)算：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM=mr2/2=(ρ×π×r2×l×r2)/2，帶入數(shù)據(jù)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM=0.00119kg·m2由于刀庫(kù)錐齒輪傳動(dòng)比為1:1，并且質(zhì)量相對(duì)于整體刀庫(kù)來(lái)說(shuō)較小，可忽略不計(jì)，因此，計(jì)算刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JL=mr2/(2i2)，代入數(shù)據(jù)，有刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量 JL=0.0013kg·m2，JL/JM=0.0013/0.00119=1.09=1～1.5所選電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量上可以滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）電機(jī)轉(zhuǎn)速校核。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，已知：要求點(diǎn)對(duì)點(diǎn)換刀時(shí)間t≤0.6s ，電機(jī)軸轉(zhuǎn)速n=1300rad/min，減速比i=1∶9。計(jì)算：電機(jī)經(jīng)減速器輸出轉(zhuǎn)速為1300/9=144rad/min ，可推導(dǎo)出電機(jī)軸旋轉(zhuǎn)一周所需時(shí)間為

（3）電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核。已知：刀庫(kù)總重m=50kg,刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)半徑r=70mm,每換一把刀，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)間t=0.4s，電機(jī)傳動(dòng)功率 η=0.81，電機(jī)轉(zhuǎn)矩T電機(jī)= 7.8N·m 。

計(jì)算：刀盤(pán)10把刀，每換一把刀走位移。

時(shí)間t電機(jī)=0.4s ，在整個(gè)過(guò)程中，位移前半段滾針軸承作勻加速運(yùn)動(dòng)，位移前半段滾針軸承作勻減速運(yùn)動(dòng)，所以計(jì)算加速度取位移由，有，所選電機(jī)在轉(zhuǎn)矩上可以滿足設(shè)計(jì)要求。綜上，所選電機(jī)能夠滿足設(shè)計(jì)要求，電機(jī)可用。

2.2 換刀臂卡銷(xiāo)彈簧的校核（圖1）

圖1 換刀臂卡銷(xiāo)彈簧抱刀柄示意圖

在卡銷(xiāo)的設(shè)計(jì)中，我們要考慮到是卡銷(xiāo)能夠充分接觸刀柄，在ZH5120C的設(shè)計(jì)中，卡銷(xiāo)的設(shè)計(jì)為圓頭，如下圖所示，但是圓彈頭的設(shè)計(jì)使得卡銷(xiāo)與刀柄內(nèi)槽的接觸僅為一點(diǎn)，因此，在ZH5120D的設(shè)計(jì)中，我們將圓彈頭的設(shè)計(jì)改為錐型彈頭，錐度與刀柄的卡槽錐度一致，這樣使得卡銷(xiāo)與刀柄卡槽的設(shè)計(jì)為線接觸（圖2）。

圖2 卡銷(xiāo)三維圖

裝配過(guò)程中，對(duì)卡銷(xiāo)彈簧施加預(yù)緊力，使得卡銷(xiāo)彈簧頂緊卡銷(xiāo)，兩側(cè)卡銷(xiāo)由此抱緊刀柄，在換刀過(guò)程中，卡銷(xiāo)彈簧應(yīng)始終抱緊刀柄，卡銷(xiāo)彈簧對(duì)刀柄的力應(yīng)大于刀庫(kù)轉(zhuǎn)位時(shí)刀柄所受離心力大小，這樣刀柄才不會(huì)在刀庫(kù)轉(zhuǎn)位過(guò)程中發(fā)生掉刀現(xiàn)象。擬選用彈簧自由長(zhǎng)度L=28mm，彈簧中徑D=9m，彈簧材料直徑d=1.6m，旋向右旋，總?cè)?shù)n總=8，有效圈數(shù)n=7，并進(jìn)行熱處理Hh。彈簧切變模量G 79000MPa，（摘自GB/T1239.6-1992）。

對(duì)選用的卡銷(xiāo)彈簧進(jìn)行校核（見(jiàn)圖3）。

如圖3所示，卡銷(xiāo)沒(méi)有接觸刀柄時(shí)，已知：此時(shí)彈簧僅受預(yù)緊力，取彈簧所能承受的極限力為預(yù)緊力計(jì)算，彈簧自然狀態(tài)長(zhǎng)度為28mm，此時(shí)彈簧壓縮量為28-20.5=7.5m。計(jì)算：查公式，彈簧的預(yù)緊力F預(yù)=L·G·d4/(8 ·D3·n)，

代入數(shù)據(jù)計(jì)算所要求的彈簧預(yù)緊力：F預(yù)=95.12N 。

如圖4所示，卡銷(xiāo)走到刀柄最大直徑時(shí)，已知：此時(shí)取彈簧壓縮量最大，由圖可知彈簧此時(shí)長(zhǎng)度為L(zhǎng)=17.55m，計(jì)算：彈簧可壓縮到的最小長(zhǎng)度：Smin=d·n=1.6×7=11.2m，L＞Smin。彈簧此時(shí)可用。

圖3 卡銷(xiāo)沒(méi)有接觸刀柄時(shí)

圖4 卡銷(xiāo)接觸刀柄最大直徑時(shí)

當(dāng)卡銷(xiāo)完全抱住刀柄時(shí)，已知：此時(shí)彈簧受壓力，兩側(cè)彈簧給刀柄的徑向和力2F2應(yīng)大于F離，取2F2=F離進(jìn)行彈簧校核計(jì)算。

由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，查得公式：彈簧變形量L=8×D3×n×F1/(G ×d4)，代入數(shù)據(jù)L=4.55mm，4.55mm＜11.2mm彈簧此時(shí)可用。綜上校核，卡銷(xiāo)彈簧滿足受力要求，可用。

以上是對(duì)ZH5125D立式鉆削加工中心的刀庫(kù)部件設(shè)計(jì)過(guò)程的概述，刀庫(kù)部件是數(shù)控機(jī)床中的一個(gè)重要部件，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，其設(shè)計(jì)過(guò)程也比較復(fù)雜，涉及到的內(nèi)容也相當(dāng)?shù)膹V泛。