刀位液压星型刀塔设计(编辑修改稿)

刀位液压星型刀塔设计(编辑修改稿)内容摘要：

“二次革命” , 而价格不到相同功能和质量的新机床的 2/3～ 1/2。 这种行业已在世界三大机床博览会的展示台上占据了重要位置 , 引起了参观者很大兴趣 [7]。 第 11 页 共 45 页 2 刀塔的设计及计 ,类型和应满足的要求 机床刀塔的功能 机床上的刀塔是安放刀具的重要部件，许多刀他还直接参与切削工作，如卧式车床上的 四方刀塔，转塔车床的转塔刀 塔 ，回轮式转塔车床的回轮刀 塔 ，自动车床的转塔刀塔 和天平刀 塔 等。 这些刀塔既安放刀具，而且还直接参与切削，承受极大的切削力作用，所以它往往成为工艺系统中的较薄弱环节。 随着自动化技术的发展，机床的刀塔也有了许多变化，特别是数控车床上采用电 (液 )换位的自动刀塔，有的还使用两个回转刀盘。 加工中心则进一步采用了刀库和换刀机械手，定现了大容量存储刀具和自动交换刀具的功能，这种刀库安放刀具的数量从几十把到上百把，自动交换刀具的时间从十几秒减少到几秒甚至零点几秒。 这种刀库和换刀机械手组成的自动换刀装 置，就成为加工中心的主要特征。 机床刀塔的类型 按换刀方式的不同，数控车床的刀塔系统主要有回转刀 塔 、排式刀 塔 和带刀库的自动换刀装置等多种形式 ,下面对这三种形式的刀塔作简单的介绍。 1） 排式刀 塔 一般用于小规格数控车床，以加工棒料或盘类零件为主。 它的结构形式为： 夹持着各种不同用途刀具的刀夹沿着机床的 X 坐标轴方向排列在横向滑板上。 刀具的典型布置方式如图 4 所示。 这种刀塔在刀具布置和机床调整等方面都较为方便，可以根据具体工件的车削工艺要求，任意组合各种不同用途的刀具，一把刀具完成车削任务后，横向滑板 只要按程序沿 X 轴移动预先设定的距离后，第二把刀就到达加工位置，这样就 完成了机床的换刀动作。 这种换刀方式迅速省时，有利于提高机床的生产效率。 宝鸡机床厂生产的 CK7620P 全功能数控车床配置的就是排式刀塔。 2） 回转刀 塔 回转刀 塔 是数控车床最常用的一种典型换刀刀塔， 一般 通过 液压系统或电气来实现 第 12 页 共 45 页 机床的自动换刀动作，根据加工要求可设计成四方、六方刀 塔 或圆盘式刀 塔 ，并相应地安装 4 把、 6 把或更多的刀 具。 回转刀塔的换刀动作可分为刀塔抬起、刀塔转位和刀塔 锁紧等几个步骤。 它的动作是由数控系统发出指令完成的。 回转刀塔 根据刀塔回转轴与安装底面的相对位置，分为立式刀塔和卧式刀塔两种。 3） 带刀库的自动换刀装置 上述排刀式刀塔和回转刀 塔 所安装的刀具都不可能太多，即使是装备两个刀塔，对刀具的数目也有一定限制。 当由于某种原因需要数量较多的刀具时，应采用带刀库的自动换刀装置。 带刀库的自动换刀装置由刀库和刀具交换机构组成。 (a)回转刀塔 (b) 排式刀塔 图 机床刀塔类型结构图 机床刀塔应满足 的要求 1） 满足工艺过程所提出的要求。 机床依靠刀具和工件间相对运动形成工件表面，而工件的表面形状和表面位置的不同，要求刀塔能够布置足够多的刀具，而且能够方便而正确地加工各工件表面， 为了实现在工件的一次安装中完成多工序加工，所以要求刀塔可以方便地转位。 2）在刀塔以要能牢固地安装刀具，在刀塔上安装刀具进还应能精确地调整刀具的位置，采用自动交换刀具时，应能保证刀具交换前后都能处于正确位置。 以保证刀具和工件间准确的相对位置。 刀塔的运动精度将直接反映到加工工件的几何形状精度和表面 第 13 页 共 45 页 粗糙度上，为此，刀塔的运动轨迹必 须准确，运动应平稳，刀塔运转的终点到位应准确。 面且这种精度保持性要好，以便长期保持刀具的正确位置。 3）刀塔应具有足够的刚度。 由于刀具的类型、尺寸各异，重量相差很大，刀具在自动转换过程中方向变换较复杂，而且有些刀塔还直接承受切削力。 考虑到采用新型刀具材料和先进的切削用量，所以刀塔必须具有足够的刚度，以使切削过程和换刀过程平稳。 4） 可靠性高。 由于刀塔在机床工作过程中，使用次数很多，而且使用频率也高，所以必须充分重视它的可靠性。 5） 刀塔是为了提高机床自动化而出现的，因而它的换刀时间应尽可能缩短，以利于提高生 产率。 目前自动换刀装置的换刀时间在 —6 秒之间不等。 而且还在进一步缩短。 6）操作方便和安全。 刀塔是工人经常操作的机床部件之一，因此它的操作是否方便和安全，往往是评价刀塔设计好坏的指标。 刀塔上应便于工人装刀和调刀，切屑流 出方向不能朝向工人，而且操作调整刀塔的手柄（或手轮）要省力，应尽量设置在便于操作的地方。 刀塔的整体方案设计 刀 塔 是车床的重要组成部分，用于夹持切削用的刀具，因此其结构直接影响到车床的切削性能和切削效率。 根据前部分对机床刀塔类型、性能及 其使用场合的综合比较，并结合现有数控车床的实例，本次设计 8 刀位星型液压 刀塔。 该刀塔的换刀动作分为刀盘抬起、刀盘分度转位和刀盘锁紧三个步骤，其中刀盘抬起和刀盘锁紧由液压来实现，而刀盘的分度转位于 液压马达 驱动。 车床刀塔的转位机构方案设计 一般来说，机床刀塔的转位机构主要有以下几种： 1） 液压（或气动）驱动的活塞齿条齿轮转位机构 这种由液动机驱动的转位机构调速范围大、缓冲制动容易，转位速度可调，运动平 第 14 页 共 45 页 稳，结构尺寸较小，制造容易，因而应用较广泛。 而转位角度大小可由活塞杆上的限位档块来调整。 也有采用气动 的，气动的优点是结构简单，速度可调，但运动不平稳，有冲击，结构尺寸大，驱动力小。 故一般多用于非金属切削的自动化机械和自动线的转位机构中。 2）圆柱凸轮步进式转位机构 这种转位机构依靠凸轮轮廓强制刀塔作转位运动，运动规律完全取决于凸轮轮廓形状。 圆柱凸轮是在圆 周面上加工出一条两端有头的凸起 =轮廓，从动回转盘（相当于刀塔体）端面有多个柱销，销子数量与工位数相等。 当圆柱凸轮按固定的旋转方向运动时，有的柱销会进入凸轮轮廓的曲线段，使凸轮开始驱动回转盘转位，与此同时有的圆柱销会与凸轮轮廓脱离，当柱销接触的凸轮轮廓由曲线 段过渡到直线段时，即使凸轮继续旋转，回转盘也不会转动，即完成了一次刀盘分度转位动作。 如此反复下去，就能实现多次的刀塔换刀操作。 由于凸轮是一个两端开口的非闭合曲线轮廓，所以当凸轮正反转进均可带动刀盘正反两个方向的旋转。 这种转位机构转位速度高、精度较低，运动特性可以自由设计选取但制造较困难、成本较高、结构尺寸较大。 这种转位机构可以通过控制系统中的逻辑电路或 PC 程序来自动选择回转方向，以缩短转位辅助时间 [8][9]。 3）液压马达驱动的刀塔转位 随着现代技术的发展，可以采用液压马达驱动齿轮副（消除间隙）实现刀塔 转位，转位的速度和角位移均可通过霍尔检测元件定位，因而这种转位机构转位速度精度高，结构简单、实现容易 [10]。 结合上述三种转位机构的转位机理和特点，并结合实际情况，本次设计的刀塔采可采用第三种转位机构，液压马达驱动齿轮副带动刀盘转位。 刀塔定位机构方案设计 目前在刀 塔 的定位机构中多采用锥销定位和端面齿盘定位。 由于圆柱销和斜面销定位时容易出现间隙，圆锥销定位精度较高，它进入定位孔时一般靠弹簧力或液压力、气动力，圆锥销磨损后仍可以消除间隙，以获得较高的定位精度。 端齿盘定位由两个齿形相同的端面齿盘相 啮合而成，由于齿合时各个齿的误差相互抵偿，起着误差均化的作用，定位精度高。 端齿盘定位的特点： 1）定位精度高 第 15 页 共 45 页 由于端齿盘定位齿数多，且沿圆周均布，向心多齿结构，经过研齿的齿盘其分度精度一般可达 39。 3 左右，一对齿盘啮合时具有自动定心作用。 所以中心轴的回转精度、间隙及磨损对定心精度几乎没有影响，对中心轴的精度要求低，装置容易。 2）重复定位精度好 由于多齿啮合相当于上下齿盘的反复磨合对研，越磨合精度越高，重复定位精度也越好。 3）定位刚性好， 承载能力大，两齿盘多齿啮合。 由于齿盘齿部强度高，并且一般齿数啮合率不少于 90%，齿面啮合长度不少于 60%，故定位刚性好，承载能力大。 考虑到端面齿盘具有以上的各种优点，因而本次设计的刀塔采用端面 [11[12]。 下图 所示为回转刀 塔 的结构图，刀 塔 的松开和夹紧以及刀盘的分度转位分别由液压系统和液压马达来实现。 安装刀具的刀盘与主轴固定连接，换刀时，液压缸注入压力油， 俩个与端齿盘固定的活塞拉动静端齿盘向右移动，使得与动端齿盘脱开，既所谓的刀盘松开。 当刀盘松开之后，微机判断是正转 还是反转，进而液压泵给马达供如压力油，带动刀盘旋转，既所谓的换刀，另外指出，此次设计主轴带动刀盘换刀，是通过液压马达带动齿轮副，并且通过拨叉使扭矩传递到主轴，进而带动刀盘旋转的。 刀盘 旋转指定刀位后， 液压马达带刀盘停止转动，与静端齿盘固定的俩个液压缸动作，活塞向左移动，使得经端齿盘和动端齿盘啮合，完成精定位和刀盘的锁紧。 而当刀盘而 刀盘的 粗定位由霍尔元件实现，精 定位由端齿盘的啮合来完成 （端面齿盘齿形为梯形状）。 当加工工件时 ，即动力刀座驱动，首先通过拨叉把马达到刀盘的传动链断掉，然后为了 使扭矩传递到 刀座上，通过液 压泵把压力油注入缸体右腔，活塞向左移动，传动链则变成液压马达 → 齿轮副 → 锥齿轮副 → 刀座。 此时再刀盘紧锁的状态下，动力刀加工工件。 于是如此循环往复。 第 16 页 共 45 页 图 八刀位星型液压装配图 液压马达的选型计算 假设用直径为 40mm 的 8齿圆柱铣刀，铣削宽度为 25mm 的铸铁，铣刀γ 0=5 o, fz =, ap=4mm 则可计算铣削力为 : 0. 86 0. 740. 8630 4 0. 05 25 8 1. 1 1. 00 1040Fc        = 取最大铣 削速度 Vc=188m/min 则 1000Vc dn n=取 n=1500r/min 铣削时，消耗功率为： 第 17 页 共 45 页 FcVcPc=60000 18860000  通过查液压传动控制手册得到： CMK1 系列齿轮马达，型号为 CMK1008(P28),额定转速为1800r/min,理论输出转矩为 Nm 刀盘设计与计算 刀盘相邻刀位换刀时间为 ， 则换刀时刀盘的转速为 14 2  =75r/min 故 14 180075i  =24 则： 1 1 314 4 2 4n n ni n n n   =24 可选择 12 6i  34 4i  输入功率 2 0 . 6 3 1 8 0 0 / m i n / 9 5 5 0P N m r   = 为防止根切，小齿轮齿数 1 17Z 齿轮的计算 Ⅰ .高速级齿轮计算 第 18 页 共 45 页 1） 选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数 (1)根据途中传动方案，选用直齿圆柱齿轮传动 (2)传动速度不高，故选用 7级精度（ GB1009588） (3)材料选择，由表 101选择，小齿轮材料为 40Cr(调质 )，硬度为 280HBS,大齿轮材料为 45钢（调质），硬度为 240HBS,二者材料硬度相差为 40HBS (4)选小齿轮齿数为 20 齿，大齿轮的齿数 2 6 20Z  120 2)按齿面接触强度设计： 由设计计算公式 ()进行试算，即： 131 1 22 .3 2 ( )EtHK T u Zd du  （ ） (1)确定公式各值 ① 试选载荷系数 K1= ② 计算小齿轮传递的转矩 ： 5 11 195 .5 10 PT n 595 .5 10 3. 891800 10 N mm   ③ 查表 选齿宽系数 1d ④ 查表 查的材料的弹性影响系数 MPa ⑤ 查图得 按齿面硬度查的小齿轮得接触疲劳强度极限 lim 1 600H MPa  ，大齿轮的接触疲劳强度极限为 lim 2。