1 引 言
20世紀90年代以來, 數控加工技術得到迅速的普及和發展, 數控機床在制造業得到了越來越廣泛的應用。帶有自動換刀系統的數控加工中心在現代先進制造業中起著愈來愈重要的作用, 它能縮短產品的制造周期, 提高產品的加工精度, 適合柔性加工[ 1] 。根據項目中所要加工泵的孔分布特點運用槽輪機構實現換刀運動, 并利用So lidWorks軟件建立刀庫模型, 通過后期的運動仿真模擬換刀過程以進行結構優化改進。
2 加工中心系統分析和技術方案
2. 1 刀庫種類和換刀方式
目前數控機床的加工中心的刀庫種類和換刀方式很多, 在多工序數控機床上大多采用帶有自動換刀機構的刀庫。刀庫用于存放刀具, 它是自動換刀裝置中的主要部件之一, 根據刀庫存放刀具的數目和取刀方式不同, 常見刀庫形式有: 直線刀庫、圓盤刀庫、鏈式刀庫、其他刀庫等。
數控機床的自動換刀裝置中, 實現刀庫與機床主軸之間傳遞和裝卸刀具的裝置稱為刀具交換裝置。根據是否帶有換刀裝置可分為: ¹ 無機械手換刀。其舊刀具的換下和新刀具的取出需順序進行, 因而換刀時間較長; º 機械手換刀。采用機械手進行刀具交換的方式應用得最為廣泛, 它具有很大靈活性, 可減少換刀時間。該換刀過程較復雜, 把加工過程中需使用的全部刀具分別安裝在標準的刀柄上, 按一定的方式放入刀庫, 換刀時先在刀庫中進行選刀, 并由刀具交換裝置從刀庫和主軸上取出刀具[ 2, 3] 。
2. 2 無機械手換刀裝置刀庫的設計
由所要加工泵體的結構尺寸分析可知, 利用小型立式加工中心就可以完成加工。這里所采用的機床外型如圖1所示。該機床主軸采用步進伺服高速電機電主軸, 工作臺為X - Y雙向數控工作臺, 可實現X、Y、Z 三個方向的進給。由于所設計的小型加工中心主要用于中小批量某類型泵體零件上孔的工藝加工, 刀具數量不多, 不需要頻繁換刀, 因此刀庫宜選擇無機械手換刀方式。
無機械手換刀方式中, 刀庫可以是圓盤形、直線排列式。直線排列式適用于刀庫中所裝刀具數量較多的加工中心; 圓盤形刀庫的結構簡單緊湊, 刀庫轉位、換刀方便, 易于控制[ 4] 。由于該加工中心主要用來加工小型零件上孔, 只裝夾鉆削刀具, 故此選用圓盤式刀庫。立式加工中心無機械手換刀方式的圓盤形刀庫的放置有兩種方式: 刀庫置于立柱側面的橫梁上和置于工作臺上。這里選用刀庫置于立柱側面的橫梁上,其結構比較簡單, 由于刀庫不位于主軸下方, 在加工過程中不會發生干涉現象。
2. 2. 1 刀庫的組成及主要參數的確定
刀庫由刀盤部件、軸、軸承、軸承套、箱蓋、槽輪機構、電機、箱體等組成。
( 1) 刀庫容量。該加工中心主要用來加工泵體上的孔, 裝夾鉆削刀具。根據所加工的孔的直徑范圍, 刀具的品種不宜過多, 這里采用8把刀。
( 2) 刀具最大直徑和長度。根據泵體上加工孔的直徑范圍為10 ~ 25mm, 確定最大工作部分長度150mm。
( 3) 根據所加工孔的系列刀具質量分析, 最大質量刀具為1kg。
2. 2. 2 刀盤部分的設計
( 1) 刀盤結構設計。刀庫采用輪輻式刀盤結構,在保證刀盤強度的同時又滿足使用要求。設計過程中以保證各尺寸在換刀過程中不發生干涉為原則, 確定刀盤直徑為200mm。
( 2) 刀爪結構設計。刀爪的外型結構根據30號刀柄設計, 刀夾如圖3所示。它的V 形槽夾持結構能與刀柄很好的吻合[ 5 ] 。
( 3)夾塊的設計。夾塊在刀盤中起刀爪抓刀時對刀具的定位作用, 最后整個刀盤裝配如圖4所示。
2. 2. 3 刀庫轉動定位機構的設計
( 1) 刀庫轉動定位機構的選擇。目前盤式刀庫大多采用的是蝸輪蝸桿傳動傳動, 但其結構較復雜,成本較高。而槽輪機構具有沖擊小, 工作平穩性較高, 機械效率高, 可以在較高轉速下工作, 且結構簡單, 易于制造等優點。這里可采用交流伺服電機以克服其定位精度不高的缺點。
( 2) 槽輪機構的工作原理。槽輪機構能把主動軸的勻速連續運動轉換為從動軸的周期性間歇運動,常用于各種分度轉位機構中。設計中采用外嚙合槽輪機構, 外嚙合槽輪機構的工作原理如圖5所示, 它由槽輪、撥銷、主動曲柄、和鎖止盤組成[ 6] 。
( 3) 槽輪機構的運動參數和幾何尺寸計算。槽輪機構的主要參數是槽數Z, Z 由刀庫容量決定, 設計刀庫容量為8把刀, 則槽數Z = 8。表1中L 為轉臂機構的的中心距; r為圓銷半徑; 槽輪運動角2W2 = P/4, 轉臂運動角2W1 = P- P/4=3P/4; 轉臂圓柱銷數k< 2z / ( z - 2) = 16 /6, 這里取k= 1; 暫取L = 100mm , 則槽頂高A= 100 @ cos ( P/8) = 92. 4mm; 外凸鎖止弧張開角C= 2P- 3P/4= 5P/4; 圓銷的回轉半徑R = 100 @ sin( P/8) = 38. 3mm; 圓銷的半徑r= 6mm; 槽底高b[ L - (R + r) = 55. 7mm,取b= 50mm; 取槽頂側壁厚e= 5mm。最終根據計算所得數據, 由So lidWo rks建模模型如圖6所示。
2. 2. 4 刀庫轉動電機選擇
在選取刀庫槽輪機構回轉驅動電機時, 要綜合考慮各負載的轉動慣量和由摩擦引起的負載轉動慣量。刀庫系統轉動慣量JC及負載的轉動慣量JLC為:
式中: P 為軸傳遞的功率; n 為軸的轉速; C 為軸的材料和受載荷情況確定的系數。這里軸為低速軸, 取C= 106, 電機功率為550W, 主軸轉速定為200r /m in。
槽對軸的強度的影響, 并將軸徑圓整后取d = 20mm。然后按軸上零件的布置方案和位置要求, 設計各段軸頸。軸的長度根據刀具的長度確定, 要保證刀盤上的刀具不會與箱體發生干涉。最終設計模型如圖7。
2. 2. 6 刀庫其他部件的設計
( 1) 軸承的選擇和安裝。根據軸承所受工作載荷的大小,方向和性質, 轉速的高低, 調心性等要求, 選用圓錐滾子軸承,它能承受較大的徑向載荷和單向的軸向載荷[ 7] 。其采用的安裝方式是背靠背安裝, 通過軸承內圈與軸間實現軸向定位, 如圖8所示。
( 2)刀庫用箱體。上箱蓋連接軸承座, 以支撐刀庫部件。刀盤轉位槽輪機構位于箱體內部, 驅動電機連接在下箱體上。箱體尺寸主要由刀庫槽輪機構尺寸決定, 為了減輕重量、使結構緊湊, 確定箱體尺寸為330 @ 330 @ 68mm。建模模型如圖9所示。
( 3) 刀庫支承橫梁和導軌。采用滑動導軌, 導軌截面為雙凸三角形, 如圖10所示。材料采用HT300并中頻淬火, 淬火后的硬度為HRC 50~ 55。
( 5) 刀庫移動驅動機構。這里采用絲杠傳動機構, 它具有: 傳動效率精度高、摩擦小、適當預緊、定位精度好、剛度好、運動平穩, 無爬行現象、磨損小, 使用壽命長等優點。無機械手換刀裝置組合安裝如圖11所示, 刀庫在絲杠上可移動的距離為420mm。
3 總 結
采用理論分析與軟件建模仿真相結合的方式對圓盤式刀庫進行設計, 重點闡述了關鍵部件的設計和結構參數計算。依靠So lidW orks三維設計軟件進行設計, 有利于機構設計初期方案的篩選和優化, 提高了設計人員的工作效率。
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