1 引 言

      20世纪90年代以来, 数控加工技术得到迅速的普及和发展, 数控机床在制造业得到了越来越广泛的应用。带有自动换刀系统的数控加工中心在现代先进制造业中起着愈来愈重要的作用, 它能缩短产品的制造周期, 提高产品的加工精度, 适合柔性加工[ 1] 。根据项目中所要加工泵的孔分布特点运用槽轮机构实现换刀运动, 并利用So lidWorks软件建立刀库模型, 通过后期的运动仿真模拟换刀过程以进行结构优化改进。

      2 加工中心系统分析和技术方案

      2. 1 刀库种类和换刀方式

      目前数控机床的加工中心的刀库种类和换刀方式很多, 在多工序数控机床上大多采用带有自动换刀机构的刀库。刀库用于存放刀具, 它是自动换刀装置中的主要部件之一, 根据刀库存放刀具的数目和取刀方式不同, 常见刀库形式有: 直线刀库、圆盘刀库、链式刀库、其他刀库等。

      数控机床的自动换刀装置中, 实现刀库与机床主轴之间传递和装卸刀具的装置称为刀具交换装置。根据是否带有换刀装置可分为: ¹ 无机械手换刀。其旧刀具的换下和新刀具的取出需顺序进行, 因而换刀时间较长; º 机械手换刀。采用机械手进行刀具交换的方式应用得最为广泛, 它具有很大灵活性, 可减少换刀时间。该换刀过程较复杂, 把加工过程中需使用的全部刀具分别安装在标准的刀柄上, 按一定的方式放入刀库, 换刀时先在刀库中进行选刀, 并由刀具交换装置从刀库和主轴上取出刀具[ 2, 3] 。

      2. 2 无机械手换刀装置刀库的设计

      由所要加工泵体的结构尺寸分析可知, 利用小型立式加工中心就可以完成加工。这里所采用的机床外型如图1所示。该机床主轴采用步进伺服高速电机电主轴, 工作台为X - Y双向数控工作台, 可实现X、Y、Z 三个方向的进给。由于所设计的小型加工中心主要用于中小批量某类型泵体零件上孔的工艺加工, 刀具数量不多, 不需要频繁换刀, 因此刀库宜选择无机械手换刀方式。

      无机械手换刀方式中, 刀库可以是圆盘形、直线排列式。直线排列式适用于刀库中所装刀具数量较多的加工中心; 圆盘形刀库的结构简单紧凑, 刀库转位、换刀方便, 易于控制[ 4] 。由于该加工中心主要用来加工小型零件上孔, 只装夹钻削刀具, 故此选用圆盘式刀库。立式加工中心无机械手换刀方式的圆盘形刀库的放置有两种方式: 刀库置于立柱侧面的横梁上和置于工作台上。这里选用刀库置于立柱侧面的横梁上,其结构比较简单, 由于刀库不位于主轴下方, 在加工过程中不会发生干涉现象。

      2. 2. 1 刀库的组成及主要参数的确定

      刀库由刀盘部件、轴、轴承、轴承套、箱盖、槽轮机构、电机、箱体等组成。

      ( 1) 刀库容量。该加工中心主要用来加工泵体上的孔, 装夹钻削刀具。根据所加工的孔的直径范围, 刀具的品种不宜过多, 这里采用8把刀。

      ( 2) 刀具最大直径和长度。根据泵体上加工孔的直径范围为10 ~ 25mm, 确定最大工作部分长度150mm。

      ( 3) 根据所加工孔的系列刀具质量分析, 最大质量刀具为1kg。

      2. 2. 2 刀盘部分的设计

      ( 1) 刀盘结构设计。刀库采用轮辐式刀盘结构,在保证刀盘强度的同时又满足使用要求。设计过程中以保证各尺寸在换刀过程中不发生干涉为原则, 确定刀盘直径为200mm。

      ( 2) 刀爪结构设计。刀爪的外型结构根据30号刀柄设计, 刀夹如图3所示。它的V 形槽夹持结构能与刀柄很好的吻合[ 5 ] 。

      ( 3)夹块的设计。夹块在刀盘中起刀爪抓刀时对刀具的定位作用, 最后整个刀盘装配如图4所示。

      2. 2. 3 刀库转动定位机构的设计

      ( 1) 刀库转动定位机构的选择。目前盘式刀库大多采用的是蜗轮蜗杆传动传动, 但其结构较复杂,成本较高。而槽轮机构具有冲击小, 工作平稳性较高, 机械效率高, 可以在较高转速下工作, 且结构简单, 易于制造等优点。这里可采用交流伺服电机以克服其定位精度不高的缺点。

      ( 2) 槽轮机构的工作原理。槽轮机构能把主动轴的匀速连续运动转换为从动轴的周期性间歇运动,常用于各种分度转位机构中。设计中采用外啮合槽轮机构, 外啮合槽轮机构的工作原理如图5所示, 它由槽轮、拨销、主动曲柄、和锁止盘组成[ 6] 。

      ( 3) 槽轮机构的运动参数和几何尺寸计算。槽轮机构的主要参数是槽数Z, Z 由刀库容量决定, 设计刀库容量为8把刀, 则槽数Z = 8。表1中L 为转臂机构的的中心距; r为圆销半径; 槽轮运动角2W2 = P/4, 转臂运动角2W1 = P- P/4=3P/4; 转臂圆柱销数k< 2z / ( z - 2) = 16 /6, 这里取k= 1; 暂取L = 100mm , 则槽顶高A= 100 @ cos ( P/8) = 92. 4mm; 外凸锁止弧张开角C= 2P- 3P/4= 5P/4; 圆销的回转半径R = 100 @ sin( P/8) = 38. 3mm; 圆销的半径r= 6mm; 槽底高b[ L - (R + r) = 55. 7mm,取b= 50mm; 取槽顶侧壁厚e= 5mm。最终根据计算所得数据, 由So lidWo rks建模模型如图6所示。

      2. 2. 4 刀库转动电机选择

      在选取刀库槽轮机构回转驱动电机时, 要综合考虑各负载的转动惯量和由摩擦引起的负载转动惯量。刀库系统转动惯量JC及负载的转动惯量JLC为:

      式中: P 为轴传递的功率; n 为轴的转速; C 为轴的材料和受载荷情况确定的系数。这里轴为低速轴, 取C= 106, 电机功率为550W, 主轴转速定为200r /m in。

      槽对轴的强度的影响, 并将轴径圆整后取d = 20mm。然后按轴上零件的布置方案和位置要求, 设计各段轴颈。轴的长度根据刀具的长度确定, 要保证刀盘上的刀具不会与箱体发生干涉。最终设计模型如图7。

      2. 2. 6 刀库其他部件的设计

      ( 1) 轴承的选择和安装。根据轴承所受工作载荷的大小,方向和性质, 转速的高低, 调心性等要求, 选用圆锥滚子轴承,它能承受较大的径向载荷和单向的轴向载荷[ 7] 。其采用的安装方式是背靠背安装, 通过轴承内圈与轴间实现轴向定位, 如图8所示。

      ( 2)刀库用箱体。上箱盖连接轴承座, 以支撑刀库部件。刀盘转位槽轮机构位于箱体内部, 驱动电机连接在下箱体上。箱体尺寸主要由刀库槽轮机构尺寸决定, 为了减轻重量、使结构紧凑, 确定箱体尺寸为330 @ 330 @ 68mm。建模模型如图9所示。

      ( 3) 刀库支承横梁和导轨。采用滑动导轨, 导轨截面为双凸三角形, 如图10所示。材料采用HT300并中频淬火, 淬火后的硬度为HRC 50~ 55。

      ( 5) 刀库移动驱动机构。这里采用丝杠传动机构, 它具有: 传动效率精度高、摩擦小、适当预紧、定位精度好、刚度好、运动平稳, 无爬行现象、磨损小, 使用寿命长等优点。无机械手换刀装置组合安装如图11所示, 刀库在丝杠上可移动的距离为420mm。

      3 总 结

      采用理论分析与软件建模仿真相结合的方式对圆盘式刀库进行设计, 重点阐述了关键部件的设计和结构参数计算。依靠So lidW orks三维设计软件进行设计, 有利于机构设计初期方案的筛选和优化, 提高了设计人员的工作效率。