數控鉆床多功能自動刀架設計

高光明

（漢中市第一職業中等專業學校，陜西 漢中 723099）

引言

數控機床的出現對提高生產率、改進產品質量以及改善勞動條件等已經發揮了重要的作用。為了進一步壓縮非加工時間，數控機床正朝著一臺機床在一次裝夾中完成多道工序加工的方向發展。在這些一次可以加工多道工序的機床中，刀架的設計是至關重要的。數控機床為了能在工件一次裝夾中完成多種甚至所有加工工序，以縮短輔助時間，減少多次安裝工件所引起的誤差，必須帶有自動換刀裝置。自動換刀裝置應滿足換刀時間短、刀具重復定位精度高、具有足夠的刀具儲存量、刀庫占地面積小以及安全可靠等要求。這就要求我們所設計的刀架能夠實現多個工位的加工，減少換夾具和換刀的時間，這也就是我們要設計的多功能刀架。數控刀架最新技術發展狀況和發展趨勢：主機技術向高速、復合方向發展，從而使數控刀架技術也向高速、復合方向發展。

1 整體方案的擬定

刀架按其動力來分，大體可分為電機傳動和液壓傳動兩大類。

1）液壓式：這類刀架用液壓缸實現刀盤鎖緊，低速大扭拒液壓馬達驅動刀盤轉位。

2）電動式：這類刀架以電機為動力源，使用方便，應用較多，主要有以下三種形式：單面凸抓鎖緊式、雙插銷反靠式、雙向滾子端面凸輪鎖緊式。

液壓刀架雖然在廣泛應用，但其結構復雜，使其在設計時困難很多；而電動刀架現在也在廣泛使用，因為電動的最大優點是可以使機械結構簡單，省去大量的液壓管路，結構也容易設計，所以本設計采用電機刀架系統。由電動機提供動力，經齒輪嚙合傳動實現刀架的運動[1]。

2 總體結構設計與計算

2.1 切削力的計算

由《機械設計手冊》可知：

式中，N為電動機功率，查機床說明書N=3 kW；η為主傳動系統總效率，一般為0.6～0.7，取0.65；K為進給系統功率系數，取K=0.96；則Nc=3×0.65×0.96=2.496 kW。

2.2 電機的選擇

同一類型的電動機，相同的額定功率有多種轉速可供選擇。如選用低轉速電動機，因級數較多而外輪廓尺寸及重量較大，故價格較高，但可使傳動裝置總傳動比及尺寸較小，選用高轉速電機則相反。因此應全面分析比較其利弊來選用電動機轉速。

由切削功率Nc=2.496 kW可查《械設計簡明手冊》。

取電機為Y100L2-4，額定功率為3 kW，額定轉矩為2.2 kN/m。

2.3 圓錐齒輪的設計與計算

圓錐齒輪傳動是用來傳遞空間兩相交軸之間運動和動力的一種齒輪傳動，其輪齒分布在節圓錐體上，齒形從大端到小端逐漸變小。圓柱齒輪中的有關圓柱均變成了圓錐。為計算和測量方便，通常取大端參數為標準值。一對圓錐齒輪兩軸線間的夾角Σ稱為軸角。其值可根據傳動需要任意選取，在一般機械中，多取Σ＝90°[2]。

2.4 傳動零件的設計計算

進行刀架裝配圖設計時，必須先求得各級傳動件的尺寸、參數，并選好聯軸器的類型和尺寸。

2.4.1 選擇聯軸器類型和型號

聯軸器通常用來聯結兩軸，并在其間傳遞運動和轉矩。有時也可以作為一種安全裝置用來防止被聯結基件承受過大的載荷，起到過載保護的作用。用聯軸器聯結軸時只有在機器停止運轉且經過拆卸后才能使兩軸分離[3]。

聯軸器除聯接兩軸并傳遞轉矩外，有些還有補充兩軸因制造和安裝誤差而造成的軸線偏移的功能，以及具有緩沖、吸振、安全保護等功能。因此要根據傳動裝置工作要求來選定聯軸器類型。

由于軸的轉速較高，為了減少啟動載荷，緩和沖擊，應選用具有較小轉動慣量和具有彈性的聯軸器。根據我們電機的轉速，在滿足要求的情況下，選擇圓錐銷聯軸器。由于考慮尺寸問題，聯軸器圖形省略，但設計時應該考慮到[4]。

2.4.2 離合器的選擇

離合器在機器運轉中可將傳動系統隨時分離或接合。對離合器的要求有：接合平穩、分離迅速而徹底、調節和修理方便、外廓尺寸小、質量小、耐磨性好和有足夠的散熱能力、操縱方便省力。離合器的類型很多，常用的可分牙嵌式與摩擦式兩大類。牙嵌離合器由兩個端面上有牙的半離合器組成(如圖1)。其中1個（圖的左部）半離合器固定在主動軸上；另一個半離合器用導鍵（或花鍵）與從動軸聯接，并可由操縱機構使其作軸向移動，以實現離合器的分離與接合。牙嵌離合器是借牙的相互嵌合來傳遞運動和轉矩的。為使兩半離合器能夠對中，在主動軸端的半離合器上固定1個對中環，從動軸可在對中環內自由轉動。

用離合器聯結的兩軸可在機器運轉過程中隨時進行結合和分離。在滿足要求的條件下，選用較簡單的結構，所以選用牙嵌式離合器[5]。

牙嵌式離合器有兩個端面帶牙的半離合器1、2組成。從動半離合器用導向平鍵與軸聯接，另一半離合器1用平鍵與軸聯接，對中環用來使兩軸對中，滑環可操縱離合器的分離與結合。牙嵌式離合器結構如圖1所示。

圖1 牙嵌式離合器結構圖

3 結語

本文主要介紹了數控鉆床多功能自動刀架的總體設計思路，重點討論了刀架的結構設計與計算，為今后解決相關領域的問題奠定了一定的理論基礎。

[1]上海編織工學院,哈爾濱工業大學,天津大學,主編.機床設計圖冊[M].上海:上海科學技術出版社,1979.

[2]龔桂義.機床設計課程設計圖冊[M].北京:高等教育出版社,1989.

[3]吳宗澤,羅圣國.機械設計課程設計手冊[M].北京:高等教育出版社,1999.

[4]上海柴油機廠工藝設備研究所.金屬切削機床夾具設計手冊[M].北京:機械工業出版社,1984.

[5]上海市金屬切削技術協會主編.金屬切削手冊[M].上海:上海科學技術出版社,1984.