動(dòng)力刀架設(shè)計(jì)及載荷研究*

趙尚福，郭智春

(沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司 數(shù)控刀架分公司,沈陽(yáng) 110142)

0 引言

數(shù)控刀架是數(shù)控車床的核心功能部件，相比傳統(tǒng)數(shù)控刀架，伺服刀架具有精度高、分度時(shí)間短、可雙向就近選刀的特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于各類臥式、立式數(shù)控車床上，并將逐步取代傳動(dòng)的電動(dòng)刀架和液壓刀架。普通的伺服刀架只能安裝各類車刀，進(jìn)行外圓、端面、內(nèi)孔和螺紋的車削，盤類和軸類零件上的鍵槽、螺紋孔等特征則需借助立式加工中心等設(shè)備來完成后續(xù)的鉆孔、攻絲、銑削等加工。零件在車床和立式加工中心上多次裝夾，會(huì)帶來精度降低、零件輔助加工時(shí)間增加等問題，不利于大批量生產(chǎn)降低成本提高生產(chǎn)效率。在車床上安裝動(dòng)力刀架，利用動(dòng)力刀架的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊加工螺紋孔和鍵槽，可提高數(shù)控車床的加工范圍，降低大批量生產(chǎn)的生產(chǎn)節(jié)拍，提高盤類和軸類零件的生產(chǎn)加工效率[1-4]。

1 動(dòng)力刀架設(shè)計(jì)

1.1 動(dòng)力刀架工況及載荷

如圖1所示為動(dòng)力刀架的工況及載荷示意圖，F(xiàn)1為車削時(shí)的主切削力，T為動(dòng)力切削(鉆孔、攻絲、銑鍵槽)時(shí)的切削扭矩，F(xiàn)2、F3、F4依據(jù)不同工況分別為進(jìn)給力或切深抗力。其中切削力F1、F2、F3、F4由刀盤和伺服刀架內(nèi)部的赫式三齒盤承受，動(dòng)力切削扭矩T由動(dòng)力刀架的驅(qū)動(dòng)模塊和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)承受[5-6]。

圖1 動(dòng)力刀架工況及載荷

對(duì)于車削、鉆孔、攻絲、銑削等典型加工方式，按單位切削力計(jì)算切削力和功率[7]。

Fc=10-6kcapf
Pc=10-9kcapfvc/60

其中，F(xiàn)c為切削力(N)，Pc為切削功率(kW)，kc為單位切削力(N)，ap為切削深度(mm)，f為進(jìn)給量(mm/r)，vc為切削速度(m/min)。

對(duì)于鉆孔時(shí)：

Pc=fnvcDkc/240×103
Mc=30×103Pc/πn

對(duì)于攻絲時(shí)：

Pc=πnMc/30×103
Mc=p2Dkc/8000

對(duì)于銑鍵槽時(shí)：

Pc=apaevfkc/60×106
Mc=30×103Pc/πn

其中，Mc為加工扭矩(Nm)，fn為鉆孔每轉(zhuǎn)進(jìn)給量(mm/r)，D為鉆頭、絲錐直徑(mm)，n刀具轉(zhuǎn)速(rpm)，p為絲錐螺距(mm)，ap為銑削軸向切削深度(mm)，ae為銑削徑向切削深度(mm)，vf為銑削進(jìn)給量(mm/min)。

1.2 動(dòng)力刀架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖2為本文設(shè)計(jì)的動(dòng)力刀架的結(jié)構(gòu)，在現(xiàn)有伺服刀架本體的基礎(chǔ)上安裝動(dòng)力刀架盤、動(dòng)力驅(qū)動(dòng)模塊、動(dòng)力刀驅(qū)動(dòng)用伺服電機(jī)，將普通的伺服刀架升級(jí)為具有鉆孔、攻絲、銑鍵槽等動(dòng)力切削功能的模塊化伺服動(dòng)力刀架。

動(dòng)力模塊為一錐齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，動(dòng)力模塊及其支撐軸通過前端球軸承和后端滾針軸承支撐在伺服刀架箱體內(nèi)，并通過前端球軸承和彈簧軸向預(yù)緊定位。驅(qū)動(dòng)接口通過錐齒輪機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)軸、帶輪、同步帶、動(dòng)力刀驅(qū)動(dòng)用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)接口本文采用了標(biāo)準(zhǔn)的DIN1809傳動(dòng)接口，驅(qū)動(dòng)軸通過球軸承和滾針軸承組及尾部球軸承支撐[8-9]。

1.伺服刀架箱體 2.動(dòng)力刀架盤 3.動(dòng)力刀驅(qū)動(dòng)用伺服電機(jī) 4.動(dòng)力模塊 5.驅(qū)動(dòng)接口 6.支撐軸 7.前端球軸承 8.后端滾針軸承 9.彈簧 10.驅(qū)動(dòng)軸 11.球軸承和滾針軸承組 12.尾部球軸承 13.帶輪 14.同步帶 15.帶輪圖2 伺服刀架的結(jié)構(gòu)

2 載荷研究

2.1 驅(qū)動(dòng)接口

如圖3為標(biāo)準(zhǔn)的DIN1809[10]驅(qū)動(dòng)接口工作時(shí)的受力示意圖。當(dāng)驅(qū)動(dòng)接口軸向和徑向?qū)R安裝良好時(shí)，刀具橫柄(如圖陰影部分所示)均勻受力，不產(chǎn)生支撐軸的軸向力。

F1max=T/L

當(dāng)驅(qū)動(dòng)接口安裝有偏差，極限情況下，刀具橫柄僅一端受力，并對(duì)支撐軸產(chǎn)生軸向作用力。

F1max=2T/L

驅(qū)動(dòng)接口承受的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力：

其中，Mt為驅(qū)動(dòng)接口傳遞的扭矩(Nm)安裝良好時(shí)驅(qū)動(dòng)接口雙邊承受扭矩T，安裝不良時(shí)僅單邊承受扭矩T，Wt為抗扭截面系數(shù)(m3)。

圖3 驅(qū)動(dòng)接口受力

2.2 支撐軸

當(dāng)DIN1809的驅(qū)動(dòng)接口軸向和徑向?qū)R良好時(shí)，支撐軸由前端球軸承和后端滾針軸承支撐，受力情況如圖4所示，支撐軸不受軸向載荷作用，僅受徑向載荷作用，用于克服切削扭矩，前端球軸承和后端滾針軸承的受力大小為：

R1=R2=T/(L1+L2)

圖4 支撐軸受力簡(jiǎn)圖

當(dāng)DIN1809的驅(qū)動(dòng)接口對(duì)齊不好時(shí)，支撐軸由前端球軸承和后端滾針軸承支撐，受力情況如圖5所示，軸向載荷作為脈沖正弦載荷分別由前端的球軸承和后端的彈簧承受，徑向載荷成正弦函數(shù)變化分別由前端的球軸承和后端的滾針軸承承受，軸承及彈簧受力大小分別為：

R1max=F1maxL2/(L1+L2)
R2max=F1maxL1/(L1+L2)
Faxis=F1max

圖5 支撐軸受力簡(jiǎn)圖

實(shí)際使用中，由于設(shè)計(jì)和裝配要求，DIN1809驅(qū)動(dòng)接口工作中的間隙非常小，材料彈性變形亦能補(bǔ)償對(duì)齊不良產(chǎn)生的間隙。

2.3 驅(qū)動(dòng)軸

驅(qū)動(dòng)軸承受皮帶輪產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)扭矩和徑向力，并由尾部球軸承和驅(qū)動(dòng)單元中的球軸承和滾針軸承組承受，危險(xiǎn)截面發(fā)生在尾部球軸承支撐點(diǎn)處(見圖6)，扭矩和彎矩的合成應(yīng)力為：

其中，Mt為同步帶輪傳遞的扭矩(Nm)，D為同步帶輪直徑(m)，Wt為抗扭截面系數(shù)(m3)，W為抗彎截面系數(shù)(m3)。

圖6 驅(qū)動(dòng)軸受力簡(jiǎn)圖

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 載荷計(jì)算

某動(dòng)力刀架采用BMT55接口，接口尺寸見圖3陰影部分驅(qū)動(dòng)橫柄寬8mm，驅(qū)動(dòng)接口直徑為28mm，L為26mm，支撐軸軸承間距見圖4所示L1=48mm，L2=205mm，加工正火碳素結(jié)構(gòu)鋼，單位切削力kc=1962N/mm2，分別進(jìn)行鉆孔、攻絲、銑削鍵槽時(shí)的工況和切削扭矩、功率如表1所示。

表1 典型工況計(jì)算

表1所示鉆孔工況，按安裝良好計(jì)算驅(qū)動(dòng)接口的應(yīng)力：

τ=Mt/Wt=

16T/(πd3-πd2d1)=

16×32.7×103/3.14/(283-282×8)=

10.6(MPa)

安裝良好時(shí)支撐軸軸承的徑向力：

R1=R2=T/(L1+L2)= 32.7/(48+205)= 0.129(kN)

安裝不良時(shí)支撐軸的軸向力：

Faxis=2T/L=
2×32.7/26=
2.515(kN)

可見驅(qū)動(dòng)接口安裝良好時(shí)，支撐軸受力較小，動(dòng)力模塊亦工作平穩(wěn)。

3.2 樣機(jī)制造

如圖7為制造的動(dòng)力刀架樣機(jī)及安裝在某T3.3數(shù)控車床上的調(diào)試圖片。樣機(jī)動(dòng)力刀架具有12個(gè)工位，實(shí)例中在9個(gè)工位上分別安裝了車刀、鉆頭、絲錐、立銑刀等加工刀具。

圖7 動(dòng)力刀架樣機(jī)調(diào)試

4 結(jié)束語

采用錐齒輪機(jī)構(gòu)和同步帶機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了動(dòng)力刀架的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，利用軸承和彈簧設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)模塊的支撐結(jié)構(gòu)。分析了動(dòng)力刀架的工況及載荷，給出動(dòng)力刀架進(jìn)行鉆孔、攻絲、銑鍵槽時(shí)的扭矩和功率計(jì)算公式，研究了動(dòng)力刀架驅(qū)動(dòng)接口、支撐軸、驅(qū)動(dòng)軸的受力，并推導(dǎo)計(jì)算公式。制造了樣機(jī)，計(jì)算了樣機(jī)的實(shí)際加工能力，為產(chǎn)品系列化設(shè)計(jì)及工程選型提供依據(jù)。