聂小春，韩利红，孙晓辉，汪菊英

(1.广州工程技术职业学院，广东 广州 510925;2.洛阳北方企业集团有限公司，河南 洛阳 471003)

1 引言

加工中心是一种带有自动换刀装置，对工件能够在一定的范围内进行多种加工操作的数控机床。自动换刀装中的盘形刀库为最常用的一种形式，每一刀座均可存放一把刀具。盘形刀库的储量一般为15～40把刀。盘形刀库种类很多，单盘式刀库、90°翻转的圆盘刀库、鼓轮弹仓式(又称刺猬式)刀库、多层盘形刀库等［1］。由于单盘式刀库的结构简单，取刀也较方便，因此应用最为广泛。笔者针对45#-16T型盘式刀库设计进行论述。

2 刀库主要参数

其刀库的主要参数为:载刀量:16把;刀具规格:BT45;刀具最大外径:φ85;刀具最大重量:10 kg;初选刀库直径:φ700;刀库回转速度:100 r/min。

由于需要较快的换刀速度，考虑到刀库执行时的响应速度，故初选刀库回速度为100 r/min，线速度为3.66 m/s，其速度在允许范围内。

3 传动方案确定［2］

由于刀具形式为BT45，其刀具直径为φ85，按初选的刀库直径φ700来排列可知每把刀的间隔约为52 mm，符合安装要求。基本传动方式如图1所示。

图1 刀库的系统传动简图

由于伺服电动机具有:①智能化自动调整;②高速高响应;③超低振动。这些条件都有利于数控机床的要求。所以选择的伺服电机规格［3］如表1所列。

表1 电机规格

4 蜗杆组件设计与校核

4.1 蜗杆传动的特点及其材料的选用

蜗杆传动是在空间交错的两轴间传动运动和动力的一种传动机构。蜗杆传动的主要优点是能得到很大的传动比、结构紧凑、传动平稳和噪声小等。所以本设计优先选用蜗轮蜗杆传动。

蜗杆材料选用45钢，表面淬火，硬度为45～55HRC。由于蜗轮属于易损件工作时磨损严重故齿圈材料选用铸锡磷青铜(ZcuSn10P1)，齿芯材料选用灰铸铁HT100制造。

4.2 蜗杆轴弯矩的校核

忽略带轮压轴力，蜗杆轴的载荷分析如图2所示。

图2 蜗杆轴受力与弯矩图

计算蜗杆轴各段的弯矩。从蜗杆轴的结构图及弯矩和扭矩图中可看出蜗杆的中间B截面是蜗杆轴的危险截面。已知LAB=44.25 mm，LBC=50.5 mm，LCD=50.5 mm进行计算。

(1)垂直面的支承反力

(2)水平面支承反力

(3)带轮压轴力F在支点产生的反力

已知皮带有效拉力为Te=90.75 N，皮带工作时的压轴力为:

(4)绘垂直弯矩图

(5)绘水平弯矩图

而C截面F产生弯矩为:

(6)合成弯矩图

(7)前面计算得轴传递的转矩

(8)求危险截面的当量弯矩

从图可知C截面最危险，因此取抗弯截面系数W=0.1 d3=0.1×(27.625 mm)3=2.1×10-6m3，由于扭转切应力为脉动循环变应力，取α=0.6，轴的计算应力:

(9)已经选定蜗杆轴的材料为45#，调质处理，查《机械设计》表15-1得的许用弯曲应力为［σ-1］=60 MPa。因此σca［σ-1］，轴的尺寸符合设计要求，故安全。

5 零部件设计与校核

5.1 刀夹的受力分析

刀夹间的拉伸弹簧对换刀有重大的影响，刀库的稳定性取决于弹簧的合理设计，故对其进行设计与校核，从而保证刀库稳定性。刀夹单元的受力分析如图3所示。

图3 刀夹受力分析图

刀具的离心力为:

式中:m为刀柄的质量(kg);r为刀库半径(m);v为刀柄旋转的线速度(m/s)。

计算弹簧的最小拉紧力:

初拉力:

式中:τ0为初切应力，即τ0=G/1000(N)

6 结论

此设计是为了解决换刀的问题。图4为此次设计的刀库总体面局图，刀库的总容量为16T，故刀库主要适用于经济性数控机床，满足80%以上的数控加工。

图4 刀库总体布局图

此设计体现的特点在于设计结构比较简单，主要由铸件及其他的碳素钢由螺钉或螺栓连接。刀库理论的换刀速度值满足效率高的要求。设计中应用的弹簧经过设计满足要求，这从理论上解决了掉刀现象。设计上适应未来制造业的不断发展。

［1］ 邱焜城.刀库之发展趋势与未来展望［J］.制造技术与机床，2007(4):114-115.

［2］ 周健东.加工中心盘式刀库的设计［J］.组合机床与自动化加工技术，2007(8):83-85.

［3］ 曹秋霞.小型立式加工中心无机械手自动换刀装置设计［J］.机床与液压，2006(9):54-56.