数控钻床多功能自动刀架设计

2014-11-25高光明

机械管理开发 2014年2期

高光明

（汉中市第一职业中等专业学校，陕西汉中 723099）

引言

数控机床的出现对提高生产率、改进产品质量以及改善劳动条件等已经发挥了重要的作用。为了进一步压缩非加工时间，数控机床正朝着一台机床在一次装夹中完成多道工序加工的方向发展。在这些一次可以加工多道工序的机床中，刀架的设计是至关重要的。数控机床为了能在工件一次装夹中完成多种甚至所有加工工序，以缩短辅助时间，减少多次安装工件所引起的误差，必须带有自动换刀装置。自动换刀装置应满足换刀时间短、刀具重复定位精度高、具有足够的刀具储存量、刀库占地面积小以及安全可靠等要求。这就要求我们所设计的刀架能够实现多个工位的加工，减少换夹具和换刀的时间，这也就是我们要设计的多功能刀架。数控刀架最新技术发展状况和发展趋势：主机技术向高速、复合方向发展，从而使数控刀架技术也向高速、复合方向发展。

1 整体方案的拟定

刀架按其动力来分，大体可分为电机传动和液压传动两大类。

1）液压式：这类刀架用液压缸实现刀盘锁紧，低速大扭拒液压马达驱动刀盘转位。

2）电动式：这类刀架以电机为动力源，使用方便，应用较多，主要有以下三种形式：单面凸抓锁紧式、双插销反靠式、双向滚子端面凸轮锁紧式。

液压刀架虽然在广泛应用，但其结构复杂，使其在设计时困难很多；而电动刀架现在也在广泛使用，因为电动的最大优点是可以使机械结构简单，省去大量的液压管路，结构也容易设计，所以本设计采用电机刀架系统。由电动机提供动力，经齿轮啮合传动实现刀架的运动[1]。

2 总体结构设计与计算

2.1 切削力的计算

由《机械设计手册》可知：

式中，N为电动机功率，查机床说明书N=3 kW；η为主传动系统总效率，一般为0.6～0.7，取0.65；K为进给系统功率系数，取K=0.96；则Nc=3×0.65×0.96=2.496 kW。

2.2 电机的选择

同一类型的电动机，相同的额定功率有多种转速可供选择。如选用低转速电动机，因级数较多而外轮廓尺寸及重量较大，故价格较高，但可使传动装置总传动比及尺寸较小，选用高转速电机则相反。因此应全面分析比较其利弊来选用电动机转速。

由切削功率Nc=2.496 kW可查《械设计简明手册》。

取电机为Y100L2-4，额定功率为3 kW，额定转矩为2.2 kN/m。

2.3 圆锥齿轮的设计与计算

圆锥齿轮传动是用来传递空间两相交轴之间运动和动力的一种齿轮传动，其轮齿分布在节圆锥体上，齿形从大端到小端逐渐变小。圆柱齿轮中的有关圆柱均变成了圆锥。为计算和测量方便，通常取大端参数为标准值。一对圆锥齿轮两轴线间的夹角Σ称为轴角。其值可根据传动需要任意选取，在一般机械中，多取Σ＝90°[2]。

2.4 传动零件的设计计算

进行刀架装配图设计时，必须先求得各级传动件的尺寸、参数，并选好联轴器的类型和尺寸。

2.4.1 选择联轴器类型和型号

联轴器通常用来联结两轴，并在其间传递运动和转矩。有时也可以作为一种安全装置用来防止被联结基件承受过大的载荷，起到过载保护的作用。用联轴器联结轴时只有在机器停止运转且经过拆卸后才能使两轴分离[3]。

联轴器除联接两轴并传递转矩外，有些还有补充两轴因制造和安装误差而造成的轴线偏移的功能，以及具有缓冲、吸振、安全保护等功能。因此要根据传动装置工作要求来选定联轴器类型。

由于轴的转速较高，为了减少启动载荷，缓和冲击，应选用具有较小转动惯量和具有弹性的联轴器。根据我们电机的转速，在满足要求的情况下，选择圆锥销联轴器。由于考虑尺寸问题，联轴器图形省略，但设计时应该考虑到[4]。

2.4.2 离合器的选择

离合器在机器运转中可将传动系统随时分离或接合。对离合器的要求有：接合平稳、分离迅速而彻底、调节和修理方便、外廓尺寸小、质量小、耐磨性好和有足够的散热能力、操纵方便省力。离合器的类型很多，常用的可分牙嵌式与摩擦式两大类。牙嵌离合器由两个端面上有牙的半离合器组成(如图1)。其中1个（图的左部）半离合器固定在主动轴上；另一个半离合器用导键（或花键）与从动轴联接，并可由操纵机构使其作轴向移动，以实现离合器的分离与接合。牙嵌离合器是借牙的相互嵌合来传递运动和转矩的。为使两半离合器能够对中，在主动轴端的半离合器上固定1个对中环，从动轴可在对中环内自由转动。

用离合器联结的两轴可在机器运转过程中随时进行结合和分离。在满足要求的条件下，选用较简单的结构，所以选用牙嵌式离合器[5]。

牙嵌式离合器有两个端面带牙的半离合器1、2组成。从动半离合器用导向平键与轴联接，另一半离合器1用平键与轴联接，对中环用来使两轴对中，滑环可操纵离合器的分离与结合。牙嵌式离合器结构如图1所示。