加工中心刀库装置设计

时雨

（哈尔滨市国际工程咨询中心，哈尔滨150000）

1 引言

随着科学技术的飞速发展和经济竞争的日趋激烈，产品更新速度越来越快。形状复杂的零件越来越多，对精度的要求也越来越高。多品种、中小批量的生产方式逐渐占据了工业市场。激烈的市场竞争使得产品研发生产周期逐渐缩短。传统的加工设备和制造方法已难以满足这种多样化、柔性化的高效高质量零件加工要求。近几十年来，世界各国十分重视发展能有效解决复杂、精密、小批多变零件的数控加工技术，在加工设备中大量采用以微电子技术和计算机技术为基础的数控技术［1］。加工中心就是一种这样应运而生的数控设备［2］。

目前我国加工中心技术水平同发达国家相比仍存在巨大差距，本设计力求在刀库及换刀装置方面最大限度地改进并设计出相对可靠、高效率的刀库装置［3］。

2 刀库的综述

首先我们要对刀库进行一次系统的定义。刀库是储存加工工序所需的各种刀具的机构，可以按程序指令，把即将使用的刀具迅速、准确地送到换刀位置，并接受计算机指令将使用过的刀具复位。因此，刀库不单单是储存刀具的单一机构，而是能够按程序运作的一个精确机构［4］。

常见刀库形式可分为三种：圆盘式刀库，链条式刀库以及斗笠式刀库，具体对比见表1。

对于每种刀库，它们各自的结构也不同，这里主要介绍设计中所选择的圆盘式刀库结构［5］。传统圆盘式刀库通常可容纳40把刀具，由直流伺服电机驱动，通过半联轴器和蜗杆蜗轮带动与圆盘相连的轴转动。圆盘上均布40个刀座和刀套，其外侧边缘有相应的刀座编码板，刀库下方有固定不动的刀座号读取装置。圆盘转动时，刀座号板依次经过刀座号读取装置。这种刀库结构比较简单，总体布局比较紧凑，但圆盘直径较大，转动惯量大，而且刀具离主轴较远，需使用换刀机械手来换刀。

表1 常见刀库形式

3 刀库总体结构方案拟定

图1 刀库、主轴箱、换刀装置及床身装配关系

设计的机械手在工件一次装夹后，由数控系统控制，可连续完成铣、钻、铰、扩、攻丝等多种工序加工，故适合于小型板类、盘类、壳体类、模具等零件的加工。具体布局为立柱的中间安装机械手控制箱，机械手的长度为主轴轴心线到刀库的刀具换刀位置之间的距离。换刀机械手为单臂双爪回转式机械手，大致装配关系如图1。

各项主要参数见表2。

表2 主要参数

4 刀库的结构设计

4.1 电机的选择

根据数控系统常用配套电机选择方式及刀库低扭矩、低转速等要求，设计中选取FANUC FB15直流伺服电动机，输出功率1.4kW，最高转速1500r/min，额定转速757.9r/min。

4.2 蜗杆蜗轮参数计算

蜗杆蜗轮由于具有良好的传动性能，工作平稳，噪声低，结构紧凑，可自锁而且传动比准确，能够改变力矩方向，故在刀库结构中是最重要的传动机构。盘式刀库角速度一般在 10°/s～90°/s，驱动电机最高转速 1500r/min，故其运动传动比大［6］。

在查阅相关文献后，确定蜗杆蜗轮相关参数见表3、表4。

蜗杆材料采用综合机械性能较好的45钢，表面淬火，蜗轮材料采用耐磨且强度较高的ZCuAl10Fe3，砂模铸造；蜗杆通常与轴做成一体，有车制和铣制两种。当轴径小于蜗杆齿根圆直径时，采用车削；当轴径大于蜗杆齿根圆直径时，采用铣削。故本设计采用铣削蜗杆。蜗轮结构采用整体式。蜗杆与蜗轮分别采用润滑脂润滑［7］。

表3 蜗杆几何尺寸/mm

表4 蜗轮几何尺寸 /mm

4.3 刀盘及刀具夹紧结构设计

刀盘用于固定刀套，16个刀套固定在刀盘上，随着刀盘一起转动，实现换刀。故刀盘在换刀时起着至关重要的作用。假设刀套在圆盘上紧密排列（即刀套间以相切形式排列），则刀具中心线夹角22.5°，回转半径192.2mm；此时刀套中心所在圆的理论周长为1207.016mm，而实际上刀套间存在一定的间隙，取间隙大约为25mm，这时刀套中心所在圆的周长变为1607.016mm，此时刀套中心所在圆的直径为511.8mm圆整后取525mm。刀套下表面到静轴中心的距离为225mm，最终确定取刀盘的直径420mm，厚20mm。静盘用于刀套的辅助支撑，取其直径为435mm,厚30mm。刀盘采用40Cr材料，调质处理，保证机械性能［8］。

刀具夹紧弹簧用于防止刀具在刀套旋转至垂直位置的过程中被甩出。查阅参考文献，弹簧材料选用60Si2MnA。已知弹簧工作载荷100N，直径2mm，中径12mm，节距4.28mm，工作极限载荷184.4N。

5 结论

本次设计完成了刀库装置结构设计，其中采用了常见的圆盘式刀库，以便提高设备的通用性及可更换性。本设计中刀库针对立式加工中心设计，故使用时需注意。

［1］ 吴宗泽.机械设计实用手册［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［2］ 王三民，诸文俊.机械原理与设计［M］.北京：机械工业出版社，2007.

［3］ 李洪.实用机床设计手册［M］.沈阳：辽宁科学技术出版社，2007.

［4］ 黄鹤汀.金属切削机床设计［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［5］ 赵宝生.CNC32数控车床的设计［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［6］ 王建军.齿轮系统动力学［M］.北京：科学出版社，2007.

［7］ 戴曙.机床滚动轴承应用手册［M］.北京：机械工业出版社，2009.

［8］ CNC Machining Process and Equipment［M］.New York：Oxford University Press，2007.