ZH5125D立式钻削加工中心刀库部件设计

王伟

(北京市应用高级技工学校,北京 100000)

ZH51系列立式钻削加工中心使用的刀库为转塔式刀库，下面就立式钻削加工中心ZH51系列产品转塔式刀库的发展现状，与国外立式钻削加工中心转塔式刀库来做一下主要对比与分析，根据国内外钻削加工中心刀库主要参数对照表对比发现，主轴刀柄由BT30变成BT40，除了容量为10把刀的刀库外，提供14把刀的刀库选配，为用户的机床选型提供方便。同时，提高换刀时间。

按照这样的总体设计要求，由于刀柄型号变大，刀库包含刀具数量不变，导致刀盘直径变大，刀盘整体质量变大，这样，如何在有限的空间内排列各个零部件，以及相关零部件的设计、受力分析成为这部分设计的难点。

1 刀库部件的设计要求

自动换刀装置刀柄型号为BT40，刀库容量10把，刀对刀换刀时间（T—T）＜1.8s，点对点换刀时间（P-P）＜0.6s，单把刀具最大重量3kg，刀库满刀允许最大重量24 kg，最大刀具直径φ80mm，最大刀具长度200mm。由于刀柄型号变大，整体刀库重量增加，刀库电机预选功率为120kW，然后进行校核。

2 设计计算部分

2.1 电机的选择

作为改进产品，以原机床参数作为参考，拟选用比原来功率大一些的电机，功率为120kW，减速比为1：9。拟选定电机品牌为恒峰电机，型号为YYTCJ-120-4/90-9。对选用的电机进行校核。

（1）电机转动惯量校核。已知：电机转子半径r=30mm,长l=120mm ，电机转子材料密度ρ=7.8×103kg/m3，刀盘转动半径r=0.07m，整体刀库部件质量为满刀时刀具质量与刀库自身重量之和m=24kg+26kg=50kg，减速比i=1:9，刀库锥齿轮传动比为1:1。

计算：电机转动惯量JM=mr2/2=(ρ×π×r2×l×r2)/2，带入数据，电机转动惯量JM=0.00119kg·m2由于刀库锥齿轮传动比为1:1，并且质量相对于整体刀库来说较小，可忽略不计，因此，计算刀盘转动惯量JL=mr2/(2i2)，代入数据，有刀盘转动惯 量 JL=0.0013kg·m2，JL/JM=0.0013/0.00119=1.09=1～1.5所选电机在转动惯量上可以满足设计要求。

（2）电机转速校核。根据设计要求，已知：要求点对点换刀时间t≤0.6s ，电机轴转速n=1300rad/min，减速比i=1∶9。计算：电机经减速器输出转速为1300/9=144rad/min ，可推导出电机轴旋转一周所需时间为

（3）电机转矩校核。已知：刀库总重m=50kg,刀盘旋转半径r=70mm,每换一把刀，刀盘旋转时间t=0.4s，电机传动功率 η=0.81，电机转矩T电机= 7.8N·m 。

计算：刀盘10把刀，每换一把刀走位移。

时间t电机=0.4s ，在整个过程中，位移前半段滚针轴承作匀加速运动，位移前半段滚针轴承作匀减速运动，所以计算加速度取位移由，有，所选电机在转矩上可以满足设计要求。综上，所选电机能够满足设计要求，电机可用。

2.2 换刀臂卡销弹簧的校核（图1）

图1 换刀臂卡销弹簧抱刀柄示意图

在卡销的设计中，我们要考虑到是卡销能够充分接触刀柄，在ZH5120C的设计中，卡销的设计为圆头，如下图所示，但是圆弹头的设计使得卡销与刀柄内槽的接触仅为一点，因此，在ZH5120D的设计中，我们将圆弹头的设计改为锥型弹头，锥度与刀柄的卡槽锥度一致，这样使得卡销与刀柄卡槽的设计为线接触（图2）。

图2 卡销三维图

装配过程中，对卡销弹簧施加预紧力，使得卡销弹簧顶紧卡销，两侧卡销由此抱紧刀柄，在换刀过程中，卡销弹簧应始终抱紧刀柄，卡销弹簧对刀柄的力应大于刀库转位时刀柄所受离心力大小，这样刀柄才不会在刀库转位过程中发生掉刀现象。拟选用弹簧自由长度L=28mm，弹簧中径D=9m，弹簧材料直径d=1.6m，旋向右旋，总圈数n总=8，有效圈数n=7，并进行热处理Hh。弹簧切变模量G 79000MPa，（摘自GB/T1239.6-1992）。

对选用的卡销弹簧进行校核（见图3）。

如图3所示，卡销没有接触刀柄时，已知：此时弹簧仅受预紧力，取弹簧所能承受的极限力为预紧力计算，弹簧自然状态长度为28mm，此时弹簧压缩量为28-20.5=7.5m。计算：查公式，弹簧的预紧力F预=L·G·d4/(8 ·D3·n)，

代入数据计算所要求的弹簧预紧力：F预=95.12N 。

如图4所示，卡销走到刀柄最大直径时，已知：此时取弹簧压缩量最大，由图可知弹簧此时长度为L=17.55m，计算：弹簧可压缩到的最小长度：Smin=d·n=1.6×7=11.2m，L＞Smin。弹簧此时可用。

图3 卡销没有接触刀柄时

图4 卡销接触刀柄最大直径时

当卡销完全抱住刀柄时，已知：此时弹簧受压力，两侧弹簧给刀柄的径向和力2F2应大于F离，取2F2=F离进行弹簧校核计算。

由《机械设计手册》，查得公式：弹簧变形量L=8×D3×n×F1/(G ×d4)，代入数据L=4.55mm，4.55mm＜11.2mm弹簧此时可用。综上校核，卡销弹簧满足受力要求，可用。

以上是对ZH5125D立式钻削加工中心的刀库部件设计过程的概述，刀库部件是数控机床中的一个重要部件，是数控机床的重要组成部分，其设计过程也比较复杂，涉及到的内容也相当的广泛。