數控車床自動轉位刀臺設計

1 引言 目前，鐵路列車大幅度提速，要求提速后的車輪單輪不平衡量為70g·m，車輪的幅板、輪轂等以前不加工的回轉曲面均需要加工，原有只能加工車輪內外輪輞面、法蘭面、踏面的液壓仿形機床已不能滿足提速后車輪的加工需要。經過對車輪加工工藝路線反復的研究，決定在液壓仿形機床基礎上進行數控化改造，在原有機床垂直刀架上增加設計一套四工位自動轉位刀臺，以滿足車輪表面全加工的生產需要。車輪的單邊余量為8～10mm，經計算本機床主切削力為25kN，考慮到車輪加工中超負荷切削的情況，主切削力定為30kN。目前，國內數控車床中，主切削力為30kN的四工位自動轉位刀臺尚無現貨供應，我廠現有的自動轉位刀臺主切削力最大為20kN。根據市場需要，決定在現有刀臺基礎上開發、研制主切削力為30kN的四工位自動轉位刀臺。該刀臺需滿足下列要求：(1)定位精度、重復定位精度達到數控立式車床精度標準；(2)刀臺剛性好，滿足30kN主切削力要求。 2 刀臺結構 本刀臺采用多齒盤定位裝置，該裝置由兩個齒數和齒形相同的端面齒盤4、5對合而成，定齒盤5與滑枕8把合在一起，動齒盤4與回轉刀臺3固連。分度轉位時，動齒盤4抬起與定齒盤5脫開，在壓力油作用下，活塞齒條10軸向位移，帶動軸齒輪9回轉一周。軸齒輪9與動齒盤4內齒嚙合，帶動動齒盤4轉過一個工位，然后在碟形彈簧作用下兩齒盤4、5重新嚙合并壓緊，在夾緊油缸壓力油作用下，兩齒盤4、5得到進一步壓緊，大多數齒都緊密接觸，可獲得很高的定位精度和重復定位精度。最后，活塞齒條10在壓力油作用下復位，完成一個自動轉位循環。 1.碟形彈簧 2.活塞 3.回轉刀臺 4.動齒盤 5.定齒盤 6、7.定位板 8.滑枕 9.軸齒輪 10.塞齒條 11.緩沖銷 多齒盤定位裝置有下述特點：(1)分度定位精度高，可達±3，，重復定位精度高，可達±2，。(2)能自動定心。(3)齒面磨損對定位精度影響不大，隨著不斷使用磨合，定位精度有可能改善，精度保持性好。(4)承載能力強，定位剛性好。本刀臺裝有粗定位板6、7，在動齒盤4抬起過程中，軸齒輪9與動齒盤4內齒未嚙合時，粗定位板6、7先不脫開，在動齒盤4內齒與軸齒輪9嚙合后，粗定位板6、7完全脫開。該粗定位板在刀臺安裝刀夾、刀桿(最大偏載)自由狀態下及刀臺轉位過程中，遇突然停電時，起到防止刀臺轉過位或轉不到位的保護作用。在本刀臺自動轉位裝置中，通過配磨緩沖銷11來控制與活塞齒條10之間的0.02～0.03mm液壓阻尼間隙，保證刀臺轉動平穩，在刀臺偏載向下旋轉過程中，起到防止活塞齒條10與軸齒輪9受沖擊影響，磨損較大的現象發生。 3 刀臺設計計算 1) 夾緊力的計算 夾緊力W應保證在工作載荷下仍保持齒盤的緊密配合。但夾緊力不應過大，否則會引起齒盤變形而降低定位精度。 正切時夾緊力W計算為 式中S——安全系數，一般取S=1～1.5，若工作條件平穩、沖擊負荷小，則S取小值(本文取S=1.3) Pz——切削力(Px=Py=0.5Pz=15000N) Mn齒盤承受的扭矩(Mn=0.3-Py-0.23Px=1050N·m) Mr——齒盤承受的顛覆力矩 Fr——齒盤承受的徑向力(在嚙合節平面內)[Fr=(Px2+Py2]½=20 237N F0——齒盤承受的軸向力(F0=Fz=30 000N) R——齒盤節圓半徑(R-180mm) β——齒形角(β=60°) ρ——摩擦角(ρ=3°) 上式代入數值，正切時W=47.3kN。實際取夾緊力W為50kN，其中碟形彈簧夾緊力為30kN；夾緊油缸夾緊力為20kN，采用碟形彈簧機械夾緊為主，液壓夾緊為輔的夾緊方式，保證刀臺夾緊安全可靠。 2) 驗算多齒盤齒面擠壓應力 本刀臺的關鍵零件之一是多齒盤，它的剛性能否滿足設計要求，將直接影響本刀臺的定位精度和使用壽命。齒盤齒面擠壓應力σij的計算公式為 式中σij——齒面擠壓應力，N/mm2 Z'——計算齒數(Z'=0.5 Z=0.5×120=60) B——齒寬(B=25mm) h0——齒的嚙合高度(h0=4.2mm) W——夾緊力，N Ss——安全系數(取Ss=1.3) [σ]ij——齒面許用擠壓應力(齒面淬硬的取[σ]ij=40N/mm2) 代入數值，σij=34.2(N/mm2)<[σ]ij 為了保證多齒盤的定位精度和剛度，對多齒盤作如下技術要求：多齒盤材料采用40Cr，齒部滲氮D0.3-600后磨齒加工；齒寬接觸率為70%以上；齒高接觸為嚙合高度85%以上；兩齒盤在任意位置嚙合時的接觸齒數應在90%以上，接觸不良的齒不毗連。 通過上述理論計算及生產實踐驗證，本刀臺設計結構合理，定位精度和剛度滿足設計要求。在試切“車輪踏面”的30kN主切削力的重切試驗中，一次試切成功。該機床現已聯結在鐵路車輪生產線上，正式投入生產使用，得到用戶一致好評。 4 結束語 對原車輪生產線中加工車輪的兩臺液壓仿形機床進行數控化改造，在原機床垂直刀架上增加設計一套主切削力為30kN的四工位自動轉位刀臺，與購買兩臺帶有自動換刀刀庫的車削中心相比有下述優點：(1)利用原車輪生產線中的現有設備進行數控化改造，既節約了資金，降低了成本，又避免造成資源浪費。(2)設計、制造、交貨周期短。本刀臺現已推廣應用于CK5116、CK5120、CK5225等數控機床上，效果理想。