加工中心40刀刀库（链式刀库）-说明书

加工中心40刀刀库(链式刀库)-说明书
第一章绪论
本章首先从数控机床的发展历程引出加工中心的发展趋势,再具体到本次设计针对的刀库的任务要求,明确了本设计任务的主要内容。

引言
1952年世界上出现了第一台数控机床,使多品种、中小批量的机械加工设备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。

1958年第一台加工中心问世,它将多工序(铣、钻、镗、铰、攻丝等)加工集于一身;适应加工多品种和大批量的工件;增加机床功能(自动换刀、自动换工件、自动检测等),使自动化程度和加工效率上了一个新台阶;使无人化(或长时间无人操作)加工成为现实。

90年代以来,数控加工技术得到迅速的普及及发展,数控加工中心在制造业得到越来越广泛的应用。

目前国内企业生产制造的加工中心主要是面向生产领域,其结构复杂、精度高、封闭性强,价格昂贵。

加工中心已成为柔性制造系统、计算机集成制造系统和自动化工厂的基本单元。

加工中心是数控机床的代表,是高新技术集成度高的典型机电一体化机械加工设备,受到世界各工业发达国家的高度重视,技术迅速发展,品种和数量大幅度增加,成为当今世界机械加工设备中最引人注目的一类产品。

加工中心简介
加工中心的发展简史
1952年世界上出现第一台数控机床,使多品种、中小批量的机械加工设
备在柔性、自动化和效率上产生了巨大变革。

它用易于修改的数控加工程序进行控制,因而比大批量生产重使用组合机床生产线和凸轮、开关控制的专用机床有更大的柔性,容易适应加工件品种的变化,进行多品种加工。

它用数控系统对机床的工艺功能、几何图形运动功能和辅助功能实行全自动的数字控制,因为有更高的自动化程度和加工效率,大大改变了中小批量生产中普通机床占整个机械加工的状况。

数控机床能实现两坐标以上联动的功能,其效率和精度比用手工和样板控制加工复杂零件要高得多。

1958年第一台加工中心在美国卡尼、特雷克(Kearney&Trecker)公司问世。

现代加工中心的内容是什么?第一,它是在数控镗床或数控铣床的基础上增加自动换刀装置,可使工件在一次装卡中,能够自动更换刀具,自动完成工件上的铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等工序的数控机床。

第二,加工中心上如果带有自动分度回转工作台或自动转角度的主轴箱,可使工件在一次装卡中,自动完成多个平面和多个角度位置的多工序加工。

第三,加工中心上如果带有交换工作台,工件在工作位置的工作台上进行加工的同时,另外的工件在装卸位置的工作台上进行装卸,不影响加工的进行。

由上述可知,加工重心在加工的柔性、自动化程度和加工效率上,在一般数控机床的基础上又上了一个新的台阶,又是一次新的变革。

加工中心的定义是什么?目前世界上并无标准定义,但目前普遍认为是指:在工件一次装卡中,能够实现自动铣削、钻孔、镗孔、铰孔、攻丝等多工序的数控机床。

更为明确的说法是:加工中心就是自动换刀数控镗铣床。

这就把加工中心与自动换刀数控车床或车削中心区别开来。

加工中心的结构组成
加工中心的组成岁机床的类别、功能、参数的不同而有所区别。

机床本身分基本部件和选择部件,数控系统有基本功能和选用功能,机床参数有主参数和其它参数。

机床制造厂可根据用户提出的要求进行生产,但在同类机床的基本功能和部件组成一般差别不大。

从总体上看,加工中心基本上由以下几大部分组成。

一基础部件主要由床身、立柱和工作台等大件组成。

它们是加工中心的基础结构,要承受加工中心的静载荷以及在加工时的切削负载,因此必须是刚度很高的部件。

这些大件可以是铸铁件也可以是焊接的刚结构件,是加工中心中重量和体积最大的部件。

二主轴系统主要由主轴箱、主轴电动机、主轴和主轴轴承等零部件组成。

主轴的启动、停止和变转速等动作均由数控系统控制,并通过装在主轴上的刀具参与切削运动,是切削加工的功率输出部件。

主轴系统是加工中心的关键部件,其结构的好坏,对加工中心的性能有很大的影响。

三数控系统主要由CNC装置、可编程序控制器、伺服驱动装置以及电动机等部分组成,它们是加工中心执行顺序控制动作和完成加工过程的控制中心。

四自动换刀系统主要由刀库、自动换刀装置等部件组成。

刀库是存放加工过程所要使用的全部刀具的装置。

当需要换刀时,根据数控系统的指令,由机械手(或通过别的方式)将刀具从刀库取出装入主轴孔中。

刀库有盘式、链式和鼓式等多种形式,容量从几把到几百把。

机械手的结构根据刀库与主轴的相对位置几结构的不痛也有多种形式。

如单臂式、双臂式。

回转式和轨道式等等。

有的加工中心利用主轴箱或刀库的移动来实现换刀。

五辅助系统包括润滑、冷却、排屑防护、液压和随机检测系统等部分。

辅助系统虽不直接参与切削运动。

但对加工中心的加工效率、加工精度和可靠性起到保障作用,因此也是加工中心中不可缺少的部分。

另外,为进一步缩短非切削时间,有的加工中心还配备了自动托盘交换系统。

例如,配有两个自动交换工件托盘的加工中心,一个安装工件在工作台上加工,另一个则位于工作台外进行工件的装卸。

当完成一个托盘上工件的加工后,便自动交换托盘,进行新零件的加工,这样可以减少辅助时间,提高加工效率。

加工中心的分类
按照加工中心形态不同进行分类,可分为立式、卧式和五坐标加工中心。

一立式加工中心(如图1-1)立式加工中心的主轴轴心线为垂直状态配置,结构形式多为固定立柱式,工作台为长方形,适合加工小型板类、盘类、壳体类零件。

二卧式加工中心(如图1-2) 卧式加工中心是指主轴轴线为水平状态设置的加工中心,通常都带有可进行分度回转运动的正方形分度工作台。

卧式加工中心一般具有3~5个运动坐标,常见的是三个直线运动坐标沿X、Y、Z轴方向加一个回转运动坐标回转工作台,它能够使工件在一次装夹后完成除安装面和顶面以外的其余四个面的加工,最适合箱体类工件的加工。

三五坐标加工中心五坐标加工中心间距立式和卧式加工中心的功能,工件一次装夹后能完成除安装面外的所有侧面和顶面等五个面的加工,因此也叫五面加工中心。

常见的五坐标加工中心有两种结构形式,一种是主轴可以旋转,另一种是工作台可以旋转。

加工中心的主要优点
一提高加工质量工件一次装夹,即可实现多工序集中加工,大大减少多次装夹所带来的误差。

另外,由于是数控加工,较少依赖操作者的技术水平,可得到相当高的稳定精度。

二缩短加工准备时间加工中心既然可以顶替多台通用机床,那么加工一个零件嗦需准备时间,是每台加工单元所损耗的准备时间之和。

从这个意义上说,加工中心的准备时间显然短得多。

三减少在制品以往的加工方式是工件流动与多台通用机床之间,这就要有相当数量的在制品,而在加工中心上加工,即可发挥其“多工序集中”的优势,在一台机床上完成多个工序,就能大大减少在制品数量。

四减少刀具费把分散设置在各通用机床上的刀具,集中在加工中心刀库上,有可能用最少量的刀具,实现公共有效利用。

这样既提高刀具利用率,又减少了道具数量。

五最少的直接劳务费由NC装置实现多工序加工的信息集约化和一人多台管理,以及用工作台自动托盘交换装置(Automatic Pallet Changer简称APC)等辅助装置,实现夜间无人运转。

这些都可缩减直接劳务费。

六最少的简介劳务费由于工序集中,工件搬运和质量检查工作量都大为减少,这就使间接劳务费最少。

七设备利用率高加工中心设备利用率为通用机床的几倍。

另外,由于工序集中,容易适应多品种、中小批量生产。

加工中心的发展趋势
一立式加工中心
立式加工中心主要的用户层面为,以看好的汽车零部件行业为首,还有模具、飞机、医疗设备、IT、光学设备等行业。

在飞机制造业因绝大多数加工件为多品种、小批量的产品,因此五轴加工机为主的立式加工中心有潜在的需求。

今后电子零部件、精密机枝零部件、半导体模具等行业也具有需求潜力。

各生产厂家面对预期需求扩大的飞机、模
立式加工中心主要的用户层面为,以看好的汽车零部件行业为首,还有模具、飞机、医疗设备、IT、光学设备等行业。

在飞机制造业因绝大多数加工件为多品种、小批量的产品,因此五轴加工机为主的立式加工中心有潜在的需求。

今后电子零部件、精密机枝零部件、半导体模具等行业也具有需求潜力。

二卧式加工中心
卧式加工中心因其加工面是垂直的,切屑易脱落,比较适应时间无操作。

又因是模块结构,可以短时间内导入最适当规模的系统。

因其无人操作时间较长,在成本费用方面与单机相比效果更好。

从技术开发动向来看,是谋求提高主轴转速、进给速度、提高精密度、并将对应热变位、模块化等集中体现出来。

其中,作为机床基本课题的高速化研究也不断取得成果。

由于提高进给速度直接关系到产品的加工时间,以利提高生产效率,因此在高速进给技术方面,驱动装置采用直线电机的机型正在增多。

同时也有厂家在开发不使用直线电机,采用进给轴以大导程滚珠丝杠为驱动,进给加速度 1.5G~ 2G、快速进给速度120 mm/min的高速卧式加工中心。

并在主轴上采用双面约束刀具、主轴转速为 2 万 r/min、快速进给速度为60 m/min、以尽量缩短重复定位、刀至刀等的非切削时间。

为解决速度提高带来的热变位影响,防止精度下降,
一般都采用独自的补正装置或主轴冷却结构、冷却装置等。

刀库
刀库简介
刀库是自动换刀装置中最主要的部件之一,其容量、布局以及具体结构对加工中心的设计有很大影响。

刀库是用来储存加工刀具及辅助工具的地方。

由于多数加工中心的取送刀位置都是在刀库中的某一固定刀位,因此刀库还需要有使刀具运动及定为的机构来保证换刀的可靠。

其动力可采用液动机或电动机,如果需要还要有减速机构。

刀库的定为机构是用来保证更换的每一把刀具或刀套都能准确地停在换到位置上。

其控制部分可以采用简易位置控制器或类似半闭环进给系统的伺服位置控制,也可以采用电气和机械相结合的销定为方式,一般要求综合定为精度达到0.1~0.5 mm。

根据刀库所需要的容量和取刀方式,可以将刀库设计成多种形式。

图1-3列出了常用的几种刀库。

图1-3是但盘式刀库,为适应机床主轴的布局,刀库的刀具轴线可以按不同的方向配置,图1-3d是刀具可作翻转的圆盘刀库,采用这种结构能够简化取刀动作。

单盘式刀库的结构简单,取刀也较为方便,因此应用最为广泛。

但由于圆盘尺寸受限制,刀库的容量较小(通常装16~32把刀)。

当需要存放更多数量的刀具时,可以采用图1-3形式的刀库,它们充分利用了机床周围的有效空间,且刀库的外形尺寸又不致过于庞大。

图1-3e是鼓筒弹夹式刀库,其结构十分紧凑,在相同的空间内,它的刀库容量较大,但选刀和取刀的动作较复杂。

图1-3f是链式刀库,其结构有较大的灵活性,存放刀具的数量也较多,选刀和取刀动作十分简单。

当链条较长时,可以增加支撑链轮的数目,使链条折迭回绕,提高了空间利用率。

图1-3g和1-3h分别为多盘式和格子式刀库,它们虽然也具有结构紧凑的特点,但选刀和取刀动作复杂,较少应用。

1.3.2 刀库的类型
加工中心上普遍采用的刀库是盘式刀库和链式刀库。

密集型的固定刀库目前于用于FMS中的集中供刀系统。

一盘式刀库盘式刀库结构简单,应用较多,如图1-4所示。

由于刀具环形排列,空间利用率低。

因此出现了将刀具在盘中采用双环或多环排列,以增加空间的利用率。

但这样一来使刀库的外径过大,转动惯量也很大,选刀时间也较长。

因此,盘式刀库一般适用于刀具容量较少的刀库。

二链式刀库如图1-5所示,链式刀库的结构紧凑,刀库容量较大,链环的形状可以根据机床的布局配置成各种形状,也可将换刀位突出以利换刀。

当链
式刀库需增加刀具容量时,只需增加链条的长度和支承链轮的数目,在一定范围内,无需变更线速度及惯量。

这些特点也为系列刀库的设计与制造带来了很大的方便,可以满足不同使用条件。

一般刀具数量在30~120把时,多采用链式刀库。

⑴换刀位置为保证刀套准停精度和刀套定位刚性,链式刀库的换刀位置一般设在主动链轮上如图1-6所示,或者设在尽可能靠近主动链轮的刀套处,如图1-7所示
⑵链条形式我国目前还没有厂家生产加工中心刀库专用链条,因而不得不用标准套筒辊子链,通过连接器把刀套固定在链条上。

这种方式不仅结构复杂,装配调试费时,而且套筒位置精度亦差
我国部分厂家,购买日本椿本链条公司(TSUBAKI CHAIN Co.)生产的已转有刀套的刀库专用链条来装备刀库,效果颇佳。

考虑到刀具重量和刀库工作的平稳性,推荐采用:
HP型链条这种链条是套筒式链条,其辊子本身就是刀套,该链条型式及尺寸见表1-1
表1-1
链条型号刀具锥柄号 P O L H W R T
HP 40 90 55 86.5 88 60 68 4.0
1) HP-T型
①链轮节圆直径
式中 N??当量齿数(实际齿数/3)
②链轮外径D0
式中P??链条节距
注:链轮齿数可从9个起使用。

但是为了增加链条的耐用度和运行效率,齿数还是尽可能多为好。

链轮之间的中心距,以取链条节距整数倍为宜。

第二章刀库驱动电机的选定
驱动刀库,目前常见的方式有伺服电动机驱动和液动机驱动两种,我国加工中心都选用伺服电机驱动方式,在本设计中也将采用伺服电动机来驱动。

2.1 刀套线速度
选用HP型链条,锥柄号40
链行程 S20×P20×901.8m
由选刀时间t.4s,可得到链速v.
链速刀套线速度v27 m/min,查相关资料刀套线速度影响选刀效率,但是过快的线速度又影响刀库工作可靠性。

一般推荐在22~30m/min之间。

链速适用。

2.2 链轮参数确定
取链轮齿数z24
链轮节圆直径DP
式中 N??当量齿数(实际齿数/3)
P??链条节距
链轮外径D0
链轮转速n
2.3 负载转矩选电机
加在伺服电动机轴上的负载转矩,应比电动机额定连续转矩小。

链式式刀库负载转矩计算方法链式刀库的负载转矩T1是由刀具不平衡重量W和导向面(或支承面)的摩擦力F所组成,如图2-1所示。

不平衡重量W,可按在一个垂直方向刀套上装有1/10刀库容量数的最大刀具重量来计算。

F1和F3是支承面的摩擦力;F2、F4则是导向面上因刀具下垂而引起的摩擦力。

计算摩擦力时,刀具重量均按刀具平均重量计算。

刀库链轮半径为118.5mm,刀具最大重量为20kg,刀具平均重量17kg,每个方向上10把刀,刀具重量m170kg;刀具不平衡重量W800N。

法向约束力FN1700N,摩擦系数fs0.11。

摩擦力FfsFN0.11×1700187N
所以
负载所需功率
取传动比i40。

传动总效率为:
式中:η1??联轴器的功率;
η2??蜗杆的功率;
η3??轴承的功率;
η4??链传动效率。

把如上计算的负载转矩,转换为电机轴上的转矩TL为:
考虑到实际情况比计算时所设定条件复杂,电机额定转矩Ts应为负载转矩的1.2~1.5倍,亦即:
根据以上计算结果,所选电机型号如下:
表2-1 所选电机型号
型号输出功率
额定转矩
最大转矩
最高转速
工作转速
FB25 0.52 10 309 1000 500
2.4 传动比分配
刀库选刀需要低速转动,就要求降低传动的速度,传动比选为i40。

2.4.1 各轴转速
Ⅰ轴
Ⅱ轴
2.4.2 各轴功率
Ⅰ轴
Ⅱ轴
2.4.3 各轴转矩
电动机的输出转矩Td为:
电机输出轴
Ⅰ轴
Ⅱ轴
表2-2 运动和动力参数表
轴功率
转矩TN?mm 转速
nr/min 传动比
i 效率
η
电机轴 0.52 10 500 1 1
Ⅰ轴 0.51 9.9 500 1 0.99
Ⅱ轴 0.41 316.8 12.5 40 0.8
第三章刀库传动方式
3.1 刀库传动方式设计
为使伺服电机在最佳状态下工作,一般不采用伺服电机的低速段。

刀库需要在伺服电机恒转矩下运转工作,并且减速比不能过大,否则不能达到刀库需要的转矩,这就要求减速装置既要很大的减速比,又要保证电机工作在恒转矩下,选用蜗杆减速装置。

3.1.1 蜗杆蜗轮传动
一特点和应用
蜗杆传动用于传递交错轴之间的回转运动。

在绝大多数情况下,两轴在空间是互相垂直的,轴交角为90°。

它广泛应用在机床、汽车、仪器、起重运输机械、冶金机械以及其他机械制造部门中,最大传动功率可达750 kW,通常用在50 kW以下;最高滑动速度可达35 m/s,通常用在15 m/s以下。

蜗杆传动的主要优点是结构紧凑、工作平稳、无噪声、冲击振动小以及能得到很大的单级传动比。

在传递动力时,传动比一般为8~100,常用的为15~50。

在机床工作台中,传动比可达几百,甚至到1000。

这时,需采用导程角很小的单头蜗杆,但传动效率很低,只能用在功率小的场合。

在现代机械制造业中正力求提高蜗杆传动的效率,多头蜗杆的传动效率已可达到98%。

与多级齿轮传动相比,蜗杆传动零件数目少,结构尺寸小,重量轻。

缺点是在制造精度和传动比相同的条件下,蜗杆传动的效率比齿轮传动低,同时蜗杆一般需用贵重的减摩材料(如青铜)制造。

蜗杆传动多用于减速,以蜗杆为原动件。

也可用于增速,齿数比单级为5~15,但应用很少。

二精度等级的选择
蜗杆可以在车床上切制,也可以在特种铣床上用圆盘铣刀或指形铣刀铣制。

由于蜗杆传动的轴间距离必须与蜗杆滚刀在切制蜗轮时的轴间定位距离相等才能得到正确的啮合,所以蜗轮要用与它相捏合的蜗杆同样大小的滚刀来切制。

由于蜗杆传动啮合轮齿的刚度较齿轮传动大,所以制造精度对传动的影响比齿轮传动更显著。

蜗杆传动规定了12个精度等级,对于动力传动,要按照6~9级精度制造。

三材料选择
考虑到蜗杆传动难于保证高的接触精度,滑动速度有较大,以及蜗杆变形等因素,故蜗杆,蜗轮不能都用硬材料制造,其中之一(通常为蜗轮)应该用减摩性良好的软材料来制造。

蜗轮材料。

通常是指蜗轮齿冠部分的材料。

主要有以下几种:⑴铸锡青铜是适用于和持续运转的工况,离心铸造的可得到致密的细晶粒组织,可取大值,砂型铸造的取小值。

⑵铸铝青铜适用于的工况,抗胶合能力差,蜗杆硬度应不低于45 HRC。

⑶铸铝黄铜点蚀强度高,但磨损性能差,宜用于低滑动速度场合。

⑷灰铸铁和球墨铸铁使用于的工况,前者表面经硫化处理有利于减轻磨损,后者若与淬火蜗杆配对能用于重载场合。

直径较大的蜗轮常用铸铁。

蜗杆材料。

蜗轮直径很大时,可以采用青铜蜗杆,蜗轮则用铸铁。

在要求持久性高的动力传动中,可选用渗碳钢淬火,也可选用中碳钢表面或整体淬火以得到必要的硬度,制造时必须磨削。

用氮化钢氮处理的蜗杆可以不磨削,但需要抛光。

只有在缺乏磨削设备是才选用调质蜗杆。

受短时冲击载荷的蜗杆,不宜用渗碳钢淬火,最好用调质钢。

铸铁蜗轮与镀铬蜗杆配对时,有利于提高传动的承载能力和滑动速度。

四蜗杆和蜗轮的结构
蜗杆通常与轴做成整体很少做成装配式的。

蜗轮可指成整体的或组合的。

组合蜗轮的齿冠可以铸在或用过盈配合装在铸铁或铸钢的轮心上,常用的配合为H7/r6。

为了增加过盈配合的可靠性,沿着接合缝还要拧上螺钉,螺钉孔中心线偏向轮毂一侧。

当蜗轮直径较大时,可采用螺栓联接,最好采用受剪螺栓联接。

五蜗杆蜗轮传动设计计算:
ZA型蜗杆减速器,输入功率P10.52kW,转速n1500r/min,传动比i40。

工作机载荷平稳,动力机有轻微振动。

预期寿命12000h。

蜗杆采用45钢,表面硬度45HRC,蜗轮材料采用ZCuSn10P1,砂型铸造,计算步骤如下表:
计算项目计算内容计算结果
初选[d1/a]值
当量摩擦系数设vs1m/s~1.5m/s,查《机械设计》μv0.05
表13.6,取大值ρv3°
选[d1/a]值在《机械设计》图13.11的i40线上
选一点,查得[d1/a]0.4,γ6°
(z11),η10.8
中心距计算
蜗轮转矩
使用系数按题意查《机械设计》表12.9
转速系数弹性系数根据蜗轮辐材料查表13.2得
寿命系数
接触系数由《机械设计》图13.12Ⅰ线查出接触疲劳极限由《机械设计》表13.2得σHlim265MPa
接触疲劳最小安全系数由《机械设计手册》查得 SHmin1.3 中心距取a160mm
传动基本尺寸
蜗杆头数由《机械设计》图13.11查得γ6°,z11;
也可用式13.22计算
取z1 1
蜗轮齿数z2iz140×1 取z2 40
模数 m 1.4~1.7a/z2
1.4~1.7160/405.6~6.8 取m 6.3 mm
蜗杆分度圆直径 d1 [d1/a]a
0.4×16064 查表13.4
d10.68a0.875
0.68×1600.87558 取d1 63 mm
蜗轮分度圆直径d2mz26.3×40 d2 252 mm
蜗杆导程角 tanγz1m/d1
1×6.3/63 γ 5.7°
蜗轮宽度
取b250 mm
蜗杆圆周速度
相对滑动速度
当量摩擦系数由《机械设计》表13.6查得μv 0.0408
ρv2.17°
齿面解除疲劳强度验算
许用接触应力
最大接触应力
轮齿弯曲疲劳强度验算
齿根弯曲疲劳极限由《机械设计》表13.2查出σFlim 115MPa 弯曲疲劳最小安全系根据《机械设计手册》查出 SFmin1.4
许用弯曲疲劳应力轮齿最大弯曲应力
蜗杆轴扰度验算
轴惯性矩
允许蜗杆扰度
蜗杆轴扰度
(此处取) 合格
温度计算
传动啮合效率
搅油效率根据蜗杆的润滑条件,查
《机械设计手册》得:
轴承效率根据蜗杆传动要求,查
《机械设计手册》得:
总效率
散热面积估算
箱体工作温度
润滑油粘度和润滑方法
润滑油粘度润滑方法由《机械设计》表13.7,可采用浸油润滑
所有计算结果如表2-3所示:
表2-3 普通圆柱蜗杆传动几何尺寸计算
名称代号公式及说明
中心距 a ad1+d2+2x2m/2160mm
蜗杆头数z1 Z11
蜗轮齿数z2 Z2i Z140
齿形角α ZA型αX20°,其余αn20°
模数m m6.3mm
蜗轮变位系数x2
蜗杆轴向间距px pxπm20 mm
蜗杆分度圆直径 d1 d1mz1/tanγ63mm 根据《机械设计》与m匹配蜗杆齿顶圆直径 da1 da1 d1+2ha*m75.6mm
蜗杆齿根圆直径 df1 df1 d1-2mha*+c*47.88mm
蜗杆齿顶高ha1 ha1 ha*m6.3 齿顶隙系数一般ha*1
顶隙c c c*m1.26 一般顶隙系数c*0.2。