卧式数控镗铣床自动换刀装置设计

程志

摘 要：为使加工精度得以提升，数控机装通常具备自动换刀能力，通过设计自动换刀体系，能提高数控机床多刀、多工序生产制造质量，借助换刀机械手，使主轴刀具、刀库刀具可以自行转换，满足加工生产切实需求，实现自动化加工目标，提高数控机床生产加工效率，本文通过对卧式数控镗铣床自动换刀装置设计方略进行分析，以期为提高该装置应用综合成效提供依据。

关键词：卧式数控镗铣床；自动换刀；装置设计

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.24.039

伴随我国科学技术飞速发展，数控机床生产制造能力得以提升，其中应用最为广泛的换刀装置为刀库式换刀装置，该装置以自动换刀为基本模式，通过设计换刀程序，提高刀库自动换刀效率，能依据生产制造需求自行换刀，落实自动化换刀及数控机床操作目标，达到提高生产制造效率，节约机床生产制造时间的目的。卧式数控镗铣床自动换刀程序相对较为复杂，其换刀前提是将全部刀具纳入该装置中，通过调节尺寸，使刀库安装科学合理，继而削减非切削时间，提高数控机床生产效率。基于此，为使卧式数控镗铣床自动换刀更为科学高效，分析其装置设计方略显得尤为重要。

1 概述自动换刀装置

在数控机床内工件、刀具二者相对运动产生工作表面，为使数控机床运行高效、稳定，需在刀库内安装足够多的刀具，用以满足数控机床运行需求，避免换刀程序过于复杂或换刀时间过长，降低数控机床加工效率，为此需依据数控机床生产加工切实需求，装置自动换刀系统，满足各个工件表面加工需求，通过灵活调换刀库内刀具，使数控机床生产制造效率得到保障。

在安装刀具时刀架位置需精准合理，刀具选择需灵活高效，在自行换刀时，需保障进行交换的若干刀具位置正确，能有效保障其精度，使处于刀库内刀具位置精准、稳定，为数控机床长期使用刀具，提升刀具自动化运行成效。处于刀架上的刀具重量、用途、尺寸均存在极大差异，刀具自动化运行程序较为复杂，徒增自动化换刀装置运行压力，尤其对于有些需承担切削力的刀具来讲，其在换刀过程中需合理控制其方向，避免刀具在更换过程中出现碰撞、交叉等消极现象，为此机械手、刀库均需具有一定稳定性及刚度，确保切削过程平稳，换刀过程合理高效，达到提高数控机床生产旨在效率的目的[1]。

2 分析卧式数控镗铣床自动换刀装置设计方略

通过对自动换刀装置进行分析可知，该装置具有一定设计难度，并能有效提高数控机床生产制造效率，为此在当前数控机床加工体系中必不可少，为充分发挥自动换刀装置应用效用，分析卧式数控镗铣床自动换刀装置设计方略势在必行。

（1）机械手结构设计。机械手是控制自动换刀装置的基础，只有该环节设计得当，技术人员才能保障自动换刀装置设计科学合理。机械手的手部结构需能适应驱动力、夹紧力，依据转动机构及驱动力进行设计，手指张开范围需达标，并具有一定的开闭程度，使工件抓取得当且稳固，机械手需重量轻、结构紧凑、效率高、刚度强，使手抓夹精度得到保障。通常情况下，卧式数控镗铣床自动换刀装置所需机械手结构多为移动型（手指可以做简单的往复动作）、回转性（分为连杆杠杆式、滑槽杠杆式两种）、平面平移型（按照一定凹槽及既定轨迹进行移动）。手指夹紧力需依据FN≥K1K2K3G来计算，其中K1表示安全系数（1.2/2.0），K2表示工作情况系数，受惯性影响，（K2=1+b/a），K3为方位系数，依据卧式数控镗铣床自动换刀需求，以及工件和手指位置设计，G为机械手抓取工件重力。

机械手通常情况下由动力源、传送机构、控制装置、机体四个环节构成，其中本体、小车等元件构成机体，抓紧机构及伸缩手臂为传送机构主要构件，动力源则由机械驱动及液压驱动两种形式构成。

为使机械机构设计科学得当，技术人员需在掌握卧式数控镗铣床自动换刀需求基础上，秉持运动平稳、传动率高、能源预紧、工作寿命长、同步性能好、定位精准、可靠性高、不自锁、经济性强、成本低等原则进行设计，使数控机床运行成效得到保障[2]。

（2）刀库设计。刀库驱动方式通常情况下分为普通电动机驱动、伺服電动机驱动、液动机驱动等形式，为使刀库设计科学合理，且符合数控机床设计需求，以液动机驱动（齿轮式液压马达CBF—F10，其中转速为每分钟2500转，最高转速可得到每分钟3000转，10.8kW为驱动功率，10mk/r为排量）为例，对刀库设计进行分析，确保刀库设计科学可行。结合液动机驱动条件，能计算出卧式数控镗铣床自动换刀装置转矩T，其中T=35.45N·m，刀库转动轴功率及转速分别为187.5r/min，750r/min，为使设计精度得以提升，其圆柱齿轮转转动之比（nm/i1、nm/i2）中i的取值范围控制在3—5之间，本次计算取平均值4。联轴器效率为η=0.99，η=0.995为滚动轴承效率，齿轮转动效率为η=0.97。经计算各轴转矩分别为136.14N·m、525.58N·m，依据公式dmin=A03计算自动换刀装置轴最小直径分别为dmin1=42.65mm，dmin2=39.84mm，经计算得出齿轮重要几何尺寸为：d1=m，z1=84mm，d2=m，z2=268mm，a=m/2（z1+z2）=176mm，b=φd，d1=58.8mm，经计算刀库设计强度满足卧式数控镗铣床自动换刀装置设计需求[3]。

3 结束语

综上所述，为使卧式数控镗铣床生产制造效率得以提升，技术人员需结合该机床运行需求，合理设计换刀装置，通过刀库设计及机械手设计，使换刀装置精准高效，满足该机床运行切实需求。技术人员需不断累积数控机床自动化体系优化经验，在设计实践进程中累积经验，用以提高相关装置设计质量，助力我国机械加工产业稳健发展。

参考文献：

[1]赵晓勇，栗文岳，陈琳.关于数控镗铣床（卧式）操作经验总结[J].科学技术创新，2018（13）：14-15.

[2]黄宁玲，杨书根.基于多工位加工的卧式数控镗铣床设计[J].机械工程师，2015（12）：191-192.

[3]宋辰，高坤.关于“EBC110”数控卧式镗铣床加工中心外观结构设计[J].环球市场，2016（29）：107.