一種用于自動(dòng)交換銑頭的減震裝置

王海波 羅文耀 張海亮

(漢川數(shù)控機(jī)床股份公司，陜西 漢中723000)

銑頭做為機(jī)床的功能附件，在數(shù)控機(jī)床中有著廣泛的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)制造對(duì)機(jī)床性能要求的不斷提升，自動(dòng)交換銑頭功能在各種中高檔數(shù)控機(jī)床中，也越來(lái)越多地被采用。隨之而來(lái)的是交換銑頭過(guò)程中的一系列問(wèn)題:比如銑頭定位精度保持性差，導(dǎo)致銑頭與主軸對(duì)接時(shí)各種對(duì)接元器件容易損壞;交換銑頭時(shí)，定向停容易變化，造成交換動(dòng)作無(wú)法進(jìn)行;振動(dòng)因素影響位置傳感器，使得系統(tǒng)對(duì)銑頭到位信號(hào)的檢測(cè)出現(xiàn)偏差等等。出現(xiàn)這些問(wèn)題的原因是多種多樣的，其中，銑頭在頭庫(kù)中的準(zhǔn)確定位與否是一項(xiàng)非常關(guān)鍵的因素，而影響這一因素的主要原因之一便是機(jī)床自動(dòng)交換過(guò)程中銑頭的振動(dòng)。因此，銑頭在頭庫(kù)中定位時(shí)，需要采取必要的減震措施，以避免因?yàn)檎駝?dòng)而影響機(jī)床交換銑頭的穩(wěn)定性。

1 銑頭交換過(guò)程的振動(dòng)

一般能夠進(jìn)行自動(dòng)交換銑頭的機(jī)床都配置有放置銑頭的頭庫(kù)，圖1中，某型機(jī)床的銑頭放置在頭庫(kù)之中。我們把機(jī)床主軸將銑頭送還頭庫(kù)的過(guò)程稱為“還頭入庫(kù)”，把機(jī)床主軸從頭庫(kù)中抓取銑頭的過(guò)程稱為“銑頭抓取”?！般婎^抓取”動(dòng)作時(shí)，銑頭已經(jīng)在頭庫(kù)中定位，因此自動(dòng)交換過(guò)程中振動(dòng)對(duì)銑頭定位的影響主要在“還頭入庫(kù)”階段。這個(gè)階段的動(dòng)作可以分為以下幾步:(1)頭庫(kù)準(zhǔn)備就緒;(2)主軸移動(dòng)至還頭位置;(3)主軸沿銑頭方向降落，位置傳感器確認(rèn)銑頭到位信號(hào);(4)松開(kāi)銑頭，完成銑頭入庫(kù)動(dòng)作。銑頭降落過(guò)程中，當(dāng)銑頭定位面達(dá)到感應(yīng)開(kāi)關(guān)檢測(cè)位置時(shí)，系統(tǒng)便確認(rèn)銑頭已經(jīng)到位，進(jìn)行松頭動(dòng)作。實(shí)際上，此時(shí)銑頭距離頭庫(kù)的定位面還有一定距離，雖然此距離很小，小到幾乎不影響機(jī)床實(shí)現(xiàn)交換銑頭功能;但銑頭從這一距離落下的過(guò)程中仍會(huì)產(chǎn)生沖擊。因此而產(chǎn)生的振動(dòng)有損銑頭在頭庫(kù)中的準(zhǔn)確定位，這對(duì)換頭的精度保持性、可靠性有嚴(yán)重影響。

在銑頭落入頭庫(kù)時(shí)，定位面硬接觸，每次交換動(dòng)作都會(huì)產(chǎn)生沖擊。在機(jī)床工作短期內(nèi)，沖擊對(duì)定位精度的影響略小;但隨著時(shí)間的推移，影響會(huì)越來(lái)越大，以致銑頭在頭庫(kù)中的位置出現(xiàn)偏差，輕則導(dǎo)致元器件損壞，重則導(dǎo)致無(wú)法交換銑頭。因此需要在定位面做緩沖減震處理。

2 減震裝置的設(shè)計(jì)

2.1 減震裝置的設(shè)計(jì)方案

考慮到實(shí)際生產(chǎn)中銑頭以及頭庫(kù)結(jié)構(gòu)限制，減震裝置不能夠過(guò)大，要能夠在定位面安裝。我們按照?qǐng)D2中的布置，在銑頭定位面設(shè)置a、b、c、d這4處緩沖點(diǎn)，這樣不僅可以有效地減小減震器的外形尺寸，而且4點(diǎn)布置能夠讓銑頭得到更加平穩(wěn)的緩沖。

某型銑頭重量為300 kg，頭庫(kù)定位面寬度30 mm。要在狹小的空間對(duì)該銑頭入庫(kù)的動(dòng)作進(jìn)行緩沖，我們采用碟簧緩沖的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)減震。圖3為該緩沖裝置的結(jié)構(gòu)圖。在這里選擇碟簧，因?yàn)閺椈删哂泻軆?yōu)勢(shì)的特點(diǎn)，剛度大，能以小變形承受大載荷，適合于軸向空間要求小的場(chǎng)合。

“還頭入庫(kù)”過(guò)程中，沖擊主要發(fā)生在銑頭確認(rèn)銑頭位置、主軸松開(kāi)銑頭之后。根據(jù)前一節(jié)的分析，這段緩沖的距離非常小。一般而言，機(jī)床對(duì)這段緩沖距離的需求在1 mm以內(nèi)，因此我們的緩沖裝置需要實(shí)現(xiàn)在1 mm以內(nèi)對(duì)銑頭的減震，讓定位面能夠平穩(wěn)準(zhǔn)確地接觸。

圖3中，緩沖裝置安裝在頭庫(kù)定位面a、b、c、d這4處緩沖點(diǎn)，定位面對(duì)應(yīng)位置加工相應(yīng)的安裝孔。銑頭入庫(kù)之前，導(dǎo)桿在碟簧的作用下將支撐塊推至高位，限位螺釘能夠通過(guò)導(dǎo)桿將碟簧預(yù)壓，同時(shí)確保設(shè)計(jì)所需的緩沖距離。銑頭入庫(kù)之后，銑頭將4處緩沖裝置壓下，此時(shí)在頭庫(kù)與支撐塊之間有0.5 mm間隙，這能夠保證銑頭入庫(kù)后與定位面接觸，排除支撐塊對(duì)銑頭定位的影響。

動(dòng)作要求:支撐塊要完全壓到頭庫(kù)定位面以下，不影響銑頭定位;碟簧反力要求在1 mm變形量范圍內(nèi)能夠支撐銑頭平穩(wěn)落下。

2.2 碟簧的選用計(jì)算

碟簧能以小變形承受大載荷，采用多片碟簧組合能夠讓碟簧更有效地發(fā)揮其特性。碟簧的組合型式分為疊合、對(duì)合以及復(fù)合3種方式，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)以及所受承載力來(lái)選用不同的組合形式。

上一節(jié)已知銑頭重量300 kg，緩沖點(diǎn)共有4處，那么每一處緩沖點(diǎn)所要承受的重量為75 kg，即對(duì)支撐塊的壓力F=750 N;緩沖距離為f0=1 mm。根據(jù)這幾項(xiàng)條件，我們來(lái)確定所需的碟簧及其組合型式。因?yàn)轭^庫(kù)定位面寬度僅有30 mm，所以在選擇碟簧時(shí)要考慮到外徑大小。通過(guò)查閱資料，我們考慮選擇下表規(guī)格的碟簧。

表1

由D/d比值，可以查得碟簧的計(jì)算系數(shù)K=0.682;因?yàn)锳14碟簧無(wú)支承面，取K1=1。

碟簧壓平時(shí)的載荷:

其中:E為彈性模量2.06×105MPa;μ為泊松比0.3。經(jīng)過(guò)計(jì)算，F(xiàn)c=1 040 N。

可以看出F＜F0＜Fc，因此在選用該碟簧時(shí)，無(wú)需疊合組合。只需要選擇合適的片數(shù)，使得對(duì)合組合滿足1 mm的變形量即可。

根據(jù)h0/t=0.4和F/Fc=0.72，可以查得單片碟簧在F作用下變形量f1與壓平變形量h0的比值f1/h0=0.72，由此可以得出f1=0.72h0，計(jì)算得出f1=0.216 mm。

滿足總變形量1 mm所需對(duì)合組數(shù)i=f/f1=4.6，取整i=5，對(duì)合組合碟簧的總自由高度H=iH0=5.5 mm。

由于摩擦力的阻尼作用，對(duì)合組合碟簧的各片變形量將依次遞減;所以在做相關(guān)計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮其摩擦力，對(duì)碟簧載荷及變形予以修正。碟簧的摩擦存在于承載邊緣以及碟簧錐面間，對(duì)于對(duì)合組合碟簧，錐面間的摩擦可以忽略不計(jì)，因此我們計(jì)算時(shí)只需考慮承載邊緣的摩擦，其摩擦系數(shù)fR=0.04。修正后單片碟簧載荷F2=F(1-fR)，計(jì)算得出F2=720 N。

根據(jù)h0/t=0.4和F2/Fc=0.69，可以查得單片碟簧在F2作用下變形量f2與壓平變形量h0的比值f2/h0=0.69，由此可以得出f2=0.72h0，計(jì)算得出f2=0.207 mm。

實(shí)際所需對(duì)合組數(shù)i=f/f1=4.8，取整i=5，即所需碟簧為5片。設(shè)計(jì)時(shí)，所需的安裝高度，即對(duì)合組合碟簧的總自由高度H=iH0=5.5 mm。

2.3 支撐塊的可靠性驗(yàn)證

該緩沖裝置的關(guān)鍵件是支撐塊，銑頭落下時(shí)，支撐塊受到銑頭重力沖擊。按照設(shè)計(jì)，1個(gè)銑頭有4處緩沖點(diǎn)，4點(diǎn)均布，1處緩沖點(diǎn)承受1/4的重力;因此我們只需要對(duì)其中之一進(jìn)行驗(yàn)證。

在此，通過(guò)設(shè)計(jì)軟件SolidWorks來(lái)完成對(duì)該零件的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。首先，建立三維模型，如圖4?？紤]到實(shí)用性因素，支撐塊的材料選用普通碳鋼。取彈性模量2.1×105MPa，泊松比0.28，屈服強(qiáng)度2.2×102MPa。

為模型添加約束，并施加750 N的載荷，然后進(jìn)行分析，結(jié)果如圖4。我們可以看到，應(yīng)力主要集中在零件截面變化的位置，而變形主要分布在零件承載沖擊力的邊緣。最大應(yīng)力為7.095×107N/m2，最大變形量0.006 9 mm。應(yīng)力以及變形可以滿足我們的設(shè)計(jì)要求。但考慮到不同銑頭重量有所差別，同時(shí)該緩沖裝置在其他位置應(yīng)用的可能性，我們需要讓該零件具有更好的通用性。因此，對(duì)支撐塊進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

改善支撐塊的應(yīng)力集中問(wèn)題，能夠有效地提高其可靠性。在截面變化處，對(duì)零件做過(guò)渡處理，如圖5增加一圈小凸臺(tái)。對(duì)改進(jìn)之后的零件依照同樣方法再次進(jìn)行分析，結(jié)果顯示:支撐塊的最大應(yīng)力為4.7×107N/m2，最大變形量0.005 6 mm。與改進(jìn)前的結(jié)果對(duì)比，應(yīng)力集中改善33%，零件最大變形量也減少了近20%。因此，在頭庫(kù)可能包含重量更大的銑頭或者該裝置應(yīng)用于其他位置時(shí)，支撐塊設(shè)計(jì)采用第二種結(jié)構(gòu)為最佳。

3 結(jié)語(yǔ)

有幾點(diǎn)需要注意:首先是緩沖點(diǎn)的設(shè)置，這需要根據(jù)實(shí)際情況確定緩沖點(diǎn)的數(shù)量，但要保證減震相對(duì)平穩(wěn)，至少需要2個(gè)以上的緩沖點(diǎn);其次是碟簧組合形式，在沖擊力過(guò)大且空間位置相對(duì)較小時(shí)，選擇合適的碟簧組合形式非常重要，這極大地影響著該裝置能夠達(dá)到的效果。

對(duì)于中高檔數(shù)控機(jī)床，工作的穩(wěn)定性要求較高，在交換銑頭的動(dòng)作中，避免一些不利因素就顯得格外重要。在配置有自動(dòng)交換銑頭的機(jī)床上應(yīng)用該減震裝置，能夠有效改善銑頭換取定位時(shí)的精度保持性，延長(zhǎng)銑頭部分元器件的壽命，消除振動(dòng)的不利影響。

［1］機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè):第2卷［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版，2004.