刀柄錐孔專用磨床的設(shè)計(jì)

高利飛

(北京精雕精密機(jī)械制造有限公司, 北京 102308)

刀柄是數(shù)控機(jī)床所需要的重要通用部件之一，直接裝于主軸上與刀具相聯(lián)接，精度及動(dòng)平衡的等級(jí)要求高，其質(zhì)量的好壞直接影響切削加工的可靠性和機(jī)床主軸的動(dòng)平衡，進(jìn)而影響加工精度和加工的表面質(zhì)量。因此刀柄須在主軸的錐孔中精確地定位，刀柄裝夾頭的錐孔與定位的錐柄有較好的同軸度，才能保證夾持的刀具有足夠的精度。

目前比較通用的刀柄形式有：BT、SK、CAPTO、BBT、HSK、ISO、KM。筆者公司主要刀具形式有BT、ISO、HSK等，用ER類彈簧夾頭，其共同特點(diǎn)為：夾頭的錐度為16°。

因刀柄的接口形式不一，定位基準(zhǔn)為圓錐面，既要保證其定位精度，又要保證安裝ER夾頭的同軸度或相對(duì)于基準(zhǔn)的跳動(dòng)，保證上述要求加工上有一定的難度。

如果用高精度的數(shù)控磨床加工，首先需改裝主軸及制作高精度的夾具系統(tǒng),而且夾緊系統(tǒng)會(huì)占用一定的軸向長(zhǎng)度，勢(shì)必會(huì)削弱系統(tǒng)的剛性，影響最終的加工精度；其次設(shè)備的利用率不高，綜合考慮后生產(chǎn)很不經(jīng)濟(jì)。如果采用普通磨床，一則改裝主軸及制作高精度的夾具系統(tǒng)，同樣也會(huì)削弱系統(tǒng)的剛度；再者需要手動(dòng)修整砂輪，手動(dòng)進(jìn)給，操作工人精神需高度集中，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，而且也只能一人一機(jī)；況且手動(dòng)修整砂輪也帶有一定的危險(xiǎn)性，沒有防護(hù)罩普通磨床，修整砂輪時(shí)砂粒的脫落可能會(huì)造成安全事故。

為解決上述問題，設(shè)計(jì)一種錐孔的專用磨床，用自動(dòng)松拉刀的主軸代替高精度的夾緊裝置，借用現(xiàn)有精雕機(jī)的電控柜，其數(shù)控系統(tǒng)的自動(dòng)補(bǔ)償功能自動(dòng)修整砂輪，可實(shí)現(xiàn)一人多機(jī)，提高工作效率和加工精度，并降低工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 刀柄錐孔的加工要求及工藝分析

1.1 加工要求

刀柄的材料為合金結(jié)構(gòu)鋼，20CrMnMo相當(dāng)于日本的牌號(hào)：SNCM220，經(jīng)滲碳淬火加回火后硬度為58～62 HRC。最后錐孔精加工的尺寸如圖1所示。

刀柄的上部為BT30刀柄的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，可參見GB/T 10944.1-2013, 其7∶24錐度的角度尺寸精度為AT3級(jí)。以其為基準(zhǔn)，裝ER夾頭的錐孔根據(jù)使用要求采用了不同的公差等級(jí)，相對(duì)于基準(zhǔn)A的跳動(dòng)為

0.003 mm，3級(jí)公差，主要保證刀具最終相對(duì)于主軸的跳動(dòng),粗糙度Ra0.8 μm,角度16°公差為AT4級(jí)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，其公差為26＂，主要與彈簧卡頭接觸夾緊刀具，適當(dāng)降低了公差等級(jí)。

1.2 工藝分析

刀柄錐孔的角度公差與相對(duì)于基準(zhǔn)的跳動(dòng)公差要求較高，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)為錐柄，擬采用精車后精磨加工，且工藝基準(zhǔn)與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)正好重合，容易保證最終的尺寸與形位公差的要求。

以錐柄為基準(zhǔn)，既需要準(zhǔn)確定位又需要旋轉(zhuǎn)磨削，采用高精度的自動(dòng)松拉刀的主軸可滿足需求，且自動(dòng)松拉刀的主軸可自動(dòng)清潔主軸錐孔，保證每次定位的準(zhǔn)確性與可靠性。如果更換不同類型的工件時(shí)可直接更換所需主軸，主軸直徑的變化可以用變徑套來調(diào)節(jié)，驅(qū)動(dòng)主軸的變頻器可通過改變參數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

2 機(jī)床的配置及關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)床的配置

專用機(jī)床的配置形式受到被加工件的結(jié)構(gòu)形式、加工要求、裝夾形式、導(dǎo)向精度及生產(chǎn)率等多種因素的影響。此刀柄的錐孔只有一道工序，但精度要求較高，考慮到加工效率、加工質(zhì)量及加工成本等要求，采用自產(chǎn)的電控柜、主軸及自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)可滿足需求。具體的配置如圖2。

圖2中，工件直接裝入Z軸電主軸15的錐孔中，可保證工件準(zhǔn)確的定位，砂輪磨頭裝入X軸電主軸11中，金剛筆14利用Z軸的來回移動(dòng)可對(duì)砂輪進(jìn)行修整，數(shù)控系統(tǒng)對(duì)修整的量自動(dòng)補(bǔ)償給X的進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)磨削。X軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)12驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成X軸滑動(dòng)底座的直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)上面的電動(dòng)機(jī)及磨頭前后運(yùn)動(dòng)，在滑動(dòng)底座與基座中安裝滾動(dòng)導(dǎo)軌。同理，在Z軸導(dǎo)軌防護(hù)罩13的下面放置Z軸驅(qū)動(dòng)電動(dòng)動(dòng)機(jī)及絲杠等組件負(fù)責(zé)Z軸的直線運(yùn)動(dòng)?？赊D(zhuǎn)動(dòng)底板16下面放置銷子，利用前調(diào)整螺絲18和后調(diào)整螺絲21可微調(diào)Z軸電動(dòng)機(jī)的角度，百分表17可讀微調(diào)的數(shù)值作為調(diào)整量的參考，鎖緊壓緊板19上螺釘將調(diào)整好的角度固定，保持在加工中不改變，冷卻噴頭23可冷卻工件與金剛筆，保證尺寸精度。

2.2 冷卻滑潤(rùn)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

磨削和修整砂輪時(shí)需要冷卻，可保證尺寸的精度。采用立式單級(jí)循環(huán)泵，流量20 L/min,揚(yáng)程5 m,電壓220 V，噴出的冷卻液回流到水箱時(shí)，中間經(jīng)過磁性分離器的分離將磨屑與冷卻液分開。水箱的容積一般取3～5倍的流量，本例中水箱的設(shè)計(jì)尺寸為74.2 L,可滿足水泵的要求。

2.3 氣動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中需要?dú)庠吹挠幸韵聨滋帲簝商幷龎好芊?，一個(gè)自動(dòng)松拉刀的氣缸，一處錐孔清潔。正壓密封從總氣源中直接減壓即可，用直通閥控制；松拉刀的氣缸采用三位五通閥控制；錐孔清潔減壓后也用直通閥控制，原理圖見圖3。

2.4 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.4.1 受力計(jì)算及電動(dòng)機(jī)與絲杠副的選取

該磨床的主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)不需要嚴(yán)格的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，所以可以采用分開傳動(dòng)的方案。主運(yùn)動(dòng)全部由電主軸代替，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)軌采用滾動(dòng)導(dǎo)軌。其中系統(tǒng)中采用的滾珠絲杠加滾動(dòng)導(dǎo)軌與傳統(tǒng)的導(dǎo)軌和絲杠相比，將滑動(dòng)摩擦改為滾動(dòng)摩擦，摩擦小效率高，一般情況下其傳動(dòng)效率為90%以上；轉(zhuǎn)矩幾乎不變，所以轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)靈敏度高；磨損小，壽命長(zhǎng)。設(shè)計(jì)時(shí)的主要任務(wù)是電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠的選取與校核及關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)。

2.4.1.1 電動(dòng)機(jī)的計(jì)算選取

磨床空行程的最高速度V為15 m/min,結(jié)合生產(chǎn)批量用的滾珠絲杠，初選絲杠的導(dǎo)程Ph為5 mm，公稱直徑為20 mm，球心圓直徑d為20.75 mm?？捎?jì)算電動(dòng)機(jī)所需轉(zhuǎn)速Nm:

Nm=1 000 V/Ph

(1)

將上述參數(shù)代入得Nm= 15×1 000/5=3 000 r/min。

電動(dòng)機(jī)所需扭矩的計(jì)算，為保證系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性，計(jì)算時(shí)取進(jìn)給系統(tǒng)在加速時(shí)所需扭矩TK，相當(dāng)于所需扭矩的最大值。

TK=T1+T2+T3+T4

(2)

其中：T1為外部負(fù)荷引起的摩擦扭矩；T2為滾珠絲杠的預(yù)壓扭矩；T3為進(jìn)給系統(tǒng)加速所需扭矩；T4為其他扭矩，如加工時(shí)的扭矩或支撐軸承或油密封墊片處等的摩擦扭矩。

(3)

式中：Fa為進(jìn)給系統(tǒng)加速時(shí)所需的軸向力;A為減速比；η為滾珠絲杠的效率一般取0.9～0.95。

Fa=μmg+f+ma

(4)

式中：μ為摩擦系數(shù)；m為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)質(zhì)量；f為摩擦力；a為系統(tǒng)的加速度；g為重力加速度。

滾珠絲杠的預(yù)壓扭矩T2與預(yù)緊力Fa0和導(dǎo)程角β有關(guān),一般取基本動(dòng)額定載荷的10%。具體公式如下:

(5)

(6)

進(jìn)給系統(tǒng)加速所需扭矩T3與系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J和角加速度ξ有關(guān)。

T3=1 000Jξ

(7)

J=m(Ph/2π)2A210-6+JSA2+JB

(8)

式中：d為絲杠鋼珠中心圓直徑；A為減速比；JS為絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；JB為其他轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如聯(lián)軸節(jié)、電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子等。

根據(jù)三維造型可得Z軸上面驅(qū)動(dòng)的總質(zhì)量m為84.12 kg,導(dǎo)軌根據(jù)試驗(yàn)可得摩擦力f為20 N,μ取0.1，進(jìn)給時(shí)系統(tǒng)的加速度a為0.4 m/s2代入式(4)可得：

Fa=0.1×84.12×9.8+20+84.12×0.4=136.087 N

將此結(jié)果代入式(3)和(5)可得：

最后計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)加速的扭矩，絲杠的角加速度ζ為502.65 rad/s2，絲杠的單位轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1.23×10-3kg·cm2/mm,絲杠長(zhǎng)度為574 mm,JS= 1.23×10-3×574×10-4=70.6×10-6kg·m2，其他的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量暫不計(jì)。

J=84.12×(5/2×π)2×1×10-6+70.6×10-6=1.24×10-4kg·m2

T3=1 000×1.24×10-4×502.65=61.7 N·mm

因轉(zhuǎn)矩均為估算，已選取較大值，T4暫不計(jì)。

所以：TK=117.72+153+61.7+0=332.42 N·mm，取安全系數(shù)為2.0，則扭矩的值T=2TK=664.84 N·mm。

選取松下400 W電動(dòng)機(jī)，扭矩1 300 N·mm，額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min。

2.4.1.2 絲杠的校核

根據(jù)加工的特征，分析絲杠軸向的受力。加速時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n1=3 000 r/min,占總加工時(shí)間約為10%，取t1=10，勻速進(jìn)給時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n2=100 r/min，占總加工時(shí)間t2約為10%，取t2=10，磨削時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速n3=30 r/min，占總加工時(shí)間約為80%，取t3=80，磨削時(shí)受力主要是切向力與徑向力，軸向力可不計(jì)，所以此絲杠的加速軸向力根據(jù)上面的計(jì)算得F1=Fa=136.087 N,勻速和加工時(shí)的軸向力為：

F2=F3=F=μmg+f=102.44 N

(3)確定額定動(dòng)載荷Cam其中：

(4)Dn的校驗(yàn)，Dn=dnmax≤70 000 mm·r/min。將d=20.75 mm，nmax=3 000 r/min代入得：

Dn= 62 250 mm·r/min滿足要求。

查手冊(cè)：支承系數(shù)f=15.1，臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度根據(jù)實(shí)際情況取臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度Lc2=480 mm,溝槽底徑d2=17.2 mm，nc=107×15.1×17.2/4802=11 272 r/min，可知此值大于系統(tǒng)的最大轉(zhuǎn)速3 000 r/min滿足要求。

以上計(jì)算只選取了對(duì)系統(tǒng)影響較大的參數(shù)進(jìn)行校核，從結(jié)果可知選取導(dǎo)程為5 mm，公稱直徑為20 mm，精度為3級(jí)的雙螺母帶預(yù)緊的滾珠絲杠可以滿足使用要求。

2.4.2 動(dòng)態(tài)特性分析及優(yōu)化

進(jìn)給系統(tǒng)的固有特性是影響加工質(zhì)量的重要因素。在實(shí)際的加工中如果外部的激勵(lì)和進(jìn)給系統(tǒng)的固有頻率接近時(shí)，就容易引起共振從而影響加工的精度。所以對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究就顯的尤為重要。在進(jìn)給系統(tǒng)中有較多的零部件，其中影響較大的是滑動(dòng)底座，并且其他件的外形固定，可改動(dòng)的空間不大。因此取滑動(dòng)底座為研究對(duì)象對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析與模態(tài)分析，通過分析計(jì)算得出的固有頻率和振型，查看其抗振性能，對(duì)以后結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論的依據(jù)。

2.4.2.1 靜力學(xué)分析

利用三維軟件JDsolid建立滑動(dòng)底座的三維模型，并用其有限元模塊進(jìn)行分析，考慮到一些細(xì)節(jié)對(duì)其動(dòng)態(tài)性能不會(huì)產(chǎn)生太大的影響，對(duì)滑動(dòng)底座中的細(xì)小特征，如倒角、螺釘孔等進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化后的造型如圖4所示，中間的小平面放置絲母座，其他的4個(gè)小平面固定滾動(dòng)導(dǎo)軌的滑塊。

選擇材料為HT250,彈性模量為1.1×105MPa，泊松比為0.25，密度為7 250 kg/m3,滑動(dòng)底座在工作時(shí)受到絲母對(duì)其的牽引力以及磨削時(shí)的磨削力，所以可將與絲母座接觸的位置定義為固定約束，與滾動(dòng)導(dǎo)軌接觸的位置為位移約束，其中與絲杠平行的方向?yàn)樽杂?，其他兩個(gè)方向的位移為0，加載遠(yuǎn)端載荷z向1 000 N，x向150 N，y向100 N,將上述有限元模型提交求解，其靜力學(xué)分析結(jié)果如圖5所示。

2.4.2.2 模態(tài)分析

模態(tài)分析時(shí)只對(duì)其做位移邊界條件限制，可以借用上一步的模型，載荷不做考慮，提取滑動(dòng)底座的前六階模態(tài)，因篇幅關(guān)系，模態(tài)振型云圖省略。其前六階頻率如表1所示。

表1 滑動(dòng)底座的前六階頻率

模態(tài)階次第1階第2階第3階第4階第5階第6階頻率值/Hz1864.82116.93338.33345.13402.33969.1

通過以上靜力學(xué)與模態(tài)分析，獲得了滑動(dòng)底座的最大變形、振型和各階頻率，可以確定該滑動(dòng)底座的靜力學(xué)與模態(tài)分析結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，說明設(shè)計(jì)是合理的。但是從變形云圖與應(yīng)力云圖中可以看出，小變形區(qū)與小應(yīng)力區(qū)過多，變形與應(yīng)力較大的區(qū)域很少，且最大的變形與最大的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，且固有頻率與引起共振的頻率相差很多，可知此滑動(dòng)底座設(shè)計(jì)較為保守，其結(jié)構(gòu)有待進(jìn)這一步改進(jìn)。故利用拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)方法對(duì)其進(jìn)行以提高結(jié)構(gòu)剛度、減輕質(zhì)量為目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.4.2.3 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的一種，是根據(jù)給定的負(fù)載情況，約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法。即可以通過優(yōu)化材料分布，不改變滑動(dòng)底座的外形結(jié)構(gòu)尺寸的前提下，對(duì)其內(nèi)部的加強(qiáng)筋及壁厚進(jìn)行優(yōu)化，確定合理的位置及數(shù)量，達(dá)到優(yōu)化的結(jié)構(gòu)形式，提高剛度減輕質(zhì)量。

同樣借用上面分析的三維模型加載相同的載荷，約束與靜力分析時(shí)一致，以應(yīng)變能最小為目標(biāo)，以體積分?jǐn)?shù)為響應(yīng)提交求解。計(jì)算后顯示的灰色部分為可去除的材料，分布圖如圖6所示。

結(jié)合常規(guī)鑄件的設(shè)計(jì)要求及拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果，對(duì)滑動(dòng)底座進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改，考慮到z向的力為雙向的，暫不去除斜向加強(qiáng)筋，最終改進(jìn)后的滑動(dòng)底座的結(jié)構(gòu)如圖7所示。

為了驗(yàn)證拓?fù)鋬?yōu)化的效果，對(duì)優(yōu)化后的滑動(dòng)底座進(jìn)行靜力分析與模態(tài)分析。其靜力學(xué)分析變形云圖如圖8所示，從質(zhì)量、變形和前六階頻率三方面對(duì)比，如表2和表3。

表2 拓?fù)鋬?yōu)化后滑動(dòng)底座性能分析對(duì)比表

滑動(dòng)底座質(zhì)量/kg最大變形/mm原型20.977.88×10-4拓?fù)鋬?yōu)化后17.597.58×10-4

表3 拓?fù)鋬?yōu)化后滑動(dòng)底座的前六階頻率對(duì)比表

Hz

由上表1、2可知，滑動(dòng)底座經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后，與原型滑動(dòng)底座相比，其質(zhì)量減小了16.12%，最大變形量因很小略有減小，第1階頻率提高了3%，經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化使滑動(dòng)底座的結(jié)構(gòu)形態(tài)分布更加合理，達(dá)到了減輕質(zhì)量，增加承載能力的目的，也為其他機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

3 工作循環(huán)

機(jī)床加工時(shí)的工作循環(huán)如下：按下手動(dòng)松拉刀按鈕，在Z軸的自動(dòng)松拉刀的主軸上裝入工件即要磨削內(nèi)孔的刀柄，程序啟動(dòng)后，先自動(dòng)修整砂輪兩次，將此值補(bǔ)償?shù)綌?shù)控系統(tǒng)中，自動(dòng)進(jìn)給自動(dòng)磨削工件，完成后回到初始位置，工人只需上下工件即可，中間不需干預(yù)。

因篇幅關(guān)系只選取了磨工件的子程序，見圖9。

4 結(jié)語(yǔ)

該專用磨床通過分析加工工件的特點(diǎn)，選用高精度的主軸夾緊工件，保證工件的加工精度與批次質(zhì)量，操作簡(jiǎn)單，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，使加工的產(chǎn)品尺寸更加精確，質(zhì)量更優(yōu)，提高了生產(chǎn)效率，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用價(jià)值。在設(shè)計(jì)過程中對(duì)關(guān)鍵的零件滑動(dòng)底座進(jìn)行了動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)更加合理，對(duì)其他的機(jī)床設(shè)計(jì)提供了有益的參考。

[1]王文斌.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2005.