数控车床自动转位刀台设计
1、引言 目前，铁路列车大幅度提速，要求提速后的车轮单轮不平衡量为70gm，车轮的幅板、轮毂等以前不加工的回转曲面均需要加工，原有只能加工车轮内外轮辋面、法兰面、踏面的液压仿形机床已不能满足提速后车轮的加工需要。经过对车轮加工工艺路线反复的研究，决定在液压仿形机床基础上进行数控化改造，在原有机床垂直刀架上增加设计一套四工位自动转位刀台，以满足车轮表面全加工的生产需要。车轮的单边余量为8～10mm，经计算本机床主切削力为25kN，考虑到车轮加工中超负荷切削的情况，主切削力定为30kN。目前，国内数控车床中，主切削力为30kN的四工位自动转位刀台尚无现货供应，我厂现有的自动转位刀台主切削力最大为20kN。根据市场需要，决定在现有刀台基础上开发、研制主切削力为30kN的四工位自动转位刀台。该刀台需满足下列要求：（1）定位精度、重复定位精度达到数控立式车床精度标准；（2）刀台刚性好，满足30kN主切削力要求。 2、刀台结构 本刀台采用多齿盘定位装置，该装置由两个齿数和齿形相同的端面齿盘4、5对合而成，定齿盘5与滑枕8把合在一起，动齿盘4与回转刀台3固连。分度转位时，动齿盘4抬起与定齿盘5脱开，在压力油作用下，活塞齿条10轴向位移，带动轴齿轮9回转一周。轴齿轮9与动齿盘4内齿啮合，带动动齿盘4转过一个工位，然后在碟形弹簧作用下两齿盘4、5重新啮合并压紧，在夹紧油缸压力油作用下，两齿盘4、5得到进一步压紧，大多数齿都紧密接触，可获得很高的定位精度和重复定位精度。最后，活塞齿条10在压力油作用下复位，完成一个自动转位循环。
1.碟形弹簧 2.活塞 3.回转刀台 4.动齿盘 5.定齿盘 6、7.定位板 8.滑枕 9.轴齿轮 10.塞齿条 11.缓冲销
多齿盘定位装置有下述特点：（1）分度定位精度高，可达±3，，重复定位精度高，可达±2，。（2）能自动定心。（3）齿面磨损对定位精度影响不大，随着不断使用磨合，定位精度有可能改善，精度保持性好。（4）承载能力强，定位刚性好。本刀台装有粗定位板6、7，在动齿盘4抬起过程中，轴齿轮9与动齿盘4内齿未啮合时，粗定位板6、7先不脱开，在动齿盘4内齿与轴齿轮9啮合后，粗定位板6、7完全脱开。该粗定位板在刀台安装刀夹、刀杆（最大偏载）自由状态下及刀台转位过程中，遇突然停电时，起到防止刀台转过位或转不到位的保护作用。在本刀台自动转位装置中，通过配磨缓冲销11来控制与活塞齿条10之间的0.02～0.03mm液压阻尼间隙，保证刀台转动平稳，在刀台偏载向下旋转过程中，起到防止活塞齿条10与轴齿轮9受冲击影响，磨损较大的现象发生。 3、刀台设计计算 （1）夹紧力的计算 夹紧力W应保证在工作载荷下仍保持齿盘的紧密配合。但夹紧力不应过大，否则会引起齿盘变形而降低定位精度。 正切时夹紧力W计算为：
式中S——安全系数，一般取S=1～1.5，若工作条件平稳、冲击负荷小，则S取小值（本文取S=1.3） Pz——切削力（Px=Py=0.5Pz=15000N） Mn齿盘承受的扭矩（Mn=0.3-Py-0.23Px=1050N·m） Mr——齿盘承受的颠覆力矩
Fr——齿盘承受的径向力（在啮合节平面内）[Fr=（Px2+Py2]½=20 237N F0——齿盘承受的轴向力（F0=Fz=30 000N） R——齿盘节圆半径（R-180mm） β——齿形角（β=60°） ρ——摩擦角（ρ=3°） 上式代入数值，正切时W=47.3kN。实际取夹紧力W为50kN，其中碟形弹簧夹紧力为30kN；夹紧油缸夹紧力为20kN，采用碟形弹簧机械夹紧为主，液压夹紧为辅的夹紧方式，保证刀台夹紧安全可靠。 （2）验算多齿盘齿面挤压应力 本刀台的关键零件之一是多齿盘，它的刚性能否满足设计要求，将直接影响本刀台的定位精度和使用寿命。齿盘齿面挤压应力σij的计算公式为
式中σij——齿面挤压应力，N/mm2 Z´——计算齿数（Z=0.5 Z=0.5×120=60） B——齿宽（B=25mm） h0——齿的啮合高度（h0=4.2mm） W——夹紧力，N Ss——安全系数（取Ss=1.3） [σ]ij——齿面许用挤压应力（齿面淬硬的取[σ]ij=40N/mm2） 代入数值，σij=34.2（N/mm2）＜[σ]ij 为了保证多齿盘的定位精度和刚度，对多齿盘作如下技术要求：多齿盘材料采用40Cr，齿部渗氮D0.3-600后磨齿加工；齿宽接触率为70%以上；齿高接触为啮合高度85%以上；两齿盘在任意位置啮合时的接触齿数应在90%以上，接触不良的齿不毗连。 通过上述理论计算及生产实践验证，本刀台设计结构合理，定位精度和刚度满足设计要求。在试切“车轮踏面”的30kN主切削力的重切试验中，一次试切成功。该机床现已联结在铁路车轮生产线上，正式投入生产使用，得到用户一致好评。 4、结束语 对原车轮生产线中加工车轮的两台液压仿形机床进行数控化改造，在原机床垂直刀架上增加设计一套主切削力为30kN的四工位自动转位刀台，与购买两台带有自动换刀刀库的车削中心相比有下述优点：（1）利用原车轮生产线中的现有设备进行数控化改造，既节约了资金，降低了成本，又避免造成资源浪费。（2）设计、制造、交货周期短。本刀台现已推广应用于CK5116、CK5120、CK5225等数控机床上，效果理想。
1.碟形弹簧 2.活塞 3.回转刀台 4.动齿盘 5.定齿盘 6、7.定位板 8.滑枕 9.轴齿轮 10.塞齿条 11.缓冲销多齿盘定位装置有下述特点：（1）分度定位精度高，可达±3，，重复定位精度高，可达±2，。（2）能自动定心。（3）齿面磨损对定位精度影响不大，随着不断使用磨合，定位精度有可能改善，精度保持性好。（4）承载能力强，定位刚性好。本刀台装有粗定位板6、7，在动齿盘4抬起过程中，轴齿轮9与动齿盘4内齿未啮合时，粗定位板6、7先不脱开，在动齿盘4内齿与轴齿轮9啮合后，粗定位板6、7完全脱开。该粗定位板在刀台安装刀夹、刀杆（最大偏载）自由状态下及刀台转位过程中，遇突然停电时，起到防止刀台转过位或转不到位的保护作用。在本刀台自动转位装置中，通过配磨缓冲销11来控制与活塞齿条10之间的0.02～0.03mm液压阻尼间隙，保证刀台转动平稳，在刀台偏载向下旋转过程中，起到防止活塞齿条10与轴齿轮9受冲击影响，磨损较大的现象发生。 3、刀台设计计算 （1）夹紧力的计算 夹紧力W应保证在工作载荷下仍保持齿盘的紧密配合。但夹紧力不应过大，否则会引起齿盘变形而降低定位精度。 正切时夹紧力W计算为：
式中S——安全系数，一般取S=1～1.5，若工作条件平稳、冲击负荷小，则S取小值（本文取S=1.3） Pz——切削力（Px=Py=0.5Pz=15000N） Mn齿盘承受的扭矩（Mn=0.3-Py-0.23Px=1050N·m） Mr——齿盘承受的颠覆力矩 Fr——齿盘承受的径向力（在啮合节平面内）[Fr=（Px2+Py2]½=20 237N F0——齿盘承受的轴向力（F0=Fz=30 000N） R——齿盘节圆半径（R-180mm） β——齿形角（β=60°） ρ——摩擦角（ρ=3°） 上式代入数值，正切时W=47.3kN。实际取夹紧力W为50kN，其中碟形弹簧夹紧力为30kN；夹紧油缸夹紧力为20kN，采用碟形弹簧机械夹紧为主，液压夹紧为辅的夹紧方式，保证刀台夹紧安全可靠。 （2）验算多齿盘齿面挤压应力 本刀台的关键零件之一是多齿盘，它的刚性能否满足设计要求，将直接影响本刀台的定位精度和使用寿命。齿盘齿面挤压应力σij的计算公式为 式中σij——齿面挤压应力，N/mm2 Z´——计算齿数（Z=0.5 Z=0.5×120=60） B——齿宽（B=25mm） h0——齿的啮合高度（h0=4.2mm） W——夹紧力，N Ss——安全系数（取Ss=1.3） [σ]ij——齿面许用挤压应力（齿面淬硬的取[σ]ij=40N/mm2） 代入数值，σij=34.2（N/mm2）＜[σ]ij 为了保证多齿盘的定位精度和刚度，对多齿盘作如下技术要求：多齿盘材料采用40Cr，齿部渗氮D0.3-600后磨齿加工；齿宽接触率为70%以上；齿高接触为啮合高度85%以上；两齿盘在任意位置啮合时的接触齿数应在90%以上，接触不良的齿不毗连。 通过上述理论计算及生产实践验证，本刀台设计结构合理，定位精度和刚度满足设计要求。在试切“车轮踏面”的30kN主切削力的重切试验中，一次试切成功。该机床现已联结在铁路车轮生产线上，正式投入生产使用，得到用户一致好评。 4、结束语 对原车轮生产线中加工车轮的两台液压仿形机床进行数控化改造，在原机床垂直刀架上增加设计一套主切削力为30kN的四工位自动转位刀台，与购买两台带有自动换刀刀库的车削中心相比有下述优点：（1）利用原车轮生产线中的现有设备进行数控化改造，既节约了资金，降低了成本，又避免造成资源浪费。（2）设计、制造、交货周期短。本刀台现已推广应用于CK5116、CK5120、CK5225等数控机床上，效果理想。
