基于自动换刀装置的数控钻攻中心研究

蒋辉东 尹建贺 郑胜华 胡胜来

（宣城市建林机械有限公司，宣城 242057）

1 研究背景

随着科技水平的发展，制造业对机加工精度的要求也越来越高，传统机加工设备早已无法满足日益严格的工艺需求，因此，诞生了数控机床这种自动化程度极高的机加工设备，数控机床采用数控系统自动控制机床的切削、进给等动作，能够实现切削量的精准控制，同时能够大大提高生产效率。加工中心是一种自动化程度更高的数控机床，能够将铣削、钻孔等对种工序相结合，多工序一次性切削成型，自动化程度极高，然而，这种突出的优越性也注定其制造和使用成本较高，一台加工中心的售价往往高达上百万，一般的中小企业无法承担如此高昂的成本。基于此，研发一种小型化、成本低、多用途的钻攻中心具有现实意义。

2 设计技术方案

一种钻攻中心，包括底座上设置的十字滑台，以及十字滑台上方沿竖直方向往复运动的机头，所述机头包括机箱以及转动设置在机箱上的刀盘，机箱上还设有用于驱动刀盘转动的第一驱动单元，所述刀盘的周面上间隔设置有多个用于装夹刀具的切削主轴，各切削主轴沿刀盘径向转动设置且各切削主轴内端均设有齿轮；所述刀盘沿自身轴线方向伸缩设置，且机箱上设有用于驱动刀盘伸缩的第二驱动单元；所述机箱上还设有过渡齿轮，所述过渡齿轮与机箱上设置的第三驱动单元构成传动配合，所述第一驱动单元、第二驱动单元驱动刀盘旋转、伸缩的过程中，能够使各切削主轴内端的齿轮与所述过渡齿轮交替啮合。

3 实施方式

如图2、5、6、8所示，一种钻攻中心，包括底座50上设置的十字滑台53，以及十字滑台53上方沿竖直方向往复运动的机头，如图3、4所示，所述机头包括机箱10以及转动设置在机箱10上的刀盘20，机箱上还设有用于驱动刀盘20转动的第一驱动单元30，所述刀盘20的周面上间隔设置有多个用于装夹刀具的切削主轴23，各切削主轴23沿刀盘20径向转动设置且各切削主轴23内端均设有齿轮24；刀盘20沿自身轴线方向伸缩设置，且机箱10上设有用于驱动刀盘20伸缩的第二驱动单元；机箱10上还设有过渡齿轮41，过渡齿轮41与机箱上设置的第三驱动单元40构成传动配合，第一驱动单元30、第二驱动单元驱动刀盘20旋转、伸缩的过程中，能够使各切削主轴23内端的齿轮24与所述过渡齿轮41交替啮合。

进一步来说，如图5、6所示，所述刀盘20与一转轴11同轴固定，转轴11周向转动、轴向滑动设置在机箱10上，第一驱动单元30驱动转轴11周向转动，第二驱动单元驱动转轴11轴向滑动，机箱10上固定设置有与转轴11同轴的定齿盘17，转轴11或刀盘20上设置有动齿盘27，动齿盘27与转轴11和刀盘20相对固定，当转轴11沿轴向滑动时，能够使动齿盘27和定齿盘17啮合或分离。动齿盘27和定齿盘17相互啮合能够确保各切削主轴23精准定位，在加工过程中刀盘20不会产生任何转动，加工精度得到保证。

如图5、6所示，第二驱动单元包括机箱10上设置的与机箱10壳体一体式加工成型的液压缸缸体12，转轴11上设有活塞13，所述活塞13在缸体12内与缸体12构成滑动配合，如图4所示，机箱10壳体内部设有用于连通缸体12内腔与液压源的液压管路14。本设计的液压缸与机箱10一体式铸造成型，结构紧凑，避免产生装配误差，运动精度得以保证。

第一驱动单元30为伺服电机，伺服电机的主轴通过第一减速齿轮组31与转轴11上设置的从动齿轮32构成传动配合；转轴11上还设有信号轮15，机箱10上设有传感器16，信号轮15与转轴11相对固定设置，信号轮15的外环面呈阶梯状，且信号轮15其中一个端面的边缘处设有一轴向延伸的凸块151，传感器16包括与信号轮15端面相对的第一传感器161，与信号轮15外环面相对的第二传感器162，以及与凸块151相对的第三传感器163，传感器16的信号输出端以及伺服电机的驱动信号输入端均与数控系统相连。伺服电机配合数控系统能够精准控制旋转角度，省去了传统刀盘的分度结构，提高了设备的稳定性。第一传感器161通过检测信号轮15端面的位移来检测刀盘20的锁紧动作（即动齿盘与定齿盘的啮合动作）；第二传感器162通过检测信号轮15台阶面的位移来检测刀盘20的脱开动作（即动齿盘与定齿盘的分离动作），第三传感器163通过检测凸块151的位置来检测刀盘20的零点位置，用于刀盘20复位。

转轴11贯穿机箱10内腔且转轴11两端分别从机箱10前后两端悬伸而出，刀盘20安装在机箱10前端悬伸的转轴11上，液压缸缸体12位于机箱10后端，信号轮15及活塞13安装在机箱10后端悬伸的转轴11上，从动齿轮32及第一减速齿轮组31均位于机箱10内部。

刀盘20包括与转轴11端部固接的端板21，以及安装在该端板21上的环状壳体22，环状壳体22向机箱10所在一侧悬伸设置，各切削主轴20均安装在该环状壳体22上，动齿盘27安装在该环状壳体22内端，定齿盘17固定在机箱10前端的壳壁上。

如图6、7所示，环状壳体22与机箱10前端壳壁之间设有动密封装置，动密封装置包括定齿盘17外围的机箱10壳壁上设置的密封环18，密封环18外端设有环形凸部，环状壳体22内端设有环形卡槽，环形凸部插接在环形卡槽内且二者构成间隙配合，环形凸部的侧壁上设有环形槽，该环形槽内设有密封圈181。加工中心所处环境中往往存在铁削等杂物，这些杂物进入机箱10内部会导致传动机构加速磨损，设置动密封装置能够避免铁削从刀盘20与机箱10之间的缝隙中进入机箱10内部。机箱10前端的壳壁上还设有过渡齿轮座19，过渡齿轮座19包括机箱10壳壁上凸伸设置的套管，套管的下方外壁上设有向下凸伸的短轴191，过渡齿轮41安装在该短轴191上，机箱10前端壳壁上还设有与过渡齿轮41位置相对应的条形孔，过渡齿轮41通过该条形孔与机箱10内设置的第二减速齿轮组42的末端齿轮43啮合，该第二减速齿轮组42的输入端与一主轴电机相连，该主轴电机即为第三驱动单元40。

图1 数控钻攻中心图

图2 数控钻攻底座图

图3 数控钻攻转动设置图

图4 图3数控钻攻机头图

图5 液压缸缸体图

图6 液压缸缸体平面图

如图2所示，底座50上设有立式支架51，立式支架51上设有两条相互平行且竖直设置的滑轨52，机头的背侧设有与滑轨52配合的滑槽，机头与立式支架51之间设有用于驱动机头上下滑动的丝杆螺母机构55。如图1所示，十字滑台53四周设有围板56，其中前侧的围板56上设有移门57，围板56的上边缘位于立式支架51的中段，略高于切削主轴23工作状态时刀具的位置。

图7 动密封装置图

图8 钻攻中心图

4 实施效果

刀盘上可安装多种不同类型的刀具，加工过程中，切换不同地切削主轴与过渡齿轮啮合，就能实施不同种类的加工工序，本设计换刀节奏平稳，且传动结构简单，使用成本较低，适合推广应用。

5 结论

社会的发展促进了生产力的提高，但目前生产力的进一步提高受现有机械设备的限制，现有机械设备运营成本高，且型号大，不利于大面积推广，而本文出于对这些方面的考虑，设计一种钻攻中心，其具有小型化、成本低的特点，在很大程度上可以促进生产力进一步提高。本设计在加工过程中可以切换不同地切削主轴与过渡齿轮啮合，实施不同种类的加工工序，本设计研究换刀节奏平稳，且传动结构简单，有利于在生产中大面积推广。