1 引言 目前，鐵路列車大幅度提速，要求提速后的車輪單輪不平衡量為70g·m，車輪的幅板、輪轂等以前不加工的回轉(zhuǎn)曲面均需要加工，原有只能加工車輪內(nèi)外輪輞面、法蘭面、踏面的液壓仿形機(jī)床已不能滿足提速后車輪的加工需要。經(jīng)過對車輪加工工藝路線反復(fù)的研究，決定在液壓仿形機(jī)床基礎(chǔ)上進(jìn)行數(shù)控化改造，在原有機(jī)床垂直刀架上增加設(shè)計(jì)一套四工位自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀臺(tái)，以滿足車輪表面全加工的生產(chǎn)需要。車輪的單邊余量為8～10mm，經(jīng)計(jì)算本機(jī)床主切削力為25kN，考慮到車輪加工中超負(fù)荷切削的情況，主切削力定為30kN。目前，國內(nèi)數(shù)控車床中，主切削力為30kN的四工位自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀臺(tái)尚無現(xiàn)貨供應(yīng)，我廠現(xiàn)有的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀臺(tái)主切削力最大為20kN。根據(jù)市場需要，決定在現(xiàn)有刀臺(tái)基礎(chǔ)上開發(fā)、研制主切削力為30kN的四工位自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀臺(tái)。該刀臺(tái)需滿足下列要求：(1)定位精度、重復(fù)定位精度達(dá)到數(shù)控立式車床精度標(biāo)準(zhǔn)；(2)刀臺(tái)剛性好，滿足30kN主切削力要求。 2 刀臺(tái)結(jié)構(gòu) 本刀臺(tái)采用多齒盤定位裝置，該裝置由兩個(gè)齒數(shù)和齒形相同的端面齒盤4、5對合而成，定齒盤5與滑枕8把合在一起，動(dòng)齒盤4與回轉(zhuǎn)刀臺(tái)3固連。分度轉(zhuǎn)位時(shí)，動(dòng)齒盤4抬起與定齒盤5脫開，在壓力油作用下，活塞齒條10軸向位移，帶動(dòng)軸齒輪9回轉(zhuǎn)一周。軸齒輪9與動(dòng)齒盤4內(nèi)齒嚙合，帶動(dòng)動(dòng)齒盤4轉(zhuǎn)過一個(gè)工位，然后在碟形彈簧作用下兩齒盤4、5重新嚙合并壓緊，在夾緊油缸壓力油作用下，兩齒盤4、5得到進(jìn)一步壓緊，大多數(shù)齒都緊密接觸，可獲得很高的定位精度和重復(fù)定位精度。最后，活塞齒條10在壓力油作用下復(fù)位，完成一個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)位循環(huán)。 1.碟形彈簧 2.活塞 3.回轉(zhuǎn)刀臺(tái) 4.動(dòng)齒盤 5.定齒盤 6、7.定位板 8.滑枕 9.軸齒輪 10.塞齒條 11.緩沖銷 多齒盤定位裝置有下述特點(diǎn)：(1)分度定位精度高，可達(dá)±3，，重復(fù)定位精度高，可達(dá)±2，。(2)能自動(dòng)定心。(3)齒面磨損對定位精度影響不大，隨著不斷使用磨合，定位精度有可能改善，精度保持性好。(4)承載能力強(qiáng)，定位剛性好。本刀臺(tái)裝有粗定位板6、7，在動(dòng)齒盤4抬起過程中，軸齒輪9與動(dòng)齒盤4內(nèi)齒未嚙合時(shí)，粗定位板6、7先不脫開，在動(dòng)齒盤4內(nèi)齒與軸齒輪9嚙合后，粗定位板6、7完全脫開。該粗定位板在刀臺(tái)安裝刀夾、刀桿(最大偏載)自由狀態(tài)下及刀臺(tái)轉(zhuǎn)位過程中，遇突然停電時(shí)，起到防止刀臺(tái)轉(zhuǎn)過位或轉(zhuǎn)不到位的保護(hù)作用。在本刀臺(tái)自動(dòng)轉(zhuǎn)位裝置中，通過配磨緩沖銷11來控制與活塞齒條10之間的0.02～0.03mm液壓阻尼間隙，保證刀臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，在刀臺(tái)偏載向下旋轉(zhuǎn)過程中，起到防止活塞齒條10與軸齒輪9受沖擊影響，磨損較大的現(xiàn)象發(fā)生。 3 刀臺(tái)設(shè)計(jì)計(jì)算 1) 夾緊力的計(jì)算 夾緊力W應(yīng)保證在工作載荷下仍保持齒盤的緊密配合。但夾緊力不應(yīng)過大，否則會(huì)引起齒盤變形而降低定位精度。 正切時(shí)夾緊力W計(jì)算為 式中S——安全系數(shù)，一般取S=1～1.5，若工作條件平穩(wěn)、沖擊負(fù)荷小，則S取小值(本文取S=1.3) Pz——切削力(Px=Py=0.5Pz=15000N) Mn齒盤承受的扭矩(Mn=0.3-Py-0.23Px=1050N·m) Mr——齒盤承受的顛覆力矩 Fr——齒盤承受的徑向力(在嚙合節(jié)平面內(nèi))[Fr=(Px2+Py2]½=20 237N F0——齒盤承受的軸向力(F0=Fz=30 000N) R——齒盤節(jié)圓半徑(R-180mm) β——齒形角(β=60°) ρ——摩擦角(ρ=3°) 上式代入數(shù)值，正切時(shí)W=47.3kN。實(shí)際取夾緊力W為50kN，其中碟形彈簧夾緊力為30kN；夾緊油缸夾緊力為20kN，采用碟形彈簧機(jī)械夾緊為主，液壓夾緊為輔的夾緊方式，保證刀臺(tái)夾緊安全可靠。 2) 驗(yàn)算多齒盤齒面擠壓應(yīng)力 本刀臺(tái)的關(guān)鍵零件之一是多齒盤，它的剛性能否滿足設(shè)計(jì)要求，將直接影響本刀臺(tái)的定位精度和使用壽命。齒盤齒面擠壓應(yīng)力σij的計(jì)算公式為 式中σij——齒面擠壓應(yīng)力，N/mm2 Z'——計(jì)算齒數(shù)(Z'=0.5 Z=0.5×120=60) B——齒寬(B=25mm) h0——齒的嚙合高度(h0=4.2mm) W——夾緊力，N Ss——安全系數(shù)(取Ss=1.3) [σ]ij——齒面許用擠壓應(yīng)力(齒面淬硬的取[σ]ij=40N/mm2) 代入數(shù)值，σij=34.2(N/mm2)<[σ]ij 為了保證多齒盤的定位精度和剛度，對多齒盤作如下技術(shù)要求：多齒盤材料采用40Cr，齒部滲氮D0.3-600后磨齒加工；齒寬接觸率為70%以上；齒高接觸為嚙合高度85%以上；兩齒盤在任意位置嚙合時(shí)的接觸齒數(shù)應(yīng)在90%以上，接觸不良的齒不毗連。 通過上述理論計(jì)算及生產(chǎn)實(shí)踐驗(yàn)證，本刀臺(tái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理，定位精度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。在試切“車輪踏面”的30kN主切削力的重切試驗(yàn)中，一次試切成功。該機(jī)床現(xiàn)已聯(lián)結(jié)在鐵路車輪生產(chǎn)線上，正式投入生產(chǎn)使用，得到用戶一致好評(píng)。 4 結(jié)束語 對原車輪生產(chǎn)線中加工車輪的兩臺(tái)液壓仿形機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，在原機(jī)床垂直刀架上增加設(shè)計(jì)一套主切削力為30kN的四工位自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀臺(tái)，與購買兩臺(tái)帶有自動(dòng)換刀刀庫的車削中心相比有下述優(yōu)點(diǎn)：(1)利用原車輪生產(chǎn)線中的現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行數(shù)控化改造，既節(jié)約了資金，降低了成本，又避免造成資源浪費(fèi)。(2)設(shè)計(jì)、制造、交貨周期短。本刀臺(tái)現(xiàn)已推廣應(yīng)用于CK5116、CK5120、CK5225等數(shù)控機(jī)床上，效果理想。