基于INVENTOR刚度分析的数控插槽机刀架结构优化设计

　　0 引言

　　数控机床是综合了微电子、计算机、自动控制、自动检测等先进技术的新型机床，与普通机床相比，数控机床不仅加工精度高，而且能更好的适应产品频繁变化的加工要求，当变更加工对象时只需要更换零件加工程序，而不需对机床作任何调整。也正因此，数控机床被广泛应用于各企业中。而随着社会分工越来越专业，各种专用加工机床也应运而生。专用机床是一种专门适用于特定零件和特定工序加工的机床，而且往往是组成自动生产线式生产制造系统中不可或缺的机床品种。数控插槽机正是数控机床与专用机床结合的结果。数控插槽机主要用来加工各种圆筒类连接件上的键和键槽，它结构简单，运动精度高，加工效率高，它通过电机带动摆线针轮减速器驱动凸轮，从而使刀架实现往复运动，实现对工件的加工。

　　虽然数控机床加工精度高，但其指的是它由计算机控制机床各种运动，通过减少人工操作带来的误差而提高加工精度，它并不能消除由机械零件本身因结构变形而带来的误差，数控插槽机所加工产品的误差中刀架的变形是主要来源。因此，对数控插槽机的刀架进行刚度分析与改进显得很有必要。

　　1 INVENTOR软件刚度特性

　　Autodesk公司设计的inventor Professional R9软件有强大的应力分析模块，该模块集成了著名的ANSYS公司的有限元分析模块。这个新功能可以在零件或者钣金环境中使用。应力分析功能是在Inventor零件环境(普通零件、钣金零件)的模型上添加工况、计算应力应变、估算安全系数和频率特性等，可创建出可保存为HTML格式的完整的分析结果报告。分析结果用不同颜色在零件图上直接标出，一目了然。在计算机软件中进行应力分析。可减少许多过去需要进行的台架试验，节省成本，提高可靠性。计算机软件的分析结果，作为定量分析时，所得到的是近似值;作为定性分析时，其结果是相当逼近真实的。因此，本文使用inventor的应力分析模块对数控插槽机的刀架进行刚度分析。

　　2 刀架结构与加工误差分析

　　2.1 刀架结构

　　刀架结构如图1所示，主要由过渡块、V形块以及刀架组成，其结构非常简单：T形螺栓4将过渡块3与刀架板连接起来，刀架板安装在工作台上，刀架5通过过渡块与工作台连接在一起，V形块2可通过内六角螺钉1粗调刀架的高度，在6处安装的螺栓可以微调刀架的高度，刀具安装在刀架的T形槽里，并通过安装在7处的螺栓夹紧。

　　图1 刀架结构图

　　2.2 加工误差分析

　　数控插槽机的各个机械运动都由数控程序控制，减少了随机误差的产生。在加工过程中，工件装夹在三爪卡盘上只作间歇式旋转，在切削过程中工件不动，由刀具往返运动来实现零件的加工需要，由刀架的结构可知，刀架是从侧面夹紧，装夹刀具部分下方无支撑，若刀架刚度不够，切削过程中很容易产生加工变形，由于插槽加工属于少切屑加工，加工余量很小，因此刀架的变形将直接反映在零件的加工误差上，从而影响产品的加工精度。另外，由于刀具有较长部分会悬伸在刀架外，刀架的变形反映到产品的加工误差上时会被放大，由此可知，刀架的刚度将对产品的加工精度产生很大的影响。

　　3 刀架的刚度分析

　　3.1 刀架的尺寸

　　刀架尺寸如下图2所示，刀架安装刀具部分长为75mm，宽30mm，高50mm，T形槽大槽宽18mm，高20mm，小槽宽5mm，槽口大小为10mm。

　　图2 刀架尺寸图
 

　　3.2 刀架的刚度分析

　　刀架材料为45钢，由ANSYS分析得刀架的变形如图3所示(固定后三面)，本分析采用以下材料特征假设：

　　线性-应力与压力成正比。

　　常数-所有特性部与温度无关。

　　均匀-特性在零件的所有部分均相同。

　　各向同性-材料特性在所有方向均相同。

　　图3 刀架的变形图

　　由以上分析可以看出，刀架在切削过程中会产生变形，这会直接导致加工误差的产生。按刀具悬伸50mm，工件长25mm算，反映在工件上的加工误差可达到最大变形的两倍。因此，增加刀架的刚度以减小其变形可以提高产品的加工精度。

　　3.3 刀架的改进

　　由零件的加工方法可知，切削力方向为刀架轴向，因此，可以将刀架左边封闭，以承受一定的切削力。另外，加厚下半部的厚度也是提高刚度的一个措施。所以，我们的改进措施是将刀架下半部加厚10mm，并且将T型槽左边封闭15mm。

　　改进后刀架的变形如图4所示。

　　图4 改进后刀架的变形图

　　由上图可以看出，改进后刀架的变形明显变小，反映到工件上的加工误差可以减小近45%。

　　4 结论

　　企业要在当前多变的市场、激烈竞争的环境中生存和发展，就必须让自己的产品以最低的价格、最好的质量来满足市场的需求。产品的质量直接由机床的加工精度决定，若购买整套加工设备虽然可以保证产品质量，但是整套设备的价格昂贵，不符合中小企业的利益。所以，将旧床进行改造并进行关键部位的分析改进，不仅节约资金，而且可以保证产品的质量以满足市场的要求。本次数控插槽机刀架的改进正是基于此，不仅改进成本低廉，而且可以大大提高产品的质量，成效显著。

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