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主軸鬆拉刀機構改進（jìn）設計及應用

2020-12-4 來源：沈機集團昆（kūn）明機床股份（fèn）有限公司作者：徐建平王維尹作升周星興孫薇

摘要：自動鬆拉刀機構作為數控機床自動換（huàn）刀必備（bèi）功能部件之一，其安裝於主軸箱上，通過機床主軸內置碟簧組件實現拉（lā）刀、液壓係統提供鬆刀力的機構。常規的（de）鬆刀機構通過液壓活塞和油缸組成，鬆刀時（shí）鬆刀力推動碟簧壓縮並前移鬆刀，此時鬆刀力傳遞到（dào）主（zhǔ）軸至主（zhǔ）軸軸承，導致鬆刀（dāo）時軸承變形較大且軸承經常受力而影響軸承精度及使用壽命。針對上述存在問題，文中（zhōng）介紹了一種新型的主軸鬆拉刀機構（gòu），以解決（jué）鬆刀力引起的（de）問題。

關鍵詞（cí）：主軸軸承；鬆（sōng）拉刀結構；軸承變形；油缸

主軸鬆拉（lā）刀機構實現（xiàn）機床刀具在主軸上（shàng）的自動鬆（sōng）開夾緊，作為機（jī）床（chuáng）關鍵部件之一，其結構及穩定性等（děng）性能一直（zhí）是機床設計的主要考慮內容之一。目前鬆刀力通常通過氣動增壓缸與液壓油缸實現，拉刀力則主要通過碟形彈簧形變提供。以前大多數加工（gōng）中心的主（zhǔ）軸鬆拉刀的（de）鬆刀力沿主軸作用在主軸軸承上，頻繁換（huàn）刀過程中鬆刀力對主軸軸承的精度和使用壽命存在很大的（de）影響［１］，如何減少鬆刀力對（duì）主（zhǔ）軸軸承的影響是解（jiě）決（jué）存在問題的關（guān）鍵。而拉刀機構則是（shì）實現主軸換刀後（hòu）鎖緊刀具的功（gōng）能部件，拉（lā）爪的結構形式及精度穩定性對（duì）主軸拉刀（dāo）重複精度影響也很大，ＯＴＴ－ＪＡＫＯＢ公司生產的拉爪部件目前（qián）在（zài）國際上技術優勢較（jiào）為明顯［２］。目前國內多家廠家生產機床（chuáng）主軸選用台（tái）灣生產成套主軸，其結構及精度性能均有（yǒu）較好的保障。對於精密機床研製生產的（de）傳統企（qǐ）業，根（gēn）據主軸自動鬆拉刀機構存在的問題，展開難題攻關，已成功解決存在問題，文中詳細介紹（shào）了（le）相（xiàng）關方案。

１、主軸前端結構

主軸軸承安裝結構（gòu）如圖１所（suǒ）示，主軸作（zuò）為機床切削的主要切削力提供單元，在（zài）旋轉過程中在傳遞主軸箱提供相應的功力轉矩至刀具進（jìn）行加工的同時需保證其自身的旋轉精（jīng）度，根據機床的功率扭矩需求（qiú），參考機床設計手冊（cè）［３］，機床主軸軸承安裝方式為４列組配角接觸軸承背對背安裝，預緊（jǐn）方式為輕預緊。前後兩組軸（zhóu）承之間使用（yòng）內外隔套支撐（chēng），內外（wài）隔套長度尺寸一致性（xìng）有很高的（de）要求，後軸承使用定位並緊組合螺母實現主軸軸承的預（yù）緊。

從總體結構看出，主（zhǔ）軸軸（zhóu）承支（zhī）撐（chēng）主軸旋轉且保持其精度（dù）的（de）同時，還承擔切削過程中的軸向力。後推軸向力由前軸承主要承載，鬆刀時的鬆刀力則由後軸承承載。頻繁的換刀的鬆（sōng）刀力（lì）便（biàn）會影響主（zhǔ）軸軸（zhóu）承的精度及使（shǐ）用壽命。

圖１主軸軸承安裝結構圖

主軸前端設置有按設計（jì）及用戶要求的錐孔，已提供（gòng）機床刀具（jù）刀柄定位（wèi），錐孔後端（duān）的拉爪（zhǎo）連接拉刀機構，通過碟簧回彈拉緊拖動拉爪後移（yí）拉緊刀柄後部拉釘實現刀具夾緊。

２、拉爪機構改進

拉刀機構（gòu）拉爪改進結（jié）構如圖（tú）２所示，原機床（以ＢＴ刀柄拉釘為例）拉爪加工後切為４片，尾部形狀與拉刀杆配合，前部形（xíng）狀以拉釘為準，鬆（sōng）拉刀時前後移動實現張開合攏實現刀柄的鬆開夾緊（jǐn）功能，但４瓣拉爪在（zài）使用過程中存在圓周方向位置不穩定的情況，導致拉刀時位置精度不（bú）穩定的問題。針對上述情況進行改進，將加工好後的拉爪通過具有彈性的鋼絲彈簧固定在內置芯軸上，芯軸再安裝（zhuāng）於拉刀杆前端。

圖２拉刀機構拉爪改進結構圖

３、鬆拉刀油缸的結構改進

３．１原鬆拉刀油缸活塞機構（gòu）

根據拉刀力的設定和彈簧應力應變曲線，計（jì）算出碟簧變形所需鬆刀（dāo）力的大小，設計（jì）計算鬆刀油缸的油缸腔（qiāng）截麵積及鬆刀油壓的大小，為確保油缸密封（fēng）性能與使用壽命，機（jī）床鬆拉刀油缸及（jí）活塞（sāi）之間配合處使用（yòng）進（jìn）口特瑞堡回轉密封圈（quān）進行（háng）密封。圖３所示為改進前的鬆拉刀油缸結構圖，根據計算得出的橫截麵積與鬆拉刀相應的（de）移動尺寸進行（háng）結構設計及（jí）布局。

從圖中可以看（kàn）出，油缸後腔（qiāng）進油便可推動活塞前移，活塞前移至設定尺寸後（hòu），前端與拉刀杆接觸，並繼續前移推動拉刀杆往前推（tuī）動碟簧變形，實現主軸前端拉爪鬆開鬆刀。但該（gāi）結構推（tuī）動碟簧變形的鬆刀力直接作用於主軸前端台階後傳遞至主軸軸（zhóu）承，主軸軸（zhóu）承承載著所有（yǒu）鬆刀力後不但影響軸承的使用壽命，還會導致軸承變形使主（zhǔ）軸在換刀過程中（zhōng）存在軸向竄（cuàn）動。

圖３改（gǎi）進前的鬆拉刀油（yóu）缸裝置

３．２改進（jìn）後鬆拉刀油缸活塞機構

針（zhēn）對上述存在問題，通過對主軸（zhóu）軸（zhóu）端結構與油缸結構進行改進，改進後結（jié）構如圖４所示。修改主軸後端壓（yā）蓋，增大其徑向尺寸（cùn）；修改油缸，為滿足安裝工藝需求，將油缸整體結構改為前後兩部分，前部（bù）安裝（zhuāng）於主軸箱上後方可安裝主軸後部壓蓋。在安裝（zhuāng）過程需確（què）保圖示“拉刀時主軸與油缸座之間的（de）間隙”，以防止主軸拉刀後旋轉時與（yǔ）油缸發生摩擦。主軸後蓋安裝後需（xū）根據拉刀杆（gǎn）與（yǔ）活塞接觸台階至主軸箱之間的距離，並確定其安（ān）裝尺寸滿足拉刀（dāo）杆處於（yú）拉刀（dāo）位置與活塞相應位置是否準確（què）。

圖４主軸後端與油（yóu）缸結構修改

改進後鬆拉刀活塞油缸結構如圖５所示，鬆拉刀（dāo）油缸機（jī）構在鬆刀進油口（kǒu）進油後，推動活塞（sāi）往前移動，在活塞推動拉（lā）刀杆前移、與碟簧變形力相（xiàng）互作用過程中，由於液壓缸與主（zhǔ）軸箱連接（jiē）壓緊處使用彈簧壓緊，且壓緊力（lì）遠小於碟（dié）簧變形力，此時，在油缸腔內的液壓壓力與碟簧變形（xíng）力的共同作用下，油缸開始後移，後移如圖４所示（shì）“拉刀（dāo）時主軸（zhóu）與油缸座間隙”消除後，油缸便與主軸接觸，並且組成同一受力體。此後活塞繼續推動拉刀杆至碟簧壓縮鬆刀（dāo），此時鬆刀力在主軸＋油（yóu）缸與活塞＋碟（dié）簧之間形成一個閉環力，便不再（zài）作用於主（zhǔ）軸軸承（chéng）上。整個鬆刀過程僅在開始一階段有（yǒu）很小力作用於主軸（zhóu）軸承之上。為防止拉刀時活（huó）塞不能準確退回至最初位置，油缸前腔進油將活塞推至最初位置（zhì），從（cóng）而完成機床刀具一次鬆拉刀。

圖５改進後鬆拉刀活塞油缸結構（gòu）圖

４、結語

介紹機床主軸自動鬆拉刀係（xì）統（tǒng）的（de）改進設計，從前端改進拉爪部分結構以提高（gāo）主軸拉（lā）緊刀具的精度（dù）及其拉刀穩定性問題。通過改（gǎi）進鬆拉刀油缸機構與主（zhǔ）軸（zhóu）後端結（jié）構，以實現主軸（zhóu）鬆刀力作用於主軸軸承的卸荷功能。從而大（dà）大改善了公司自製主軸的精度（dù）及綜合性能，目前（qián）在很（hěn）大程度已取代（dài）進口主軸產品成功（gōng）應用於高精度（dù）臥式加工中心機床上（shàng）。

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