加工中心主軸拉刀機構(gòu)的設(shè)計與研究*

郭翠娟 鄧 鑫

(科德數(shù)控股份有限公司，遼寧 大連 116600)

拉刀機構(gòu)是可自動換刀的主軸關(guān)鍵部件之一，隨著機床自動化程度越來越高，帶有可自動換刀功能的電主軸成為加工中心的主流產(chǎn)品。拉刀機構(gòu)是實現(xiàn)自動換刀功能的關(guān)鍵零部件，其應(yīng)用越來越普遍?，F(xiàn)階段國內(nèi)自己設(shè)計生產(chǎn)拉刀機構(gòu)的主軸或機床企業(yè)非常少,絕大部分采用國外進口，貨期長，價格貴。本文針對拉刀機構(gòu)的實現(xiàn)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計方面對其進行了詳細闡述,為自主設(shè)計拉刀機構(gòu)提供了依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)組成及動作原理

主軸拉刀機構(gòu)通常由前端拉爪、拉丁、拉桿、彈簧及相應(yīng)結(jié)構(gòu)件組成。如圖1所示，主要完成刀具的抓取及松開動作。

刀具的拉緊過程是彈簧彈開，將拉桿向后頂，拉丁隨拉桿向后移動，同時將拉爪撐開，拉爪卡住刀柄的內(nèi)扣槽，將刀柄拉緊。其中拉緊力由彈簧產(chǎn)生，通過前端的增力機構(gòu)放大，實現(xiàn)刀具的穩(wěn)固夾緊，增力機構(gòu)主要存在于拉爪和刀柄之間以及拉爪和拉丁之間。刀具的松開通常由一套液壓缸動作來實現(xiàn)，活塞打在拉桿后端，將拉桿向前推，彈簧壓縮，拉丁頂出，拉爪收縮，將刀柄推出錐孔。此文僅針對刀具的夾緊過程進行詳細的說明。拉刀機構(gòu)在拉刀時，由彈簧產(chǎn)生拉緊力，并通過前端的增力結(jié)構(gòu)達到最終刀具的使用要求。因此設(shè)計過程中，確定彈簧出力時必須要了解刀具的拉刀力要求以及增力機構(gòu)的放大系數(shù)。通常刀具的拉刀力都是按國家標準來設(shè)計。如標準中針對HSK-A型的應(yīng)用簡易表如表1所示。

表1 刀柄與拉刀力的對照表[1]

當(dāng)切削負載低時，比較小的夾緊力就夠了，反之，當(dāng)遇到切削負載高時，就需要較大的夾緊力[1]。因此設(shè)計時，除考慮到標準要求，還要考慮實際應(yīng)用需求。

2 拉刀機構(gòu)的增力機構(gòu)

如上所述，拉刀機構(gòu)的增力存在于前端拉爪部位，自主設(shè)計時，要先明確增力機構(gòu)的放大系數(shù)，下面以某廠家前端機構(gòu)為例進行詳細剖析。

如上圖，拉桿施加拉刀力的過程中，拉桿的力為F，受到拉爪給的阻力：垂直斜面的力N1和沿斜面的摩擦力f1，合力為F1。

F1的水平分力：

F′=-F(根據(jù)力的平衡原理：大小相等，方向相反)

F1與豎直方向的夾角:

φ1+(90°-α-φ)=90°

所以：φ1=α+φ

再分析刀柄給拉爪的力：支反力N2和摩擦力f2， 拉爪相對刀柄外脹，向外滑，所以摩擦力f2向內(nèi)。

合力F2與豎直方向的夾角φ2：

φ2+β+(90°-γ)=90°所以φ2=γ-β

合力F2水平分力:

通過計算得到，當(dāng)這張正方形紙的邊長為20 cm，若從四個角剪去的小正方形邊長為x(在數(shù)值上等于所折無蓋長方體型盒子的高h)，該無蓋長方體形盒子所對應(yīng)的容積V的表達式為：V=(20-2x)2·h=(20-2x)2·x，當(dāng)x分別取1 cm,2 cm,3 cm,…,9 cm，10 cm 時，容積V隨小正方形邊長x變化的數(shù)據(jù)如下表1、圖1所示：

F0=F2·sinφ2=F2·sin(γ-β)

所謂斜楔增力就是由水平力通過斜面轉(zhuǎn)化成垂直方向的力，兩力的比值為增力系數(shù)。

斜面一：拉丁和拉爪之間，增力系數(shù)為:

斜面二：拉爪和刀柄之間，增力系數(shù)為:

經(jīng)過兩次放大后：

設(shè)μ=0.1，則φ=β=arctan0.1=5.71°。所以

倍。

3 彈簧組設(shè)計

在設(shè)計彈簧組結(jié)構(gòu)時，除了考慮拉刀時力值滿足外，還要綜合整個松拉刀行程，整個行程彈簧都處于壓縮狀態(tài)，尤其在松刀狀態(tài)下，即彈簧處于最大壓縮時，彈簧受力應(yīng)在其壽命允許的可承受范圍內(nèi)，如碟簧通常要求不超過75%的壓縮量，否則壽命會大幅下降。

拉刀機構(gòu)的彈簧可以選用碟簧或卷簧。碟簧相對成本要低很多，組合方式多樣，可根據(jù)設(shè)計參數(shù)選擇合適的組合，但在高速運轉(zhuǎn)下碟簧對主軸動平衡的影響要大一些。卷簧在拉刀機構(gòu)中的應(yīng)用也非常多，但是其價格非常貴，性能穩(wěn)定，沒有噪聲。卷簧在使用過程中需要注意的是要成組使用，即一個左旋卷簧，一個右旋卷簧。卷簧和卷簧之間要放置隔片。碟簧如果疊加的組合非常多的情況下，也需要在中間增加隔片設(shè)計。

碟簧推薦的最佳使用范圍介于其最大壓縮行程的10%～75%。因此在設(shè)計過程為了保證拉刀機構(gòu)的使用壽命，要按照碟簧的使用要求設(shè)計。通常碟簧同方向疊加的片數(shù)不超過3片。利用卷簧時，則要按照卷簧的工作曲線來設(shè)計。

4 實例驗證

為驗證以上結(jié)論，現(xiàn)場自制2臺卷簧式拉刀機構(gòu)，前端拉爪部位增力放大系數(shù)為3，刀具接口HSK-A63，按表1數(shù)據(jù)得知拉刀力為18 kN，則拉刀狀態(tài)下的彈簧力為6 kN。選用的卷簧壓縮量和力值關(guān)系圖如圖4。

多次測量結(jié)果如表2。

表2 拉刀力測試

可見，經(jīng)過對兩個拉刀機構(gòu)拉刀力的反復(fù)測量，其拉刀力基本維持在18 kN附近，符合設(shè)計預(yù)期。力值差異應(yīng)考慮到彈簧實際剛性與理論的誤差、零件相關(guān)尺寸的誤差等造成。但總體是符合設(shè)計需求的?？梢酝ㄟ^調(diào)整跟彈簧連接的隔墊厚度尺寸，或者增加墊片的辦法來調(diào)整彈簧力，最終達到滿意的拉刀力值。

5 結(jié)語

彈簧力和增力機構(gòu)是拉刀機構(gòu)實現(xiàn)拉緊的關(guān)鍵因素。近年來，我國采用自動換刀-拉刀機構(gòu)的企業(yè)越來越多，這對未來自主設(shè)計制造、降低產(chǎn)品成本，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)具有重要意義。隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，自動換刀拉刀機構(gòu)在主軸上的應(yīng)用會越來越廣泛。