加工中心主軸拉刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究
2022-8-1 來(lái)源： 科德數(shù)控股份有限公司 作者：郭翠娟 鄧鑫
摘要: 對(duì)加工中心主軸用的自動(dòng)換刀裝置－拉刀機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了剖析，重點(diǎn)對(duì)拉刀機(jī)構(gòu)拉刀力的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行了分析，對(duì)其增力機(jī)構(gòu)的放大系數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算，闡述了拉刀機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)思路及注意事項(xiàng)，為自主設(shè)計(jì)拉刀機(jī)構(gòu)提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞: 主軸; 拉刀機(jī)構(gòu); 增力機(jī)構(gòu); 放大系數(shù)
拉刀機(jī)構(gòu)是可自動(dòng)換刀的主軸關(guān)鍵部件之一，隨著機(jī)床自動(dòng)化程度越來(lái)越高，帶有可自動(dòng)換刀功能的電主軸成為加工中心的主流產(chǎn)品。拉刀機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀功能的關(guān)鍵零部件，其應(yīng)用越來(lái)越普遍。現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)自己設(shè)計(jì)生產(chǎn)拉刀機(jī)構(gòu)的主軸或機(jī)床企業(yè)非常少，絕大部分采用國(guó)外進(jìn)口，貨期長(zhǎng)，價(jià)格貴。本文針對(duì)拉刀機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)闡述，為自主設(shè)計(jì)拉刀機(jī)構(gòu)提供了依據(jù)。
1、結(jié)構(gòu)組成及動(dòng)作原理
主軸拉刀機(jī)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(dòng)作。
刀具的拉緊過(guò)程是彈簧彈開，將拉桿向后頂，拉丁隨拉桿向后移動(dòng)，同時(shí)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(guò)前端的增力機(jī)構(gòu)放大，實(shí)現(xiàn)刀具的穩(wěn)固夾緊，增力機(jī)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(dòng)作來(lái)實(shí)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(duì)刀具的夾緊過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。拉刀機(jī)構(gòu)在拉刀時(shí)，由彈簧產(chǎn)生拉緊力，并通過(guò)前端的增力結(jié)構(gòu)達(dá)到最終刀具的使用要求。因此設(shè)計(jì)過(guò)程中，確定彈簧出力時(shí)必須要了解刀具的拉刀力要求以及增力機(jī)構(gòu)的放大系數(shù)。通常刀具的拉刀力都是按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)。如標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì) HSK－A 型的應(yīng)用簡(jiǎn)易表如表 1 所示。
表 1 刀柄與拉刀力的對(duì)照表
當(dāng)切削負(fù)載低時(shí)，比較小的夾緊力就夠了，反之，當(dāng)遇到切削負(fù)載高時(shí)，就需要較大的夾緊力。因此設(shè)計(jì)時(shí)，除考慮到標(biāo)準(zhǔn)要求，還要考慮實(shí)際應(yīng)用需求。
2、拉刀機(jī)構(gòu)的增力機(jī)構(gòu)
如上所述，拉刀機(jī)構(gòu)的增力存在于前端拉爪部位，自主設(shè)計(jì)時(shí)，要先明確增力機(jī)構(gòu)的放大系數(shù)，下面以某廠家前端機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行詳細(xì)剖析。
如上圖，拉桿施加拉刀力的過(guò)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。
再分析刀柄給拉爪的力: 支反力 N2和摩擦力 f2，拉爪相對(duì)刀柄外脹，向外滑，所以摩擦力 f2向內(nèi)。
所謂斜楔增力就是由水平力通過(guò)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:
對(duì)于不同廠家的拉刀機(jī)構(gòu)，因?yàn)榈侗际菢?biāo)準(zhǔn)的，所以拉爪與刀柄間的角度和放大倍數(shù)是相同的，不同的是拉丁與拉爪之間的作用力。經(jīng)過(guò)兩次放大后:
所以在自主設(shè)計(jì)拉刀機(jī)構(gòu)的過(guò)程中，考慮到前端的放大倍數(shù)，以及標(biāo)準(zhǔn)刀柄的拉力標(biāo)準(zhǔn)值，判斷出后端出力的彈簧組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。例如 HSK－A63 的標(biāo)準(zhǔn)拉刀力為 18 k N，如前端拉緊部位放大倍數(shù)為 5，則需拉緊狀態(tài)時(shí)的彈簧能提供至少
1/5× 18 = 3．6 k N 的彈簧力。
3、彈簧組設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)彈簧組結(jié)構(gòu)時(shí)，除了考慮拉刀時(shí)力值滿足外，還要綜合整個(gè)松拉刀行程，整個(gè)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(shí)，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(guò) 75%的壓縮量，否則壽命會(huì)大幅下降。
拉刀機(jī)構(gòu)的彈簧可以選用碟簧或卷簧。碟簧相對(duì)成本要低很多，組合方式多樣，可根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇合適的組合，但在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下碟簧對(duì)主軸動(dòng)平衡的影響要大一些。卷簧在拉刀機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用也非常多，但是其價(jià)格非常貴，性能穩(wěn)定，沒(méi)有噪聲。卷簧在使用過(guò)程中需要注意的是要成組使用，即一個(gè)左旋卷簧，一個(gè)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(jì)。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(jì)過(guò)程為了保證拉刀機(jī)構(gòu)的使用壽命，要按照碟簧的使用要求設(shè)計(jì)。通常碟簧同方向疊加的片數(shù)不超過(guò) 3 片。利用卷簧時(shí)，則要按照卷簧的工作曲線來(lái)設(shè)計(jì)。
4、實(shí)例驗(yàn)證
為驗(yàn)證以上結(jié)論，現(xiàn)場(chǎng)自制 2 臺(tái)卷簧式拉刀機(jī)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 k N，則拉刀狀態(tài)下的彈簧力為 6 k N。選用的卷簧壓縮量和力值關(guān)系圖如圖 4。
多次測(cè)量結(jié)果如表 2。
可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)兩個(gè)拉刀機(jī)構(gòu)拉刀力的反復(fù)測(cè)量，其拉刀力基本維持在 18 k N 附近，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。力值差異應(yīng)考慮到彈簧實(shí)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(jì)需求的。可以通過(guò)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(lái)調(diào)整彈簧力，最終達(dá)到滿意的拉刀力值。
表 2 拉刀力測(cè)試
5 、結(jié)語(yǔ)
彈簧力和增力機(jī)構(gòu)是拉刀機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)拉緊的關(guān)鍵因素。近年來(lái)，我國(guó)采用自動(dòng)換刀－拉刀機(jī)構(gòu)的企業(yè)越來(lái)越多，這對(duì)未來(lái)自主設(shè)計(jì)制造、降低產(chǎn)品成本，擁有自主知識(shí)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(dòng)換刀拉刀機(jī)構(gòu)在主軸上的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。
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