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主軸松拉刀機(jī)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)及應(yīng)用
2020-12-4  來(lái)源:沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司  作者:徐建平 王維 尹作升 周星興 孫薇


      摘要:自動(dòng)松拉刀機(jī)構(gòu)作為數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀必備功能部件之一,其安裝于主軸箱上,通過(guò)機(jī)床主軸內(nèi)置碟簧組件實(shí)現(xiàn)拉刀、液壓系統(tǒng)提供松刀力的機(jī)構(gòu)。 常規(guī)的松刀機(jī)構(gòu)通過(guò)液壓活塞和油缸組成,松刀時(shí)松刀力推動(dòng)碟簧壓縮并前移松刀,此時(shí)松刀力傳遞到主軸至主軸軸承,導(dǎo)致松刀時(shí)軸承變形較大且軸承經(jīng)常受力而影響軸承精度及使用壽命。 針對(duì)上述存在問(wèn)題,文中介紹了一種新型的主軸松拉刀機(jī)構(gòu),以解決松刀力引起的問(wèn)題。

      關(guān)鍵詞:主軸軸承;松拉刀結(jié)構(gòu);軸承變形;油缸

      主軸松拉刀機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)機(jī)床刀具在主軸上的自動(dòng)松開(kāi)夾緊,作為機(jī)床關(guān)鍵部件之一, 其結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定性等性能一直是機(jī)床設(shè)計(jì)的主要考慮內(nèi)容之一。 目前松刀力通常通過(guò)氣動(dòng)增壓缸與液壓油缸實(shí)現(xiàn),拉刀力則主要通過(guò)碟形彈簧形變提供。以前大多數(shù)加工中心的主軸松拉刀的松刀力沿主軸作用在主軸軸承上,頻繁換刀過(guò)程中松刀力對(duì)主軸軸承的精度和使用壽命存在很大的影響[1], 如何減少松刀力對(duì)主軸軸承的影響是解決存在問(wèn)題的關(guān)鍵。而拉刀機(jī)構(gòu)則是實(shí)現(xiàn)主軸換刀后鎖緊刀具的功能部件,拉爪的結(jié)構(gòu)形式及精度穩(wěn)定性對(duì)主軸拉刀重復(fù)精度影響也很大,OTT-JAKOB 公司生產(chǎn)的拉爪部件目前在 國(guó)際上技術(shù)優(yōu)勢(shì)較為明顯[2]。 目前國(guó)內(nèi)多家廠家生產(chǎn)機(jī)床主軸選用 臺(tái)灣生產(chǎn)成套主軸,其結(jié)構(gòu)及精度性能均有較好的保障。對(duì)于精密機(jī)床研制生產(chǎn)的傳統(tǒng)企業(yè),根據(jù)主軸自動(dòng)松拉刀機(jī)構(gòu)存在的問(wèn)題,展開(kāi)難題攻關(guān),已成功解決存在問(wèn)題,文中詳細(xì)介紹了相關(guān)方案。

       1 、主軸前端結(jié)構(gòu)
 
       主軸軸承安裝結(jié)構(gòu)如圖 1 所示, 主軸作為機(jī)床切削的主要切削力提供單元, 在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中在傳遞主軸箱提供相應(yīng)的功力轉(zhuǎn)矩至刀具進(jìn)行加工的同時(shí)需保證其自身的旋轉(zhuǎn)精度, 根據(jù)機(jī)床的功率扭矩需求,參考機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)[3],機(jī) 床主軸軸承安裝方式為 4 列組配角接觸軸承背對(duì)背安裝,預(yù)緊方式為輕預(yù)緊。前后兩組軸承之間使用內(nèi)外隔套支撐, 內(nèi)外隔套長(zhǎng)度尺寸一致性有很高的要求, 后軸承使用定位并緊組合螺母實(shí)現(xiàn)主軸軸承的預(yù)緊。

      從總體結(jié)構(gòu)看出,主軸軸承支撐主軸旋轉(zhuǎn)且保持其精度的同時(shí), 還承擔(dān)切削過(guò)程中的軸向力。 后推軸向力由前軸承主要承載,松刀時(shí)的松刀力則由后軸承承載。頻繁的換刀的松刀力便會(huì)影響主軸軸承的精度及使用壽命。

 
   
圖1 主軸軸承安裝結(jié)構(gòu)圖

      主軸前端設(shè)置有按設(shè)計(jì)及用戶(hù)要求的錐孔, 已提供機(jī)床刀具刀柄定位,錐孔后端的拉爪連接拉刀機(jī)構(gòu),通過(guò)碟簧回彈拉緊拖動(dòng)拉爪后移拉緊刀柄后部拉釘實(shí)現(xiàn)刀具夾緊。

       2、 拉爪機(jī)構(gòu)改進(jìn)
  
      拉刀機(jī)構(gòu)拉爪改進(jìn)結(jié)構(gòu)如圖 2 所示,原機(jī)床(以 BT 刀柄拉釘為例)拉爪加工后切為 4 片,尾部形狀與拉刀桿配合,前部形狀以拉釘為準(zhǔn), 松拉刀時(shí)前后移動(dòng)實(shí)現(xiàn)張開(kāi)合攏實(shí)現(xiàn)刀柄的松開(kāi)夾緊功能, 但 4 瓣拉爪在使用過(guò)程中存在圓周方向位置不穩(wěn)定的情況,導(dǎo)致拉刀時(shí)位置精度不穩(wěn)定的問(wèn)題。針對(duì)上述情況進(jìn)行改進(jìn), 將加工好后的拉爪通過(guò)具有彈性的鋼絲彈簧固定在內(nèi)置芯軸上,芯軸再安裝于拉刀桿前端。

 
   
  
圖2 拉刀機(jī)構(gòu)拉爪改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖

       3 、松拉刀油缸的結(jié)構(gòu)改進(jìn)
  
       3.1 原松拉刀油缸活塞機(jī)構(gòu)
  
       根據(jù)拉刀力的設(shè)定和彈簧應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn), 計(jì)算出碟簧變形所需松刀力的大小, 設(shè)計(jì)計(jì)算松刀油缸的油缸腔截面積及松刀油壓的大小,為確保油缸密封性能與使用壽命,機(jī)床松拉刀油缸及活塞之間配合處使用進(jìn)口特瑞堡回轉(zhuǎn)密封圈進(jìn)行密封。 圖 3所示為改進(jìn)前的松拉刀油缸結(jié)構(gòu)圖, 根據(jù)計(jì)算得出的橫截面積與松拉刀相應(yīng)的移動(dòng)尺寸進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及布局。 

     從圖中可以看出,油缸后腔進(jìn)油便可推動(dòng)活塞前移,活塞前移至設(shè)定尺寸后,前端與拉刀桿接觸,并繼續(xù)前移推動(dòng)拉刀桿往前推動(dòng)碟簧變形,實(shí)現(xiàn)主軸前端拉爪松開(kāi)松刀。 但該結(jié)構(gòu)推動(dòng)碟簧變形的松刀力直接作用于主軸前端臺(tái)階后傳遞至主軸軸承, 主軸軸承承載著所有松刀力后不但影響軸承的使用壽命, 還會(huì)導(dǎo)致軸承變形使主軸在換刀過(guò)程中存在軸向竄動(dòng)。
 
  

圖3 改進(jìn)前的松拉刀油缸裝置

       3.2 改進(jìn)后松拉刀油缸活塞機(jī)構(gòu)
   
       針對(duì)上述存在問(wèn)題, 通過(guò)對(duì)主軸軸端結(jié)構(gòu)與油缸結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),改進(jìn)后結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。 修改主軸后端壓蓋,增大其徑向尺寸;修改油缸,為滿(mǎn)足安裝工藝需求,將油缸整體結(jié)構(gòu)改為前后兩部分,前部安裝于主軸箱上后方可安裝主軸后部壓蓋。在安裝過(guò)程需確保圖示“拉刀時(shí)主軸與油缸座之間的間隙”,以防止主軸拉刀后旋轉(zhuǎn)時(shí)與油缸發(fā)生摩擦。 主軸后蓋安裝后需根據(jù)拉刀桿與活塞接觸臺(tái)階至主軸箱之間的距離, 并確定其安裝尺寸滿(mǎn)足拉刀桿處于拉刀位置與活塞相應(yīng)位置是否準(zhǔn)確。


圖4 主軸后端與油缸結(jié)構(gòu)修改

       改進(jìn)后松拉刀活塞油缸結(jié)構(gòu)如圖 5 所示, 松拉刀油缸機(jī)構(gòu)在松刀進(jìn)油口進(jìn)油后,推動(dòng)活塞往前移動(dòng),在活塞推動(dòng)拉刀桿前移、與碟簧變形力相互作用過(guò)程中,由于液壓缸與主軸箱連接壓緊處使用彈簧壓緊,且壓緊力遠(yuǎn)小于碟簧變形力,此時(shí),在油缸腔內(nèi)的液壓壓力與碟簧變形力的共同作用下,油缸開(kāi)始后移,后移如圖 4 所示“拉刀時(shí)主軸與油缸座間隙”消除后,油缸便與主軸接觸,并且組成同一受力體。此后活塞繼續(xù)推動(dòng)拉刀桿至碟簧壓縮松刀, 此時(shí)松刀力在主軸+油缸與活塞+碟簧之間形成一個(gè)閉環(huán)力,便不再作用于主軸軸承上。整個(gè)松刀過(guò)程僅在開(kāi)始一階段有很小力作用于主軸軸承之上。 為防止拉刀時(shí)活塞不能準(zhǔn)確退回至最初位置,油缸前腔進(jìn)油將活塞推至最初位置,從而完成機(jī)床刀具一次松拉刀。

 
   
圖5 改進(jìn)后松拉刀活塞油缸結(jié)構(gòu)圖

        4 、結(jié)語(yǔ)
  
       介紹機(jī)床主軸自動(dòng)松拉刀系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì), 從前端改進(jìn)拉爪部分結(jié)構(gòu)以提高主軸拉緊刀具的精度及其拉刀穩(wěn)定性問(wèn)題。通過(guò)改進(jìn)松拉刀油缸機(jī)構(gòu)與主軸后端結(jié)構(gòu), 以實(shí)現(xiàn)主軸松刀力作用于主軸軸承的卸荷功能。 從而大大改善了公司自制主軸的精度及綜合性能, 目前在很大程度已取代進(jìn)口主軸產(chǎn)品成功應(yīng)用于高精度臥式加工中心機(jī)床上。

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