一种主轴松刀卸荷机构在卧式加工中心上的应用

王 亮 戚远大 张 伟

（沈阳机床（集团）有限责任公司，辽宁沈阳 110142）

加工中心的加工特点是被加工工件经过一次装夹后，数控系统能控制机床按不同的工序自动选择和更换刀具，连续地对工件各加工面自动地进行多工序加工。这就需要加工中心频繁地更换刀具，加工复杂工件时更是需要更换十几把甚至几十把刀具。国内大多数加工中心的松刀机构都是将松刀力沿轴向直接作用在主轴轴承上的，频繁的松卡刀势必会影响主轴轴承的回转精度，降低主轴轴承的使用寿命，降低机床的加工精度，影响整台机床的性能。

1 未采用松刀卸荷机构的主轴松卡刀原理

图1所示的是某加工中心的主轴结构图。该主轴结构没有采用松刀卸荷机构，它的松刀过程为:液压油从油口7进入到油腔6中，推动活塞4向前移动直至推力轴承3与螺母2接触，随着油腔6中压力的逐步增大，活塞4推动螺母2继续向前移动，直至松刀位。当主轴夹刀时，油腔6中液压油的压力变为零，碟簧1推动螺母2和活塞4向后运动，与此同时卡刀机构靠碟簧1的弹力将刀具卡紧，复位弹簧8将活塞4复位。

由图1主轴的松刀过程可以看出，松刀力（设计标准为30 kN）通过碟簧和主轴沿轴向直接作用在主轴前端的轴承上，导致主轴前端在轴向上有一个10－2mm级别的跳动量。按设计标准30 kN的松刀力试验检测，主轴前端的跳动量为0．05 mm，这个跳动量反映出了主轴轴承的变形量。如此大的轴向力频繁地作用在主轴轴承上肯定会降低轴承的使用寿命。

2 采用松刀卸荷机构的主轴松卡刀原理

图2是针对松刀力直接作用在主轴轴承上，易损坏主轴轴承而设计的带有松刀卸荷机构的主轴结构图。它的松刀过程为:液压油从油口11注入缸体5后，油压推动活塞6向前移动，此时油腔7的油压为零，当推力轴承4与螺母2接触后，由于液压油的推力小于碟簧1的弹簧力，使活塞6停止向前运动，此时缸体5在液压油的作用下反向移动，直至缸体5与压盖3相互勾住后停止运动。缸体5勾住压盖3后随着油压的增大，活塞6将继续向前移动，推动碟簧1压缩，直至松刀位。碟簧1压缩的过程中，由于压盖3通过螺栓连接在主轴上，使顶刀时的轴向力转变为主轴的内力，从而使轴承所承受的轴向力几乎等于零。

当主轴夹刀时，油腔8中的液压油的压力变为零，活塞6在碟簧1的作用下向后运动，卡刀机构靠碟簧1的弹力将刀具卡紧。同时，从油口9向油腔7中注入液压油，使缸体5向前移动复位，脱离与压盖3的接触，复位弹簧12将活塞6复位。

采用卸荷机构的主轴在松刀过程中，主轴前端轴承在某一阶段还是需要承受一定量的轴向力的，这个受力阶段产生在推力轴承4与螺母2接触后到缸体5与压盖3相互勾住之前，但是这个轴向力与设计松刀力相比是微乎其微的，可以忽略不计。

3 设计时应注意的问题

采用卸荷机构的主轴在松刀时，松刀力转化为作用在主轴、压盖3、缸体5和与其相连零件上的内力。由于设计的松刀力较大，所以就需要在设计时将这些相关部件进行强度校核，以免松刀时发生损坏。

卡紧刀具后，需要设计复位机构，避免刀具旋转时，转动部件（压盖3）与固定部件（缸体5）发生接触。

4 结语

通过实验测量采用这种卸荷机构的主轴在松刀时的前端跳动量仅为0.004 mm，与没有使用卸荷机构的主轴相比，减小了主轴轴承的变形量，从而延长了轴承的使用寿命。大型精密加工中心采用这种结构，能够显著提升主轴寿命，带来可观的经济效益。

［1］胡文祥．一种加工中心主轴松刀卸荷机构［J］．制造技术与机床，2006（6）:20－21．