可保持主轴精度的自动换刀主轴的打刀反扣机构*

2014-04-27王世鹏解艳彩王俸林

制造技术与机床 2014年5期

王世鹏解艳彩王俸林

(①大连交通大学现代轨道交通研究院，辽宁大连116021;②大连华根有限公司，辽宁大连1166620)

在重大专项的要求指引下，重大专项“千台国产加工中心可靠性提升工程”项目由大连华根机械有限公司承担，根据该专项指导精神，我们部门对机床进行了大规模的升级整顿，为了提高机床可靠性和有效的使用寿命，我们对传统的主轴打刀机构进行改进，新结构可有效提高机床主轴精度的保持时间，从而有效提高机床的可靠性。

普通的主轴打刀装置如图1，主要包括打刀缸、主轴体、主轴拉杆、碟簧等。主轴拉杆位于主轴体内，与打刀缸的活塞杆在同一轴线上，主轴拉杆在主轴体内上下滑动。机床在换刀时，打刀缸活塞的力作用于主轴拉杆上，迫使碟簧变形松刀。此打刀作用力，经主轴体通过主轴轴承传递到主轴箱体。为了保证拉刀可靠，主轴拉刀力都较大，例如，加工中心常用BT40 刀柄，拉刀力在8 kN 左右，打刀缸打刀力在10 kN 左右;BT50 刀柄拉刀力在15 kN 左右，打刀缸打刀力在20 kN左右。这么大的作用力频繁作用在主轴轴承上，将造成主轴轴承滚道受损，影响主轴精度，使主轴轴承寿命大大缩短。一般来说，加工中心的精密主轴轴承都比较昂贵，在轴承配置上承受反向作用力的能力比较差，因此这种打刀装置使用起来很不经济。

2 主轴打刀新结构

为了解决此问题，现在的机床一般使用如图2 所示的带反扣卸荷主轴打刀装置，包括打刀缸、主轴、拉杆、碟簧、弹性体、主轴箱体、主轴轴承，主轴通过轴承与主轴箱体活动连接，主轴拉杆位于主轴体中心的空腔中，与打刀缸的活塞杆在同一轴线上，其上端套接在一圆筒形滑动压块中，并与滑动压块固定连接，滑动压块的外径与主轴体的内径相配合，可在主轴体内上下滑动，主轴拉杆的下端穿过环形下限位块，主轴拉杆的末端通过拉钉与刀柄连接，碟簧位于滑动压块与环形下限位块之间，其外径与主轴体内径相配合，还包括环形连接块、反扣盘和浮动反扣压块;环形连接块为圆筒形结构，位于打刀缸的法兰的下方，浮动反扣压块为中间有阶梯孔的圆柱形结构，该阶梯孔上大下小，浮动反扣压块位于环形连接块的下方，通过连接螺栓将浮动反扣压块、法兰及环形连接块固定在一起;反扣盘为T 形环状体结构，套在浮动反扣压块的阶梯孔中，其外径小的部分的直径比浮动反扣压块中大孔的直径稍小，其外径大的部分的直径比浮动反扣压块中大孔的直径稍小，反扣盘与浮动反扣压块之间有0.3～0.5 mm 的间隙;主轴体的尾端插在反扣盘的通孔中，与反扣盘固定连接。

浮动反扣压块的外缘处的圆周上开有通孔，弹性体导杆的下端穿过该通孔，锁紧在位于浮动反扣压块下方与主轴箱体固定连接座板的螺纹孔里，形成固定连接，弹性体穿设在导杆上，其顶端与弹性体导杆的顶端固定，其末端与浮动反扣块的上顶面相接触。

3 主轴打刀新结构工作原理

采用上述结构后，由于浮动反扣压块与打刀缸是一体的，机床需要换刀时，打刀缸的活塞杆往下运动，当打刀缸的活塞杆力作用在主轴拉杆上时，主轴体内碟簧的反作用力很大，弹性体被压缩，使浮动反扣压块连同打刀缸被向上顶起，使得反扣盘和浮动反扣压块之间0.3～0.5 mm 的间隙被消除，浮动反扣压块与反扣盘结合成一体，即浮动反扣压块向上浮动托住反扣盘，从而使打刀缸的活塞杆的力不会通过主轴体作用到主轴轴承上，保证了主轴轴承的精度不受损。

弹性体可以使松刀动作完成后，浮动反扣压块可靠复位，反扣盘和浮动反扣压块之间0.3～0.5 mm 的间隙可靠回复，避免主轴高速回转时，反扣盘和浮动反扣压块之间发生剧烈摩擦。

由于弹性体导杆的导向，可防止弹性体歪斜，也可防止打刀缸歪斜。

这种结构中，弹性体的选择至关重要，弹性体刚度小了，反扣盘和浮动反扣压块之间0.3～0.5 mm 的间隙不能可靠保持，主轴高速回转时，反扣盘和浮动反扣压块之间可能发生剧烈摩擦;弹性体刚度大了，打刀缸的打刀力又大部分作用到主轴轴承上，起不到卸荷的作用。

力学分析表明，主轴轴承承受的作用力如果忽略打刀缸的重力作用和相关磨擦力，正好等于反扣盘和浮动反扣压块之间0.3～0.5 mm 的间隙消除时，弹性体的弹力。

显然，当弹性体此时的弹力等于或大于碟簧的弹力时，此机构将不起任何作用。