数控机床气液增压式打刀缸结构改进研究

唐建林 康进昌

【摘要】本文分析了气液增压式打刀缸的工作原理，并依据该种打刀缸在数控机床换刀过程中出现的震动、磨损情况，提出在装置气动机构及液动机构的两处结构改进，改进方案在相关企业已经得到应用，证明了改进的科学性和可行性。

【关键词】气液增压式打刀缸；震动；磨损；结构改进

1、引言

随着科技的发展，在机械制造领域，数控机床的使用越来越普及，如用数控铣床代替普通铣床，在提高机床使用效率的同时也提高了生产效率。普通铣床的刀柄通过拉杆由人工进行夹紧的工序已经很难满足高效高品质的生产需求，铣床主轴的改变彻底改变了这种夹紧方式。现在，数控铣床主轴基本都是通过蝶形弹片的弹性变形和恢复，来实现刀柄的松开和夹紧，此间需要一个很大的力作用于蝶形弹片使之发生弹性变形，这就需要提供一个动力源来提供力的输出，这就是俗称的打刀缸。打刀缸的主要用途是用于加工中心机床、数控铣床刀具自动或半自动交换机构中的主轴打刀，还可以作为夹具及其它机构的夹紧装置。

气液增压打刀缸是一种增力气液转换装置，由上部的气动单元和下部的液动单元构成，气动单元进气，压缩空气作用于气缸活塞和推杆，产生推力，推动液动单元的油缸活塞，使高于压缩空气数倍的油压作用于压杆，产生推力，实现机械装置的动作。

笔者从事数控装调技术教学与研究多年，在实际的使用中发现，气动单元和液动单元的活塞及推杆，由于需要不断的进行往返运动，在运动过程中不停的震动，长期使用减少了装置的使用寿命。本文以以上问题为导向，探讨研究通过对结构的改进，达到减小震动、减少磨损、提高装置使用寿命的目的。

2、气液增压式打刀缸工作原理

如图1、2所示，打刀缸从上至下连接依次为气动机构1、液动机构2及打刀机构3，气动机构1上端、气动机构1与液动机构2之间、液动机构2与打刀机构3之间分别设有上端盖4、中端盖5及下端盖6，上端盖4上设有调节阀19，中端盖5及下端盖6上对应设有微动开关16，气动机构1与液动机构2之间外部连接有管路单元7。

气动机构1包括气动缸体，气动缸体内设有可上下滑动的活塞9，在活塞9上通过螺钉刚性联接有一根可穿过中端盖5伸入液动机构2的推杆10，中端盖5内侧与推杆10之间设有密封圈20。气动机构1外侧设有电磁阀17及空气接头18。液动机构2包括液压缸体，液压缸体内开设有液压腔11，液压腔11与设置于气动机构1外侧的油杯导通且可容纳液压油，推杆10下端设有油封12，推杆10可伸入液压腔11。油杯包括油杯杯体13和油杯杯盖14，油杯杯盖14上设有油塞15，油杯杯体13底端侧部设有出油口，该出油口与中端盖5上的进油口连接，进油口与液压腔导通。

打刀缸在工作时，油杯中的液压油通过出油口、进油口进入液压缸体的液压腔内，然后接通电磁阀，空气接头进气进入气缸缸体的上腔，推动气动缸体内的活塞向下运动，从而带动推杆伸出进入液压缸体的液压腔内，此时，推杆在液压腔内产生高压，利用高压推动打刀机构使主轴进行松刀动作。松开电磁阀按钮使电磁阀断电，空气接头进气通过管路单元7进入气缸缸体的下腔，推动气缸缸体内的活塞向上运动，从而带动推杆退出液压腔回到气缸缸体，作用在打刀机构上的力消失，使主轴进行紧刀操作。当需要更换刀具的时候，重复以上操作。该打刀缸的增压原理为：压缩空气从空气接头18进入气动缸体上腔，作用在活塞9上并产生向下的推力，该推力通过活塞9与活塞杆10的刚性联接传给活塞杆，由于活塞杆截面积远小于活塞截面积，因此，在活塞杆下端产生数倍于压缩空气压强的压强，该压强通过液压油传递作用在打刀机构上，满足机床主轴松刀所需要的克服蝶形弹片的弹性变形恢复力。

3、结构改进

3.1气动机构结构改进

从打刀缸的工作过程来看，出现的震动主要在两处：（1）活塞9在下推到底之后与气动机构1内部下端的撞击；（2）打刀机构螺栓与机床主轴蝶形弹片的撞击。目前，大多数打刀缸都未对以上两种撞击产生的震动有所回应。由于第二种撞击在所难免，针对第一种撞击，笔者提出：在气动机构1内部下端增设减震机构，该减震机构为减震橡胶或减震树脂。

3.2液动机构结构改进

在打刀缸的工作过程中，活塞杆10与液压腔11的内壁频繁接触与摩擦，长期使用，会使液压强腔11内壁磨损和活塞杆10的磨损，两者之间间隙加大，造成液压油在液压腔11内飞溅甚至是泄漏，降低装置的使用壽命。笔者研究发现此问题之后，提出在液压腔11内壁增加镀铬层，如图2中8所示，镀铬层厚度为0.001～0.1mm，原因是镀铬层具有很高的硬度、较好的耐热性、良好的化学稳定性，尤其是镀铬层摩擦系数小（干摩擦系数在所有金属中最低），耐磨性好，能够很好的降低活塞杆10与液压腔11内壁之间的摩擦，从而减少相关零部件的磨损，延长装置的使用寿命。

4、结论

数控机床打刀缸相关方面的应用研究较少，笔者深入企业，结合自己的相关实践经验，提出的关于气液增压式打刀缸的两处结构改进，改进方案无需对现有结构进行大规模改变，易于实现，适合推广使用。

参考文献

[1]梁炜.一种全新的气动打刀缸.制造技术与机床，2012（6）：205-206.

作者简介

唐建林，男，1982.10，2006年毕业于哈尔滨工业大学机械系，获工学硕士学位，现任昆山登云科技职业学院机电工程系数控教研室主任，讲师职称，主要研究方向：数控加工技术、数控装调技术。

康进昌，男，1963年7月生，高级工程师，现任昆山登云科技职业学院机电工程系兼职教授，主要研究方向：数控加工技术。