可卸荷的直角头套缸打刀机构

孙德洲　仲秋

摘 要：针对现有直角头打刀机构的不足，创新设计了可卸荷的直角头套缸打刀机构，介绍了该打刀机构的结构性能特点和工作过程，打刀油缸具有套装的内活塞和外活塞，分别对主轴进行打刀和反拉作用，油压作用面都为环形且面积相等，打刀力和反拉力大小相等、方向相反，合力为零，主轴轴承不受打刀力，并且打刀和抓刀完成位置都由特定位置的气路发出电信号。

关键词：可卸荷;直角头套缸;打刀机构

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.23.028

龙门加工中心等大型数控机床，配上不同的附件头之后，只需一次装夹就可实现对工件的五面加工，每面都可以进行铣、镗、钻、攻等各种工序，效率高，加工精度好。为了提高工作效率，机床往往是进行自动加工，这样，附件头就必须能够进行自动换刀。直角头是最常用的附件头，其精度特别是主轴的精度往往决定了工件的加工精度，而其自动换刀机构特别是其中的打刀机构的性能和可靠性就对机床自动切削加工的顺利进行至关重要，而且对主轴的精度保持性影响也很大。

现有的直角头打刀机构，见图1。主要包括主轴12、前后轴承组合16、13、前后轴承套17、31、拉杆22、连接杆11、顶杆30、碟型弹簧24、拉爪21、拉钉20、刀柄19和打刀油缸等。打刀油缸由油缸后盖28、油缸筒27、活塞26构成，安装于直角头打刀机构的尾部。活塞26上通过螺栓固定有顶杆30。主轴12上设有前后轴承组合16、13并使用锁紧螺母14、10锁紧，前后轴承组合16、13经前后轴承套17、31安装在主轴箱体25中，主轴12可以在其中进行旋转运动。主轴12的尾部端面通过螺栓固定有挡盖6。主轴12中心的孔中设置有拉杆22和与其相固定的连接杆11，拉杆22上装有多个碟型弹簧24，主轴12尾部的挡盖6将其限制在主轴12内部。拉杆22前端设有拉爪21，碟型弹簧24经拉杆22、拉爪21将拉钉20及与其相联的刀柄19拉紧在主轴12锥孔中固定。

打刀时，见图1中右半部所示，主轴12停止运转，打刀油缸后部环形空腔中通入压力油，推动活塞26向前运动，带动顶杆30，推动连接杆11并压缩碟型弹簧24，带动拉杆22向前运动，使得拉杆22上的拉爪21松开，拉钉20及刀柄19即可从主轴12中拿出，完成打刀动作;同时，气路开通，来自气源的压缩空气经密封盖29和顶杆中的孔进入拉杆22孔中，再从主轴12锥孔中吹出，对锥面进行清洁。

抓刀时，见图1中左半部所示，油缸前部环形空腔中通压力油，活塞26向后退回，顶杆30脱离连接杆11，碟型弹簧24向后伸长，带动连接杆11及拉杆22向后退回，带动拉爪21收缩，抓紧拉钉20和刀柄19，完成抓刀运作，主轴12可以运转。

上述打刀机构存在如下不足：

（1）打刀时，油缸的打刀力通过连接杆11、碟型弹簧24作用在主轴12上，再经过前轴承组合16和前端盖组合18向前传递到前轴承套17及主轴箱体25上，这样，轴承16在加工工件时受到主要是向后的切削力，而打刀时又受到向前的打刀力，轴承16不断地受到这样很大的交变力的作用，精度和寿命会受到很大的影响，严重时还会造成其损坏。

（2）抓刀动作完成后，活塞26回到后端的原位，顶杆30应该离开连接杆11端面，保持一定的间隙，方可使主轴12正常运转。如果顶杆30没有离开连接杆11端面，主轴12就开始运转，就会造成油缸及连接杆11和拉杆22的损坏，严重的还会引起轴承损坏。而现在的打刀机构中，由于无法设置行程开关来控制活塞26的行程位置，特别是原位，只能靠油路中的压力继电器发信号或电控系统中的延时继电器发信号来间接代表活塞26已回到原位，实际上并不能确保活塞26的确已回到原位，可靠性差。

1 可卸荷的直角头套缸打刀机构

为了克服现有技术的不足，恒力公司研发出一种新的可卸荷的直角头套缸打刀机构，打刀时主轴轴承不会直接受到打刀力的作用，并可以确保打刀结束活塞回到原位时发出信号后主轴才可运转。可卸荷的直角头套缸打刀机构组成见图2。

图中：1-密封盖，2-油缸后盖，3-内活塞，4-反拉板，5-油缸筒，6-挡盖，7-后轴承套，8-顶杆，9-外活塞，10-锁紧螺母，11-连接杆，12-主轴，13-后轴承组合，14-锁紧螺母，15-螺伞齿轮，16-前轴承组合，17-前轴承套，18-端盖组合，19-刀柄，20拉钉，21-拉爪，22-拉杆，23-挡圈，24-碟型弹簧，25-主轴箱体，32-弹簧，A-打刀油压作用面积，B-打刀油压作用面积，E–打刀油腔，F–打刀油腔，G-抓刀油腔，H-环槽，K-环槽，a-油路，b-油路，c-气路，d-气路，e-气路，f-气路，g-气路。

内活塞3的内腔中还可以设有可推动内外活塞3、9轴向反向运动的弹簧32，以简化油路机构，不过一般情况下不需要设此弹簧。

打刀油缸为套式结构，设于主轴12的后部，由油缸后盖2、油缸筒5、内活塞3、外活塞9、后轴承套7构成，外活塞9套装于内活塞3的外部，且内活塞3和外活塞9上的打刀油压作用面都为环形，面积A、B相等。内、外两个活塞3、9与油缸后盖2、油缸筒5、后轴承套7之间构成有E、F、G三个环形油腔的套式打刀油缸，E、F为打刀油腔，G为抓刀油腔。

頂杆8通过螺栓固定在内活塞3上，且位于连接杆11的后面，可推动连接杆11带动拉杆22向前运动。顶杆8上的调整垫用于调整打刀位置。主轴12的后端面上通过螺栓固定有挡盖6和反拉板4，外活塞9可与反拉板4相触碰，使外活塞9向后的作用力作用在反拉板4上。

套缸打刀机构相对旧打刀机构，有如下优点：

（1）油缸为缷荷式油缸，使内活塞3通过连接杆11、碟型弹簧24作用在主轴12上向前的打刀力与外活塞9通过反拉板4作用在主轴12上向后的反拉力大小相等、方向相反，相互抵消，合力为零，因而，主轴12的前轴承组合16不承受打刀力，保证了其精度和寿命。

（2）根据两活塞3、9的行程位置，由设于气路中的压力继电器发出电信号，通过电控系统来控制主轴12的运行，以及打刀、抓刀、吹气等各个动作，控制性能好、可靠性高。

（3）油缸无外露油管，外形規整，密闭性好，体积小。

2 套缸打刀机构的工作过程

打刀时，见图2中的右半部所示。压力油经油路a分为两路进入环形打刀油腔E、F，使得内活塞3向前、外活塞9向后同时进行相向运动。内活塞3向前带动顶杆8推动连接杆11、压缩碟型弹簧24和挡圈23，将打刀力作用于主轴12上，并且连接杆11向前带动拉杆22向前伸出，使得拉爪21松开，拉钉20及刀柄19即可以从主轴12中取出;同时，外活塞9向后，内端面压到反拉板4并将反拉力通过反拉板4作用在主轴12上。由于内活塞3和外活塞9上的打刀油压作用面积A、B相等，受到同一油腔压力油的作用，作用力大小自然也相等，此时主轴12受到大小相等方向相反的一对力的同时作用，作用力相互抵消，合力则为零。内活塞3和外活塞9的相向运动直至两者相碰紧顶在一起、且都到达两者位于油缸中部的终点位置方才停止，打刀动作完成。

此时，压缩空气一经气路c分为两个支路，当两个活塞3、9各自都到达中部的终点位置后，内活塞3后端的环槽H和外活塞9前端的环槽K分别与对应的两组c、d气路接通，一个支路的空气通过外活塞9的环槽K到达气路d，并进入内活塞3的环槽H，另一个支路的空气直接到达3的环槽H，两个支路的空气合并进入气路e，再进入拉杆22中的气路f，对主轴12锥孔进行吹气清洁，以防切屑、灰尘及冷却液污染锥孔，保证装刀时刀柄19与锥孔联接准确牢固，此时该气路一处于卸荷低压状态，该气路一中外接的压力继电器没有发出电信号;另外，压缩空气二经过气路g进入密封盖1的内部，再进入内活塞3中，因内活塞3的前端和外活塞9的中部内端面紧贴而受阻，导致气路二的气压上升，气路二中外接的压力继电器发出电气信号，表明此时两个活塞3、9都已到达终点位置。

抓刀时，见图2中的左半部所示。压力油经油路b进入油缸的环形抓刀油腔G，使得内活塞3向后、外活塞9向前同时进行反向运动，内活塞3向后带动顶杆8，直至顶到油缸后盖2才停在位于油缸后部的原位，碟型弹簧24向后伸展，顶紧连接杆11带动拉杆22向后收缩，使得拉爪21抓紧拉钉20及刀柄19，此时连接杆11不再向后收缩，与顶杆8脱离;同时，外活塞9向前脱离反拉板4，直至顶到后轴承套7才停在位于油缸前部的原位，抓刀动作完成。当两个活塞各自都回到原位后，内活塞3后端上的环槽H和外活塞9前端上的环槽K分别离开后端和前端的c、d气路，压缩空气一经气路c分为两个支路，一个支路的空气到达外活塞9前端被其阻断，另一个支路的空气到达内活塞3后端也被其阻断，此时气路c、d之间以及c、e之间互相不通，吹气清洁动作结束，并且该气路一的气压上升，气路一中外接的压力继电器发出电气信号，表明此时两个活塞3、9都已到达原位位置;另外，压缩空气二经过气路g进入密封盖1，再经内活塞3进入直角头内部空间中，从轴承端盖迷宫处及别的缝隙中逸出，此时该气路二处于卸荷低压状态，气路一中外接的压力继电器未发出电信号。

3 套缸打刀机构的的简化变型

在一定条件下，套缸打刀机构可以作以下简化变型，以实现不同目的：

（1）取消油路b，在内活塞3和外活塞9内侧的轴向之间设置一个弹簧32，以替代抓刀油腔G的功能。抓刀时，可利用弹簧32推动内、外活塞3、9轴向反向运动回到原位。该结构，可以简化打刀机构，减少液压系统油路及电控系统复杂程度，降低成本。

（2）取消油缸气路二中的全部气路g。该结构，在不需要发出打刀完成信号就可以工作的场合，以及主轴12不需要气密即可保持内部清洁的场合，仍可以正常进行打刀及抓刀动作，这样可以简化打刀机构，减少气路及电控系统复杂程度，降低成本。

（3）在抓刀油路b中可通入压缩空气来代替压力油。该方式可以简化油路结构，减低成本。

4 结论

现在直角头打刀机构的主轴轴承承受很大的打刀力，影响主轴精度和寿命，而且打刀和抓刀完成都不能发出电气信号，可靠性差。针对现有打刀机构的不足，创新提出了可卸荷的直角头套缸打刀机构，打刀油缸具有套装的内活塞和外活塞，分别进行对拉杆的向前打刀和对主轴的向后反拉作用，两个活塞的油压作用面都为环形且面积相等，打刀力和反拉力大小相等、方向相反，作用在主轴上的合力为零，主轴轴承不受打刀力，保证了其精度和寿命。打刀机构内部特定位置设有多组气路，气路中外接压力继电器可发出电信号，打刀和抓刀动作完成后都可由特定位置的气路发出不同电信号，以控制主轴的运行以及打刀、抓刀、吹气等各个动作，并且打刀时可以对主轴锥孔进行吹气清洁，抓刀完成后可以对主轴内部进行通气密封，结构精巧、控制性能好、可靠性高。