交换托盘安全式定位锥的创新设计
2021-01-05高秀峰
高秀峰
(沈阳机床(集团)设计研究院有限公司,辽宁 沈阳 110142)
为了提高零件的加工效率,交换托盘通常被应用于卧式加工中心或立式加工中心[1]。定位锥是交换托盘重要的定位机构与拉紧机构,因此,定位锥的精度、拉紧刚度与可靠性直接影响着交换托盘的重复定位精度、零件加工精度、机床的加工效率及可靠性。
目前,定位锥的拉紧机构主要有拉爪式与钢球式2种,拉紧动力源主要有液压式、碟簧式与自锁式3种。
当交换托盘位于加工中心的倾斜式转台、摇篮式转台或者倾斜姿态时,该种工况对于定位锥的拉紧动力源的可靠性提出了非常高的要求。如果动力源意外丧失或者加工中心停机导致动力源丧失之后,不可靠的拉紧方式极可能导致定位锥拉紧松动、交换托盘定位精度不准确、刀具与零件磕碰甚至交换托盘掉落等严重安全事故。因此,对定位锥的拉紧机构及拉紧动力源进行研究具有极其重要的意义。
液压式拉紧完全依赖于加工中心液压站的压力,因此,液压式拉紧的可靠性较差。碟簧式拉紧属于机械式拉紧,具有较高的可靠性,但由于碟簧尺寸较大、多片碟簧长度较长,因此造成定位锥整体尺寸偏大。若通过减少碟簧片数达到减小定位锥整体尺寸的目的,则会极大地降低碟簧的使用寿命。自锁式拉紧尽管具有可靠性高、结构紧凑的特点,但价格较高。
根据上述3种定位锥拉紧动力源的综合分析,研制开发一种高可靠性、结构紧凑、低成本的安全式定位锥,具有极其重要的意义。
1 传统液压式拉紧定位锥工作原理
目前,国内外最常用的是液压式拉紧定位锥,本文以德国Berg公司的产品为例,简要阐述液压式拉紧定位锥的工作原理,详情如图1所示。
松开进油口6进油后,活塞7带动拉爪8向上移动,此时拉爪8松开。交换托盘连同上锥盖1及拉钉2放置在下椎体4上之后,拉紧进油口5进油,活塞7带动拉爪8下移,拉爪8拉紧拉钉2。
由图1可得知,液压式定位锥的拉紧完全依赖于加工中心液压站的压力,因此液压式拉紧定位锥的可靠性较差。
2 安全式定位锥创新设计
2.1 安全式定位锥结构组成
笔者公司在深入研究当前液压式拉紧定位锥的基础上,创新设计了一种安全式定位锥。该安全式定位锥在正常工作时,依赖液压进行拉紧与松开,但在液压动力源意外丧失之后,还能依赖自身内部结构实现对拉钉的无压拉紧,极大地保证了交换托盘及加工中心的安全性。
安全式定位锥的结构组成如图2所示。
2.2 安全式定位锥工作原理
如图3所示,安全式定位锥的动作流程是:
1无压无钉拉紧→2有压无钉松开→3有压有钉拉紧→4无压有钉拉紧→5有压有钉松开→6有压无钉松开。
在图2中,定位锥在初始无压状态时,外活塞7与内活塞10分别在复位弹簧的作用下实现钢球的拉紧。交换托盘连同上锥盖1及拉钉2放置在下椎体5上之前,松开进油口6进油,外活塞7压迫复位弹簧向下移动实现钢球松开。交换托盘连同上锥盖1及拉钉2放置在下椎体5上之后,拉紧进油口12进油,该路油同时推动外活塞7向上移动以及内活塞10向下移动,这两个反向同步移动实现了钢球对拉钉的可靠拉紧。当液压动力源意外丧失之后,内活塞10在复位弹簧的作用下向上移动一段微小距离,与下缸盖贴合;外活塞7由于受到复位弹簧8向上的推力作用,因此外活塞7仍静止不动。此时,钢球4尽管同步上移了与内活塞10相同的一段微小距离,但仍处于外活塞7的圆柱内孔与内活塞10的径向小孔之间,因此此时钢球4仍然实现了对拉钉的可靠拉紧。若要松开交换托盘时,松开进油口6进油,外活塞7压迫复位弹簧8向下移动实现钢球对拉钉的松开。拉钉抬起后,钢球定位块15在复位弹簧14的作用下向上移动至密封盖处,松开进油口6泄压,外活塞7在复位弹簧8的作用下向上移动至初始位置,整个定位锥又返回至初始的无压无钉拉紧的状态。
2.3 安全式定位锥的无压拉紧原理
对图3d的钢球和外活塞分别作受力分析,如图4所示。
由图4a可得:
N74=N24cosα
(1)
N104=N24sinα
(2)
α≤45°
(3)
式中:N74、N24、N104分别表示外活塞7对钢球4的支撑力、拉钉2对钢球4的支撑力、内活塞10对钢球4的支撑力。其中,N104等于定位锥对拉钉的拉紧力。
由图4b可得:
F+f=fN74
(4)
fN74=uN74
(5)
式中:F、f、fN74、u分别表示外活塞复位弹簧的总复位推力、密封圈摩擦力、钢球4对外活塞7的摩擦力、摩擦系数。
由式(1)~(5)可得:
F (6) 设外活塞复位弹簧的数量为n,则每个弹簧的最大复位推力为: (7) 设定位锥对拉钉的拉紧力N104=20 kN,钢球与外活塞之间的摩擦系数u=0.001~0.005,外活塞复位弹簧数量n=4。 由式(7)可得外活塞每个复位弹簧的最大复位推力为: (8) 由上述计算分析可以得出,通过内外活塞及各复位弹簧的巧妙设计,可以在液压动力源意外丧失之后,仍能通过较小的力实现定位锥对拉钉强力的可靠拉紧,这就是安全式定位锥的无压拉紧原理。 针对目前液压式拉紧定位锥可靠性较差、碟簧式拉紧定位锥尺寸较大、自锁式拉紧定位锥价格较高的问题,笔者公司自主创新设计了一种全新的安全式定位锥。 该产品可靠性高、尺寸小巧、价格低廉,并且可以在动力源意外丧失或者加工中心停机导致动力源丧失之后,仍然能够实现定位锥对拉钉的可靠拉紧。该产品的研发,对交换托盘在卧式加工中心或立式加工中心的可靠应用,具有极其重要的实际意义。3 结语