加工中心主轴拉刀机构的设计与研究*

2021-06-26郭翠娟

制造技术与机床 2021年6期

郭翠娟邓鑫

(科德数控股份有限公司，辽宁大连 116600)

拉刀机构是可自动换刀的主轴关键部件之一，随着机床自动化程度越来越高，带有可自动换刀功能的电主轴成为加工中心的主流产品。拉刀机构是实现自动换刀功能的关键零部件，其应用越来越普遍。现阶段国内自己设计生产拉刀机构的主轴或机床企业非常少,绝大部分采用国外进口，货期长，价格贵。本文针对拉刀机构的实现原理及结构设计方面对其进行了详细阐述,为自主设计拉刀机构提供了依据。

1 结构组成及动作原理

主轴拉刀机构通常由前端拉爪、拉丁、拉杆、弹簧及相应结构件组成。如图1所示，主要完成刀具的抓取及松开动作。

刀具的拉紧过程是弹簧弹开，将拉杆向后顶，拉丁随拉杆向后移动，同时将拉爪撑开，拉爪卡住刀柄的内扣槽，将刀柄拉紧。其中拉紧力由弹簧产生，通过前端的增力机构放大，实现刀具的稳固夹紧，增力机构主要存在于拉爪和刀柄之间以及拉爪和拉丁之间。刀具的松开通常由一套液压缸动作来实现，活塞打在拉杆后端，将拉杆向前推，弹簧压缩，拉丁顶出，拉爪收缩，将刀柄推出锥孔。此文仅针对刀具的夹紧过程进行详细的说明。拉刀机构在拉刀时，由弹簧产生拉紧力，并通过前端的增力结构达到最终刀具的使用要求。因此设计过程中，确定弹簧出力时必须要了解刀具的拉刀力要求以及增力机构的放大系数。通常刀具的拉刀力都是按国家标准来设计。如标准中针对HSK-A型的应用简易表如表1所示。

表1 刀柄与拉刀力的对照表[1]

当切削负载低时，比较小的夹紧力就够了，反之，当遇到切削负载高时，就需要较大的夹紧力[1]。因此设计时，除考虑到标准要求，还要考虑实际应用需求。

2 拉刀机构的增力机构

如上所述，拉刀机构的增力存在于前端拉爪部位，自主设计时，要先明确增力机构的放大系数，下面以某厂家前端机构为例进行详细剖析。

如上图，拉杆施加拉刀力的过程中，拉杆的力为F，受到拉爪给的阻力：垂直斜面的力N1和沿斜面的摩擦力f1，合力为F1。

F1的水平分力：

F′=-F(根据力的平衡原理：大小相等，方向相反)

F1与竖直方向的夹角:

φ1+(90°-α-φ)=90°

所以：φ1=α+φ

再分析刀柄给拉爪的力：支反力N2和摩擦力f2，拉爪相对刀柄外胀，向外滑，所以摩擦力f2向内。

合力F2与竖直方向的夹角φ2：

φ2+β+(90°-γ)=90°所以φ2=γ-β

合力F2水平分力:

通过计算得到，当这张正方形纸的边长为20 cm，若从四个角剪去的小正方形边长为x(在数值上等于所折无盖长方体型盒子的高h)，该无盖长方体形盒子所对应的容积V的表达式为：V=(20-2x)2·h=(20-2x)2·x，当x分别取1 cm,2 cm,3 cm,…,9 cm，10 cm 时，容积V随小正方形边长x变化的数据如下表1、图1所示：

F0=F2·sinφ2=F2·sin(γ-β)

所谓斜楔增力就是由水平力通过斜面转化成垂直方向的力，两力的比值为增力系数。

斜面一：拉丁和拉爪之间，增力系数为:

斜面二：拉爪和刀柄之间，增力系数为:

经过两次放大后：

设μ=0.1，则φ=β=arctan0.1=5.71°。所以

倍。

3 弹簧组设计

在设计弹簧组结构时，除了考虑拉刀时力值满足外，还要综合整个松拉刀行程，整个行程弹簧都处于压缩状态，尤其在松刀状态下，即弹簧处于最大压缩时，弹簧受力应在其寿命允许的可承受范围内，如碟簧通常要求不超过75%的压缩量，否则寿命会大幅下降。

拉刀机构的弹簧可以选用碟簧或卷簧。碟簧相对成本要低很多，组合方式多样，可根据设计参数选择合适的组合，但在高速运转下碟簧对主轴动平衡的影响要大一些。卷簧在拉刀机构中的应用也非常多，但是其价格非常贵，性能稳定，没有噪声。卷簧在使用过程中需要注意的是要成组使用，即一个左旋卷簧，一个右旋卷簧。卷簧和卷簧之间要放置隔片。碟簧如果叠加的组合非常多的情况下，也需要在中间增加隔片设计。

碟簧推荐的最佳使用范围介于其最大压缩行程的10%～75%。因此在设计过程为了保证拉刀机构的使用寿命，要按照碟簧的使用要求设计。通常碟簧同方向叠加的片数不超过3片。利用卷簧时，则要按照卷簧的工作曲线来设计。