吳金泉

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226010）

立式加工中心及數(shù)控銑床的主軸自動(dòng)換刀，是機(jī)床加工中必不可少的功能。機(jī)床在進(jìn)行換刀時(shí)，首先通過(guò)松刀動(dòng)作后，才能將主軸上的刀具取下，待主軸換上新刀后，再進(jìn)行拉刀動(dòng)作，將主軸上的刀具拉緊后，方可進(jìn)行加工。目前的機(jī)床主軸換刀時(shí)，通常的結(jié)構(gòu)都是首先通過(guò)松刀缸的動(dòng)作，推動(dòng)帶有碟形彈簧的拉桿，使機(jī)床夾持刀具的夾頭松開，然后由機(jī)械手（對(duì)于加工中心）或手工（對(duì)于數(shù)控銑床）來(lái)進(jìn)行換刀動(dòng)作，當(dāng)新的刀具被換到主軸上后，松刀缸反向運(yùn)動(dòng)，活塞回退，拉刀桿在蝶形彈簧的作用下回退，拉緊刀具。

1 主軸結(jié)構(gòu)及自動(dòng)換刀工作原理

立式加工中心及數(shù)控銑床主軸結(jié)構(gòu)，多采用組件結(jié)構(gòu)形式，如圖1所示主要由主軸套筒2、主軸構(gòu)件4、主軸前、后支承軸承1和8、實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀功能的主軸拉桿5、蝶形彈簧9及拉桿頭部的拉爪機(jī)構(gòu)組成。采用組件結(jié)構(gòu)，便于主軸的生產(chǎn)、裝配和維修。

圖1所示為不帶主軸軸承御荷裝置立式加工中心主軸部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其換刀過(guò)程如下：

在加工過(guò)程中需要進(jìn)行換刀時(shí)，松刀缸14在高壓油或壓縮氣體的作用下，松刀缸活塞桿下行，逐漸與主軸拉桿5上端接觸，壓迫拉桿下行，拉桿的下端剛性連接著拉爪套16和拉爪機(jī)構(gòu)17，拉爪機(jī)構(gòu)在下行過(guò)程中瓣松開拉爪，這時(shí)主軸錐孔中的刀柄及拉釘被放開，在機(jī)械手的作用下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀。待換刀完成后，松刀油缸回程，拉桿在蝶形彈簧的作用下上行，帶動(dòng)拉爪上行，通過(guò)刀柄上的拉釘實(shí)現(xiàn)刀具的拉緊。

2 主軸軸承的受力分析

如圖1結(jié)構(gòu)所示，換刀過(guò)程中，拉桿要下行一定距離，由于蝶形彈簧壓縮量增大，使其內(nèi)部作用力增大，而蝶形彈簧的作用力通過(guò)下墊板7作用到主軸構(gòu)件4上，主軸前、后支承軸1和8在軸承內(nèi)隔圈及鎖緊螺母的連接下，與主軸構(gòu)件形成剛性聯(lián)接，所以這個(gè)作力也就施加到了主軸軸承上，使得主軸軸承產(chǎn)生了一個(gè)較大的軸向力；由于拉爪結(jié)構(gòu)的需要，主軸松刀行程一般要達(dá)到5～6.5mm左右，這樣主軸軸承在每次換刀時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生較大的軸向力，一般而言，40#主軸的松刀力將達(dá)到12kN左右，50#主軸的松刀力將達(dá)到18kN左右，而且加工中心在工作過(guò)程中，換刀是相當(dāng)頻繁的，這就造成主軸軸承要承受經(jīng)常性的較大的軸向沖擊力，嚴(yán)重影響了主軸的精度的穩(wěn)定和使用壽命。

圖1 不帶主軸軸承御荷裝置的立式加工中心主軸部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)

3 浮動(dòng)反扣御荷裝置結(jié)構(gòu)

為了消除換刀過(guò)程中松刀力對(duì)主軸軸承的軸向沖擊作用，采用圖2所示的結(jié)構(gòu)，將會(huì)起到明顯的效果。主要結(jié)構(gòu)與工作原理與圖1大致相同，不同的是在主軸構(gòu)件4的上端安裝一固定拉環(huán)20與主軸構(gòu)件4通螺釘形成剛性聯(lián)接，在主軸箱上端安裝浮動(dòng)拉環(huán)21（在安裝時(shí)要先將固定拉環(huán)20拆下），浮動(dòng)環(huán)與松刀缸底座16通過(guò)螺釘19固定形成整體，在導(dǎo)向套12、壓縮彈簧13、壓板14及螺釘15的作用下，實(shí)現(xiàn)其在主軸箱內(nèi)孔的上下浮動(dòng)，主軸在正?；剞D(zhuǎn)過(guò)中，浮動(dòng)環(huán)及壓縮缸座在壓簧13的作用下，與主軸箱體孔上平面靠實(shí)，確保浮動(dòng)環(huán)與固定環(huán)不接觸。具體工作過(guò)程如下：

在加工過(guò)程中，需要進(jìn)行換刀時(shí)，松刀缸16在高壓油或壓縮氣體的作用下，松刀缸活塞桿下行，逐漸與主軸拉桿5上端接觸，在松刀缸和拉桿的接觸面之間產(chǎn)生一對(duì)作用力且隨之加大，當(dāng)作用力超過(guò)壓簧13的預(yù)壓力時(shí)，松刀缸與浮動(dòng)環(huán)一起向上運(yùn)動(dòng)，直到浮動(dòng)環(huán)與固定環(huán)相互接觸，在這之后，松刀缸與拉桿之間的作用力，就完全由浮動(dòng)環(huán)與主軸構(gòu)件形成的剛性體來(lái)承擔(dān)，拉桿與拉爪機(jī)構(gòu)及松刀抓刀動(dòng)作，與圖1完全相同，不作詳述。

由于增加浮動(dòng)反扣御荷裝置結(jié)構(gòu)，在松刀過(guò)程中主軸產(chǎn)生的很大的軸向力，都傳遞給了主軸構(gòu)件，有效地減輕了主軸軸承的軸向受力，從而大提高了主軸部件的運(yùn)動(dòng)精度和使用壽命。

4 設(shè)計(jì)中的注意事項(xiàng)

（1）浮動(dòng)機(jī)構(gòu)的壓簧彈簧力要選用適當(dāng)，在確保正常工作時(shí)，將松刀缸底座及浮動(dòng)環(huán)整體壓靠主軸箱體上端面的前提下，彈簧力要盡可能小，否則對(duì)主軸軸承軸向力的減小不明顯，相反會(huì)增大松刀的工作力。

（2）主軸正常工作時(shí)，要確保浮動(dòng)環(huán)與主軸構(gòu)件上固定環(huán)不接觸，否則會(huì)造成磨擦和發(fā)熱，影響主軸工作性能。

（3）主軸上端的固定環(huán)在安裝過(guò)程中，需要拆下，必須考慮拆裝前后位置不變，以確保拆裝時(shí)不破壞原主軸組件的動(dòng)平衡。

5 結(jié)束語(yǔ)

運(yùn)用主軸軸承松刀卸荷裝置，可以使主軸軸承在頻繁的換刀過(guò)程，不受較大的軸向松刀力的影響，提高了軸承使用壽命，保持了主軸軸承精度的穩(wěn)定性。尤其是對(duì)大功率、大扭矩的主軸，為保證了大功率、大扭矩切削時(shí)刀具夾持的穩(wěn)定性，主軸松刀力大多超過(guò)20kN以上，為了提高機(jī)床主軸軸承精度的穩(wěn)定性和使用壽命，采用主軸軸承松刀卸荷結(jié)構(gòu)是非常必要的。

[1]夏向陽(yáng).加工中心數(shù)控銑床主軸松刀卸荷裝置[J].機(jī)械制造，2007（03）：44-45

[2]馬慶鑫.一種數(shù)控機(jī)床主軸浮動(dòng)夾刀裝置 [J].機(jī)械工程師，2010（04）：146-146.