孫德洲　仲秋

摘 要：針對(duì)現(xiàn)有直角頭打刀機(jī)構(gòu)的不足，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了可卸荷的直角頭套缸打刀機(jī)構(gòu)，介紹了該打刀機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性能特點(diǎn)和工作過(guò)程，打刀油缸具有套裝的內(nèi)活塞和外活塞，分別對(duì)主軸進(jìn)行打刀和反拉作用，油壓作用面都為環(huán)形且面積相等，打刀力和反拉力大小相等、方向相反，合力為零，主軸軸承不受打刀力，并且打刀和抓刀完成位置都由特定位置的氣路發(fā)出電信號(hào)。

關(guān)鍵詞：可卸荷;直角頭套缸;打刀機(jī)構(gòu)

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

龍門(mén)加工中心等大型數(shù)控機(jī)床，配上不同的附件頭之后，只需一次裝夾就可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的五面加工，每面都可以進(jìn)行銑、鏜、鉆、攻等各種工序，效率高，加工精度好。為了提高工作效率，機(jī)床往往是進(jìn)行自動(dòng)加工，這樣，附件頭就必須能夠進(jìn)行自動(dòng)換刀。直角頭是最常用的附件頭，其精度特別是主軸的精度往往決定了工件的加工精度，而其自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)特別是其中的打刀機(jī)構(gòu)的性能和可靠性就對(duì)機(jī)床自動(dòng)切削加工的順利進(jìn)行至關(guān)重要，而且對(duì)主軸的精度保持性影響也很大。

現(xiàn)有的直角頭打刀機(jī)構(gòu)，見(jiàn)圖1。主要包括主軸12、前后軸承組合16、13、前后軸承套17、31、拉桿22、連接桿11、頂桿30、碟型彈簧24、拉爪21、拉釘20、刀柄19和打刀油缸等。打刀油缸由油缸后蓋28、油缸筒27、活塞26構(gòu)成，安裝于直角頭打刀機(jī)構(gòu)的尾部?；钊?6上通過(guò)螺栓固定有頂桿30。主軸12上設(shè)有前后軸承組合16、13并使用鎖緊螺母14、10鎖緊，前后軸承組合16、13經(jīng)前后軸承套17、31安裝在主軸箱體25中，主軸12可以在其中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。主軸12的尾部端面通過(guò)螺栓固定有擋蓋6。主軸12中心的孔中設(shè)置有拉桿22和與其相固定的連接桿11，拉桿22上裝有多個(gè)碟型彈簧24，主軸12尾部的擋蓋6將其限制在主軸12內(nèi)部。拉桿22前端設(shè)有拉爪21，碟型彈簧24經(jīng)拉桿22、拉爪21將拉釘20及與其相聯(lián)的刀柄19拉緊在主軸12錐孔中固定。

打刀時(shí)，見(jiàn)圖1中右半部所示，主軸12停止運(yùn)轉(zhuǎn)，打刀油缸后部環(huán)形空腔中通入壓力油，推動(dòng)活塞26向前運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)頂桿30，推動(dòng)連接桿11并壓縮碟型彈簧24，帶動(dòng)拉桿22向前運(yùn)動(dòng)，使得拉桿22上的拉爪21松開(kāi)，拉釘20及刀柄19即可從主軸12中拿出，完成打刀動(dòng)作;同時(shí)，氣路開(kāi)通，來(lái)自氣源的壓縮空氣經(jīng)密封蓋29和頂桿中的孔進(jìn)入拉桿22孔中，再?gòu)闹鬏S12錐孔中吹出，對(duì)錐面進(jìn)行清潔。

抓刀時(shí)，見(jiàn)圖1中左半部所示，油缸前部環(huán)形空腔中通壓力油，活塞26向后退回，頂桿30脫離連接桿11，碟型彈簧24向后伸長(zhǎng)，帶動(dòng)連接桿11及拉桿22向后退回，帶動(dòng)拉爪21收縮，抓緊拉釘20和刀柄19，完成抓刀運(yùn)作，主軸12可以運(yùn)轉(zhuǎn)。

上述打刀機(jī)構(gòu)存在如下不足：

（1）打刀時(shí)，油缸的打刀力通過(guò)連接桿11、碟型彈簧24作用在主軸12上，再經(jīng)過(guò)前軸承組合16和前端蓋組合18向前傳遞到前軸承套17及主軸箱體25上，這樣，軸承16在加工工件時(shí)受到主要是向后的切削力，而打刀時(shí)又受到向前的打刀力，軸承16不斷地受到這樣很大的交變力的作用，精度和壽命會(huì)受到很大的影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成其損壞。

（2）抓刀動(dòng)作完成后，活塞26回到后端的原位，頂桿30應(yīng)該離開(kāi)連接桿11端面，保持一定的間隙，方可使主軸12正常運(yùn)轉(zhuǎn)。如果頂桿30沒(méi)有離開(kāi)連接桿11端面，主軸12就開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，就會(huì)造成油缸及連接桿11和拉桿22的損壞，嚴(yán)重的還會(huì)引起軸承損壞。而現(xiàn)在的打刀機(jī)構(gòu)中，由于無(wú)法設(shè)置行程開(kāi)關(guān)來(lái)控制活塞26的行程位置，特別是原位，只能靠油路中的壓力繼電器發(fā)信號(hào)或電控系統(tǒng)中的延時(shí)繼電器發(fā)信號(hào)來(lái)間接代表活塞26已回到原位，實(shí)際上并不能確保活塞26的確已回到原位，可靠性差。

1 可卸荷的直角頭套缸打刀機(jī)構(gòu)

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，恒力公司研發(fā)出一種新的可卸荷的直角頭套缸打刀機(jī)構(gòu)，打刀時(shí)主軸軸承不會(huì)直接受到打刀力的作用，并可以確保打刀結(jié)束活塞回到原位時(shí)發(fā)出信號(hào)后主軸才可運(yùn)轉(zhuǎn)?？尚逗傻闹苯穷^套缸打刀機(jī)構(gòu)組成見(jiàn)圖2。

圖中：1-密封蓋，2-油缸后蓋，3-內(nèi)活塞，4-反拉板，5-油缸筒，6-擋蓋，7-后軸承套，8-頂桿，9-外活塞，10-鎖緊螺母，11-連接桿，12-主軸，13-后軸承組合，14-鎖緊螺母，15-螺傘齒輪，16-前軸承組合，17-前軸承套，18-端蓋組合，19-刀柄，20拉釘，21-拉爪，22-拉桿，23-擋圈，24-碟型彈簧，25-主軸箱體，32-彈簧，A-打刀油壓作用面積，B-打刀油壓作用面積，E–打刀油腔，F(xiàn)–打刀油腔，G-抓刀油腔，H-環(huán)槽，K-環(huán)槽，a-油路，b-油路，c-氣路，d-氣路，e-氣路，f-氣路，g-氣路。

內(nèi)活塞3的內(nèi)腔中還可以設(shè)有可推動(dòng)內(nèi)外活塞3、9軸向反向運(yùn)動(dòng)的彈簧32，以簡(jiǎn)化油路機(jī)構(gòu)，不過(guò)一般情況下不需要設(shè)此彈簧。

打刀油缸為套式結(jié)構(gòu)，設(shè)于主軸12的后部，由油缸后蓋2、油缸筒5、內(nèi)活塞3、外活塞9、后軸承套7構(gòu)成，外活塞9套裝于內(nèi)活塞3的外部，且內(nèi)活塞3和外活塞9上的打刀油壓作用面都為環(huán)形，面積A、B相等。內(nèi)、外兩個(gè)活塞3、9與油缸后蓋2、油缸筒5、后軸承套7之間構(gòu)成有E、F、G三個(gè)環(huán)形油腔的套式打刀油缸，E、F為打刀油腔，G為抓刀油腔。

頂桿8通過(guò)螺栓固定在內(nèi)活塞3上，且位于連接桿11的后面，可推動(dòng)連接桿11帶動(dòng)拉桿22向前運(yùn)動(dòng)。頂桿8上的調(diào)整墊用于調(diào)整打刀位置。主軸12的后端面上通過(guò)螺栓固定有擋蓋6和反拉板4，外活塞9可與反拉板4相觸碰，使外活塞9向后的作用力作用在反拉板4上。

套缸打刀機(jī)構(gòu)相對(duì)舊打刀機(jī)構(gòu)，有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）油缸為缷荷式油缸，使內(nèi)活塞3通過(guò)連接桿11、碟型彈簧24作用在主軸12上向前的打刀力與外活塞9通過(guò)反拉板4作用在主軸12上向后的反拉力大小相等、方向相反，相互抵消，合力為零，因而，主軸12的前軸承組合16不承受打刀力，保證了其精度和壽命。

（2）根據(jù)兩活塞3、9的行程位置，由設(shè)于氣路中的壓力繼電器發(fā)出電信號(hào)，通過(guò)電控系統(tǒng)來(lái)控制主軸12的運(yùn)行，以及打刀、抓刀、吹氣等各個(gè)動(dòng)作，控制性能好、可靠性高。

（3）油缸無(wú)外露油管，外形規(guī)整，密閉性好，體積小。

2 套缸打刀機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程

打刀時(shí)，見(jiàn)圖2中的右半部所示。壓力油經(jīng)油路a分為兩路進(jìn)入環(huán)形打刀油腔E、F，使得內(nèi)活塞3向前、外活塞9向后同時(shí)進(jìn)行相向運(yùn)動(dòng)。內(nèi)活塞3向前帶動(dòng)頂桿8推動(dòng)連接桿11、壓縮碟型彈簧24和擋圈23，將打刀力作用于主軸12上，并且連接桿11向前帶動(dòng)拉桿22向前伸出，使得拉爪21松開(kāi)，拉釘20及刀柄19即可以從主軸12中取出;同時(shí)，外活塞9向后，內(nèi)端面壓到反拉板4并將反拉力通過(guò)反拉板4作用在主軸12上。由于內(nèi)活塞3和外活塞9上的打刀油壓作用面積A、B相等，受到同一油腔壓力油的作用，作用力大小自然也相等，此時(shí)主軸12受到大小相等方向相反的一對(duì)力的同時(shí)作用，作用力相互抵消，合力則為零。內(nèi)活塞3和外活塞9的相向運(yùn)動(dòng)直至兩者相碰緊頂在一起、且都到達(dá)兩者位于油缸中部的終點(diǎn)位置方才停止，打刀動(dòng)作完成。

此時(shí)，壓縮空氣一經(jīng)氣路c分為兩個(gè)支路，當(dāng)兩個(gè)活塞3、9各自都到達(dá)中部的終點(diǎn)位置后，內(nèi)活塞3后端的環(huán)槽H和外活塞9前端的環(huán)槽K分別與對(duì)應(yīng)的兩組c、d氣路接通，一個(gè)支路的空氣通過(guò)外活塞9的環(huán)槽K到達(dá)氣路d，并進(jìn)入內(nèi)活塞3的環(huán)槽H，另一個(gè)支路的空氣直接到達(dá)3的環(huán)槽H，兩個(gè)支路的空氣合并進(jìn)入氣路e，再進(jìn)入拉桿22中的氣路f，對(duì)主軸12錐孔進(jìn)行吹氣清潔，以防切屑、灰塵及冷卻液污染錐孔，保證裝刀時(shí)刀柄19與錐孔聯(lián)接準(zhǔn)確牢固，此時(shí)該氣路一處于卸荷低壓狀態(tài)，該氣路一中外接的壓力繼電器沒(méi)有發(fā)出電信號(hào);另外，壓縮空氣二經(jīng)過(guò)氣路g進(jìn)入密封蓋1的內(nèi)部，再進(jìn)入內(nèi)活塞3中，因內(nèi)活塞3的前端和外活塞9的中部?jī)?nèi)端面緊貼而受阻，導(dǎo)致氣路二的氣壓上升，氣路二中外接的壓力繼電器發(fā)出電氣信號(hào)，表明此時(shí)兩個(gè)活塞3、9都已到達(dá)終點(diǎn)位置。

抓刀時(shí)，見(jiàn)圖2中的左半部所示。壓力油經(jīng)油路b進(jìn)入油缸的環(huán)形抓刀油腔G，使得內(nèi)活塞3向后、外活塞9向前同時(shí)進(jìn)行反向運(yùn)動(dòng)，內(nèi)活塞3向后帶動(dòng)頂桿8，直至頂?shù)接透缀笊w2才停在位于油缸后部的原位，碟型彈簧24向后伸展，頂緊連接桿11帶動(dòng)拉桿22向后收縮，使得拉爪21抓緊拉釘20及刀柄19，此時(shí)連接桿11不再向后收縮，與頂桿8脫離;同時(shí)，外活塞9向前脫離反拉板4，直至頂?shù)胶筝S承套7才停在位于油缸前部的原位，抓刀動(dòng)作完成。當(dāng)兩個(gè)活塞各自都回到原位后，內(nèi)活塞3后端上的環(huán)槽H和外活塞9前端上的環(huán)槽K分別離開(kāi)后端和前端的c、d氣路，壓縮空氣一經(jīng)氣路c分為兩個(gè)支路，一個(gè)支路的空氣到達(dá)外活塞9前端被其阻斷，另一個(gè)支路的空氣到達(dá)內(nèi)活塞3后端也被其阻斷，此時(shí)氣路c、d之間以及c、e之間互相不通，吹氣清潔動(dòng)作結(jié)束，并且該氣路一的氣壓上升，氣路一中外接的壓力繼電器發(fā)出電氣信號(hào)，表明此時(shí)兩個(gè)活塞3、9都已到達(dá)原位位置;另外，壓縮空氣二經(jīng)過(guò)氣路g進(jìn)入密封蓋1，再經(jīng)內(nèi)活塞3進(jìn)入直角頭內(nèi)部空間中，從軸承端蓋迷宮處及別的縫隙中逸出，此時(shí)該氣路二處于卸荷低壓狀態(tài)，氣路一中外接的壓力繼電器未發(fā)出電信號(hào)。

3 套缸打刀機(jī)構(gòu)的的簡(jiǎn)化變型

在一定條件下，套缸打刀機(jī)構(gòu)可以作以下簡(jiǎn)化變型，以實(shí)現(xiàn)不同目的：

（1）取消油路b，在內(nèi)活塞3和外活塞9內(nèi)側(cè)的軸向之間設(shè)置一個(gè)彈簧32，以替代抓刀油腔G的功能。抓刀時(shí)，可利用彈簧32推動(dòng)內(nèi)、外活塞3、9軸向反向運(yùn)動(dòng)回到原位。該結(jié)構(gòu)，可以簡(jiǎn)化打刀機(jī)構(gòu)，減少液壓系統(tǒng)油路及電控系統(tǒng)復(fù)雜程度，降低成本。

（2）取消油缸氣路二中的全部氣路g。該結(jié)構(gòu)，在不需要發(fā)出打刀完成信號(hào)就可以工作的場(chǎng)合，以及主軸12不需要?dú)饷芗纯杀３謨?nèi)部清潔的場(chǎng)合，仍可以正常進(jìn)行打刀及抓刀動(dòng)作，這樣可以簡(jiǎn)化打刀機(jī)構(gòu)，減少氣路及電控系統(tǒng)復(fù)雜程度，降低成本。

（3）在抓刀油路b中可通入壓縮空氣來(lái)代替壓力油。該方式可以簡(jiǎn)化油路結(jié)構(gòu)，減低成本。

4 結(jié)論

現(xiàn)在直角頭打刀機(jī)構(gòu)的主軸軸承承受很大的打刀力，影響主軸精度和壽命，而且打刀和抓刀完成都不能發(fā)出電氣信號(hào)，可靠性差。針對(duì)現(xiàn)有打刀機(jī)構(gòu)的不足，創(chuàng)新提出了可卸荷的直角頭套缸打刀機(jī)構(gòu)，打刀油缸具有套裝的內(nèi)活塞和外活塞，分別進(jìn)行對(duì)拉桿的向前打刀和對(duì)主軸的向后反拉作用，兩個(gè)活塞的油壓作用面都為環(huán)形且面積相等，打刀力和反拉力大小相等、方向相反，作用在主軸上的合力為零，主軸軸承不受打刀力，保證了其精度和壽命。打刀機(jī)構(gòu)內(nèi)部特定位置設(shè)有多組氣路，氣路中外接壓力繼電器可發(fā)出電信號(hào)，打刀和抓刀動(dòng)作完成后都可由特定位置的氣路發(fā)出不同電信號(hào)，以控制主軸的運(yùn)行以及打刀、抓刀、吹氣等各個(gè)動(dòng)作，并且打刀時(shí)可以對(duì)主軸錐孔進(jìn)行吹氣清潔，抓刀完成后可以對(duì)主軸內(nèi)部進(jìn)行通氣密封，結(jié)構(gòu)精巧、控制性能好、可靠性高。