郭翠娟 鄧 鑫

(科德數(shù)控股份有限公司，遼寧 大連 116600)

拉刀機(jī)構(gòu)是可自動(dòng)換刀的主軸關(guān)鍵部件之一，隨著機(jī)床自動(dòng)化程度越來(lái)越高，帶有可自動(dòng)換刀功能的電主軸成為加工中心的主流產(chǎn)品。拉刀機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀功能的關(guān)鍵零部件，其應(yīng)用越來(lái)越普遍?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)自己設(shè)計(jì)生產(chǎn)拉刀機(jī)構(gòu)的主軸或機(jī)床企業(yè)非常少,絕大部分采用國(guó)外進(jìn)口，貨期長(zhǎng)，價(jià)格貴。本文針對(duì)拉刀機(jī)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)闡述,為自主設(shè)計(jì)拉刀機(jī)構(gòu)提供了依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)組成及動(dòng)作原理

主軸拉刀機(jī)構(gòu)通常由前端拉爪、拉丁、拉桿、彈簧及相應(yīng)結(jié)構(gòu)件組成。如圖1所示，主要完成刀具的抓取及松開(kāi)動(dòng)作。

刀具的拉緊過(guò)程是彈簧彈開(kāi)，將拉桿向后頂，拉丁隨拉桿向后移動(dòng)，同時(shí)將拉爪撐開(kāi)，拉爪卡住刀柄的內(nèi)扣槽，將刀柄拉緊。其中拉緊力由彈簧產(chǎn)生，通過(guò)前端的增力機(jī)構(gòu)放大，實(shí)現(xiàn)刀具的穩(wěn)固夾緊，增力機(jī)構(gòu)主要存在于拉爪和刀柄之間以及拉爪和拉丁之間。刀具的松開(kāi)通常由一套液壓缸動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)，活塞打在拉桿后端，將拉桿向前推，彈簧壓縮，拉丁頂出，拉爪收縮，將刀柄推出錐孔。此文僅針對(duì)刀具的夾緊過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。拉刀機(jī)構(gòu)在拉刀時(shí)，由彈簧產(chǎn)生拉緊力，并通過(guò)前端的增力結(jié)構(gòu)達(dá)到最終刀具的使用要求。因此設(shè)計(jì)過(guò)程中，確定彈簧出力時(shí)必須要了解刀具的拉刀力要求以及增力機(jī)構(gòu)的放大系數(shù)。通常刀具的拉刀力都是按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)來(lái)設(shè)計(jì)。如標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)HSK-A型的應(yīng)用簡(jiǎn)易表如表1所示。

表1 刀柄與拉刀力的對(duì)照表[1]

當(dāng)切削負(fù)載低時(shí)，比較小的夾緊力就夠了，反之，當(dāng)遇到切削負(fù)載高時(shí)，就需要較大的夾緊力[1]。因此設(shè)計(jì)時(shí)，除考慮到標(biāo)準(zhǔn)要求，還要考慮實(shí)際應(yīng)用需求。

2 拉刀機(jī)構(gòu)的增力機(jī)構(gòu)

如上所述，拉刀機(jī)構(gòu)的增力存在于前端拉爪部位，自主設(shè)計(jì)時(shí)，要先明確增力機(jī)構(gòu)的放大系數(shù)，下面以某廠家前端機(jī)構(gòu)為例進(jìn)行詳細(xì)剖析。

如上圖，拉桿施加拉刀力的過(guò)程中，拉桿的力為F，受到拉爪給的阻力：垂直斜面的力N1和沿斜面的摩擦力f1，合力為F1。

F1的水平分力：

F′=-F(根據(jù)力的平衡原理：大小相等，方向相反)

F1與豎直方向的夾角:

φ1+(90°-α-φ)=90°

所以：φ1=α+φ

再分析刀柄給拉爪的力：支反力N2和摩擦力f2， 拉爪相對(duì)刀柄外脹，向外滑，所以摩擦力f2向內(nèi)。

合力F2與豎直方向的夾角φ2：

φ2+β+(90°-γ)=90°所以φ2=γ-β

合力F2水平分力:

通過(guò)計(jì)算得到，當(dāng)這張正方形紙的邊長(zhǎng)為20 cm，若從四個(gè)角剪去的小正方形邊長(zhǎng)為x(在數(shù)值上等于所折無(wú)蓋長(zhǎng)方體型盒子的高h(yuǎn))，該無(wú)蓋長(zhǎng)方體形盒子所對(duì)應(yīng)的容積V的表達(dá)式為：V=(20-2x)2·h=(20-2x)2·x，當(dāng)x分別取1 cm,2 cm,3 cm,…,9 cm，10 cm 時(shí)，容積V隨小正方形邊長(zhǎng)x變化的數(shù)據(jù)如下表1、圖1所示：

F0=F2·sinφ2=F2·sin(γ-β)

所謂斜楔增力就是由水平力通過(guò)斜面轉(zhuǎn)化成垂直方向的力，兩力的比值為增力系數(shù)。

斜面一：拉丁和拉爪之間，增力系數(shù)為:

斜面二：拉爪和刀柄之間，增力系數(shù)為:

經(jīng)過(guò)兩次放大后：

設(shè)μ=0.1，則φ=β=arctan0.1=5.71°。所以

倍。

3 彈簧組設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)彈簧組結(jié)構(gòu)時(shí)，除了考慮拉刀時(shí)力值滿足外，還要綜合整個(gè)松拉刀行程，整個(gè)行程彈簧都處于壓縮狀態(tài)，尤其在松刀狀態(tài)下，即彈簧處于最大壓縮時(shí)，彈簧受力應(yīng)在其壽命允許的可承受范圍內(nèi)，如碟簧通常要求不超過(guò)75%的壓縮量，否則壽命會(huì)大幅下降。

拉刀機(jī)構(gòu)的彈簧可以選用碟簧或卷簧。碟簧相對(duì)成本要低很多，組合方式多樣，可根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇合適的組合，但在高速運(yùn)轉(zhuǎn)下碟簧對(duì)主軸動(dòng)平衡的影響要大一些。卷簧在拉刀機(jī)構(gòu)中的應(yīng)用也非常多，但是其價(jià)格非常貴，性能穩(wěn)定，沒(méi)有噪聲。卷簧在使用過(guò)程中需要注意的是要成組使用，即一個(gè)左旋卷簧，一個(gè)右旋卷簧。卷簧和卷簧之間要放置隔片。碟簧如果疊加的組合非常多的情況下，也需要在中間增加隔片設(shè)計(jì)。

碟簧推薦的最佳使用范圍介于其最大壓縮行程的10%～75%。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程為了保證拉刀機(jī)構(gòu)的使用壽命，要按照碟簧的使用要求設(shè)計(jì)。通常碟簧同方向疊加的片數(shù)不超過(guò)3片。利用卷簧時(shí)，則要按照卷簧的工作曲線來(lái)設(shè)計(jì)。

4 實(shí)例驗(yàn)證

為驗(yàn)證以上結(jié)論，現(xiàn)場(chǎng)自制2臺(tái)卷簧式拉刀機(jī)構(gòu)，前端拉爪部位增力放大系數(shù)為3，刀具接口HSK-A63，按表1數(shù)據(jù)得知拉刀力為18 kN，則拉刀狀態(tài)下的彈簧力為6 kN。選用的卷簧壓縮量和力值關(guān)系圖如圖4。

多次測(cè)量結(jié)果如表2。

表2 拉刀力測(cè)試

可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)兩個(gè)拉刀機(jī)構(gòu)拉刀力的反復(fù)測(cè)量，其拉刀力基本維持在18 kN附近，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。力值差異應(yīng)考慮到彈簧實(shí)際剛性與理論的誤差、零件相關(guān)尺寸的誤差等造成。但總體是符合設(shè)計(jì)需求的?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)整跟彈簧連接的隔墊厚度尺寸，或者增加墊片的辦法來(lái)調(diào)整彈簧力，最終達(dá)到滿意的拉刀力值。

5 結(jié)語(yǔ)

彈簧力和增力機(jī)構(gòu)是拉刀機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)拉緊的關(guān)鍵因素。近年來(lái)，我國(guó)采用自動(dòng)換刀-拉刀機(jī)構(gòu)的企業(yè)越來(lái)越多，這對(duì)未來(lái)自主設(shè)計(jì)制造、降低產(chǎn)品成本，擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)具有重要意義。隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，自動(dòng)換刀拉刀機(jī)構(gòu)在主軸上的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。