可保持主轴精度的自动换刀主轴打刀反扣机构

作者:解艳彩 高桂华 王俸林 发布时间:2013-09-12

由大连华根机械有限公司承担的“千台国产加工中心可靠性提升工程”课题,按照专项要求,对机床展开了大规模的升级研究,通过对传统的主轴打刀机构进行改进,确保了新结构能够有效提高机床主轴的精度保持性,从而有效提高机床的可靠性和使用寿命。

主轴打刀传统结构

普通的主轴打刀装置(如图1所示)主要包括:打刀缸、主轴体、主轴拉杆和碟簧等。主轴拉杆位于主轴体内,与打刀缸的活塞杆在同一轴线上,并在主轴体内上下滑动。机床在换刀时,打刀缸活塞的力作用于主轴拉杆上,迫使碟簧变形松刀。此作用力经主轴体通过主轴轴承传递到主轴箱体。为保证拉刀可靠,主轴拉刀力通常都较大,例如,加工中心常用的BT40刀柄拉刀力在8kN左右,打刀缸打刀力在10kN左右;BT50刀柄拉刀力在15kN左右,打刀缸打刀力在20kN左右。如此大的作用力频繁作用在主轴轴承上,将造成主轴轴承滚道受损,影响主轴精度,使主轴轴承寿命大大缩短。由于加工中心的精密主轴轴承都比较昂贵,在轴承配置上承受反向作用力的能力较差,因此这种打刀装置使用起来很不经济。

主轴打刀新结构

为了解决此问题,现在的机床一般使用如图2所示的带反扣卸荷的主轴打刀装置,包括:打刀缸、主轴、拉杆、碟簧、弹性体、主轴箱体和主轴轴承。主轴通过轴承与主轴箱体活动连接,主轴拉杆位于主轴体中心的空腔中,与打刀缸的活塞杆在同一轴线上,其上端套接在一圆筒形滑动压块中,并与滑动压块固定连接。滑动压块的外径与主轴体的内径相配合,可在主轴体内上下滑动。主轴拉杆的下端穿过环形下限位块,末端通过拉钉与刀柄连接。碟簧位于滑动压块与环形下限位块之间,其外径与主轴体内径相配合,还包括环形连接块、反扣盘和浮动反扣压块。环形连接块为圆筒形结构,位于打刀缸的法兰下方。浮动反扣压块位于环形连接块的下方,为中间有阶梯孔的圆柱形结构,该阶梯孔上大下小。连接螺栓将浮动反扣压块、法兰及环形连接块固定在一起。反扣盘为T形环状体结构,套在浮动反扣压块的阶梯孔中,其外径小的部分的直径比浮动反扣压块中大孔的直径稍小,其外径大的部分的直径比浮动反扣压块中大孔的直径稍大,反扣盘与浮动反扣压块之间有0.3~0.5mm的间隙,主轴体的顶端套在反扣盘的通孔中,与反扣盘固定连接。

在浮动反扣压块外缘处的圆周上开有通孔,弹性体导杆的下端穿过该通孔,锁紧在位于浮动反扣压块下方与主轴箱体固定连接座板的螺纹孔里,形成固定连接。弹性体穿设在导杆上,其顶端与弹性体导杆的顶端固定,其末端与浮动反扣块的上顶面相接触。

主轴打刀新结构工作原理

采用上述结构后,由于浮动反扣压块与打刀缸为一体,机床需要换刀时,打刀缸的活塞杆向下运动。当打刀缸的活塞杆力作用在主轴拉杆上时,主轴体内碟簧的反作用力很大,弹性体被压缩,使浮动反扣压块连同打刀缸向上顶起,从而消除了反扣盘和浮动反扣压块之间0.3~0.5mm的间隙,浮动反扣压块与反扣盘结合成一体,即浮动反扣压块向上浮动并托住反扣盘,使打刀缸活塞杆的力不会通过主轴体作用到主轴轴承上,保证了主轴轴承的精度不受损。

弹性体在确保松刀动作完成后,可使浮动反扣压块可靠复位,反扣盘与浮动反扣压块之间0.3~0.5mm的间隙可靠回复,避免了主轴高速回转时,反扣盘与浮动反扣压块之间发生剧烈摩擦。

由于弹性体导杆的导向,可防止弹性体歪斜,也可防止打刀缸歪斜。

在这种结构中,弹性体的选择至关重要。弹性体刚度过小,反扣盘和浮动反扣压块之间0.3~0.5mm的间隙不能可靠保持,主轴高速回转时,反扣盘和浮动反扣压块之间可能发生剧烈摩擦;弹性体刚度过大,打刀缸的打刀力又大部分作用到主轴轴承上,起不到卸荷作用。

力学分析表明,主轴轴承承受的作用力,如果忽略打刀缸的重力和相关摩擦力,正好等于消除反扣盘与浮动反扣压块之间0.3~0.5mm间隙的弹性体的弹力。因此,当弹性体此时的弹力等于或大于碟簧的弹力时,此机构将不起任何作用。

结论

本课题研究提出了主轴打刀新结构,该结构避免了将打刀力作用于主轴轴承,从而有效延长了主轴精度的保持时间。实际应用表明,该结构能有效提升机床的可靠性。

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