加工中心主軸自動換刀拉刀機構（gòu）的設計與研究

加工中心主軸自動換刀拉削機構的設計（jì）與研究，整個自動對刀過程由測頭（tóu）輔助，精度高、穩定（dìng），是數控加工的實用（yòng）工具。

拉刀機構是自動換刀主軸的關鍵部件之一。隨著機床自動化程度的不斷提高，具有（yǒu）自動（dòng）換刀功能的電主軸已經成為（wéi）加（jiā）工中心（xīn）的主流產品。拉刀機構是實現（xiàn）自動換刀功能的關鍵部件，其應用越（yuè）來越普遍。目前（qián）國內自行設計（jì）生產（chǎn）拉刀機構（gòu）的主軸或機床（chuáng）企業很少，大部（bù）分是從國外進口，導致交貨期長，價格高。本文詳細闡述了（le）拉（lā）刀機構的實現原理和結構（gòu）設計（jì），為拉（lā）刀機（jī）構的自主設計（jì）提（tí）供了依據。

1、結構和動作原理

主軸拉刀（dāo）機構通常由前端拉具、拉丁、拉杆、彈簧和相應的（de）結構件組成。如圖1所（suǒ）示，主要用於抓取和鬆開刀具。

刀具的擰緊過程是彈簧彈開，向後推動拉杆，拉丁隨著拉杆向後移動。同時拉開（kāi）拉爪，將拉爪卡在手柄的內扣槽內，將手柄擰緊。夾緊力由彈簧產生，經前端增力機構放大，實現工具的穩定夾緊。增力機製主要存在於爪和手柄之間，爪和（hé）拉丁之間。刀具的鬆（sōng）開（kāi）通（tōng）常（cháng）由一組液壓缸來（lái）實現。活塞（sāi）撞擊拉杆後端，向前推（tuī）動拉杆，壓縮彈簧（huáng），推出拉丁，縮爪（zhǎo），將手柄推出錐孔。本文隻詳細說明刀具的夾緊過程。拉削刀（dāo）具時，拉削機構（gòu）通過彈（dàn）簧產生拉力，通過前端的增力結構滿（mǎn）足最終刀具的使用要求。因此，在設計過程中，確定彈簧輸出時，需要知（zhī）道刀具的拉削力要求和增力（lì）器的放（fàng）大（dà）係數。通常，刀具的拉削力是根據國家標準設計的。例如，HSK-A在標準（zhǔn）中的應用概述如表1所示。

表（biǎo）1刀柄（bǐng）和拉削力對照表

當切削（xuē）載荷較低時（shí），較小的夾緊力就足夠了（le）；相反，當（dāng）切削負（fù）荷高時，需要（yào）較大（dà）的夾緊力。因此，在設計時，不僅要考慮標準要求，還要考慮（lǜ）實際應用要求。

2.拉刀機構的增力（lì）機構

如上所述，拉刀機構的增力存在於前（qián）端爪中。獨立設（shè）計時，應（yīng）先確定增力（lì）機構的放大係數。這（zhè）裏以某廠商的前端機製為例進行詳細分析。

如上（shàng）圖（tú），在對拉杆施加拉削（xuē）力的過程中，拉杆的力為F，拉爪（zhǎo）給出的阻力:垂直斜麵上的（de）力N1和沿斜麵的摩擦力f1，合力為（wéi）F1。

然後，分析手柄施加在爪上的力（lì）:支撐反作用（yòng）力N2和摩擦力f2。爪向外擴張，相（xiàng）對於手柄向外滑動（dòng），所以摩擦力（lì）f2是向內（nèi）的。

所謂（wèi）楔形增力，就是把水平力通過斜麵轉化為垂直力，兩個力的比值就是（shì）增力係數。

斜麵1:拉丁與爪之間，增力係數為:

對於不同廠家的拉刀機構，因為手柄是標準的，所（suǒ）以拉刀（dāo）和手柄之間的角度和放大倍數都是一樣的（de），不同的是拉（lā）刀和拉刀之間的受力。經過兩次（cì）放大:

因此，在獨（dú）立設計拉刀機構的過程中，考慮前端的放大倍數和標準（zhǔn）手（shǒu）柄拉力（lì）的標（biāo）準值（zhí），判斷後端輸出的彈（dàn）簧組（zǔ）的結（jié）構設（shè）計。例如HSK-A63的標準拉削力為18 k N，如果（guǒ）前張緊部（bù）分的（de）放（fàng）大倍數為5，則張緊狀態下的彈簧（huáng）至少可以提供

1/5× 18 = 3.6kn彈簧力。

3.彈簧組的設計

在設計彈簧（huáng）組的結構時，除了考慮拉削時（shí）的力值外，還要考慮拉削的全行程。整個（gè）跳閘彈簧（huáng）處於壓縮狀態，特別是拉削鬆動時，即彈（dàn）簧處於最（zuì）大壓縮狀態時，彈簧的受力應在其壽（shòu）命允許範圍內。比如碟簧的壓縮量通（tōng）常不超過75%，否（fǒu）則壽命會（huì）大大降（jiàng）低。

拉刀機構的彈簧可以是碟形彈簧或螺旋彈簧。碟簧相對成本（běn）低很多，組合方式多樣（yàng）。可（kě）根據設（shè）計參數選擇合適（shì）的組（zǔ）合，但碟形彈簧在高速運轉下對主軸動平衡影響較大。螺旋（xuán）彈簧在拉刀機構中也有廣（guǎng）泛應用，但（dàn）價格非常昂貴（guì），性（xìng）能穩（wěn）定，沒有噪音。螺旋彈簧應該成組使用，即一個左（zuǒ）旋螺旋彈簧和一個右旋螺旋彈簧。螺旋彈簧之間應放置一個墊片。如（rú）果碟簧的組合很多，也需要在中間加一個墊片設計。推薦的碟簧最佳應用範（fàn）圍是其最大壓縮行程的10%到75%之間。因此，在設計過程中，為了保證拉刀機構的使用壽（shòu）命，應根據碟簧的使用要求進行設計。通常情況（kuàng）下，同方向（xiàng）疊加的碟簧數量不超過3個。使用螺旋彈簧時，應根據螺旋彈簧的工作曲線進行（háng）設計。

4.示例驗證

為了驗證上述結論，現場製作了兩個（gè）螺旋彈簧拉刀機構，拉刀鉗口前端的力放大係數（shù）為3，刀具接口為HSK-A63。根據表1中的數據（jù）可知，拉刀力為18 k N，那麽拉刀狀（zhuàng）態下的彈簧力為6 k N，圖4所示為所選螺旋彈簧的壓縮量與力值的關係。

可以看出，經（jīng）過對兩種拉削機構（gòu）拉削力的反複測量，拉削力基本維持在18 k N左右，達到了設計預期。力差（chà）應該是彈簧實（shí）際剛度與理論的誤差，零件相關尺寸的（de）誤差（chà）等造成的。但總體來說還是符合設計要求的。彈簧力可以通過調節與彈簧連接的墊片的厚度來調節，或者通過增加墊（diàn）片來（lái）調（diào）節，最終可（kě）以（yǐ）獲得滿意的拉削力值。

5.結論。

彈簧和增力機構是拉緊拉刀機構的關鍵因素（sù）。近年來，我國越來越多的企業采用（yòng）了自動換刀拉削機構，這對今後自主（zhǔ）設計製造、降低產品成本（běn）、擁有（yǒu）自主知識產權具有重（chóng）要意義。隨著現（xiàn）代工業的不斷發展，自動換刀拉削（xuē）機構將越來越廣（guǎng）泛地應用於主軸。