加工中心主軸自動換刀拉刀機構的設（shè）計與研究

加工（gōng）中心主軸自（zì）動換刀拉削機構的設（shè）計與研究，整（zhěng）個自動對刀（dāo）過程由測頭輔（fǔ）助，精度高、穩定，是數控（kòng）加工的實用工具。

拉刀機構是自動換刀主（zhǔ）軸的關鍵部（bù）件之一。隨著機（jī）床自動化程度（dù）的（de）不斷提高，具（jù）有自動換刀功能的（de）電主軸已經成為（wéi）加工中心的主流產品。拉刀機構是實現自動換刀功能（néng）的關鍵（jiàn）部件，其應用越來越普遍。目前國內自行設計（jì）生產拉刀機（jī）構的主軸或機床企業很少，大部分是從國外進口，導致交貨期長，價格高。本文詳細闡述了拉刀機（jī）構的實現原理和結構設計，為拉刀（dāo）機構（gòu）的（de）自主設計提供了依據。

1、結構和動作原理

主軸拉刀（dāo）機構通常由（yóu）前端拉具、拉丁、拉（lā）杆（gǎn）、彈簧和（hé）相應的結構件（jiàn）組成。如圖1所（suǒ）示（shì），主（zhǔ）要用於（yú）抓取和（hé）鬆開刀具。

刀具的擰緊過程是（shì）彈簧（huáng）彈開（kāi），向後推動拉（lā）杆，拉（lā）丁隨著拉杆向（xiàng）後移動。同（tóng）時拉開拉（lā）爪，將拉爪卡（kǎ）在手（shǒu）柄的內扣槽內，將手柄擰緊。夾緊力由彈簧產生（shēng），經前（qián）端增力機構放大，實現工具的（de）穩定夾緊。增力機（jī）製主要存在於爪和手柄之間，爪和拉丁之間。刀（dāo）具的鬆開通常由一組液壓缸來實現。活塞撞擊拉杆後端（duān），向前推動拉杆，壓縮彈簧，推出拉丁，縮爪，將手柄（bǐng）推出錐孔。本文隻詳細說明刀具的夾緊過程。拉削刀具時，拉（lā）削機構通過彈簧（huáng）產生拉（lā）力，通過前端的增力結構滿足最終刀具的使用要求。因此，在設計過程中，確定彈簧輸（shū）出時，需要（yào）知道刀具的拉削力要求和增力器的放大係數。通常，刀具的拉削力（lì）是根據國（guó）家標準設計的。例如（rú），HSK-A在標準中的應用（yòng）概述如表1所示。

表1刀柄和拉削力對照表

當切削（xuē）載荷較（jiào）低時，較小的夾緊力就足夠了；相反，當切削負荷高時，需要較大（dà）的夾（jiá）緊力。因此，在（zài）設計時，不僅要考慮標準要求，還要考慮實際應用要求。

2.拉刀機構的（de）增力機構

如（rú）上所述，拉（lā）刀機構的（de）增力存在於前端爪中。獨立設計時，應先確定增力機構的放大係數。這裏以某廠商的前端機製（zhì）為例進行詳細分析。

如上圖，在對拉（lā）杆施加拉削力的過程中，拉杆的力為F，拉（lā）爪給出的阻力:垂直斜麵上的（de）力N1和（hé）沿斜麵的摩擦力f1，合力為F1。

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

所（suǒ）謂楔形（xíng）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（jiù）是增力係數。

斜麵1:拉丁（dīng）與爪之間，增力係數（shù）為:

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

因此，在獨立設計拉刀機構的過程中，考慮前端的放大倍數和標準手柄拉力的標準值，判斷後端輸出的彈簧組的（de）結構設（shè）計。例如HSK-A63的（de）標準拉削力為18 k N，如果前（qián）張緊（jǐn）部分的放大倍數為5，則（zé）張緊狀態下的彈簧至少可（kě）以提供

1/5× 18 = 3.6kn彈簧力（lì）。

3.彈簧組的設計

在設計彈簧（huáng）組的結構時，除了考慮拉削時的力值外（wài），還要考（kǎo）慮拉削的（de）全行程。整個跳閘彈簧處於壓縮狀態，特別是拉削鬆動（dòng）時，即彈簧處於最（zuì）大壓縮狀（zhuàng）態時，彈簧的受力應在其壽命允許範圍內（nèi）。比如碟簧的壓縮量通（tōng）常不超過75%，否則壽命會大大降低。

拉（lā）刀機構的（de）彈簧可以是碟形彈簧或螺旋彈簧。碟簧相對成本低很多，組合方式多樣。可根據設計參數選擇（zé）合適的組合，但碟（dié）形彈簧在高速運轉下對主（zhǔ）軸動平衡影響較大。螺（luó）旋彈簧（huáng）在（zài）拉刀機構中也（yě）有（yǒu）廣泛應用，但價格非常昂貴，性能穩定，沒有（yǒu）噪音。螺旋彈簧應該成組使用，即一個左旋螺旋彈（dàn）簧（huáng）和一個右旋螺旋彈簧。螺旋彈簧之間應放置一個墊片。如果碟簧的（de）組合很多，也需要在中間加一個墊片設計。推薦的（de）碟簧最佳應用（yòng）範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（zhèng）拉刀機構的使用壽（shòu）命，應根據碟簧的（de）使用要求進行設計。通常情況下，同方向疊加的碟簧數量（liàng）不超過3個。使（shǐ）用螺旋彈簧時，應根據螺旋彈簧的工作（zuò）曲線進行設計。

4.示例驗證

為了驗證上述結論，現場製作了兩個螺旋彈（dàn）簧拉刀機（jī）構，拉刀鉗口前（qián）端（duān）的力放大係數為3，刀具接口為HSK-A63。根據表1中的數據可知（zhī），拉刀力為18 k N，那麽拉刀狀態下的彈簧力為6 k N，圖4所示為所選螺旋彈簧的壓縮量與力值的關係（xì）。

可以看出，經過對兩種拉（lā）削機構拉削力的反複測量，拉削力基本維持在18 k N左右，達到了設計預期。力差應該是（shì）彈簧實際剛度與理論的誤差，零件相關（guān）尺寸的誤差等造成的。但總體來說還是符合設計（jì）要求的。彈簧力可以通過調（diào）節與彈簧連接的墊片的厚度來調節，或者通過增加墊片來調節，最終可以獲得滿意的拉削力值。

5.結論。

彈簧（huáng）和增力機構是拉緊拉（lā）刀機構的關鍵因素。近年來，我國越來（lái）越多的企業采用了自動換刀拉削機構，這對今後自主設（shè）計製造、降低（dī）產品成本、擁有自主知識產權具有重要意義。隨著現代工業（yè）的不斷發展，自動換刀拉削機構將越來越廣泛地應用於主軸。