加工中心主軸自動換刀拉削機構的設計與研究，整個自動對刀過程由測頭輔助，精度高、穩(wěn)定，是數(shù)控加工的實用工具。

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，具有自動換刀功能的電主軸已經(jīng)成為加工中心的主流產(chǎn)品。拉刀機構是實現(xiàn)自動換刀功能的關鍵部件，其應用越來越普遍。目前國內(nèi)自行設計生產(chǎn)拉刀機構的主軸或機床企業(yè)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構的實現(xiàn)原理和結構設計，為拉刀機構的自主設計提供了依據(jù)。

1、結構和動作原理

主軸拉刀機構通常由前端拉具、拉丁、拉桿、彈簧和相應的結構件組成。如圖1所示，主要用于抓取和松開刀具。

刀具的擰緊過程是彈簧彈開，向后推動拉桿，拉丁隨著拉桿向后移動。同時拉開拉爪，將拉爪卡在手柄的內(nèi)扣槽內(nèi)，將手柄擰緊。夾緊力由彈簧產(chǎn)生，經(jīng)前端增力機構放大，實現(xiàn)工具的穩(wěn)定夾緊。增力機制主要存在于爪和手柄之間，爪和拉丁之間。刀具的松開通常由一組液壓缸來實現(xiàn)?；钊矒衾瓧U后端，向前推動拉桿，壓縮彈簧，推出拉丁，縮爪，將手柄推出錐孔。本文只詳細說明刀具的夾緊過程。拉削刀具時，拉削機構通過彈簧產(chǎn)生拉力，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，確定彈簧輸出時，需要知道刀具的拉削力要求和增力器的放大系數(shù)。通常，刀具的拉削力是根據(jù)國家標準設計的。例如，HSK-A在標準中的應用概述如表1所示。

表1刀柄和拉削力對照表

當切削載荷較低時，較小的夾緊力就足夠了；相反，當切削負荷高時，需要較大的夾緊力。因此，在設計時，不僅要考慮標準要求，還要考慮實際應用要求。

2.拉刀機構的增力機構

如上所述，拉刀機構的增力存在于前端爪中。獨立設計時，應先確定增力機構的放大系數(shù)。這里以某廠商的前端機制為例進行詳細分析。

如上圖，在對拉桿施加拉削力的過程中，拉桿的力為F，拉爪給出的阻力:垂直斜面上的力N1和沿斜面的摩擦力f1，合力為F1。

然后，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，相對于手柄向外滑動，所以摩擦力f2是向內(nèi)的。

所謂楔形增力，就是把水平力通過斜面轉化為垂直力，兩個力的比值就是增力系數(shù)。

斜面1:拉丁與爪之間，增力系數(shù)為:

對于不同廠家的拉刀機構，因為手柄是標準的，所以拉刀和手柄之間的角度和放大倍數(shù)都是一樣的，不同的是拉刀和拉刀之間的受力。經(jīng)過兩次放大:

因此，在獨立設計拉刀機構的過程中，考慮前端的放大倍數(shù)和標準手柄拉力的標準值，判斷后端輸出的彈簧組的結構設計。例如HSK-A63的標準拉削力為18 k N，如果前張緊部分的放大倍數(shù)為5，則張緊狀態(tài)下的彈簧至少可以提供

1/5× 18 = 3.6kn彈簧力。

3.彈簧組的設計

在設計彈簧組的結構時，除了考慮拉削時的力值外，還要考慮拉削的全行程。整個跳閘彈簧處于壓縮狀態(tài)，特別是拉削松動時，即彈簧處于最大壓縮狀態(tài)時，彈簧的受力應在其壽命允許范圍內(nèi)。比如碟簧的壓縮量通常不超過75%，否則壽命會大大降低。

拉刀機構的彈簧可以是碟形彈簧或螺旋彈簧。碟簧相對成本低很多，組合方式多樣。可根據(jù)設計參數(shù)選擇合適的組合，但碟形彈簧在高速運轉下對主軸動平衡影響較大。螺旋彈簧在拉刀機構中也有廣泛應用，但價格非常昂貴，性能穩(wěn)定，沒有噪音。螺旋彈簧應該成組使用，即一個左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范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命，應根據(jù)碟簧的使用要求進行設計。通常情況下，同方向疊加的碟簧數(shù)量不超過3個。使用螺旋彈簧時，應根據(jù)螺旋彈簧的工作曲線進行設計。

4.示例驗證

為了驗證上述結論，現(xiàn)場制作了兩個螺旋彈簧拉刀機構，拉刀鉗口前端的力放大系數(shù)為3，刀具接口為HSK-A63。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可知，拉刀力為18 k N，那么拉刀狀態(tài)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系。

可以看出，經(jīng)過對兩種拉削機構拉削力的反復測量，拉削力基本維持在18 k N左右，達到了設計預期。力差應該是彈簧實際剛度與理論的誤差，零件相關尺寸的誤差等造成的。但總體來說還是符合設計要求的。彈簧力可以通過調(diào)節(jié)與彈簧連接的墊片的厚度來調(diào)節(jié)，或者通過增加墊片來調(diào)節(jié)，最終可以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。近年來，我國越來越多的企業(yè)采用了自動換刀拉削機構，這對今后自主設計制造、降低產(chǎn)品成本、擁有自主知識產(chǎn)權具有重要意義。隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，自動換刀拉削機構將越來越廣泛地應用于主軸。