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成為加工中心的主流產品。拉刀機構是實現(xiàn)自動換刀功能的關鍵部件,其應用越來越普遍。目前國內自行設計生產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(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。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??筛鶕?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。彈簧力可以通過調節(jié)與彈簧連接的墊片的厚度來調節(jié),或者通過增加墊片來調節(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、降低產品成本、擁有自主知識產權具有重要意義。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。