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加工中心主軸拉刀機構的設計與研究

2022-8-1 來源：科德數控股份有限公司作者：郭翠娟鄧鑫

摘要: 對加工中心主軸用的自動換刀裝置－拉刀機構的結構進行了剖析，重點對拉刀機構拉刀力的實現原理進行了分析，對其增力機構的放大系數進行了詳細計算，闡述了拉刀機構的設計思路及注意事項，為自主設計拉刀機構提供了依據。

關鍵詞: 主軸; 拉刀機構; 增力機構; 放大系數

拉刀機構是可自動換刀的主軸關鍵部件之一，隨著機床自動化程度越來越高，帶有可自動換刀功能的電主軸成為加工中心的主流產品。拉刀機構是實現自動換刀功能的關鍵零部件，其應用越來越普遍。現階段國內自己設計生產拉刀機構的主軸或機床企業非常少，絕大部分采用國外進口，貨期長，價格貴。本文針對拉刀機構的實現原理及結構設計方面對其進行了詳細闡述，為自主設計拉刀機構提供了依據。

1、結構組成及動作原理

主軸拉刀機構通常由前端拉爪、拉丁、拉桿、彈簧及相應結構件組成。如圖 1 所示，主要完成刀具的抓取及松開動作。

刀具的拉緊過程是彈簧彈開，將拉桿向后頂，拉丁隨拉桿向后移動，同時將拉爪撐開，拉爪卡住刀柄的內扣槽，將刀柄拉緊。其中拉緊力由彈簧產生，通過前端的增力機構放大，實現刀具的穩固夾緊，增力機構主要存在于拉爪和刀柄之間以及拉爪和拉丁之間。刀具的松開通常由一套液壓缸動作來實現，活塞打在拉桿后端，將拉桿向前推，彈簧壓縮，拉丁頂出，拉爪收縮，將刀柄推出錐孔。此文僅針對刀具的夾緊過程進行詳細的說明。拉刀機構在拉刀時，由彈簧產生拉緊力，并通過前端的增力結構達到最終刀具的使用要求。因此設計過程中，確定彈簧出力時必須要了解刀具的拉刀力要求以及增力機構的放大系數。通常刀具的拉刀力都是按國家標準來設計。如標準中針對 HSK－A 型的應用簡易表如表 1 所示。

表 1 刀柄與拉刀力的對照表

當切削負載低時，比較小的夾緊力就夠了，反之，當遇到切削負載高時，就需要較大的夾緊力。因此設計時，除考慮到標準要求，還要考慮實際應用需求。

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拉爪部位，自主設計時，要先明確增力機構的放大系數，下面以某廠家前端機構為例進行詳細剖析。

如上圖，拉桿施加拉刀力的過程中，拉桿的力為F ，受到拉爪給的阻力: 垂直斜面的力 N1和沿斜面的摩擦力 f1，合力為 F1。

再分析刀柄給拉爪的力: 支反力 N2和摩擦力 f2，拉爪相對刀柄外脹，向外滑，所以摩擦力 f2向內。

所謂斜楔增力就是由水平力通過斜面轉化成垂直方向的力，兩力的比值為增力系數。

斜面一: 拉丁和拉爪之間，增力系數為:

對于不同廠家的拉刀機構，因為刀柄都是標準的，所以拉爪與刀柄間的角度和放大倍數是相同的，不同的是拉丁與拉爪之間的作用力。經過兩次放大后:

所以在自主設計拉刀機構的過程中，考慮到前端的放大倍數，以及標準刀柄的拉力標準值，判斷出后端出力的彈簧組結構設計。例如 HSK－A63 的標準拉刀力為 18 k N，如前端拉緊部位放大倍數為 5，則需拉緊狀態時的彈簧能提供至少

1/5× 18 = 3．6 k N 的彈簧力。

3、彈簧組設計

在設計彈簧組結構時，除了考慮拉刀時力值滿足外，還要綜合整個松拉刀行程，整個行程彈簧都處于壓縮狀態，尤其在松刀狀態下，即彈簧處于最大壓縮時，彈簧受力應在其壽命允許的可承受范圍內，如碟簧通常要求不超過 75%的壓縮量，否則壽命會大幅下降。

拉刀機構的彈簧可以選用碟簧或卷簧。碟簧相對成本要低很多，組合方式多樣，可根據設計參數選擇合適的組合，但在高速運轉下碟簧對主軸動平衡的影響要大一些。卷簧在拉刀機構中的應用也非常多，但是其價格非常貴，性能穩定，沒有噪聲。卷簧在使用過程中需要注意的是要成組使用，即一個左旋卷簧，一個右旋卷簧。卷簧和卷簧之間要放置隔片。碟簧如果疊加的組合非常多的情況下，也需要在中間增加隔片設計。碟簧推薦的最佳使用范圍介于其最大壓縮行程的10% ～ 75%。因此在設計過程為了保證拉刀機構的使用壽命，要按照碟簧的使用要求設計。通常碟簧同方向疊加的片數不超過 3 片。利用卷簧時，則要按照卷簧的工作曲線來設計。

4、實例驗證

為驗證以上結論，現場自制 2 臺卷簧式拉刀機構，前端拉爪部位增力放大系數為 3，刀具接口 HSK－A63，按表 1 數據得知拉刀力為 18 k N，則拉刀狀態下的彈簧力為 6 k N。選用的卷簧壓縮量和力值關系圖如圖 4。