立式加工中心及數控銑床主軸軸承御荷裝置

吳金泉

（南通航運職業技術學院，江蘇 南通 226010）

立式加工中心及數控銑床的主軸自動換刀，是機床加工中必不可少的功能。機床在進行換刀時，首先通過松刀動作后，才能將主軸上的刀具取下，待主軸換上新刀后，再進行拉刀動作，將主軸上的刀具拉緊后，方可進行加工。目前的機床主軸換刀時，通常的結構都是首先通過松刀缸的動作，推動帶有碟形彈簧的拉桿，使機床夾持刀具的夾頭松開，然后由機械手（對于加工中心）或手工（對于數控銑床）來進行換刀動作，當新的刀具被換到主軸上后，松刀缸反向運動，活塞回退，拉刀桿在蝶形彈簧的作用下回退，拉緊刀具。

1 主軸結構及自動換刀工作原理

立式加工中心及數控銑床主軸結構，多采用組件結構形式，如圖1所示主要由主軸套筒2、主軸構件4、主軸前、后支承軸承1和8、實現自動換刀功能的主軸拉桿5、蝶形彈簧9及拉桿頭部的拉爪機構組成。采用組件結構，便于主軸的生產、裝配和維修。

圖1所示為不帶主軸軸承御荷裝置立式加工中心主軸部件內部結構。其換刀過程如下：

在加工過程中需要進行換刀時，松刀缸14在高壓油或壓縮氣體的作用下，松刀缸活塞桿下行，逐漸與主軸拉桿5上端接觸，壓迫拉桿下行，拉桿的下端剛性連接著拉爪套16和拉爪機構17，拉爪機構在下行過程中瓣松開拉爪，這時主軸錐孔中的刀柄及拉釘被放開，在機械手的作用下實現自動換刀。待換刀完成后，松刀油缸回程，拉桿在蝶形彈簧的作用下上行，帶動拉爪上行，通過刀柄上的拉釘實現刀具的拉緊。

2 主軸軸承的受力分析

如圖1結構所示，換刀過程中，拉桿要下行一定距離，由于蝶形彈簧壓縮量增大，使其內部作用力增大，而蝶形彈簧的作用力通過下墊板7作用到主軸構件4上，主軸前、后支承軸1和8在軸承內隔圈及鎖緊螺母的連接下，與主軸構件形成剛性聯接，所以這個作力也就施加到了主軸軸承上，使得主軸軸承產生了一個較大的軸向力；由于拉爪結構的需要，主軸松刀行程一般要達到5～6.5mm左右，這樣主軸軸承在每次換刀時，都會產生較大的軸向力，一般而言，40#主軸的松刀力將達到12kN左右，50#主軸的松刀力將達到18kN左右，而且加工中心在工作過程中，換刀是相當頻繁的，這就造成主軸軸承要承受經常性的較大的軸向沖擊力，嚴重影響了主軸的精度的穩定和使用壽命。

圖1 不帶主軸軸承御荷裝置的立式加工中心主軸部件內部結構

3 浮動反扣御荷裝置結構

為了消除換刀過程中松刀力對主軸軸承的軸向沖擊作用，采用圖2所示的結構，將會起到明顯的效果。主要結構與工作原理與圖1大致相同，不同的是在主軸構件4的上端安裝一固定拉環20與主軸構件4通螺釘形成剛性聯接，在主軸箱上端安裝浮動拉環21（在安裝時要先將固定拉環20拆下），浮動環與松刀缸底座16通過螺釘19固定形成整體，在導向套12、壓縮彈簧13、壓板14及螺釘15的作用下，實現其在主軸箱內孔的上下浮動，主軸在正常回轉過中，浮動環及壓縮缸座在壓簧13的作用下，與主軸箱體孔上平面靠實，確保浮動環與固定環不接觸。具體工作過程如下：

在加工過程中，需要進行換刀時，松刀缸16在高壓油或壓縮氣體的作用下，松刀缸活塞桿下行，逐漸與主軸拉桿5上端接觸，在松刀缸和拉桿的接觸面之間產生一對作用力且隨之加大，當作用力超過壓簧13的預壓力時，松刀缸與浮動環一起向上運動，直到浮動環與固定環相互接觸，在這之后，松刀缸與拉桿之間的作用力，就完全由浮動環與主軸構件形成的剛性體來承擔，拉桿與拉爪機構及松刀抓刀動作，與圖1完全相同，不作詳述。

由于增加浮動反扣御荷裝置結構，在松刀過程中主軸產生的很大的軸向力，都傳遞給了主軸構件，有效地減輕了主軸軸承的軸向受力，從而大提高了主軸部件的運動精度和使用壽命。

4 設計中的注意事項

（1）浮動機構的壓簧彈簧力要選用適當，在確保正常工作時，將松刀缸底座及浮動環整體壓靠主軸箱體上端面的前提下，彈簧力要盡可能小，否則對主軸軸承軸向力的減小不明顯，相反會增大松刀的工作力。

（2）主軸正常工作時，要確保浮動環與主軸構件上固定環不接觸，否則會造成磨擦和發熱，影響主軸工作性能。

（3）主軸上端的固定環在安裝過程中，需要拆下，必須考慮拆裝前后位置不變，以確保拆裝時不破壞原主軸組件的動平衡。

5 結束語

運用主軸軸承松刀卸荷裝置，可以使主軸軸承在頻繁的換刀過程，不受較大的軸向松刀力的影響，提高了軸承使用壽命，保持了主軸軸承精度的穩定性。尤其是對大功率、大扭矩的主軸，為保證了大功率、大扭矩切削時刀具夾持的穩定性，主軸松刀力大多超過20kN以上，為了提高機床主軸軸承精度的穩定性和使用壽命，采用主軸軸承松刀卸荷結構是非常必要的。

[1]夏向陽.加工中心數控銑床主軸松刀卸荷裝置[J].機械制造，2007（03）：44-45

[2]馬慶鑫.一種數控機床主軸浮動夾刀裝置 [J].機械工程師，2010（04）：146-146.