可保持主軸精度的自動換刀主軸的打刀反扣機構*

王世鵬 解艷彩 王俸林

(①大連交通大學現代軌道交通研究院，遼寧 大連116021;②大連華根有限公司，遼寧 大連1166620)

在重大專項的要求指引下，重大專項“千臺國產加工中心可靠性提升工程”項目由大連華根機械有限公司承擔，根據該專項指導精神，我們部門對機床進行了大規模的升級整頓，為了提高機床可靠性和有效的使用壽命，我們對傳統的主軸打刀機構進行改進，新結構可有效提高機床主軸精度的保持時間，從而有效提高機床的可靠性。

普通的主軸打刀裝置如圖1，主要包括打刀缸、主軸體、主軸拉桿、碟簧等。主軸拉桿位于主軸體內，與打刀缸的活塞桿在同一軸線上，主軸拉桿在主軸體內上下滑動。機床在換刀時，打刀缸活塞的力作用于主軸拉桿上，迫使碟簧變形松刀。此打刀作用力，經主軸體通過主軸軸承傳遞到主軸箱體。為了保證拉刀可靠，主軸拉刀力都較大，例如，加工中心常用BT40 刀柄，拉刀力在8 kN 左右，打刀缸打刀力在10 kN 左右;BT50 刀柄拉刀力在15 kN 左右，打刀缸打刀力在20 kN左右。這么大的作用力頻繁作用在主軸軸承上，將造成主軸軸承滾道受損，影響主軸精度，使主軸軸承壽命大大縮短。一般來說，加工中心的精密主軸軸承都比較昂貴，在軸承配置上承受反向作用力的能力比較差，因此這種打刀裝置使用起來很不經濟。

2 主軸打刀新結構

為了解決此問題，現在的機床一般使用如圖2 所示的帶反扣卸荷主軸打刀裝置，包括打刀缸、主軸、拉桿、碟簧、彈性體、主軸箱體、主軸軸承，主軸通過軸承與主軸箱體活動連接，主軸拉桿位于主軸體中心的空腔中，與打刀缸的活塞桿在同一軸線上，其上端套接在一圓筒形滑動壓塊中，并與滑動壓塊固定連接，滑動壓塊的外徑與主軸體的內徑相配合，可在主軸體內上下滑動，主軸拉桿的下端穿過環形下限位塊，主軸拉桿的末端通過拉釘與刀柄連接，碟簧位于滑動壓塊與環形下限位塊之間，其外徑與主軸體內徑相配合，還包括環形連接塊、反扣盤和浮動反扣壓塊;環形連接塊為圓筒形結構，位于打刀缸的法蘭的下方，浮動反扣壓塊為中間有階梯孔的圓柱形結構，該階梯孔上大下小，浮動反扣壓塊位于環形連接塊的下方，通過連接螺栓將浮動反扣壓塊、法蘭及環形連接塊固定在一起;反扣盤為T 形環狀體結構，套在浮動反扣壓塊的階梯孔中，其外徑小的部分的直徑比浮動反扣壓塊中大孔的直徑稍小，其外徑大的部分的直徑比浮動反扣壓塊中大孔的直徑稍小，反扣盤與浮動反扣壓塊之間有0.3～0.5 mm 的間隙;主軸體的尾端插在反扣盤的通孔中，與反扣盤固定連接。

浮動反扣壓塊的外緣處的圓周上開有通孔，彈性體導桿的下端穿過該通孔，鎖緊在位于浮動反扣壓塊下方與主軸箱體固定連接座板的螺紋孔里，形成固定連接，彈性體穿設在導桿上，其頂端與彈性體導桿的頂端固定，其末端與浮動反扣塊的上頂面相接觸。

3 主軸打刀新結構工作原理

采用上述結構后，由于浮動反扣壓塊與打刀缸是一體的，機床需要換刀時，打刀缸的活塞桿往下運動，當打刀缸的活塞桿力作用在主軸拉桿上時，主軸體內碟簧的反作用力很大，彈性體被壓縮，使浮動反扣壓塊連同打刀缸被向上頂起，使得反扣盤和浮動反扣壓塊之間0.3～0.5 mm 的間隙被消除，浮動反扣壓塊與反扣盤結合成一體，即浮動反扣壓塊向上浮動托住反扣盤，從而使打刀缸的活塞桿的力不會通過主軸體作用到主軸軸承上，保證了主軸軸承的精度不受損。

彈性體可以使松刀動作完成后，浮動反扣壓塊可靠復位，反扣盤和浮動反扣壓塊之間0.3～0.5 mm 的間隙可靠回復，避免主軸高速回轉時，反扣盤和浮動反扣壓塊之間發生劇烈摩擦。

由于彈性體導桿的導向，可防止彈性體歪斜，也可防止打刀缸歪斜。

這種結構中，彈性體的選擇至關重要，彈性體剛度小了，反扣盤和浮動反扣壓塊之間0.3～0.5 mm 的間隙不能可靠保持，主軸高速回轉時，反扣盤和浮動反扣壓塊之間可能發生劇烈摩擦;彈性體剛度大了，打刀缸的打刀力又大部分作用到主軸軸承上，起不到卸荷的作用。

力學分析表明，主軸軸承承受的作用力如果忽略打刀缸的重力作用和相關磨擦力，正好等于反扣盤和浮動反扣壓塊之間0.3～0.5 mm 的間隙消除時，彈性體的彈力。

顯然，當彈性體此時的彈力等于或大于碟簧的彈力時，此機構將不起任何作用。

4 結語

本文提出了主軸打刀新結構，該結構避免了將打刀力作用于主軸軸承，從而有效增加了主軸精度保持時間，該結構有效提升機床的可靠性。

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