一種直聯主軸打刀吹氣機構

許興旺 孫德洲

摘 要：針對現有龍門加工中心直聯主軸打刀吹氣機構的設計缺陷，創新設計了一種新型直聯主軸打刀吹氣機構。詳細介紹了該機構的結構特點和工作過程。該機構能保證打刀時主軸軸承不會直接受到打刀力的作用，簡化了吹氣機構，且可對主軸套筒內部進行通氣密封。

關鍵詞：龍門加工中心；直聯主軸；打刀吹氣

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.008

龍門加工中心的主軸是整個機床的核心之一，配上電機及傳動裝置后可以對工件進行銑、鏜、鉆、攻等各種工序，主軸的精度往往決定了工件的加工精度。主軸的傳動方式有多種，其中，直聯式主軸由聯軸器與電機或直聯傳動軸總成直接相聯，沒有齒輪、皮帶輪等中間傳動環節，轉速快，加工效率高，精度好。

目前的直聯主軸打刀吹氣機構，見圖1，包括主軸1、前后軸承組合28、25、套筒23、拉桿18、連接桿15、壓蓋39、擋環40、碟型彈簧27、拉爪20、刀具22、打刀油缸、聯軸器31等。打刀油缸由油缸后蓋37、油缸筒38和活塞33構成。通氣密封旋轉接頭34和通氣管35組成吹氣機構，設置在直聯傳動軸總成36的后端。主軸1上安裝前后軸承組合28、25并使用鎖緊螺母26、24鎖緊，前后軸承組合28、25安裝在主軸箱體30孔中的套筒23內，主軸1可以在其中進行旋轉運動。主軸1中心的孔中，連接桿15與拉桿18通過擋環40、壓蓋39聯接在一起，兩側各安裝一個推塊41，拉桿18外安裝多個碟型彈簧27，兩個推塊41穿過主軸1兩側的長槽伸出主軸1外圓，將拉桿18限制在主軸1內部軸向運動。拉桿18前端設有拉爪20，拉桿18、拉爪20將刀具22拉緊在主軸1錐孔中固定。打刀時，見圖1中下半部所示，主軸1停止運轉，油缸后部環形油腔中通壓力油，推動活塞33向前運動，活塞33內端面推動兩個推塊41，連同連接桿15向前壓縮碟型彈簧27，帶動拉桿18向前運動，使得拉桿18上的拉爪20松開，刀具22即可以從主軸1中拿出，完成打刀動作；同時，氣路開通，來自氣源的壓縮空氣經通氣密封旋轉接頭34、通氣管35、壓蓋39進入拉桿18孔中，再從主軸1錐孔中吹出，對錐面進行清潔。抓刀時，見圖1中上半部所示，油缸前部環形油腔中通壓力油，活塞33向后退回脫離推塊41，碟型彈簧27向后伸長，帶動連接桿15及拉桿18向后退回，帶動拉爪20收縮，抓緊刀具，完成抓刀運作，主軸1可以運轉。所述的打刀即為拉爪20松開刀具22的拉釘21，可缷下或更換刀具22；抓刀即為拉爪20抓緊刀具22的拉釘21，并可隨主軸1一起運行工作。

上述現有的打刀機構具有下列不足：

（1）打刀時，油缸的打刀力通過41、連接桿15、碟型彈簧27作用在主軸1上，再經過前軸承組合28和端蓋組合29向前傳遞到套筒23及主軸箱體30上，這樣，軸承在加工工件時受到主要是向后的切削力，而打刀時又受到向前的打刀力，軸承不斷地受到這樣很大的交變力的作用，精度和壽命會受到很大的影響，嚴重時還會造成其損壞。

（2）打刀結束吹氣時，空氣通過通氣密封旋轉接頭34、通氣管35穿過直聯傳動軸總成36中的傳動軸，再進入主軸1，結構復雜，制造難度大，通氣密封旋轉接頭34要承受每分鐘近萬轉的高轉速，可靠性差，價格也高，而且很長的傳動軸需要在中心制作出通孔，加工工藝相對復雜，綜合成本較高。

（3）吹氣氣路的壓縮空氣只能在打刀的短時間內用于主軸1錐孔吹氣清潔，無法兼用于套筒23內部的通氣密封，利用率低。

1 直聯主軸打刀吹氣機構的改進設計

為克服上述技術不足，擬設計一種直聯主軸打刀吹氣機構，以保證打刀時主軸軸承不會直接受到打刀力的作用，簡化吹氣機構，且可對主軸套筒內部進行通氣密封。圖2為改進后的直聯主軸打刀吹氣機構。

圖2中：1- 主軸，2- 反拉板，3- 內擋鐵，4- 外擋鐵，5- 電氣開關，6- 開關支架，7- 油缸后蓋，8- 油缸筒，9- 外活塞，10- 內活塞，11- 連接環，12- 推塊，13- 壓蓋，14 擋環，15- 連接桿，16- 油缸前蓋，17- 連接蓋，18- 拉桿，19- 擋圈，20- 拉爪，21- 拉釘，22- 刀具，23- 套筒，24- 鎖緊螺母，25- 后軸承組合，26- 鎖緊螺母，27- 碟型彈簧，28- 前軸承組合，29- 端蓋，30- 主軸箱體，31- 聯軸器，32- 直聯傳動軸總成，33- 活塞，34- 通氣密封旋轉接頭，35- 通氣管，36- 直聯傳動軸總成，37- 油缸后蓋，38- 油缸筒，39- 壓蓋，40- 擋環，41- 推塊，A- 打刀油壓作用面積，B- 打刀油壓作用面積，E- 抓刀油腔，F- 抓刀油腔，G- 打刀油腔，H- 內端面，K- 凸臺。a- 油路，b- 油路，c- 氣路，d- 氣路。

主軸1由前后軸承組合28、25和套筒23支撐于主軸箱體30中，前后軸承組合28、25分別由鎖緊螺母26、24軸向固定，主軸1的端部設有端蓋29，套筒23和端蓋29與主軸箱體30固定聯接。主軸1可相對套筒23和主軸箱體30轉動。

主軸1的中心孔中設有拉桿18，拉桿18的后端設有連接桿15，連接桿15與拉桿18通過擋環14、壓蓋13相聯接。連接桿15兩側各聯接一個推塊12，推塊12上聯接有連接環11。推塊12穿過主軸1兩側的長槽伸出外圓并可相對主軸1軸向運動，將套裝在拉桿18上的碟型彈簧27與擋圈19壓縮在主軸1的孔中，同時推動拉桿18向前運動，完成打動作。拉桿18的前端設有拉爪20，可抓緊拉釘21將刀具22拉緊在主軸錐孔中固定。

打刀油缸由油缸連接蓋17、油缸前蓋16、油缸后蓋7、油缸筒8、內活塞10和外活塞9組成，外活塞9套裝在內活塞10的外側。內、外兩個活塞10、9與油缸筒8以及油缸前蓋16、油缸后蓋7構成具有E、F、G三個油腔的環形套式打刀油缸，其中E、F 為抓刀油腔，G為打刀油腔。內活塞10和外活塞9上的環形打刀油壓作用面積A、B相等。見圖3。油缸筒8的內側中部設有可對兩活塞10、9進行限位的凸臺K，內外活塞10、9分別設于凸臺K的兩側。

內活塞10的內圓壁上設有一個環形內端面H，此內端面H可與連接環11和推塊12相觸碰，以推動推塊12帶動連接桿15和拉桿18向前運動，完成打刀動作，同時將打刀力通過碟型彈簧27作用于主軸1上。位于主軸1尾部的主軸1上聯接有反拉板2，外活塞9可向后運動與反拉板2相觸碰，對主軸1施加向后的反拉力，此外活塞9作用于主軸1上的反拉力與內活塞10作用于主軸1上的打刀力大小相等、方向相反，兩個力相互抵消，合力為零，使主軸1不會有力傳遞到前軸承組合28上，軸承不受任何打刀力的作用，從而保證其主軸1的精度和壽命不受打刀的影響。

外活塞9上設有外擋鐵4并與開關支架6上的槽相配合，內活塞10上設有內擋鐵3并與外活塞9上的長槽相配合且穿過，以防止外活塞9和內活塞10產生轉動，見圖2中 A-A視圖。

油缸后蓋7上通過開關支架6固定有電氣開關5，內擋鐵3和外擋鐵4可對電氣開關5發出位置控制信號。聯軸器外聯直聯傳動軸總成時，其直聯傳動軸總成的傳動軸可為實心軸。

油缸筒8上設有油路a和油路b，其中油路a與打刀油腔G相通，油路b與抓刀油腔E、F相通。內活塞10內設有氣路c，氣路c的出口設于內活塞10的內端面H上，連接環11、推塊12、連接桿15和拉桿18中設有相通的氣路d，氣路d與拉桿18的內孔相通。內端面H與連接環11和推塊12相觸碰時，氣路c與氣路d相通，否則兩氣路不通。

其油路b中可以通入壓縮空氣來替代壓力油，以簡化油路結構，減低成本。

打刀時，見圖2中的下半部所示。壓力油經油路a進入油缸中部的環形打刀油腔G，使得內活塞10向前、外活塞9向后同時進行反向運動，內活塞10的中間內端面H帶動連接環11向前再經推塊12帶動連接15壓縮碟型彈簧27，連接桿15帶動拉桿18向前伸出，使得拉爪20松開，拉釘21及刀具22可以從主軸1中取出。內活塞10向前運動直至頂到油缸前蓋16方才停在油缸前部的終點位置，此時內擋鐵3感應終點開關一發出終點信號一；同時，外活塞9向后壓到反拉板2停在油缸后部的終點位置，并將反拉力作用在反拉板2上，外擋鐵4感應終點開關二發出終點信號二，兩個終點信號都發出即表明打刀動作完成。壓縮空氣由內擋鐵3上面的接頭接入氣路c，當內活塞10壓到連接環11后，油缸筒8內端面H上的氣孔與連接環11上的環槽接通，空氣進入氣路d，再經拉桿18的內孔對主軸1的錐孔進行吹氣清潔，以防切屑、灰塵及冷卻液污染錐孔，保證裝刀時刀柄與錐孔聯接準確牢固。

抓刀時，見圖2中的上半部所示。壓力油經油路b同時進入環形的抓刀空腔E和F，使得內活塞10向后、外活塞9向前同時進行相向運動。當內活塞10直至頂到油缸筒8中部的凸臺K前端才停在原位，此時碟型彈簧27向后伸展，頂緊連接桿15帶動拉桿18向后收縮，使得拉爪20抓緊刀具22的拉釘21，此時連接桿15不再向后收縮，使得其上的連接環11和推塊12與內活塞10脫離，內擋鐵3感應原位開關一發出原位信號一；同時，外活塞9向前脫離反拉板2，直至頂到油筒8中部的凸臺K后端才停在原位，外擋鐵4感應原位開關二發出原位信號二，兩個原位信號都發出即表明抓刀動作完成。當內活塞10脫離連接環11后，油缸筒8內端面H上的氣孔與連接環11上的環槽不再連通，吹氣結束，壓縮空氣由氣路c進入套筒23內部空間中，從軸承端蓋迷宮處及別的縫隙中逸出，以保持內部對外部的空氣正壓，防止主軸1運轉時灰塵及水氣進入，起到一定的密封作用，有利于保持主軸1內部的清潔。該氣路可兼作主軸1錐孔吹氣清潔和主軸1通氣密封，利用率高。抓刀時，油路b中也可以通壓縮空氣來代替壓力油，同樣可以完成抓刀動作，這樣可以簡化油路結構，減低成本。

2 結論

針對現有直聯主軸打刀吹氣機構的技術缺陷，創新提出了一種直聯主軸打刀吹氣機構，該機構在打刀油缸為卸荷式油缸，軸承不承受打刀力，保證了主軸精度和壽命。外形規整，密閉性好，體積小。氣路設于零件之間，結構簡單，可靠性高，價格低，而且直聯傳動軸不需要在中心制作出通孔，結構簡單。抓刀完成后，壓縮空氣可從軸承、端蓋迷宮處及別的縫隙中逸出，保持內部對外部的空氣正壓，同時可對主軸起到清潔密封作用。

參考文獻：

[1]謝家瀛.組合機床設計簡明手冊[M].機械工業出版社，2002（08）.