交換托盤安全式定位錐的創新設計

高秀峰

(沈陽機床(集團)設計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110142)

為了提高零件的加工效率，交換托盤通常被應用于臥式加工中心或立式加工中心[1]。定位錐是交換托盤重要的定位機構與拉緊機構，因此，定位錐的精度、拉緊剛度與可靠性直接影響著交換托盤的重復定位精度、零件加工精度、機床的加工效率及可靠性。

目前，定位錐的拉緊機構主要有拉爪式與鋼球式2種，拉緊動力源主要有液壓式、碟簧式與自鎖式3種。

當交換托盤位于加工中心的傾斜式轉臺、搖籃式轉臺或者傾斜姿態時，該種工況對于定位錐的拉緊動力源的可靠性提出了非常高的要求。如果動力源意外喪失或者加工中心停機導致動力源喪失之后，不可靠的拉緊方式極可能導致定位錐拉緊松動、交換托盤定位精度不準確、刀具與零件磕碰甚至交換托盤掉落等嚴重安全事故。因此，對定位錐的拉緊機構及拉緊動力源進行研究具有極其重要的意義。

液壓式拉緊完全依賴于加工中心液壓站的壓力，因此，液壓式拉緊的可靠性較差。碟簧式拉緊屬于機械式拉緊，具有較高的可靠性，但由于碟簧尺寸較大、多片碟簧長度較長，因此造成定位錐整體尺寸偏大。若通過減少碟簧片數達到減小定位錐整體尺寸的目的，則會極大地降低碟簧的使用壽命。自鎖式拉緊盡管具有可靠性高、結構緊湊的特點，但價格較高。

根據上述3種定位錐拉緊動力源的綜合分析，研制開發一種高可靠性、結構緊湊、低成本的安全式定位錐，具有極其重要的意義。

1 傳統液壓式拉緊定位錐工作原理

目前，國內外最常用的是液壓式拉緊定位錐，本文以德國Berg公司的產品為例，簡要闡述液壓式拉緊定位錐的工作原理，詳情如圖1所示。

松開進油口6進油后，活塞7帶動拉爪8向上移動，此時拉爪8松開。交換托盤連同上錐蓋1及拉釘2放置在下椎體4上之后，拉緊進油口5進油，活塞7帶動拉爪8下移，拉爪8拉緊拉釘2。

由圖1可得知，液壓式定位錐的拉緊完全依賴于加工中心液壓站的壓力，因此液壓式拉緊定位錐的可靠性較差。

2 安全式定位錐創新設計

2.1 安全式定位錐結構組成

筆者公司在深入研究當前液壓式拉緊定位錐的基礎上，創新設計了一種安全式定位錐。該安全式定位錐在正常工作時，依賴液壓進行拉緊與松開，但在液壓動力源意外喪失之后，還能依賴自身內部結構實現對拉釘的無壓拉緊，極大地保證了交換托盤及加工中心的安全性。

安全式定位錐的結構組成如圖2所示。

2.2 安全式定位錐工作原理

如圖3所示，安全式定位錐的動作流程是：

1無壓無釘拉緊→2有壓無釘松開→3有壓有釘拉緊→4無壓有釘拉緊→5有壓有釘松開→6有壓無釘松開。

在圖2中，定位錐在初始無壓狀態時，外活塞7與內活塞10分別在復位彈簧的作用下實現鋼球的拉緊。交換托盤連同上錐蓋1及拉釘2放置在下椎體5上之前，松開進油口6進油，外活塞7壓迫復位彈簧向下移動實現鋼球松開。交換托盤連同上錐蓋1及拉釘2放置在下椎體5上之后，拉緊進油口12進油，該路油同時推動外活塞7向上移動以及內活塞10向下移動，這兩個反向同步移動實現了鋼球對拉釘的可靠拉緊。當液壓動力源意外喪失之后，內活塞10在復位彈簧的作用下向上移動一段微小距離，與下缸蓋貼合；外活塞7由于受到復位彈簧8向上的推力作用，因此外活塞7仍靜止不動。此時，鋼球4盡管同步上移了與內活塞10相同的一段微小距離，但仍處于外活塞7的圓柱內孔與內活塞10的徑向小孔之間，因此此時鋼球4仍然實現了對拉釘的可靠拉緊。若要松開交換托盤時，松開進油口6進油，外活塞7壓迫復位彈簧8向下移動實現鋼球對拉釘的松開。拉釘抬起后，鋼球定位塊15在復位彈簧14的作用下向上移動至密封蓋處，松開進油口6泄壓，外活塞7在復位彈簧8的作用下向上移動至初始位置，整個定位錐又返回至初始的無壓無釘拉緊的狀態。

2.3 安全式定位錐的無壓拉緊原理

對圖3d的鋼球和外活塞分別作受力分析，如圖4所示。

由圖4a可得：

N74=N24cosα

(1)

N104=N24sinα

(2)

α≤45°

(3)

式中：N74、N24、N104分別表示外活塞7對鋼球4的支撐力、拉釘2對鋼球4的支撐力、內活塞10對鋼球4的支撐力。其中，N104等于定位錐對拉釘的拉緊力。

由圖4b可得：

F+f=fN74

(4)

fN74=uN74

(5)

式中：F、f、fN74、u分別表示外活塞復位彈簧的總復位推力、密封圈摩擦力、鋼球4對外活塞7的摩擦力、摩擦系數。

由式(1)～(5)可得：

F

(6)

設外活塞復位彈簧的數量為n，則每個彈簧的最大復位推力為：

(7)

設定位錐對拉釘的拉緊力N104=20 kN，鋼球與外活塞之間的摩擦系數u=0.001～0.005，外活塞復位彈簧數量n=4。

由式(7)可得外活塞每個復位彈簧的最大復位推力為：

(8)

由上述計算分析可以得出，通過內外活塞及各復位彈簧的巧妙設計，可以在液壓動力源意外喪失之后，仍能通過較小的力實現定位錐對拉釘強力的可靠拉緊，這就是安全式定位錐的無壓拉緊原理。

3 結語

針對目前液壓式拉緊定位錐可靠性較差、碟簧式拉緊定位錐尺寸較大、自鎖式拉緊定位錐價格較高的問題，筆者公司自主創新設計了一種全新的安全式定位錐。

該產品可靠性高、尺寸小巧、價格低廉，并且可以在動力源意外喪失或者加工中心停機導致動力源喪失之后，仍然能夠實現定位錐對拉釘的可靠拉緊。該產品的研發，對交換托盤在臥式加工中心或立式加工中心的可靠應用，具有極其重要的實際意義。