加工中心主軸拉刀（dāo）機構的設（shè）計與研究-功能部件網（wǎng）-數控機床（chuáng）市場網

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加工中心主軸拉（lā）刀機構的設計與研究

2022-8-1 來源（yuán）：科德數控股份有限公司作（zuò）者：郭翠娟鄧鑫

摘要: 對加工中心主軸用的自（zì）動換刀裝（zhuāng）置－拉刀機構的結構進行了剖析，重點對拉（lā）刀機構拉刀力的實現（xiàn）原理進行（háng）了分析，對其增力機構的放大係數進行了詳細計算，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（le）依（yī）據。

關鍵詞: 主軸; 拉刀機構; 增力機構; 放大係數

拉（lā）刀機構是可自動換刀的主軸關鍵部（bù）件（jiàn）之一，隨（suí）著（zhe）機床自動化（huà）程度越來越高，帶有可自動換刀（dāo）功能的（de）電主軸成（chéng）為加工中心的主流產品（pǐn）。拉刀機構是實現自動換刀功能的關鍵零部件，其（qí）應用越來越普遍。現階段國內自己設計生產拉刀機構（gòu）的主軸或機床企（qǐ）業非常少，絕大部分采用國外（wài）進口，貨期長（zhǎng），價格貴。本文針對拉刀機構的（de）實現原理及結構設計方麵對其進行了詳細闡述，為自主設（shè）計拉刀機（jī）構提供了依據。

1、結構組成及動作原理（lǐ）

主軸拉刀機構（gòu）通常由前端拉爪、拉丁、拉杆、彈簧及相應結構（gòu）件組成。如圖 1 所示，主要完成刀具的抓取及鬆開動作。

刀具的拉緊過程是（shì）彈簧彈開，將（jiāng）拉杆向後頂，拉丁隨拉杆向後移動，同（tóng）時將拉（lā）爪撐開，拉爪卡住刀柄（bǐng）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（gòu）放大，實現刀具的穩固夾緊（jǐn），增力機構主要存在於拉爪和刀柄之間以及拉爪和拉丁之間。刀（dāo）具（jù）的鬆開通常由一套液壓缸動作（zuò）來實現，活塞打在拉杆後端，將拉杆向前推，彈簧壓（yā）縮，拉丁頂出，拉（lā）爪收縮，將（jiāng）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（dāo）時（shí），由彈簧產生拉緊力，並通過前端的（de）增力結構達到最終刀具（jù）的使用要求。因此設計過程（chéng）中，確（què）定（dìng）彈簧出力時必須要了解刀具的拉刀力要求以及增（zēng）力機構的放大（dà）係數。通常刀具的拉刀力都是按國家（jiā）標（biāo）準來設（shè）計。如標準中針（zhēn）對 HSK－A 型的應用簡易表如表 1 所示。

表 1 刀柄與拉刀力（lì）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（shè）計時，除考慮到（dào）標（biāo）準要求（qiú），還要考慮實際應用需求。

2、拉刀（dāo）機構的增（zēng）力機構

如上所述，拉刀機構的增（zēng）力存在於前端拉爪（zhǎo）部（bù）位，自主設計時（shí），要先明確增力機（jī）構的放大係數，下麵（miàn）以某廠家前端機構為例進行詳細剖析。

如上圖，拉杆施加拉刀力的過程（chéng）中，拉杆的力為F ，受（shòu）到拉爪給的阻力: 垂直斜麵的力 N1和沿斜麵的摩擦力 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（dāo）柄外脹，向外滑，所以摩擦力 f2向內。

所謂斜（xié）楔增力就是由水平力通過斜麵轉化成垂直方向的力，兩力的比（bǐ）值為增力係數。

斜（xié）麵一: 拉丁和拉爪之間，增力（lì）係數為:

對於（yú）不同廠家的拉刀機構（gòu），因為刀柄都是標準的，所以拉爪與（yǔ）刀（dāo）柄間的角度（dù）和放大倍數是相同的，不（bú）同（tóng）的是拉丁與拉爪之間的作用力。經（jīng）過兩次放大後:

所以（yǐ）在自（zì）主設計拉刀機構的過（guò）程中，考慮到前端的（de）放大倍數，以及標準刀柄的拉力標準值，判斷出後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（xū）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（jié）構（gòu）時，除了考慮拉刀時（shí）力值滿足外，還要綜合（hé）整個鬆拉刀行程，整個行程彈簧都處於壓縮狀態，尤其在鬆（sōng）刀狀（zhuàng）態下，即彈簧處於最大壓（yā）縮時，彈簧受力應（yīng）在其壽命（mìng）允許的可承受（shòu）範圍內，如碟簧通常要（yào）求不超過 75%的壓縮量，否則壽命（mìng）會（huì）大幅下（xià）降。

拉刀機構的彈簧可以選（xuǎn）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（hé）適的組合，但在高速運轉（zhuǎn）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（yě）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（gè）左旋卷簧，一個右旋卷簧。卷簧和卷簧（huáng）之間要放置隔片（piàn）。碟簧如（rú）果疊加的組合非常（cháng）多的情況（kuàng）下，也需要在中間增加隔片設（shè）計。碟簧（huáng）推薦的（de）最佳使用範圍介於其最大壓縮行程的10% ～ 75%。因此在設（shè）計（jì）過程為了保證拉刀機構的使用壽命，要按照（zhào）碟簧的使用要求設計。通常碟簧同方向疊加（jiā）的片數不超（chāo）過 3 片。利用卷（juàn）簧時，則要按（àn）照卷簧的工作曲線來設（shè）計。

4、實例驗證

為驗證以上（shàng）結論（lùn），現場自製（zhì） 2 台卷簧式（shì）拉刀機構，前端拉爪部位增力放大係數為 3，刀具接口 HSK－A63，按表 1 數據得知（zhī）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係圖如圖 4。

多次測量結果如表 2。

可見，經過對兩（liǎng）個拉刀機構拉刀力的反複測量（liàng），其拉刀力基本維持在 18 k N 附近，符合設計預期。力值差異應考慮到彈簧實際剛性與理論的誤差、零件相關（guān）尺寸的誤差等造成（chéng）。但總體是符合設計需求的。可以通過調整跟彈簧連接的隔墊厚度尺寸，或者增加墊片的辦法來調整彈簧力，最終達到滿意（yì）的拉刀力（lì）值。

表 2 拉刀力測（cè）試（shì）

5 、結語

彈（dàn）簧力和增力機構是拉刀機構實現拉緊的關鍵因（yīn）素。近年來，我國采用自動（dòng）換刀－拉刀機構的（de）企業越來越多，這對（duì）未來自主設計製造、降低產品成本，擁有自主知（zhī）識產權具有重要意（yì）義。隨著現代工業（yè）的不斷發展，自（zì）動換刀拉刀機構在（zài）主軸上的應用會越來越廣泛。

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