新疆工學(xué)院 梁楚華

    自動(dòng)換刀系統(tǒng)采用彈簧夾頭和外驅(qū)動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)，并作為加工中心的標(biāo)準(zhǔn)附件組織專(zhuān)門(mén)化生產(chǎn)，不僅可以大大簡(jiǎn)化了機(jī)床主軸結(jié)構(gòu)，也使數(shù)控機(jī)床的工作性能明顯提高。由于系統(tǒng)全部采用圓柱柄刀具和輔具，使加工中心的配套成本大幅下降。 

    本文介紹筆者研究的一種可供數(shù)控機(jī)床選型配套的高性能彈簧夾頭自動(dòng)換刀系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模式。 

    一、系統(tǒng)的組成  

    彈簧夾頭自動(dòng)換刀系統(tǒng)由設(shè)置在機(jī)床主軸軸端的彈簧夾頭、分布在機(jī)床主軸箱兩側(cè)的外驅(qū)動(dòng)刀具夾緊機(jī)構(gòu)、刀具交換裝置、擴(kuò)展型鏈?zhǔn)降稁?kù)以及系統(tǒng)控制器組成。  
 
    彈簧夾頭是該自動(dòng)換刀系統(tǒng)的核心部件。它的工作性能及結(jié)構(gòu)的完善程度，除直接影響刀具的夾持性能及影響數(shù)控機(jī)床的切削加工性能外，也影響機(jī)床主軸的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是自動(dòng)換刀系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。 

    外驅(qū)動(dòng)刀具夾緊機(jī)構(gòu)和刀具交換裝置的作用是完全模仿現(xiàn)有彈簧夾頭使用中人手換刀的動(dòng)作。刀具夾緊機(jī)構(gòu)必須具備夾緊力大、夾緊力恒定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。 

    刀具交換裝置采用雙臂回轉(zhuǎn)機(jī)械手工作方式。這種裝置在換刀時(shí)能同時(shí)抓取固定在刀座和機(jī)床主軸彈簧夾頭中的刀具，進(jìn)行交換和裝刀、卸刀操作，它的動(dòng)作簡(jiǎn)單，換刀時(shí)間短。本系統(tǒng)采用的刀具交換裝置完全可類(lèi)同于現(xiàn)有加工中心常用的刀具交換裝置。 

    刀具柄部全部采用統(tǒng)一直徑的標(biāo)準(zhǔn)圓柱刀柄，鏈?zhǔn)降稁?kù)中的刀座結(jié)構(gòu)及刀具的固定方式與錐柄結(jié)構(gòu)的固定方式和刀座結(jié)構(gòu)會(huì)有很大不同。因此，還要設(shè)計(jì)出適合于圓柱刀柄存放、固定的專(zhuān)用刀座，刀座還必須便于刀具的裝卸。刀柄的其他結(jié)構(gòu)，如整體式結(jié)構(gòu)或帶有接長(zhǎng)桿的組合結(jié)構(gòu)形式，都可采用與現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的刀具結(jié)構(gòu)完全相同的結(jié)構(gòu)形式。至于鏈?zhǔn)降稁?kù)的驅(qū)動(dòng)，以及刀具的識(shí)別也完全可以采用現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床的成熟結(jié)構(gòu)和控制方式。 

    本系統(tǒng)采用PLC控制器，對(duì)自動(dòng)換刀系統(tǒng)的換刀動(dòng)作進(jìn)行全方位控制管理，它與機(jī)床的數(shù)控單元之間可通過(guò)幾條聯(lián)絡(luò)線進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)交換。 

    二、系統(tǒng)的關(guān)鍵部件和機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 

    1. 彈簧夾頭 

    通過(guò)第一代小型彈簧夾頭自動(dòng)換刀系統(tǒng)樣機(jī)的研究表明，要進(jìn)一步提高機(jī)床主軸的工作性能，并滿足數(shù)控機(jī)床自動(dòng)換刀的要求，設(shè)計(jì)研制的機(jī)床主軸軸端彈簧夾頭必須能夠很好地解決以下關(guān)鍵問(wèn)題：1)圓柱刀柄與彈簧夾頭接觸面之間，在夾緊狀態(tài)下應(yīng)有足夠的接觸剛度。彈簧夾頭中的彈簧套與機(jī)床主軸軸端錐孔接觸面之間，在夾緊狀態(tài)下也應(yīng)有足夠的接觸剛度。2)在加工過(guò)程中機(jī)床主軸必須給刀具傳遞足夠的切削扭矩。3)彈簧夾頭采用螺旋夾緊機(jī)構(gòu)，在夾緊刀具時(shí)除向刀具提供足夠大的徑向夾緊力外，還必須具備可靠的自鎖性能。4)刀具交換裝置和彈簧夾頭在每次更換刀具后，應(yīng)使刀具具有較高的重復(fù)定位精度。5)在換刀過(guò)程中具有自動(dòng)清理刀柄和彈簧夾頭型腔內(nèi)鐵屑?jí)m渣的功能。6)機(jī)床主軸軸端應(yīng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和工藝性好，便于主軸自身的優(yōu)化的設(shè)計(jì)。  
 
    經(jīng)過(guò)反復(fù)研究對(duì)比，提出了如圖2所示的彈簧夾頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。方案中彈簧夾頭由主軸軸端結(jié)構(gòu)1、彈性?shī)A緊元件——彈簧套2、齒圈螺母套3、V型槽擋圈4、滾動(dòng)體5、孔底雙側(cè)半圓鍵6、噴氣口7組成。 

    1) 主軸軸端結(jié)構(gòu) 

    內(nèi)圓錐面的圓錐角2α一般取30°。取較大圓錐角的目的是，刀柄容易被松開(kāi)，便于刀具的裝卸。 

    設(shè)置在孔底的兩個(gè)半圓鍵，其作用是通過(guò)刀柄向刀具切削刃傳遞足夠的切削扭矩。半圓鍵頂部加工出導(dǎo)向錐，便于刀柄插入。同時(shí)在兩個(gè)半圓鍵的同一側(cè)(非工作側(cè)面)沿軸向加工出長(zhǎng)槽，在槽內(nèi)固定彈簧片，彈簧片工作面略高出半圓鍵表面，其作用是當(dāng)兩半圓鍵插入刀柄尾端半圓槽后，以消除半圓鍵與刀柄半圓槽工作表面間隙，防止刀具插入后由于間隙的存在，當(dāng)切削扭矩大于彈簧套與刀柄之間的摩擦扭矩時(shí)，產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)而劃傷刀具圓柱柄。主軸孔底中央設(shè)置一個(gè)噴氣口，噴氣口與主軸中心孔氣路相通。交換刀具時(shí)，壓縮空氣通過(guò)噴氣口，進(jìn)入彈簧套型腔，吹凈附著在彈簧套內(nèi)和刀具刀柄上的鐵屑污物。主軸軸端外圓表面加工出一段螺紋，供齒圈螺母套3與主軸軸端聯(lián)接。 

    這樣確定的主軸軸端結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)單、工藝性好、占據(jù)空間小等特點(diǎn)，有利于機(jī)床主軸按照其自身的要求進(jìn)行最優(yōu)化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)。 

    2) 彈簧套 

    彈簧套為薄壁圓錐形彈性元件，是彈簧夾頭關(guān)鍵件。彈簧套錐部可以根據(jù)需要開(kāi)出多條軸向槽。彈簧套大徑一端設(shè)計(jì)出擋圈止口，以便通過(guò)擋圈向彈簧套提供軸向推力。 

   3) 齒圈螺母套 

    本設(shè)計(jì)采用螺旋夾緊機(jī)構(gòu)。據(jù)資料介紹，在一對(duì)螺旋副中，當(dāng)螺旋升角" 小于螺紋的當(dāng)量摩擦角f0時(shí)，螺旋夾緊機(jī)構(gòu)就會(huì)具有很好的自鎖性能。對(duì)于普通標(biāo)準(zhǔn)螺紋，采用鋼—鋼摩擦副，其當(dāng)量摩擦角φ0=6°35’，而本螺紋螺旋升角λ=2°29’，即λ≤φ0。 

    彈簧夾頭夾緊機(jī)構(gòu)采用螺旋夾緊機(jī)構(gòu)完成夾緊、鎖緊刀柄。螺母套帶有齒圈，其目的是通過(guò)齒圈與夾緊機(jī)構(gòu)中的齒輪正確嚙合傳遞扭矩。為了減小齒圈螺母套在夾緊刀具時(shí)的摩擦損失，在齒圈螺母套的外端與彈簧套擋圈之間加工出V型槽，槽內(nèi)密排一圈鋼球，從而形成了彈簧夾頭最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)方案。為了進(jìn)一步增強(qiáng)螺旋夾緊機(jī)構(gòu)在切削過(guò)程中的抗沖擊能力(即在沖擊過(guò)程中仍能保持機(jī)構(gòu)的自鎖夾緊性能)，彈簧夾頭夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式完全可以采用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的一種強(qiáng)力彈簧夾頭刀柄的結(jié)構(gòu)形式。 

    在夾緊刀具的過(guò)程中為了保證刀柄與彈簧套之間無(wú)相對(duì)移動(dòng)，即刀具跟隨彈簧套一起作同步軸向位移，同時(shí)還要保證刀具在每次換刀后都能保持很好的軸向重復(fù)定位精度，就必須保證刀具柄部的定位端面與彈簧套定位端面間在夾緊過(guò)程中始終保持接觸。在本設(shè)計(jì)中，這一動(dòng)作是由刀具交換位置中的機(jī)械手提供的，即機(jī)械手在夾緊過(guò)程中始終給刀柄提供一個(gè)使刀柄凸緣定位端面與彈簧套端面靠緊的向上作用的彈性力。目前彈性?shī)A頭的定心精度一般可以達(dá)到0.01mm，甚至更高。 

    2. 外驅(qū)動(dòng)刀具夾緊裝置 

    要保證圓柱柄刀具在切削過(guò)程中始終能夠被可靠地夾持在彈簧內(nèi)夾頭內(nèi)，除彈簧夾頭應(yīng)有自鎖性能外，換刀過(guò)程中夾緊裝置必需給彈簧夾頭提供足夠的夾緊力。刀具夾緊機(jī)構(gòu)如圖3所示。  
 
    夾緊力是通過(guò)螺母套的增力作用產(chǎn)生對(duì)彈簧足夠大的軸向推動(dòng)力，并通過(guò)兩錐面的相互作用實(shí)現(xiàn)。螺母套的旋轉(zhuǎn)是通過(guò)螺母套上的齒圈與夾緊裝置中的齒輪2的嚙合運(yùn)動(dòng)獲得。齒輪3空套在減速器輸出軸上，撥桿6與蝸輪軸剛性聯(lián)結(jié)。夾緊、放松刀具的動(dòng)作流程如下：主軸停轉(zhuǎn)并進(jìn)入主軸換刀準(zhǔn)停位置，刀具夾緊裝置從主軸箱一側(cè)進(jìn)入刀具預(yù)定換刀位置，齒輪2隨同刀具夾緊裝置沿彈簧夾頭螺母套齒圈徑向方向?qū)Σ鍑Ш�，�?qū)動(dòng)電機(jī)4帶動(dòng)蝸輪軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(俯視圖為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn))，蝸輪軸帶動(dòng)撥桿6撥動(dòng)(通過(guò)壓力傳感器)齒輪3、齒輪3驅(qū)動(dòng)齒輪2、齒輪2驅(qū)動(dòng)彈簧夾頭螺母套夾緊刀具，當(dāng)壓力傳感器10達(dá)到額定壓力，電機(jī)停轉(zhuǎn)，完成夾緊刀具的工作過(guò)程。額定夾緊力可通過(guò)設(shè)定壓力傳感器臨界壓力值來(lái)確定。放松刀具的動(dòng)作可通過(guò)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)，直接撥動(dòng)擋鐵7、驅(qū)動(dòng)齒輪3、齒輪2及螺母套、放松彈簧夾頭、松開(kāi)刀具。當(dāng)擋鐵8接觸行程開(kāi)關(guān)9，電機(jī)停止，放松動(dòng)作完成�？赏ㄟ^(guò)調(diào)整行程開(kāi)關(guān)9的位置，來(lái)設(shè)定彈簧夾頭放松刀具的程度。刀具的夾緊和放松是依靠螺母套和主軸的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，因此機(jī)床主軸必須設(shè)定準(zhǔn)停、鎖定裝置（機(jī)構(gòu)）。另外，齒輪2在驅(qū)動(dòng)螺母套旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中，由于螺母套在作螺旋運(yùn)動(dòng)，它必然產(chǎn)生一定的軸向位移。在有載荷的情況下，如果齒輪2不產(chǎn)生同步軸向位移，將會(huì)使傳動(dòng)很難完成，或者有可能拉傷齒面，因此在刀具夾緊裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上還必須設(shè)置齒輪2的同步軸向移動(dòng)機(jī)構(gòu)。 

    3. 圓柱柄結(jié)構(gòu) 

    系統(tǒng)采用的刀柄結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用圓柱柄刀具(或刀柄)具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：首先，圓柱面(包括彈簧套內(nèi)圓面和刀柄圓柱面)具有很好的加工工藝性，精度很容易保證，因此本自動(dòng)換刀系統(tǒng)中刀柄圓柱面與彈簧套內(nèi)圓面之間在夾緊狀態(tài)下，必須能夠很好接觸，必然會(huì)獲得比現(xiàn)有錐柄刀具夾緊時(shí)更高的接觸剛度，它有利于機(jī)床主軸工作性能的提高。其次，圓柱柄在換刀過(guò)程中具有很好的導(dǎo)入清污能力，即刀柄沿彈簧套軸線插入時(shí)，在彈簧套內(nèi)尚存的贓物殘屑必然會(huì)被刀柄推入主軸凹槽內(nèi)，起到清理作用。  
 
    圓柱刀柄尾部加工出對(duì)稱(chēng)的雙半圓鍵槽，形成八字形開(kāi)放結(jié)構(gòu)，這樣便于壓縮空氣清理，同時(shí)也便于換刀時(shí)主軸孔底雙半圓鍵的插入。 

    圓柱柄頂部設(shè)計(jì)出帶有V形槽環(huán)的凸緣，便于刀具交換裝置中機(jī)械手抓取刀具。凸緣內(nèi)端面用作刀具軸向定位基準(zhǔn)，即在整個(gè)換刀過(guò)程中，刀柄在換刀機(jī)械手的作用下始終使該定位基準(zhǔn)與彈簧套端面靠合，以保證刀具的軸向定位精度。 

    另外在換刀過(guò)程中為了使刀柄半圓鍵槽與主軸孔底端面鍵能夠準(zhǔn)確對(duì)中定位，除機(jī)床主軸設(shè)有準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)外，圓柱刀柄插入刀座時(shí)也必須保證半圓鍵槽的準(zhǔn)確方位。