加工中心主轴自动换刀拉刀机构的设计与研究

加工中心主轴自动换刀拉削机构的设计与研究，整个自动对刀过程由测头辅助，精度高、稳定，是数控加工的实用工具。

拉刀机构是自动换刀主轴的关键部件之一。随着机床自动化程度的不断提高，具有自动换刀功能的电主轴已经成为加工中心的主流产品。拉刀机构是实现自动换刀功能的关键部件，其应用越来越普遍。目前国内自行设计生产拉刀机构的主轴或机床企业很少，大部分是从国外进口，导致交货期长，价格高。本文详细阐述了拉刀机构的实现原理和结构设计，为拉刀机构的自主设计提供了依据。

1、结构和动作原理

主轴拉刀机构通常由前端拉具、拉丁、拉杆、弹簧和相应的结构件组成。如图1所示，主要用于抓取和松开刀具。

刀具的拧紧过程是弹簧弹开，向后推动拉杆，拉丁随着拉杆向后移动。同时拉开拉爪，将拉爪卡在手柄的内扣槽内，将手柄拧紧。夹紧力由弹簧产生，经前端增力机构放大，实现工具的稳定夹紧。增力机制主要存在于爪和手柄之间，爪和拉丁之间。刀具的松开通常由一组液压缸来实现。活塞撞击拉杆后端，向前推动拉杆，压缩弹簧，推出拉丁，缩爪，将手柄推出锥孔。本文只详细说明刀具的夹紧过程。拉削刀具时，拉削机构通过弹簧产生拉力，通过前端的增力结构满足最终刀具的使用要求。因此，在设计过程中，确定弹簧输出时，需要知道刀具的拉削力要求和增力器的放大系数。通常，刀具的拉削力是根据国家标准设计的。例如，HSK-A在标准中的应用概述如表1所示。

表1刀柄和拉削力对照表

当切削载荷较低时，较小的夹紧力就足够了；相反，当切削负荷高时，需要较大的夹紧力。因此，在设计时，不仅要考虑标准要求，还要考虑实际应用要求。

2.拉刀机构的增力机构

如上所述，拉刀机构的增力存在于前端爪中。独立设计时，应先确定增力机构的放大系数。这里以某厂商的前端机制为例进行详细分析。

如上图，在对拉杆施加拉削力的过程中，拉杆的力为F，拉爪给出的阻力:垂直斜面上的力N1和沿斜面的摩擦力f1，合力为F1。

然后，分析手柄施加在爪上的力:支撑反作用力N2和摩擦力f2。爪向外扩张，相对于手柄向外滑动，所以摩擦力f2是向内的。

所谓楔形增力，就是把水平力通过斜面转化为垂直力，两个力的比值就是增力系数。

斜面1:拉丁与爪之间，增力系数为:

对于不同厂家的拉刀机构，因为手柄是标准的，所以拉刀和手柄之间的角度和放大倍数都是一样的，不同的是拉刀和拉刀之间的受力。经过两次放大:

因此，在独立设计拉刀机构的过程中，考虑前端的放大倍数和标准手柄拉力的标准值，判断后端输出的弹簧组的结构设计。例如HSK-A63的标准拉削力为18 k N，如果前张紧部分的放大倍数为5，则张紧状态下的弹簧至少可以提供

1/5× 18 = 3.6kn弹簧力。

3.弹簧组的设计

在设计弹簧组的结构时，除了考虑拉削时的力值外，还要考虑拉削的全行程。整个跳闸弹簧处于压缩状态，特别是拉削松动时，即弹簧处于最大压缩状态时，弹簧的受力应在其寿命允许范围内。比如碟簧的压缩量通常不超过75%，否则寿命会大大降低。

拉刀机构的弹簧可以是碟形弹簧或螺旋弹簧。碟簧相对成本低很多，组合方式多样。可根据设计参数选择合适的组合，但碟形弹簧在高速运转下对主轴动平衡影响较大。螺旋弹簧在拉刀机构中也有广泛应用，但价格非常昂贵，性能稳定，没有噪音。螺旋弹簧应该成组使用，即一个左旋螺旋弹簧和一个右旋螺旋弹簧。螺旋弹簧之间应放置一个垫片。如果碟簧的组合很多，也需要在中间加一个垫片设计。推荐的碟簧最佳应用范围是其最大压缩行程的10%到75%之间。因此，在设计过程中，为了保证拉刀机构的使用寿命，应根据碟簧的使用要求进行设计。通常情况下，同方向叠加的碟簧数量不超过3个。使用螺旋弹簧时，应根据螺旋弹簧的工作曲线进行设计。

4.示例验证

为了验证上述结论，现场制作了两个螺旋弹簧拉刀机构，拉刀钳口前端的力放大系数为3，刀具接口为HSK-A63。根据表1中的数据可知，拉刀力为18 k N，那么拉刀状态下的弹簧力为6 k N，图4所示为所选螺旋弹簧的压缩量与力值的关系。

可以看出，经过对两种拉削机构拉削力的反复测量，拉削力基本维持在18 k N左右，达到了设计预期。力差应该是弹簧实际刚度与理论的误差，零件相关尺寸的误差等造成的。但总体来说还是符合设计要求的。弹簧力可以通过调节与弹簧连接的垫片的厚度来调节，或者通过增加垫片来调节，最终可以获得满意的拉削力值。

5.结论。

弹簧和增力机构是拉紧拉刀机构的关键因素。近年来，我国越来越多的企业采用了自动换刀拉削机构，这对今后自主设计制造、降低产品成本、拥有自主知识产权具有重要意义。随着现代工业的不断发展，自动换刀拉削机构将越来越广泛地应用于主轴。