一種高速主軸鎖緊防松機(jī)構(gòu)的研究與應(yīng)用

趙 雄 楊云霞

(①昆明鐵路機(jī)械學(xué)校，云南昆明650208;②昆明金殿中學(xué)，云南昆明650224)

隨著科技的進(jìn)步，世界機(jī)床行業(yè)正在朝著高速化、高精度化和高可靠性發(fā)展。由于高速切削加工時(shí)離心力、切削負(fù)荷和振動(dòng)的影響，刀具系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全性和高精度的動(dòng)平衡是至關(guān)重要的，刀具系統(tǒng)必須具有良好的平衡狀態(tài)和安全性。

一般來說，高速銑削加工機(jī)床的刀具系統(tǒng)是由拉刀機(jī)構(gòu)、刀柄系統(tǒng)和鎖緊機(jī)構(gòu)組成。高速切削機(jī)床在加工時(shí)，大多數(shù)會(huì)存在正反向旋轉(zhuǎn)切削加工情況，刀具系統(tǒng)所受的載荷也會(huì)隨著變化，使得刀具鎖緊機(jī)構(gòu)可靠性下降，刀具整體不平衡的影響加劇，造成安全隱患和加工質(zhì)量的不穩(wěn)定。

1 結(jié)構(gòu)原理

鎖緊防松機(jī)構(gòu)是在鎖緊連接結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加由防松螺釘、鋼珠以及和鋼珠形成相切線的作用錐孔共同組成。其工作機(jī)理為:當(dāng)調(diào)整防松螺釘后，螺釘軸向進(jìn)給，推動(dòng)鋼珠將作用力均勻加載在鋼珠和錐孔相切圓上，這個(gè)結(jié)構(gòu)類似于力、位移放大器，即增力機(jī)構(gòu)，將產(chǎn)生大小相同、方向通過相切圓法線的分布力，使軸端向外均勻有限變形，進(jìn)而鎖緊螺紋周向緊密咬合，減小螺紋間隙，達(dá)到防松的目的。

如圖1所示，在高速加工機(jī)床主軸系統(tǒng)內(nèi)部、拉桿3和拉爪8之間的連接過渡件滑套4內(nèi)，增加鋼珠5、防松螺釘6、防松螺母座7;滑套4和拉桿3采用螺紋連接;拉桿3軸端內(nèi)部有一錐孔和鋼珠5相切配合，通過防松螺釘6擰緊時(shí)產(chǎn)生的軸向力推動(dòng)鋼珠5，這個(gè)力間接作用于拉桿3內(nèi)錐孔使其向外周均勻擴(kuò)張，如圖2b，從而使拉桿3和滑套4連接螺紋變形，讓連接螺紋牙均勻咬合。當(dāng)金屬切削加工時(shí)，在碟形彈簧2作用下，拉桿3帶動(dòng)滑套4往上移動(dòng)，拉動(dòng)拉爪8將刀柄9軸向拉緊，隨著主軸1高速旋轉(zhuǎn)切削，即使在正反旋轉(zhuǎn)切削加工時(shí)刀柄9都不會(huì)脫落。

2 理論計(jì)算

將圖1中防松機(jī)構(gòu)簡化為圖2a力學(xué)分析模型，設(shè)鋼珠的直徑為2R，拉桿和鋼珠相切點(diǎn)處的內(nèi)錐圓孔口處的直徑為2r，一般來說2r＜2R，內(nèi)錐孔錐角為2α。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)防松螺釘，軸向進(jìn)給位移Δx，將產(chǎn)生軸向的推力Fx，推動(dòng)鋼珠將力間接施加在拉桿內(nèi)錐切圓上，從而使內(nèi)錐產(chǎn)生徑向力Fr;理論上講，如果忽略摩擦、加工制造和裝配誤差，徑向力Fr將均勻分布在相切圓周線上(如圖2b)。如果徑向力足夠大，使拉桿內(nèi)錐向外變形Δr根據(jù)理論力學(xué)相似原理，我們等效出拉桿內(nèi)錐和鋼珠相切點(diǎn)處等效力學(xué)三角形和等效位移三角形(如圖3)。

根據(jù)以上的假設(shè)條件，我們計(jì)算出本機(jī)構(gòu)在防松螺釘軸向進(jìn)給Δx后，拉桿在錐孔相切處產(chǎn)生位移Δr的徑向力Fr。結(jié)合幾何學(xué)和理論力學(xué)原理，得到如下方程:

也即:

式中:α為軸端錐孔錐度的一半;Δx為防松螺釘軸向位移;Δr為紋連接軸端外徑徑向變形量;Fx為防松螺釘產(chǎn)生的軸向推力;Fr為螺紋連接軸端產(chǎn)生Δr變形量所需的徑向力;R為鋼珠的半徑;r為鋼珠和錐孔相切圓的半徑。

在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，調(diào)整螺釘?shù)奈灰瓶梢愿鶕?jù)主軸轉(zhuǎn)速、動(dòng)平衡精度綜合考慮。本機(jī)構(gòu)中的零件都為對稱件，零件遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于主軸回轉(zhuǎn)半徑，且安裝方式都通過軸心線，產(chǎn)生的殘余不平衡質(zhì)量非常小。

3 應(yīng)用與結(jié)論

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者已經(jīng)獲得國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局發(fā)明專利授權(quán)(ZL200810058388.5)，同時(shí)我們將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用在數(shù)控銑床VMC850和中小型加工中心機(jī)床主軸系統(tǒng)上進(jìn)行驗(yàn)證，主軸系統(tǒng)的拉刀機(jī)構(gòu)為增壓氣缸，刀柄系統(tǒng)為BT40，主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá)16 000 r/min。通過性能試驗(yàn)研究和實(shí)際切削表明，主軸系統(tǒng)的振動(dòng)小，回轉(zhuǎn)精度高，松拉刀動(dòng)作準(zhǔn)確可靠，沒有出現(xiàn)掉刀情形，說明這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是可靠和可行的。

總之，本機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡潔，制造和裝配較為簡單，定位精度較高，動(dòng)平衡性能較好，主軸系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲非常小，可以廣泛應(yīng)用于高速旋轉(zhuǎn)軸系中。