主軸拉刀力檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)*

何成云 霍紅梅 胡廣強(qiáng) 王鳳山 李國(guó)海

（青海一機(jī)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司，青海西寧 810018）

數(shù)控機(jī)床的切削刀具一般采用碟形彈簧拉緊在主軸錐孔上，拉刀力的大小直接影響刀具定位的可靠性。如果拉刀力過(guò)大，將引起主軸錐孔的彈性擴(kuò)張，切削加工的精度和效率將大幅下降，同時(shí)松刀力也會(huì)隨之變大，這將影響主軸的精度和壽命。如果拉刀力小于規(guī)定值，主軸錐孔與刀具的連接剛性不足，輕則降低了重復(fù)定位精度和換刀精度，影響加工質(zhì)量，嚴(yán)重的會(huì)造成機(jī)床事故，甚至人身傷害事故。為確保主軸部件的壽命及對(duì)工件的加工精度，必須要對(duì)刀具的拉緊力大小制定更嚴(yán)格的要求和檢測(cè)。設(shè)計(jì)本裝置的目的，主要是為了測(cè)量主軸拉刀系統(tǒng)拉刀力的大小。并能夠適時(shí)監(jiān)控主軸內(nèi)部拉刀機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)，從而有效地保證生產(chǎn)加工過(guò)程的安全可靠及加工精度的要求。

1 拉刀力檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)和應(yīng)用的必要性

高性能的高速主軸部件從設(shè)計(jì)到零件制造、組裝及性能檢測(cè)，每一過(guò)程都是環(huán)環(huán)相扣，缺一不可。事實(shí)上，主軸實(shí)際的拉刀力與設(shè)計(jì)理論計(jì)算的拉刀力并不一致。主要是由碟形彈簧的實(shí)際特性與理論載荷特性的差異、碟形彈簧之間及碟形彈簧與導(dǎo)向件之間存在的摩擦力等因素所致。此外由于機(jī)械的疲勞，比如碟形彈簧的磨損、破損等問(wèn)題，會(huì)使主軸拉刀力下降到一個(gè)特定的值，由此可能引發(fā)一系列的后果:①主軸磨損增加;②主軸振動(dòng)，從而影響工件的表面粗糙度;③微動(dòng)，影響主軸錐度和拉緊力;④意外磨損;⑤使用壽命減少;⑥機(jī)床操作者的安全性。所以為了確保主軸部件的高品質(zhì)和高可靠性，不僅要從提升零部件設(shè)計(jì)、制造及組裝技術(shù)入手，還需要更進(jìn)一步地加強(qiáng)檢測(cè)能力和提升檢測(cè)手段。拉刀機(jī)構(gòu)拉刀力的量化檢測(cè)對(duì)于提升主軸部件的質(zhì)量性能是非常必要的。

近年來(lái)，我國(guó)機(jī)床主機(jī)和零部件行業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，產(chǎn)品的檔次和水平有了很大的提高。但由于國(guó)內(nèi)大部分企業(yè)對(duì)產(chǎn)品性能及可靠性方面的研究不夠重視，相應(yīng)的檢測(cè)工藝方面的研究和投入力度不大，導(dǎo)致檢測(cè)工藝很落后。目前大部分檢測(cè)儀器及軟件只能依賴進(jìn)口，不僅價(jià)格非常昂貴，還要受好多條款限制。因此，為盡快解決目前中國(guó)數(shù)控機(jī)床向高端發(fā)展過(guò)程中存在的諸多瓶頸問(wèn)題，還需業(yè)內(nèi)同行們共同努力，自主研發(fā)設(shè)計(jì)和掌控核心技術(shù)。只有這樣才能提高產(chǎn)品的性能和可靠性，降低成本、節(jié)約資金，不斷提升企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

2 拉刀力檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

主軸拉刀力檢測(cè)裝置是一款用于測(cè)量主軸拉刀桿拉力大小的儀器。該裝置主要有拉釘、刀柄、活塞、壓力表、密封圈和油堵組成（如圖1）;拉釘1和活塞3通過(guò)螺紋M連接在一起，而刀柄和拉釘之間為間隙配合，軸向可滑動(dòng)。P孔為壓力表接口，Q孔為加注油液及排氣接口，用油堵6封死。A腔為壓力油腔，B腔為空氣腔。

該裝置的工作原理如下:將檢測(cè)裝置插入主軸錐孔內(nèi)，通過(guò)拉刀機(jī)構(gòu)將其拉緊。此時(shí)拉刀力F就通過(guò)拉釘1作用在活塞3上。眾所周知，當(dāng)壓力油作用在油缸活塞上時(shí)會(huì)對(duì)活塞產(chǎn)生推或拉的力。同樣對(duì)活塞施加推或拉的外力來(lái)擠壓封閉油腔內(nèi)液體，就能使封閉腔內(nèi)液體產(chǎn)生壓強(qiáng)。根據(jù)帕斯卡定律:“加在密閉液體上的壓強(qiáng)，能夠大小不變地由液體向各個(gè)方向傳遞”可知，A腔的油液在外力F的擠壓作用下產(chǎn)生壓強(qiáng)P，并通過(guò)連接在活塞上的壓力表將此壓強(qiáng)值顯示出來(lái)。通過(guò)下面的式（1）和（2）可推導(dǎo)出相應(yīng)壓強(qiáng)值和活塞面積與作用力間的數(shù)據(jù)關(guān)系式（3），并可計(jì)算出所要測(cè)的拉刀力F的大小。

檢測(cè)拉刀力F的大小理論推導(dǎo)如下:在拉力F（N）作用下，A腔壓力油產(chǎn)生的壓強(qiáng)為P（MPa）可由壓力表讀出，那么:

壓力油腔的活塞大、小直徑分別為d1和d2（mm），活塞的有效作用面積:

對(duì)于某個(gè)確定的檢測(cè)裝置而言，d1和d2為定值，故活塞的有效作用面積S（mm2）為一個(gè)常數(shù)，將此常數(shù)設(shè)為系數(shù)k（N/MPa），式（1）可轉(zhuǎn)化為:

式（3）即為主軸拉刀力與壓力表壓強(qiáng)測(cè)試值間的線性方程，根據(jù)此式便可計(jì)算得出所要測(cè)的拉刀力F的大小。常數(shù)k為該檢測(cè)裝置的剛度系數(shù)。

該裝置有兩種方式得出所測(cè)得的拉力值。其一，根據(jù)式（3）將該檢測(cè)裝置的剛度系數(shù)k乘以從壓力表上顯示的壓力值計(jì)算得到所測(cè)得拉刀力F的值;其二，根據(jù)該檢測(cè)裝置的剛度系數(shù)k定制專用的能直接顯示所測(cè)拉刀力（N）的壓力表［簡(jiǎn)單的說(shuō)就是用剛度系數(shù)k換算，將壓力表表盤上的壓強(qiáng)刻度值（MPa）對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的拉力刻度值（N）］，就可直接從表上讀出所測(cè)得拉刀力F的值。

該裝置設(shè)計(jì)使用時(shí)有以下幾方面的要求:首先，為確保檢測(cè)數(shù)據(jù)更精確，要求A腔充滿高粘度的液壓油，同時(shí)保證將內(nèi)部空氣被完全排出;B腔內(nèi)應(yīng)填充適量的潤(rùn)滑油脂，并且要與外界自由相通（通過(guò)拉釘中心的小孔）。其次，為防止因A腔壓力油微量泄漏造成測(cè)量誤差及負(fù)載突變?cè)斐奢^大的壓力波動(dòng)和沖擊，一般情況下最好是在每次檢測(cè)前通過(guò)旋緊螺紋M對(duì)A腔的壓力油進(jìn)行預(yù)壓處理，預(yù)壓量為預(yù)檢測(cè)拉力值的70%左右為宜（當(dāng)且僅當(dāng)外加負(fù)載大于預(yù)壓負(fù)載時(shí)壓力表顯示值才會(huì)按外界負(fù)載值變化）;每次檢測(cè)工作完成后對(duì)A腔的壓力油進(jìn)行泄壓處理是非常有必要的。另外，要在保證尺寸d3、d4、c及f與標(biāo)準(zhǔn)尺寸保持不變的情況下，盡可能縮短b、e尺寸的長(zhǎng)度，同時(shí)要相應(yīng)加長(zhǎng)a尺寸長(zhǎng)度，其目的:①減輕重量，降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省原材料;②降低了零件的制造難度，提高了工藝性能和加工效率;③使用專用的拉釘，確保檢測(cè)裝置的精度、可靠性和使用壽命。

3 拉刀力檢測(cè)裝置的應(yīng)用實(shí)例

以錐孔形式為ISO 7∶24 No．50的高速切削型主軸來(lái)舉例說(shuō)明檢測(cè)裝置對(duì)拉刀力檢測(cè)的應(yīng)用實(shí)例。如圖2所示，將拉刀力檢測(cè)裝置插入主軸錐孔并用主軸拉刀機(jī)構(gòu)將其拉緊。ISO 7∶24 No．50的主軸拉刀力檢測(cè)裝置中活塞的設(shè)計(jì)直徑分別為:

則根據(jù)式（1）可求出檢測(cè)裝置的剛度系數(shù):

（說(shuō)明該款檢測(cè)裝置壓力表上每MPa刻度值壓強(qiáng)對(duì)應(yīng)的拉力值應(yīng)為2 450 N。）將此剛度系數(shù)代入式（3）得:

此時(shí)壓力表指示約為6 MPa左右，由式（4）可近似求出此拉刀機(jī)構(gòu)的拉刀力為:

將所測(cè)的拉刀力數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)給定值對(duì)比，從而可得知實(shí)際的拉刀力是符合設(shè)計(jì)要求的。

假若所測(cè)的拉刀力數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)給定值對(duì)比不符合要求時(shí)，則需從拉刀機(jī)構(gòu)各調(diào)整環(huán)節(jié)來(lái)調(diào)整拉刀力的大小直至符合要求。

4 拉刀力檢測(cè)裝置的規(guī)格類型

為適應(yīng)對(duì)不同規(guī)格主軸拉刀力的檢測(cè)，設(shè)計(jì)時(shí)需采用模塊化設(shè)計(jì)理念。通常要按不同的主軸序號(hào)規(guī)格把檢測(cè)裝置刀柄、拉釘設(shè)計(jì)成ISO 7∶24 No．30（40、45、50、60）或 HSKA50（63、80、100）等形式。按不同的刀庫(kù)機(jī)械手適配刀柄形式不同及不同的主軸拉刀機(jī)構(gòu)適配拉釘形式不同，可將檢測(cè)裝置刀柄、拉釘分別設(shè)計(jì)成對(duì)應(yīng)的JT（國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO）、BT（日本標(biāo)準(zhǔn)MAS403）及CAT（美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ANSIB5．50）等形式，以最大限度地滿足不同客戶群體的需求。

表1 幾種型號(hào)規(guī)格的主軸拉刀力設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值（N）

目前國(guó)內(nèi)加工中心常用的主軸錐孔形式多為ISO 7∶24 No．40和 No．50兩種，常用的刀柄和拉釘形式為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)、日本標(biāo)準(zhǔn)及美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)三種。以下提供兩種常用規(guī)格主軸序號(hào)中不同類型的主軸拉刀力設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值（見(jiàn)表1），供讀者參考。

5 拉刀力檢測(cè)裝置功能擴(kuò)展設(shè)計(jì)簡(jiǎn)述

為了檢測(cè)數(shù)據(jù)更直觀、更準(zhǔn)確及所測(cè)數(shù)據(jù)可進(jìn)行計(jì)算機(jī)分析和處理的需要，該裝置可擴(kuò)展為帶數(shù)字顯示的，也可以是帶數(shù)據(jù)輸出等的諸多派生產(chǎn)品。

首先，將現(xiàn)有的常規(guī)壓力表更換成為性能較高的數(shù)顯式壓力表，并根據(jù)該裝置的剛度系數(shù)k設(shè)定好輸入與輸出數(shù)據(jù)間的數(shù)據(jù)交換處理關(guān)系，這樣便可直接顯示和讀取被檢測(cè)拉刀力的數(shù)值大小。其次，將這種通過(guò)借助油液的壓強(qiáng)測(cè)拉力的結(jié)構(gòu)的裝置轉(zhuǎn)換為性能更高的檢測(cè)裝置。其方法簡(jiǎn)而言之就是將按A腔尺寸定制的φd1×φd2×L的壓電晶體裝入A腔內(nèi)（建議最好是按壓電晶體供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)外形尺寸來(lái)確定A腔尺寸），通過(guò)數(shù)據(jù)線連接與外置顯示裝置或與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)傳輸和交換處理，可得出要檢測(cè)的結(jié)果。另外，此類裝置在結(jié)構(gòu)稍作改動(dòng)的情況下，用于對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)所受的切削抗力、進(jìn)給系統(tǒng)的推拉力、夾具系統(tǒng)的夾緊力、工作臺(tái)負(fù)載力等的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)和過(guò)載保護(hù)等課題研究方面，以及用于對(duì)類似主軸箱等垂向移動(dòng)部件的重力平衡系統(tǒng)中平衡力檢測(cè)、校正和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)日n題研究方面，有極高的使用和研究?jī)r(jià)值。其工作原理與拉刀力檢測(cè)裝置類同，在此不再贅述。

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)使用證明，該主軸拉刀力檢測(cè)裝置可方便準(zhǔn)確地檢測(cè)出主軸拉刀機(jī)構(gòu)實(shí)際的拉刀力，而且能夠適時(shí)監(jiān)控主軸內(nèi)部拉刀機(jī)構(gòu)工作狀態(tài)是否正常。該檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)作可靠，檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確效率高，使用方便，通用性強(qiáng)，制造或采購(gòu)成本低，經(jīng)久耐用，便于維護(hù)，功能可擴(kuò)展性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。希望本設(shè)計(jì)能對(duì)讀者朋友有所幫助和啟發(fā)，并能在各行業(yè)得到推廣應(yīng)用。

［1］《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組．機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986．

［2］成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)．單行本．液壓傳動(dòng)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004．

［3］《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)》編寫組．金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)［M］．上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985．