加工中心主軸松夾刀氣缸的防撞擊設(shè)計

孫 慶 張 恒 方雄文

(漢川數(shù)控機(jī)床股份公司，陜西 漢中 723000)

加工中心作為高效率的自動化機(jī)床得到了廣泛的應(yīng)用，能夠?qū)?fù)雜工件一次裝夾后進(jìn)行多工序的加工，期間會用到多種刀具，換刀頻率高。目前國內(nèi)加工中心普遍采用氣動或液壓方式完成刀具的松開和夾緊。此松刀過程會產(chǎn)生較大的軸向沖擊載荷，在長期高頻率換刀的工況下，作用于拉桿和主軸軸承，對其使用壽命和精度有很大影響，同時伴有沖擊噪音，進(jìn)而影響整機(jī)的性能。

1 防撞擊裝置設(shè)計

1.1 現(xiàn)狀分析

如圖1 所示，主軸松夾刀結(jié)構(gòu)示意圖，松刀時氣缸直接通入0.5 MPa 氣壓，使活塞桿克服碟簧力推動拉桿，進(jìn)而使卡爪張開松開刀柄，完成松刀過程。切斷氣源后，彈簧使活塞桿復(fù)位，碟簧反力使拉桿后移，帶動卡爪拉緊刀柄，完成刀具夾緊過程。圖示松刀氣缸總行程14 mm，主軸拉桿尾部與氣缸活塞桿端頭間隙為6 mm。當(dāng)松刀時，由于負(fù)載并非恒定，氣缸初始6 mm行程負(fù)載很小，僅克服了活塞復(fù)位彈簧的阻力和摩擦力作用，剩余8 mm 行程負(fù)載很大，要克服碟形彈簧的作用，最大時超過2 000 kN，而加工中心換刀的一般工作頻率約為3 次/s，所以移動量14 mm 必須在約0.3 s內(nèi)完成。在此短時間內(nèi)，氣缸內(nèi)直接通入0.5 MPa 氣壓，則活塞桿與拉桿接觸瞬間產(chǎn)生很大的沖擊載荷，且加工中心換刀頻繁，每次松刀時活塞桿對主軸拉桿都會產(chǎn)生沖擊載荷，長期使用會使拉桿端面產(chǎn)生裂紋甚至變形，且對主軸軸承的精度和使用壽命產(chǎn)生影響，同時伴有沖擊噪音。

1.2 設(shè)計方案

本文提出一種解決方案，對氣缸的氣動控制回路進(jìn)行了專門設(shè)計，即利用高低氣壓順序推動技術(shù)，在氣缸空載行程內(nèi)采用低氣壓小流量推動，氣缸加載時切換為高氣壓大流量推動，控制回路見圖2 所示。氣源處理三聯(lián)件的輸出口通過連接管與三位五通中卸式電磁閥的中位輸入口連接;中卸式電磁閥左端出口Y1通過連接管與減壓閥的輸入口連接，右端出口Y2 通過連接管與快排閥的輸入口連接;減壓閥的輸出口通過連接管與或門閥的一端輸入口連接;快排閥的輸出口通過連接管與或門閥的另一端輸入口連接。將氣源處理三聯(lián)件的輸入口與氣源接通，或門閥的輸出口與氣缸的進(jìn)氣口接通即可。當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)松刀指令發(fā)出后，電磁閥左端Y1 得電，氣壓通過減壓閥和或門閥進(jìn)入氣缸，減壓閥將氣源輸出的0.5 MPa 氣壓轉(zhuǎn)換為0.05 MPa，實現(xiàn)了低氣壓小流量推動，當(dāng)氣缸活塞桿與主軸拉桿接觸后，電磁閥右端Y2 得電(數(shù)控系統(tǒng)可根據(jù)具體調(diào)試情況設(shè)定PLC 程序，讓Y1 得電后延時一定時間再讓Y2 得電，一般延時時間為0.2～0.3 s)，氣源輸出的0.5 MPa 氣壓直接通過或門閥進(jìn)入氣缸，實現(xiàn)了高氣壓大流量推動，松刀結(jié)束后，氣缸活塞通過回退彈簧迅速復(fù)位，快排閥實現(xiàn)快速排氣功能。

2 結(jié)語

該防撞擊裝置利用氣動控制回路改善了氣缸松夾刀具的撞擊問題，提高了數(shù)控機(jī)床，包括加工中心的主軸精度和壽命，同時大大降低了沖擊噪音。本裝置已批量應(yīng)用于筆者公司各種規(guī)格的數(shù)控機(jī)床，包括加工中心上，均達(dá)到了預(yù)期的功能和性能。在應(yīng)用本裝置時，應(yīng)根據(jù)數(shù)控機(jī)床的實際情況對氣壓、拉力、控制方式等進(jìn)行設(shè)計計算和調(diào)整。

［1］徐灝.機(jī)械設(shè)計手冊(新版):第4 卷［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［2］日本SMC 氣動元件樣本［Z］.4 版.2007.