彈簧夾頭自動換刀系統研究

                             新疆工學院 梁楚華

    自動換刀系統采用彈簧夾頭和外驅動夾緊機構等關鍵技術，并作為加工中心的標準附件組織專門化生產，不僅可以大大簡化了機床主軸結構，也使數控機床的工作性能明顯提高。由于系統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控機床選型配套的高性能彈簧夾頭自動換刀系統的結構模式。 

    一、系統的組成  

    彈簧夾頭自動換刀系統由設置在機床主軸軸端的彈簧夾頭、分布在機床主軸箱兩側的外驅動刀具夾緊機構、刀具交換裝置、擴展型鏈式刀庫以及系統控制器組成。  
 
    彈簧夾頭是該自動換刀系統的核心部件。它的工作性能及結構的完善程度，除直接影響刀具的夾持性能及影響數控機床的切削加工性能外，也影響機床主軸的優化設計，是自動換刀系統設計的重點。 

    外驅動刀具夾緊機構和刀具交換裝置的作用是完全模仿現有彈簧夾頭使用中人手換刀的動作。刀具夾緊機構必須具備夾緊力大、夾緊力恒定、結構簡單、工作穩定可靠的特點。 

    刀具交換裝置采用雙臂回轉機械手工作方式。這種裝置在換刀時能同時抓取固定在刀座和機床主軸彈簧夾頭中的刀具，進行交換和裝刀、卸刀操作，它的動作簡單，換刀時間短。本系統采用的刀具交換裝置完全可類同于現有加工中心常用的刀具交換裝置。 

    刀具柄部全部采用統一直徑的標準圓柱刀柄，鏈式刀庫中的刀座結構及刀具的固定方式與錐柄結構的固定方式和刀座結構會有很大不同。因此，還要設計出適合于圓柱刀柄存放、固定的專用刀座，刀座還必須便于刀具的裝卸。刀柄的其他結構，如整體式結構或帶有接長桿的組合結構形式，都可采用與現有數控機床的刀具結構完全相同的結構形式。至于鏈式刀庫的驅動，以及刀具的識別也完全可以采用現有數控機床的成熟結構和控制方式。 

    本系統采用PLC控制器，對自動換刀系統的換刀動作進行全方位控制管理，它與機床的數控單元之間可通過幾條聯絡線進行通訊和數據交換。 

    二、系統的關鍵部件和機構的設計 

    1. 彈簧夾頭 

    通過第一代小型彈簧夾頭自動換刀系統樣機的研究表明，要進一步提高機床主軸的工作性能，并滿足數控機床自動換刀的要求，設計研制的機床主軸軸端彈簧夾頭必須能夠很好地解決以下關鍵問題：1)圓柱刀柄與彈簧夾頭接觸面之間，在夾緊狀態下應有足夠的接觸剛度。彈簧夾頭中的彈簧套與機床主軸軸端錐孔接觸面之間，在夾緊狀態下也應有足夠的接觸剛度。2)在加工過程中機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構，在夾緊刀具時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，應使刀具具有較高的重復定位精度。5)在換刀過程中具有自動清理刀柄和彈簧夾頭型腔內鐵屑塵渣的功能。6)機床主軸軸端應結構簡單和工藝性好，便于主軸自身的優化的設計。  
 
    經過反復研究對比，提出了如圖2所示的彈簧夾頭結構設計方案。方案中彈簧夾頭由主軸軸端結構1、彈性夾緊元件——彈簧套2、齒圈螺母套3、V型槽擋圈4、滾動體5、孔底雙側半圓鍵6、噴氣口7組成。 

    1) 主軸軸端結構 

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

    設置在孔底的兩個半圓鍵，其作用是通過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向錐，便于刀柄插入。同時在兩個半圓鍵的同一側(非工作側面)沿軸向加工出長槽，在槽內固定彈簧片，彈簧片工作面略高出半圓鍵表面，其作用是當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，當切削扭矩大于彈簧套與刀柄之間的摩擦扭矩時，產生相對滑動而劃傷刀具圓柱柄。主軸孔底中央設置一個噴氣口，噴氣口與主軸中心孔氣路相通。交換刀具時，壓縮空氣通過噴氣口，進入彈簧套型腔，吹凈附著在彈簧套內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與主軸軸端聯接。 

    這樣確定的主軸軸端結構具有簡單、工藝性好、占據空間小等特點，有利于機床主軸按照其自身的要求進行最優化、標準化設計。 

    2) 彈簧套 

    彈簧套為薄壁圓錐形彈性元件，是彈簧夾頭關鍵件。彈簧套錐部可以根據需要開出多條軸向槽。彈簧套大徑一端設計出擋圈止口，以便通過擋圈向彈簧套提供軸向推力。 

   3) 齒圈螺母套 

    本設計采用螺旋夾緊機構。據資料介紹，在一對螺旋副中，當螺旋升角" 小于螺紋的當量摩擦角f0時，螺旋夾緊機構就會具有很好的自鎖性能。對于普通標準螺紋，采用鋼—鋼摩擦副，其當量摩擦角φ0=6°35’，而本螺紋螺旋升角λ=2°29’，即λ≤φ0。 

    彈簧夾頭夾緊機構采用螺旋夾緊機構完成夾緊、鎖緊刀柄。螺母套帶有齒圈，其目的是通過齒圈與夾緊機構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，槽內密排一圈鋼球，從而形成了彈簧夾頭最簡單的結構方案。為了進一步增強螺旋夾緊機構在切削過程中的抗沖擊能力(即在沖擊過程中仍能保持機構的自鎖夾緊性能)，彈簧夾頭夾緊機構的結構形式完全可以采用國內生產的一種強力彈簧夾頭刀柄的結構形式。 

    在夾緊刀具的過程中為了保證刀柄與彈簧套之間無相對移動，即刀具跟隨彈簧套一起作同步軸向位移，同時還要保證刀具在每次換刀后都能保持很好的軸向重復定位精度，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程中始終保持接觸。在本設計中，這一動作是由刀具交換位置中的機械手提供的，即機械手在夾緊過程中始終給刀柄提供一個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。目前彈性夾頭的定心精度一般可以達到0.01mm，甚至更高。 

    2. 外驅動刀具夾緊裝置 

    要保證圓柱柄刀具在切削過程中始終能夠被可靠地夾持在彈簧內夾頭內，除彈簧夾頭應有自鎖性能外，換刀過程中夾緊裝置必需給彈簧夾頭提供足夠的夾緊力。刀具夾緊機構如圖3所示。  
 
    夾緊力是通過螺母套的增力作用產生對彈簧足夠大的軸向推動力，并通過兩錐面的相互作用實現。螺母套的旋轉是通過螺母套上的齒圈與夾緊裝置中的齒輪2的嚙合運動獲得。齒輪3空套在減速器輸出軸上，撥桿6與蝸輪軸剛性聯結。夾緊、放松刀具的動作流程如下：主軸停轉并進入主軸換刀準停位置，刀具夾緊裝置從主軸箱一側進入刀具預定換刀位置，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對插嚙合，驅動電機4帶動蝸輪軸順時針旋轉(俯視圖為逆時針旋轉)，蝸輪軸帶動撥桿6撥動(通過壓力傳感器)齒輪3、齒輪3驅動齒輪2、齒輪2驅動彈簧夾頭螺母套夾緊刀具，當壓力傳感器10達到額定壓力，電機停轉，完成夾緊刀具的工作過程。額定夾緊力可通過設定壓力傳感器臨界壓力值來確定。放松刀具的動作可通過電機反向旋轉，直接撥動擋鐵7、驅動齒輪3、齒輪2及螺母套、放松彈簧夾頭、松開刀具。當擋鐵8接觸行程開關9，電機停止，放松動作完成�？赏ㄟ^調整行程開關9的位置，來設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轉動實現的，因此機床主軸必須設定準停、鎖定裝置（機構）。另外，齒輪2在驅動螺母套旋轉的過程中，由于螺母套在作螺旋運動，它必然產生一定的軸向位移。在有載荷的情況下，如果齒輪2不產生同步軸向位移，將會使傳動很難完成，或者有可能拉傷齒面，因此在刀具夾緊裝置的機構設計上還必須設置齒輪2的同步軸向移動機構。 

    3. 圓柱柄結構 

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

    圓柱柄頂部設計出帶有V形槽環的凸緣，便于刀具交換裝置中機械手抓取刀具。凸緣內端面用作刀具軸向定位基準，即在整個換刀過程中，刀柄在換刀機械手的作用下始終使該定位基準與彈簧套端面靠合，以保證刀具的軸向定位精度。 

    另外在換刀過程中為了使刀柄半圓鍵槽與主軸孔底端面鍵能夠準確對中定位，除機床主軸設有準停機構外，圓柱刀柄插入刀座時也必須保證半圓鍵槽的準確方位。