工具系统中模块化夹紧单元的设计
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夹紧机构是机床主轴工具系统中的关键部件,为了保证工具系统良好的联结性能,夹紧机构需要提供足够的夹紧力,以保证刀柄与主轴的可靠联结。在实际使用过程中,由于夹紧机构的选用不当或使用不当(如夹紧弹簧的松弛),其提供的夹紧力仅达到规定的70%左右,最低只有30%,刀柄几乎处于未夹紧状态,这对高速加工而言非常危险。为了保证在高速加工中夹紧机构的安全性与可靠性,有必要对夹紧单元进行研究。
工具系统是指机床主轴与刀具的联结系统,主要由主轴、刀柄、刀具和夹紧机构等部件组成。高速加工对刀具的切削性能和工具系统的联结性能都有很高的要求,其中工具系统联结性能的优异在很大程度上决定了机械加工的加工质量、生产效率、经济成本和安全性。
夹紧机构是机床主轴工具系统中的关键部件,为了保证工具系统良好的联结性能,夹紧机构需要提供足够的夹紧力,以保证刀柄与主轴的可靠联结。在实际使用过程中,由于夹紧机构的选用不当或使用不当(如夹紧弹簧的松弛),其提供的夹紧力仅达到规定的70%左右,最低只有30%,刀柄几乎处于未夹紧状态,这对高速加工而言非常危险。为了保证在高速加工中夹紧机构的安全性与可靠性,有必要对夹紧单元进行研究。
图1 模块化夹紧单元的组成装置(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

1 模块化夹紧单元的组成装置

高速加工工具系统一般采用空心短锥结构,具有端面和锥面双面定位的特点,而夹紧机构一般也采用悬挂式夹爪斜楔夹紧机构。在高速加工时,由于离心力作用,夹紧机构会使刀柄夹紧更加可靠,承载能力更强,更有利于发挥HSK工具系统的优异性能。同时拉紧机构的平行移动能提供最佳且有效的力和扭矩,还能够使刀柄被夹紧到正确位置。
图1为德国OTT-JAKOB公司生产的通用夹紧单元,由于采用了模块化设计,仅需简单的更换夹爪装置,就可应用于几乎所有场合。该夹紧单元主要由HSK拉爪、带蝶形弹簧的拉杆装置、松刀装置及旋转接头装置等组成。

1.1 拉爪

常见的HSK刀柄的拉爪类型有K型、B型和C型。K型拉爪是最常见且经济的拉爪,可应用于几乎所有场合,特殊涂层且自身优化的结构使其具有很好夹紧效果和使用寿命,技术参数见表1(各刀柄均符合DIN 69893标准);B型拉爪多应用于汽车工业等有特殊要求的场合,可在恶劣的使用环境下快速和频繁换刀,自身结构与涂层和K型相比均有所提高;C型拉爪是具有自锁功能的拉爪,当C型拉爪处于换刀状态时,刀柄能被夹持住,且当松刀时,主轴能直接释放刀柄而无需等待换刀机械的“定位信号”,可有效降低换刀时间。
表1 不同规格HSK刀柄的K型拉爪的技术参数
HSK类型A40A50A63A80A100
最小夹紧力(kN)6.811182845
最大行程(mm)8.09.010.011.012.5
弹出距离(mm)0.5
弹簧弹力(kN)2.43.8569.215

1.2 动力拉杆装置

如图2所示,HSK刀柄的夹紧机构安装在主轴内部,做成一体式的集成主轴。采用该结构节约了主轴整体的空间,并便于装卸维护。
图2 主轴集成式的动力拉杆装置(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
在夹紧刀柄的过程中,通过弹簧碟预夹紧载力推动拉杆,带动拉杆与滑动件同时向后移动,滑动件前端凸出的锥体压紧拉爪呈发散状径向胀开,拉爪的外锥面随后顶在刀柄内孔的30°锥面上,从而拉动刀柄向右移动到主轴内,产生弹性变形,使刀柄与主轴端面紧靠,实现了刀柄与主轴锥面和主轴端面的同时定位和夹紧。
动力拉杆装置中的蝶形弹簧主要用于夹紧刀柄时产生稳定的预载夹紧力。蝶形弹簧结构紧凑、占用空间少且重量轻,但能保证稳定的夹紧力且易于控制,所以蝶形弹簧在夹紧机构中广泛使用。

1.3 松刀装置

夹紧刀柄所需的弹簧力由蝶形弹簧提供,而松开刀柄实现换刀动作,需要松刀装置提供额外的力来压制弹簧预载力,使夹紧机构松开,松刀装置主要采用液压或气动方式。
图3 松刀装置工作示意图(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
主轴进行换刀动作时,首先通过松刀装置的动作推动带有碟形弹簧的拉杆,使机床夹持刀具的夹头松开以卸载刀具,如图3所示。当新的刀具被换到主轴上后,松刀油缸反向回油,活塞回退,拉杆在蝶形弹簧的作用下重新回退,夹紧刀具。
在主轴旋转期间,松刀装置与心轴拉杆是分离的,只有实现换刀动作时,松刀装置才与拉杆连接,以最大程度保证主轴的使用寿命。频繁换刀将影响主轴轴承寿命,如果松刀力超过20kN,则会对主轴造成严重损伤,大大降低主轴寿命。

1.4 旋转接头

旋转接头是拉杆装置与松刀装置相联结的关键组成部分,旋转接头工作时处在高温高压的环境中,所以需要高质量的材料、设计及加工工艺,以确保其使用寿命能满足要求。
图4 旋转接头联结(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
如图4所示,旋转接头的中心出口端与从松刀装置穿出的拉杆心轴连接在一起并一起旋转,进口端固定,即旋转接头的进口端与出口端是相互转动的。工作介质经过管路进入旋转接头壳体上的工作油口,经过固定不动的壳体输入到拉杆心轴内部冷却通道,从而实现对主轴的冷却。

1.5 润滑系统

润滑系统在工具系统中起辅助作用,不仅具有润滑作用,还具有冷却作用,以减小机床热变形对加工精度的影响。润滑系统的设计、调试和维修保养,对于保证机床加工精度、延长机床使用寿命等具有重要意义。

2 夹紧/松刀动作及力的传递

表2 不同规格HSK刀柄的夹紧力放大表
类型A63A80A100
F1(kN)69.215
Fsp(kN)182845
FA(kN)3.25.27
模块化夹紧单元在执行夹紧动作时,由蝶形弹簧预先施加弹簧弹力产生拉杆初始拉紧力F1(见图5)。经由拉杆传递到拉爪上,同时拉爪上的小角度楔角可放大拉紧力F1,此时刀柄内锥面上的轴向拉紧力为Fsp大约是拉杆初始拉紧力F1的3-4倍(见表2),该放大机构显著提高夹紧效果。
图5 HSK拉爪拉紧位置(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
图6 松开装置推力、弹簧弹力与位移图(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图7 HSK拉爪松开位置(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
模块化夹紧单元在执行松刀动作时,由松刀装置克服弹簧弹力提供的总夹紧力FL。如图6所示,根据弹簧弹力变化曲线,蝶形弹簧再次压缩,弹簧弹力由预施加的F1线性增加到F0,则拉杆总夹紧力FL减少为刀柄实际夹紧力为FA(见图7)。

3 小结

本文介绍了模块化夹紧单元中各重要组成机构(拉爪、动力拉杆、松刀装置、旋转接头、润滑系统)的功能特点、性能及其应用,并深入分析了夹紧机构的夹紧/松刀动作过程及其力的传递。夹紧单元在夹紧动作时,由蝶形弹簧预载弹力推动拉杆,夹紧刀柄,夹紧力通过放大机构使得夹紧效果显著提高,保证在高速加工中夹紧机构的安全与可靠性;执行松刀动作时,由松刀装置克服弹簧推动拉杆,松开刀柄。
本文作者:李朱锋
原载:《工具技术》
上载于:2017-1-24 13:00:16

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