一种直联主轴打刀吹气机构

许兴旺 孙德洲

摘 要：针对现有龙门加工中心直联主轴打刀吹气机构的设计缺陷，创新设计了一种新型直联主轴打刀吹气机构。详细介绍了该机构的结构特点和工作过程。该机构能保证打刀时主轴轴承不会直接受到打刀力的作用，简化了吹气机构，且可对主轴套筒内部进行通气密封。

关键词：龙门加工中心；直联主轴；打刀吹气

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.20.008

龙门加工中心的主轴是整个机床的核心之一，配上电机及传动装置后可以对工件进行铣、镗、钻、攻等各种工序，主轴的精度往往决定了工件的加工精度。主轴的传动方式有多种，其中，直联式主轴由联轴器与电机或直联传动轴总成直接相联，没有齿轮、皮带轮等中间传动环节，转速快，加工效率高，精度好。

目前的直联主轴打刀吹气机构，见图1，包括主轴1、前后轴承组合28、25、套筒23、拉杆18、连接杆15、压盖39、挡环40、碟型弹簧27、拉爪20、刀具22、打刀油缸、联轴器31等。打刀油缸由油缸后盖37、油缸筒38和活塞33构成。通气密封旋转接头34和通气管35组成吹气机构，设置在直联传动轴总成36的后端。主轴1上安装前后轴承组合28、25并使用鎖紧螺母26、24锁紧，前后轴承组合28、25安装在主轴箱体30孔中的套筒23内，主轴1可以在其中进行旋转运动。主轴1中心的孔中，连接杆15与拉杆18通过挡环40、压盖39联接在一起，两侧各安装一个推块41，拉杆18外安装多个碟型弹簧27，两个推块41穿过主轴1两侧的长槽伸出主轴1外圆，将拉杆18限制在主轴1内部轴向运动。拉杆18前端设有拉爪20，拉杆18、拉爪20将刀具22拉紧在主轴1锥孔中固定。打刀时，见图1中下半部所示，主轴1停止运转，油缸后部环形油腔中通压力油，推动活塞33向前运动，活塞33内端面推动两个推块41，连同连接杆15向前压缩碟型弹簧27，带动拉杆18向前运动，使得拉杆18上的拉爪20松开，刀具22即可以从主轴1中拿出，完成打刀动作；同时，气路开通，来自气源的压缩空气经通气密封旋转接头34、通气管35、压盖39进入拉杆18孔中，再从主轴1锥孔中吹出，对锥面进行清洁。抓刀时，见图1中上半部所示，油缸前部环形油腔中通压力油，活塞33向后退回脱离推块41，碟型弹簧27向后伸长，带动连接杆15及拉杆18向后退回，带动拉爪20收缩，抓紧刀具，完成抓刀运作，主轴1可以运转。所述的打刀即为拉爪20松开刀具22的拉钉21，可缷下或更换刀具22；抓刀即为拉爪20抓紧刀具22的拉钉21，并可随主轴1一起运行工作。

上述现有的打刀机构具有下列不足：

（1）打刀时，油缸的打刀力通过41、连接杆15、碟型弹簧27作用在主轴1上，再经过前轴承组合28和端盖组合29向前传递到套筒23及主轴箱体30上，这样，轴承在加工工件时受到主要是向后的切削力，而打刀时又受到向前的打刀力，轴承不断地受到这样很大的交变力的作用，精度和寿命会受到很大的影响，严重时还会造成其损坏。

（2）打刀结束吹气时，空气通过通气密封旋转接头34、通气管35穿过直联传动轴总成36中的传动轴，再进入主轴1，结构复杂，制造难度大，通气密封旋转接头34要承受每分钟近万转的高转速，可靠性差，价格也高，而且很长的传动轴需要在中心制作出通孔，加工工艺相对复杂，综合成本较高。

（3）吹气气路的压缩空气只能在打刀的短时间内用于主轴1锥孔吹气清洁，无法兼用于套筒23内部的通气密封，利用率低。

1 直联主轴打刀吹气机构的改进设计

为克服上述技术不足，拟设计一种直联主轴打刀吹气机构，以保证打刀时主轴轴承不会直接受到打刀力的作用，简化吹气机构，且可对主轴套筒内部进行通气密封。图2为改进后的直联主轴打刀吹气机构。

图2中：1- 主轴，2- 反拉板，3- 内挡铁，4- 外挡铁，5- 电气开关，6- 开关支架，7- 油缸后盖，8- 油缸筒，9- 外活塞，10- 内活塞，11- 连接环，12- 推块，13- 压盖，14 挡环，15- 连接杆，16- 油缸前盖，17- 连接盖，18- 拉杆，19- 挡圈，20- 拉爪，21- 拉钉，22- 刀具，23- 套筒，24- 锁紧螺母，25- 后轴承组合，26- 锁紧螺母，27- 碟型弹簧，28- 前轴承组合，29- 端盖，30- 主轴箱体，31- 联轴器，32- 直联传动轴总成，33- 活塞，34- 通气密封旋转接头，35- 通气管，36- 直联传动轴总成，37- 油缸后盖，38- 油缸筒，39- 压盖，40- 挡环，41- 推块，A- 打刀油压作用面积，B- 打刀油压作用面积，E- 抓刀油腔，F- 抓刀油腔，G- 打刀油腔，H- 内端面，K- 凸台。a- 油路，b- 油路，c- 气路，d- 气路。

主轴1由前后轴承组合28、25和套筒23支撑于主轴箱体30中，前后轴承组合28、25分别由锁紧螺母26、24轴向固定，主轴1的端部设有端盖29，套筒23和端盖29与主轴箱体30固定联接。主轴1可相对套筒23和主轴箱体30转动。

主轴1的中心孔中设有拉杆18，拉杆18的后端设有连接杆15，连接杆15与拉杆18通过挡环14、压盖13相联接。连接杆15两侧各联接一个推块12，推块12上联接有连接环11。推块12穿过主轴1两侧的长槽伸出外圆并可相对主轴1轴向运动，将套装在拉杆18上的碟型弹簧27与挡圈19压缩在主轴1的孔中，同时推动拉杆18向前运动，完成打动作。拉杆18的前端设有拉爪20，可抓紧拉钉21将刀具22拉紧在主轴锥孔中固定。

打刀油缸由油缸连接盖17、油缸前盖16、油缸后盖7、油缸筒8、内活塞10和外活塞9组成，外活塞9套装在内活塞10的外侧。内、外两个活塞10、9与油缸筒8以及油缸前盖16、油缸后盖7构成具有E、F、G三个油腔的环形套式打刀油缸，其中E、F 为抓刀油腔，G为打刀油腔。内活塞10和外活塞9上的环形打刀油压作用面积A、B相等。见图3。油缸筒8的内侧中部设有可对两活塞10、9进行限位的凸台K，内外活塞10、9分别设于凸台K的两侧。

内活塞10的内圆壁上设有一个环形内端面H，此内端面H可与连接环11和推块12相触碰，以推动推块12带动连接杆15和拉杆18向前运动，完成打刀动作，同时将打刀力通过碟型弹簧27作用于主轴1上。位于主轴1尾部的主轴1上联接有反拉板2，外活塞9可向后运动与反拉板2相触碰，对主轴1施加向后的反拉力，此外活塞9作用于主轴1上的反拉力与内活塞10作用于主轴1上的打刀力大小相等、方向相反，两个力相互抵消，合力为零，使主轴1不会有力传递到前轴承组合28上，轴承不受任何打刀力的作用，从而保证其主轴1的精度和寿命不受打刀的影响。

外活塞9上设有外挡铁4并与开关支架6上的槽相配合，内活塞10上设有内挡铁3并与外活塞9上的长槽相配合且穿过，以防止外活塞9和内活塞10产生转动，见图2中 A-A视图。

油缸后盖7上通过开关支架6固定有电气开关5，内挡铁3和外挡铁4可对电气开关5发出位置控制信号。联轴器外联直联传动轴总成时，其直联传动轴总成的传动轴可为实心轴。

油缸筒8上设有油路a和油路b，其中油路a与打刀油腔G相通，油路b与抓刀油腔E、F相通。内活塞10内设有气路c，气路c的出口设于内活塞10的内端面H上，连接环11、推块12、连接杆15和拉杆18中设有相通的气路d，气路d与拉杆18的内孔相通。内端面H与连接环11和推块12相触碰时，气路c与气路d相通，否则两气路不通。

其油路b中可以通入压缩空气来替代压力油，以简化油路结构，减低成本。

打刀时，见图2中的下半部所示。压力油经油路a进入油缸中部的环形打刀油腔G，使得内活塞10向前、外活塞9向后同时进行反向运动，内活塞10的中间内端面H帶动连接环11向前再经推块12带动连接15压缩碟型弹簧27，连接杆15带动拉杆18向前伸出，使得拉爪20松开，拉钉21及刀具22可以从主轴1中取出。内活塞10向前运动直至顶到油缸前盖16方才停在油缸前部的终点位置，此时内挡铁3感应终点开关一发出终点信号一；同时，外活塞9向后压到反拉板2停在油缸后部的终点位置，并将反拉力作用在反拉板2上，外挡铁4感应终点开关二发出终点信号二，两个终点信号都发出即表明打刀动作完成。压缩空气由内挡铁3上面的接头接入气路c，当内活塞10压到连接环11后，油缸筒8内端面H上的气孔与连接环11上的环槽接通，空气进入气路d，再经拉杆18的内孔对主轴1的锥孔进行吹气清洁，以防切屑、灰尘及冷却液污染锥孔，保证装刀时刀柄与锥孔联接准确牢固。

抓刀时，见图2中的上半部所示。压力油经油路b同时进入环形的抓刀空腔E和F，使得内活塞10向后、外活塞9向前同时进行相向运动。当内活塞10直至顶到油缸筒8中部的凸台K前端才停在原位，此时碟型弹簧27向后伸展，顶紧连接杆15带动拉杆18向后收缩，使得拉爪20抓紧刀具22的拉钉21，此时连接杆15不再向后收缩，使得其上的连接环11和推块12与内活塞10脱离，内挡铁3感应原位开关一发出原位信号一；同时，外活塞9向前脱离反拉板2，直至顶到油筒8中部的凸台K后端才停在原位，外挡铁4感应原位开关二发出原位信号二，两个原位信号都发出即表明抓刀动作完成。当内活塞10脱离连接环11后，油缸筒8内端面H上的气孔与连接环11上的环槽不再连通，吹气结束，压缩空气由气路c进入套筒23内部空间中，从轴承端盖迷宫处及别的缝隙中逸出，以保持内部对外部的空气正压，防止主轴1运转时灰尘及水气进入，起到一定的密封作用，有利于保持主轴1内部的清洁。该气路可兼作主轴1锥孔吹气清洁和主轴1通气密封，利用率高。抓刀时，油路b中也可以通压缩空气来代替压力油，同样可以完成抓刀动作，这样可以简化油路结构，减低成本。

2 结论

针对现有直联主轴打刀吹气机构的技术缺陷，创新提出了一种直联主轴打刀吹气机构，该机构在打刀油缸为卸荷式油缸，轴承不承受打刀力，保证了主轴精度和寿命。外形规整，密闭性好，体积小。气路设于零件之间，结构简单，可靠性高，价格低，而且直联传动轴不需要在中心制作出通孔，结构简单。抓刀完成后，压缩空气可从轴承、端盖迷宫处及别的缝隙中逸出，保持内部对外部的空气正压，同时可对主轴起到清洁密封作用。

参考文献：

[1]谢家瀛.组合机床设计简明手册[M].机械工业出版社，2002（08）.