交换托盘安全式定位锥的创新设计

高秀峰

(沈阳机床(集团)设计研究院有限公司，辽宁 沈阳 110142)

为了提高零件的加工效率，交换托盘通常被应用于卧式加工中心或立式加工中心[1]。定位锥是交换托盘重要的定位机构与拉紧机构，因此，定位锥的精度、拉紧刚度与可靠性直接影响着交换托盘的重复定位精度、零件加工精度、机床的加工效率及可靠性。

目前，定位锥的拉紧机构主要有拉爪式与钢球式2种，拉紧动力源主要有液压式、碟簧式与自锁式3种。

当交换托盘位于加工中心的倾斜式转台、摇篮式转台或者倾斜姿态时，该种工况对于定位锥的拉紧动力源的可靠性提出了非常高的要求。如果动力源意外丧失或者加工中心停机导致动力源丧失之后，不可靠的拉紧方式极可能导致定位锥拉紧松动、交换托盘定位精度不准确、刀具与零件磕碰甚至交换托盘掉落等严重安全事故。因此，对定位锥的拉紧机构及拉紧动力源进行研究具有极其重要的意义。

液压式拉紧完全依赖于加工中心液压站的压力，因此，液压式拉紧的可靠性较差。碟簧式拉紧属于机械式拉紧，具有较高的可靠性，但由于碟簧尺寸较大、多片碟簧长度较长，因此造成定位锥整体尺寸偏大。若通过减少碟簧片数达到减小定位锥整体尺寸的目的，则会极大地降低碟簧的使用寿命。自锁式拉紧尽管具有可靠性高、结构紧凑的特点，但价格较高。

根据上述3种定位锥拉紧动力源的综合分析，研制开发一种高可靠性、结构紧凑、低成本的安全式定位锥，具有极其重要的意义。

1 传统液压式拉紧定位锥工作原理

目前，国内外最常用的是液压式拉紧定位锥，本文以德国Berg公司的产品为例，简要阐述液压式拉紧定位锥的工作原理，详情如图1所示。

松开进油口6进油后，活塞7带动拉爪8向上移动，此时拉爪8松开。交换托盘连同上锥盖1及拉钉2放置在下椎体4上之后，拉紧进油口5进油，活塞7带动拉爪8下移，拉爪8拉紧拉钉2。

由图1可得知，液压式定位锥的拉紧完全依赖于加工中心液压站的压力，因此液压式拉紧定位锥的可靠性较差。

2 安全式定位锥创新设计

2.1 安全式定位锥结构组成

笔者公司在深入研究当前液压式拉紧定位锥的基础上，创新设计了一种安全式定位锥。该安全式定位锥在正常工作时，依赖液压进行拉紧与松开，但在液压动力源意外丧失之后，还能依赖自身内部结构实现对拉钉的无压拉紧，极大地保证了交换托盘及加工中心的安全性。

安全式定位锥的结构组成如图2所示。

2.2 安全式定位锥工作原理

如图3所示，安全式定位锥的动作流程是：

1无压无钉拉紧→2有压无钉松开→3有压有钉拉紧→4无压有钉拉紧→5有压有钉松开→6有压无钉松开。

在图2中，定位锥在初始无压状态时，外活塞7与内活塞10分别在复位弹簧的作用下实现钢球的拉紧。交换托盘连同上锥盖1及拉钉2放置在下椎体5上之前，松开进油口6进油，外活塞7压迫复位弹簧向下移动实现钢球松开。交换托盘连同上锥盖1及拉钉2放置在下椎体5上之后，拉紧进油口12进油，该路油同时推动外活塞7向上移动以及内活塞10向下移动，这两个反向同步移动实现了钢球对拉钉的可靠拉紧。当液压动力源意外丧失之后，内活塞10在复位弹簧的作用下向上移动一段微小距离，与下缸盖贴合；外活塞7由于受到复位弹簧8向上的推力作用，因此外活塞7仍静止不动。此时，钢球4尽管同步上移了与内活塞10相同的一段微小距离，但仍处于外活塞7的圆柱内孔与内活塞10的径向小孔之间，因此此时钢球4仍然实现了对拉钉的可靠拉紧。若要松开交换托盘时，松开进油口6进油，外活塞7压迫复位弹簧8向下移动实现钢球对拉钉的松开。拉钉抬起后，钢球定位块15在复位弹簧14的作用下向上移动至密封盖处，松开进油口6泄压，外活塞7在复位弹簧8的作用下向上移动至初始位置，整个定位锥又返回至初始的无压无钉拉紧的状态。

2.3 安全式定位锥的无压拉紧原理

对图3d的钢球和外活塞分别作受力分析，如图4所示。

由图4a可得：

N74=N24cosα

(1)

N104=N24sinα

(2)

α≤45°

(3)

式中：N74、N24、N104分别表示外活塞7对钢球4的支撑力、拉钉2对钢球4的支撑力、内活塞10对钢球4的支撑力。其中，N104等于定位锥对拉钉的拉紧力。

由图4b可得：

F+f=fN74

(4)

fN74=uN74

(5)

式中：F、f、fN74、u分别表示外活塞复位弹簧的总复位推力、密封圈摩擦力、钢球4对外活塞7的摩擦力、摩擦系数。

由式(1)～(5)可得：

F

(6)

设外活塞复位弹簧的数量为n，则每个弹簧的最大复位推力为：

(7)

设定位锥对拉钉的拉紧力N104=20 kN，钢球与外活塞之间的摩擦系数u=0.001～0.005，外活塞复位弹簧数量n=4。

由式(7)可得外活塞每个复位弹簧的最大复位推力为：

(8)

由上述计算分析可以得出，通过内外活塞及各复位弹簧的巧妙设计，可以在液压动力源意外丧失之后，仍能通过较小的力实现定位锥对拉钉强力的可靠拉紧，这就是安全式定位锥的无压拉紧原理。

3 结语

针对目前液压式拉紧定位锥可靠性较差、碟簧式拉紧定位锥尺寸较大、自锁式拉紧定位锥价格较高的问题，笔者公司自主创新设计了一种全新的安全式定位锥。

该产品可靠性高、尺寸小巧、价格低廉，并且可以在动力源意外丧失或者加工中心停机导致动力源丧失之后，仍然能够实现定位锥对拉钉的可靠拉紧。该产品的研发，对交换托盘在卧式加工中心或立式加工中心的可靠应用，具有极其重要的实际意义。