加工中心数控铣床主轴松刀卸荷装置

夏向阳　孔伟

（江苏多棱数控机床股份有限公司，常州　213012）

　　摘　要：针对加工中心、数控铣床主轴因松刀装置工作时产生的轴向力的影响，导致主轴运动精度保持期及主轴使用寿命的影响，对原主轴结构进行了改进设计，成为一种带卸荷的松刀、拉刀主轴结构，改善了主轴轴承的工作环境，提高了主轴轴承旋转精度的保持性，大大延长了主轴轴承的使用寿命。

　　关键词：加工中心；主轴结构；轴承寿命

　　图1是加工中心、数控铣床目前普遍采用的主轴松刀、拉刀结构，该机构在松刀过程中，主轴轴承要承受很大的轴向力（大约15～20kN），现对该机构的松刀过程和受力情况作如下分析。如图1所示，当增压气缸1得到主轴松刀信号时，其左腔通入压缩空气，活塞推杆向右运动，与拉杆3左端面接触后，拉杆3受压向右运动通过半环4和拉杆套5压缩碟形弹簧6，碟形弹簧将受到作用力通过垫片8传递到主轴9上，主轴受到此向右的轴向力后有向右运动的趋势，主轴前端背对背安装的4个一组角接触球轴承必须限制这种趋势，因此主轴轴承10要承担主轴传来的向右的轴向力，当增压气缸1活塞运行到Z右端时（此时夹刀的弹簧卡爪11已经松开拉钉，刀具已松开）碟形弹簧6变形量Z大，反作用力也Z大，将达到15～20kN，这就是主轴轴承10受到的轴向力，为了能够承受如此大的轴向力，主轴轴承要选用能承受轴向、径向双向作用力的圆锥滚子轴承、角接触球轴承或圆柱滚子轴承与推力球轴承组合，原设计仅采用的是背对背安装的4个一组的角接触球轴承，但如此大的轴向力还是会给主轴轴承的旋转精度、性能、使用寿命带来很大的影响。

　　为了解决上述问题，笔者设计了一种带卸荷的主轴松刀、拉刀结构，其结构如图2所示，它是以图1所示的普通主轴松刀结构为基础改进而来，主要由气缸座5、支撑杆1、弹簧2、螺钉3、压片7、半环8等构成，增压气缸4和气缸座5用螺钉固定在一起，气缸座5由螺钉3通过弹簧2紧压在支撑杆1上，气缸座5上的安装支撑杆1的孔与支撑杆1是滑动配合，支撑杆1通过螺纹联接到主轴箱11上，两件半环8嵌入拉杆6的环形槽中并通过螺钉与压片7固定。该结构可以将松刀过程中产生的轴向力转化为几个零件之间的内力，从而避免了主轴轴承受松刀过程的轴向力的作用，改善了主轴轴承的工作环境，提高了主轴轴承的旋转精度、性能，特别是可以大大地延长主轴轴承的使用寿命，降低机床使用成本。现对改进结构的松刀过程和受力情况作如下分析：当增压气缸4得到主轴松刀信号时，其左腔通入压缩空气，活塞推杆向右运动，与拉杆6左端面接触后，活塞推杆给拉杆6向右的作用力，同时压缩空气也给增压气缸4左端面大小相等方向相反的作用力，由于增压气缸4与气缸座5用螺钉联接，此作用力传递到气缸座5上，使其受到向左的作用力后压缩支撑杆1上的弹簧2并向左运动，直到气缸座5的面与半环8的B面接触为止，与此同时拉杆6也受到活塞给它的向右的作用力向右运动，拉杆6通过半环9和拉杆套10压缩碟形弹簧12，碟形弹簧将受到向右的轴向力通过垫片13作用到主轴14上，此时由于气缸座5的A面与半环8的B面已接触，气缸座5会给主轴14一个大小相等方向相反的向左的轴向力使主轴受力平衡，此时松刀过程对碟形弹簧的压力就成为增压气缸4、气缸座5、拉杆6、半环9、拉杆套10、碟形弹簧12、垫片13、主轴14、半环8之间的内部作用力不再向外传递，从而使主轴轴承避免承受松刀过程带来的额外的轴向力，主轴轴承得到有效的保护。

　　通过上述分析，我们不难发现，松刀过程的Z初始阶段即气缸座5的A面与半环8的B面接触之前，主轴轴承会承受一点轴向力，但此时碟形弹簧12刚刚受力产生少许压缩，所以它对主轴影响非常小，可以忽略不计，此后气缸座5向左运动、拉杆6向右运动直至气缸座5的面与半环8的面开始接触，对碟形弹簧不断增大的压力便转化为增压气缸4、气缸座5、拉杆6、半环9、拉杆套10、碟形弹簧12、垫片13、主轴14、半环8零件之间的内力，主轴轴承不再受轴向力的影响，因此本卸荷结构合理有效，实际使用过程也证实了具有非常好的卸荷效果，主轴轴承的使用寿命大大延长，深受机床用户欢迎。
 

来源：《机械制造》2007年03期