CN111152055A - 换刀油缸机构及加工中心主轴的换刀机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了换刀油缸机构，包括缸体、活塞、第一导向环、顶盖、压盖、防转销和密封结构，活塞活动安装于缸体的内腔中，第一导向环设于活塞和缸体间，顶盖设于活塞上，缸体上设卸刀进油口和拉刀进气口，压盖套装于活塞上，且压盖位于顶盖和缸体间，压盖通过防转销与活塞连接，密封结构设于活塞与压盖、缸体间。本发明还公开了加工中心主轴的换刀机构，包括轴芯、拉刀机构、打刀盘和换刀油缸机构，换刀油缸机构设于轴芯上，拉刀机构贯穿顶盖、活塞和轴芯，打刀盘套装拉刀机构上且与活塞相配合，压盖、活塞、打刀盘和拉刀机构间形成吹尘通气管路。本发明能解决油缸漏油、主轴复位缓慢、主轴定向偏移、刀具掉落、刀具积尘、使用寿命短等技术问题。

Description

换刀油缸机构及加工中心主轴的换刀机构

技术领域

本发明涉及数控加工中心机床设备，尤其涉及换刀油缸机构及加工中心主轴的换刀机构。

背景技术

数控加工中心机床是一种由机械设备与数控系统配套集成，主要用于工业制造业加工，普遍应用于航空航天、船舶、汽车、模具、通信等行业领域零部件的加工。可适用于复杂零部件的高效自动化加工设备。其综合加工能力具有一定的优势，工件可一次装夹完成多个工序加工，因此可有效提高零件加工精度及效率。

目前，加工中心主轴的换刀机构主要是通过使液压油输入换刀油缸机构，进而驱动活塞移动以实现换刀动作，在数控加工机床快速、高频率换刀过程中，存在油缸漏油、主轴复位缓慢、主轴定向偏移、刀具掉落、刀具的刀柄上布有加工碎屑及粉尘、使用寿命短等技术问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供换刀油缸机构，可解决油缸漏油的技术问题。

本发明的目的之二在于提供加工中心主轴的换刀机构，能够解决油缸漏油、主轴复位缓慢、主轴定向偏移、刀具掉落、刀具的刀柄上布有加工碎屑及粉尘、使用寿命短等技术问题。

本发明的目的之一采用如下技术方案实现：

换刀油缸机构，包括缸体、活塞、第一导向环、顶盖、压盖、防转销和密封结构，所述缸体内形成有内腔，所述活塞活动安装于内腔中，所述第一导向环设于活塞和缸体之间，用于对活塞以精密导向作用，所述顶盖设于活塞上，所述缸体上开设有卸刀进油口和拉刀进气口，所述卸刀进油口和拉刀进气口分别与内腔连通，所述压盖套装于活塞上，且所述压盖位于顶盖和缸体之间，所述压盖通过防转销与活塞连接，用于防止活塞转动，所述密封结构设于活塞与压盖、缸体之间，用于提高动态、静态油气密封效果；

所述拉刀进气口位于卸刀进油口的下方，当液压油从卸刀进油口进入内腔中，所述活塞受到液压油施加的作用力将沿其轴线方向向下移动；当压力气体从拉刀进气口进入内腔中，所述活塞受到压力气体施加的作用力将沿其轴线方向向上移动，以使所述活塞回到初始位置。

进一步地，所述活塞与压盖之间设有第二导向环。

进一步地，所述密封结构包括第一密封圈、第二密封圈和第三密封圈，所述第一密封圈和和第三密封圈套装于活塞上，所述第一密封圈设于活塞和压盖之间，所述第三密封圈设于活塞和缸体之间，所述第二密封圈套装于压盖上，且所述第二密封圈设于缸体和压盖之间。

进一步地，所述密封结构还包括第四密封圈，所述第四密封圈套装于活塞上且位于所述第一密封圈下方，所述第四密封圈设于活塞和压盖之间。

进一步地，所述密封结构还包括第五密封圈，所述第三密封圈位于活塞的上端部，所述第五密封圈套装于活塞下端部且位于第三密封圈的下侧，所述第五密封圈设于活塞和缸体之间。

进一步地，所述第一密封圈、第二密封圈为密封O形圈，所述第三密封圈、第五密封圈为格莱密封圈，所述第四密封圈为密封U形圈。

进一步地，所述卸刀进油口和拉刀进气口连接有油气增压缸，用于为内腔提供液压油、压力气体。

进一步地，所述压盖上设有传感器接近开关，所述传感器接近开关用于感应顶盖下移行程，当卸刀动作完成时将发出感应信号。

本发明的目的之二采用如下技术方案实现：

加工中心主轴的换刀机构，包括轴芯、拉刀机构、打刀盘和前面所述的换刀油缸机构，所述换刀油缸机构设于轴芯上侧，所述拉刀机构贯穿所述顶盖、活塞和所述轴芯，所述打刀盘套装拉刀机构上且与所述活塞的内壁相配合，所述压盖、活塞、打刀盘和所述拉刀机构之间形成有吹尘通气管路；

当所述活塞沿其轴线方向向下移动时，所述吹尘通气管路连通，吹尘气体经所述吹尘通气管路输出，以对刀具进行粉尘清理，所述活塞带动打刀盘同步移动，所述打刀盘带动拉刀机构的下端部同步移动，使所述拉刀机构的下端部能够松开刀具；当所述活塞沿其轴线方向向上移动时，所述吹尘通气管路断开，所述活塞带动打刀盘同步移动，所述打刀盘带动拉刀机构的下端部同步移动，使所述拉刀机构的下端部能够夹紧刀具。

进一步地，所述打刀盘通过圆柱销套装于拉刀机构上，所述圆柱销与吹尘通气管路连通。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：

(1)密封结构采用具有耐高压密封件，如第三密封圈、第五密封圈为格莱密封圈。使该密封结构具有低摩擦阻力，无爬行现象，动态、静态油气密封效果好，具有可耐高压，使用寿命长等特点，因此，通过对密封结构的上述设置，有利于提高缸体和活塞之间的密封效果，即使得换刀油缸机构的密封效果较佳，可解决油缸漏油、主轴复位缓慢的技术问题。

(2)主轴在换刀过程中，由于拉刀机构下端部的碟簧组件或弹簧组件在变形产生力的过程会产生有扭力，长时间工作情况下，活塞与顶盖会有一定的角度转动，影响到传感器接近开关的信号感应及输出。为避免此问题，该结构增加了防转功能，在压盖与活塞之间通过增加防转销，有效解决主轴定向偏移问题，能够有利于减少机床换刀过程中电机超载报警、信号感应不良、刀柄刀具掉落等异常问题。

(3)换刀油缸机构设置有两处导向结构，即在活塞上下外圆处设有两导向环，即第一导向环和第二导向环，当活塞上下滑动工作时，可起到对活塞的精密导向作用，避免活塞倾斜与缸体、压盖等金属件产生干涉，使接触表面刮伤，影响密封性能，有利于延长使用寿命。

(4)压盖、活塞、打刀盘、圆柱销和拉刀机构之间形成有吹尘通气管路，从而能够解决主轴锥孔及刀具刀柄附着的加工碎屑、粉尘吹净的技术问题，保持刀具装夹精度，有利于提高加工质量。

附图说明

图1为本发明中换刀油缸机构的结构示意图；

图2为本发明中加工中心主轴的换刀机构的结构示意图；

图3为图2中A的结构放大示意图；

图中：1、顶盖；2、活塞；3、压盖；4、防转销；5、缸体；6、第一密封圈；7、第二导向环；8、第二密封圈；9、第四密封圈；10、第三密封圈；11、第五密封圈；12、第一导向环；13、拉刀机构；14、圆柱销；15、打刀盘；16、卸刀进油口；17、拉刀进气口；18、吹尘进气接口；19、第一吹尘通道；20、第二吹尘通道；21、第三吹尘通道；22、第四吹尘通道；23、第五吹尘通道；24、吹尘出气接口；25、轴芯。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图1所示，本实施例公开了换刀油缸机构，包括缸体5、活塞2、第一导向环12、顶盖1、压盖3、防转销4和密封结构，缸体5内形成有内腔，活塞2活动安装于内腔中，第一导向环12设于活塞2和缸体5之间，用于对活塞2以精密导向作用，顶盖1设于活塞2上，缸体5上开设有卸刀进油口16和拉刀进气口17，卸刀进油口16和拉刀进气口17分别与内腔连通，压盖3套装于活塞2上，且压盖3位于顶盖1和缸体5之间，压盖3通过防转销4与活塞2连接，用于防止活塞2转动，密封结构设于活塞2与压盖3、缸体5之间，用于提高动态、静态油气密封效果；

拉刀进气口17位于卸刀进油口16的下方，当液压油从卸刀进油口16进入内腔中，活塞2受到液压油施加的作用力将沿其轴线方向向下移动；当压力气体从拉刀进气口17进入内腔中，活塞2受到压力气体施加的作用力将沿其轴线方向向上移动，以使活塞2回到初始位置。

具体地，活塞2与压盖3之间设有第二导向环7。

作为本实施例中一种较佳的实施方式，密封结构包括第一密封圈6、第二密封圈8和第三密封圈10，第一密封圈6和和第三密封圈10套装于活塞2上，第一密封圈6设于活塞2和压盖3之间，第三密封圈10设于活塞2和缸体5之间，第二密封圈8套装于压盖3上，且第二密封圈8设于缸体5和压盖3之间。

另外，密封结构还包括第四密封圈9，第四密封圈9套装于活塞2上且位于第一密封圈6下方，第四密封圈9设于活塞2和压盖3之间。

更佳的实施方式是，密封结构还包括第五密封圈11，第三密封圈10位于活塞2的上端部，第五密封圈11套装于活塞2下端部且位于第三密封圈10的下侧，第五密封圈11设于活塞2和缸体5之间。

优选地，第一密封圈6、第二密封圈8为密封O形圈。

优选地，第三密封圈10、第五密封圈11为格莱密封圈。

优选地，第四密封圈9为密封U形圈。

需要说明的是，卸刀进油口16和拉刀进气口17连接有油气增压缸，用于为内腔提供液压油、压力气体。

故而，该换刀油缸机构主要用于高精密数控加工中心机床设备主轴，是主轴主要的功能部件，其性能的稳定性直接影响到主轴使用。因此，通过上述结构设置，能够提高密封强度及使用寿命，增加活塞2防转功能从而有利于提高主轴精准定向，可有利于满足加工中心主轴快速及换刀频率高等特点，提高加工中心主轴综合使用性能。

此外，如图2及图3所示，本实施例还公开了加工中心主轴的换刀机构，包括轴芯25、拉刀机构13、打刀盘15和前面所述的换刀油缸机构，换刀油缸机构设于轴芯25上侧，拉刀机构13贯穿顶盖1、活塞2和轴芯25，打刀盘15套装拉刀机构13上且与活塞2的内壁相配合，压盖3、活塞2、打刀盘15和拉刀机构13之间形成有吹尘通气管路；

当活塞2沿其轴线方向向下移动时，吹尘通气管路连通，吹尘气体经吹尘通气管路输出，以对刀具进行粉尘清理，活塞2带动打刀盘15同步移动，打刀盘15带动拉刀机构13的下端部同步移动，使拉刀机构13的下端部能够松开刀柄；当活塞2沿其轴线方向向上移动时，吹尘通气管路断开，活塞2带动打刀盘15同步移动，打刀盘15带动拉刀机构13的下端部同步移动，使拉刀机构13的下端部能够夹紧刀柄，即将刀具夹紧，完成刀具的更换。

优选地，打刀盘15通过圆柱销14套装于拉刀机构13上，有利于拉刀机构13的固定。

优选地，圆柱销14与吹尘通气管路连通。

具体地，压盖3上开设有吹尘进气接口18，进一步地，压盖3上还设有第一吹尘通道19，该第一吹尘通道19与吹尘进气接口18连通，活塞2靠近该第一吹尘通道19的一侧上设有第二吹尘通道20，打刀盘15上设有第三吹尘通道21，圆柱销14上设有第四吹尘通道22，更进一步地，在拉刀机构13的中心上设有第五吹尘通道23，并在其下端部设有吹尘出气接口24，可以理解的是，当活塞2移动时第一吹尘通道19和第二吹尘通道20连通时，吹尘气体从吹尘进气接口18进入后依次经过第一吹尘通道19、第二吹尘通道20、第三吹尘通道21、第四吹尘通道22和第五吹尘通道23，最后从吹尘出气接口24吹出对刀具进行除尘处理。

优选地，压盖3上设有传感器接近开关，传感器接近开关用于感应顶盖下移完成卸刀动作的行程，并发出感应信号，如此，能够有利于调节主轴换刀过程的顶刀量要求。

如图1-3所示，工作时，外置油气增压缸由卸刀进油口16输入一定的液压油到缸体5，活塞2下移滑动并与打刀盘15面接触后整体下移，通过圆柱销14连接使得主轴内部拉刀机构13下移，刀柄拉钉脱离拉爪，完成卸刀动作。此过程需通主轴中心吹尘工作气压，即吹尘气体由压盖3上开设的吹尘进气接口18经连通的吹尘通气管路作用到主轴前端刀具连接锥孔，从而实现锥孔换刀过程的吹净功能。刀具更换后，通过机床PLC系统发出指令信号，外置油气增压缸泄压，缸体5通复位气压，压力气体由拉刀进气口17进入内腔，推动活塞2快速往上复位，实现刀柄夹紧，从而完成拉刀动作。此复位过程已完成主轴锥孔、刀柄的吹净，需关闭中心吹尘气体。

如图1-3所示，数控加工中心作为加工机床领域的主要设备，随着进几年的技术更新发展，其加工可应用于车、铣、钻、攻、镗等多种加工工序。工件可一次装夹完成多个工序加工，因此可有效提高零件加工精度及效率，这样就使得加工中心主轴需具有工作时间长、换刀频率高的要求。现有加工中心主轴在保固期内需满足重复换刀次数达100万次要求，通过上述的结构设置，本加工中心主轴的换刀机构在增加防转功能的同时，提高主轴换刀过程定向精准、快速高效、使用寿命长的性能，使得重复换刀次数可达300万次以上。具体地，此加工中心主轴的换刀机构至少包括以下有益效果：

1、数控加工中心主轴在加工使用过程，通过外置油气增压缸提供缸体5内活塞2的工作压力，一般压力为7～10MPa。换刀油缸机构在快速、高压的情况下，需要其内部结构具有耐高压的要求。其密封结构采用具有耐高压密封件，如第三密封圈10、第五密封圈11为格莱密封圈，与常规O形圈、U形圈对比，该结构是由一个PTFE材料组成的动圈和一个常规O形圈组成，其特点为设计时使O形圈产生弹性变形，工作过程对动圈一直施加弹力，使得动圈外圆面与缸体5内孔一直紧密接触，形成可靠的动、静密封。该结构具有低摩擦阻力，无爬行现象，动态、静态油气密封效果好，具有可耐高压，使用寿命长等特点，因此，通过对密封结构的上述设置，有利于提高缸体5和活塞2之间的密封效果，即使得换刀油缸机构的密封效果较佳，可解决油缸漏油、主轴复位缓慢的技术问题。

2、主轴在换刀过程中，由于拉刀机构13下端部的碟簧组件或弹簧组件在变形产生力的过程会产生有扭力，长时间工作情况下，活塞2与顶盖1会有一定的角度转动，影响到传感器接近开关的信号感应及输出。为避免此问题，该结构增加了防转功能，在压盖3与活塞2之间通过增加防转销4，有效解决主轴定向偏移问题，能够有利于减少机床换刀过程中电机超载报警、信号感应不良、刀柄刀具掉落等异常问题。

3、换刀油缸机构设置有两处导向结构，即在活塞2上下外圆处设有两导向环，即第一导向环12和第二导向环7，当活塞2上下滑动工作时，可起到对活塞2的精密导向作用，避免活塞2倾斜与缸体5、压盖3等金属件产生干涉，使接触表面刮伤，影响密封性能。两导向环均采用PTFE材料，具有自润滑，良好的耐磨性，可减缓杆体内部运动件的机械振动，有利于提高整个换刀油缸机构的性能稳定性及使用寿命，有利于延长使用寿命。

4、压盖3、活塞2、打刀盘15、圆柱销14和拉刀机构13之间形成有吹尘通气管路，从而能够解决主轴锥孔及刀具刀柄附着的加工碎屑、粉尘吹净的技术问题，保持刀具装夹精度，有利于提高加工质量。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (9)

1.换刀油缸机构，其特征在于：包括缸体、活塞、第一导向环、顶盖、压盖、防转销和密封结构，所述缸体内形成有内腔，所述活塞活动安装于内腔中，所述第一导向环设于活塞和缸体之间，用于对活塞以精密导向作用，所述顶盖设于活塞上，所述缸体上开设有卸刀进油口和拉刀进气口，所述卸刀进油口和拉刀进气口分别与内腔连通，所述压盖套装于活塞上，且所述压盖位于顶盖和缸体之间，所述压盖通过防转销与活塞连接，用于防止活塞转动，所述密封结构设于活塞与压盖、缸体之间，用于提高动态、静态油气密封效果；

所述拉刀进气口位于卸刀进油口的下方，当液压油从卸刀进油口进入内腔中，所述活塞受到液压油施加的作用力将沿其轴线方向向下移动；当压力气体从拉刀进气口进入内腔中，所述活塞受到压力气体施加的作用力将沿其轴线方向向上移动，以使所述活塞回到初始位置。

2.如权利要求1所述的换刀油缸机构，其特征在于：所述活塞与压盖之间设有第二导向环。

3.如权利要求1或2所述的换刀油缸机构，其特征在于：所述密封结构包括第一密封圈、第二密封圈和第三密封圈，所述第一密封圈和和第三密封圈套装于活塞上，所述第一密封圈设于活塞和压盖之间，所述第三密封圈设于活塞和缸体之间，所述第二密封圈套装于压盖上，且所述第二密封圈设于缸体和压盖之间。

4.如权利要求3所述的换刀油缸机构，其特征在于：所述密封结构还包括第四密封圈，所述第四密封圈套装于活塞上且位于所述第一密封圈下方，所述第四密封圈设于活塞和压盖之间。

5.如权利要求4所述的换刀油缸机构，其特征在于：所述密封结构还包括第五密封圈，所述第三密封圈位于活塞的上端部，所述第五密封圈套装于活塞下端部且位于第三密封圈的下侧，所述第五密封圈设于活塞和缸体之间。

6.如权利要求1所述的换刀油缸机构，其特征在于：所述卸刀进油口和拉刀进气口连接有油气增压缸，用于为内腔提供液压油、压力气体。

7.如权利要求1所述的换刀油缸机构，其特征在于：所述压盖上设有传感器接近开关，所述传感器接近开关用于感应顶盖下移行程，当卸刀动作完成时将发出感应信号。

8.加工中心主轴的换刀机构，其特征在于：包括轴芯、拉刀机构、打刀盘和如权利要求1-7任一项所述的换刀油缸机构，所述换刀油缸机构设于轴芯上侧，所述拉刀机构贯穿所述顶盖、活塞和所述轴芯，所述打刀盘套装拉刀机构上且与所述活塞的内壁相配合，所述压盖、活塞、打刀盘和所述拉刀机构之间形成有吹尘通气管路；

当所述活塞沿其轴线方向向下移动时，所述吹尘通气管路连通，吹尘气体经所述吹尘通气管路输出，以对刀具进行粉尘清理，所述活塞带动打刀盘同步移动，所述打刀盘带动拉刀机构的下端部同步移动，使所述拉刀机构的下端部能够松开刀具；当所述活塞沿其轴线方向向上移动时，所述吹尘通气管路断开，所述活塞带动打刀盘同步移动，所述打刀盘带动拉刀机构的下端部同步移动，使所述拉刀机构的下端部能够夹紧刀具。

9.如权利要求8所述的加工中心主轴的换刀机构，其特征在于：所述打刀盘通过圆柱销套装于拉刀机构上，所述圆柱销与吹尘通气管路连通。

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