CN112059680A - 一种拉爪能自锁增力的新型高速主轴拉刀机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拉爪能自锁增力的新型高速主轴拉刀机构，包括主轴旋转轴芯、BBT刀柄、刀柄拉钉、喷水顶杆、自锁增力型拉爪、拉爪外径套、单向阀、顶推弹簧、碟簧前垫套、拉刀杆、碟簧组、碟簧中间隔圈、主轴后盖、松刀承压套。本发明与现有技术相比的优点在于：此型主轴拉刀机构，采用BBT刀具系统与自锁增力型拉爪，并且能应用主轴中心高压喷水高速切削加工的新工艺，结合叁者优点，应用于高端数控机床高速主轴，有效保证主轴高速运转，提高加工效率，表面加工精度，并稳定运转，创造出卓越的价值。

Description

一种拉爪能自锁增力的新型高速主轴拉刀机构

技术领域

本发明涉及机床零部件领域，具体是指一种拉爪能自锁增力且主轴中心能喷水喷气的新型高速主轴拉刀机构。

背景技术

因应国家对高档数控机床的战略需求，国内数控机床、加工中心向高精度高速加工发展的强烈需求，要求主轴结构更紧凑，转速要求更高，加工更高效且加工更精密，配合要求主轴内拉刀机构须更稳定，更动态平衡，且换刀时更高效快速；因而发明应用一种新型主轴自锁增力型拉爪，开发出一种主轴在拉刀状态时拉爪自锁增力稳定拉住刀柄，具有良好的动态平衡，能应用于高速加工的新型主轴拉刀机构，是一种迫切的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，为新型自锁增力型拉爪开发实际应用到高速主轴拉刀机构，创造出卓越的价值。

为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：一种拉爪能自锁增力的新型高速主轴拉刀机构，包括主轴旋转轴芯，所述主轴旋转轴芯前锥孔装配有BBT刀柄，所述刀柄有中心通孔，刀柄锥柄小端安装有刀柄拉钉，所述刀柄拉钉中心通孔，端部设有锥形孔及油封槽，所述刀柄拉钉端部锥形孔有密封接触喷水顶杆，所述喷水顶杆从拉爪拉栓中心孔穿出，所述拉爪拉栓小径轴端和刀柄拉钉的外侧设有自锁拉爪爪片，所述自锁拉爪爪片外侧设有拉爪外径套，拉爪外径套衬在拉爪外径与主轴旋转轴芯内孔之间，旋转轴芯内径台阶轴向定位，所述喷水顶杆端部，拉爪拉栓中心孔处安装有单向阀，所述单向阀端部上安装有顶推弹簧，所述拉爪外径套的端部安装有碟簧前垫套，拉爪外径套与碟簧前垫套之间有定位销定位联接，所述拉爪拉栓螺纹联接有拉刀杆，所述拉刀杆从中心孔依次串碟簧前垫套，两组碟簧组，碟簧组中间隔圈，所述拉刀杆安装在主轴旋转轴芯内孔，后移限位通过主轴后端盖进行调整，主轴后端盖与主轴旋转轴芯之间螺纹联接，所述拉刀杆露出主轴旋转轴芯的一端上安装有松刀承压套，与拉刀杆之间紧钉螺栓定位，拉刀杆后端孔有安装旋转联接器的内左牙螺纹。

本发明与现有技术相比的优点在于：此型主轴拉刀机构，采用BBT刀具系统与自锁拉爪结合，并且能应用主轴中心高压喷水的高速切削加工新工艺，结合叁者优点，应用于高端数控机床，有效保证主轴高速运转，提高加工效率，表面加工精度，并稳定运转，能创造出卓越的价值；优点如下：

一，传统BT刀具系统性能难以满足高速切削加工的要求，为解决高端数控机床加工的难点，深孔位置加工的精度与效率，所以本拉刀机构的轴芯锥孔采用BBT主轴两面定位设计，相比另一种高速刀具系统HSK，刀柄基础柄的锥面接触面更大，锥面支撑长度更长，主轴刚性更好，可以提升主轴转速并重切削，有效提高加工效率；

二，此型主轴拉刀机构采用自锁增力型拉爪，拉爪包括拉爪拉栓，拉爪爪片，环形弹簧，固定螺钉，在拉刀状态时，拉刀爪片处于自锁锲紧状态，碟形弹簧弹性变形顶推作用于拉刀杆，拉刀杆与拉爪拉栓，拉爪拉栓与拉爪爪片，作用力与反作用力，依次作用，拉爪拉栓拉紧拉爪爪片往拉紧刀方向移动的拉力，相当于一个楔紧作用，对刀柄同样的拉刀力，但碟形弹簧变形所产生弹簧拉力，可减少，从而产生以下几项优点：1；因而同等的拉刀力，此型拉爪可减少碟形弹簧数量或弹簧长度，从而可使主轴总长减少，使主轴结构更紧凑；2；另外主轴松刀油缸油压可减少，针对松刀油缸油压可减小，整个机床油压系统不必高压运转，不浪费机床电力能源，减少损耗；3；机床松刀过程较少损坏主轴精密轴承，延长主轴精密轴承寿命，从而延长主轴寿命：主轴松刀过程是油压缸压力作用于拉刀杆，压缩碟形弹簧，碟形弹簧变形，拉刀杆向松刀方向作用拉爪移动，完成松刀动作。压缩碟形弹簧变形，碟簧反作用的支点是碟簧前垫圈，相互作用力与反作用力，依次传递到拉爪外径套，主轴轴心内孔轴向定位台阶上，主轴轴心，支撑主轴旋转轴芯的角接触轴承内圈，精密轴承钢珠，轴承外圈，最后到主轴安装铸件安装孔支撑，作用力与反作用力会作用到精密轴承之间精密球钢珠，实际松刀油缸的作用力越大，对主轴轴承损害越大，作用力越小，越有利于轴承寿命延长，有利于主轴稳定性延长，前提是主轴松刀是没有加装浮动松刀机构(浮动松刀机构是主轴松刀时，松刀油缸的活塞移动一小段后，反作用力让松刀油缸联接到旋转轴心上，再推动拉刀杆松刀，这种松刀方法是没有反作用力作用到主轴轴承上去)，加装浮动打刀机构会使主轴结构复杂，干涉到高端机床主轴须集约电主轴，打刀缸，旋转联接器导入高压切削水结构在一起；4，主轴拉刀动作时，拉刀机构碟簧变形量相对普通型拉爪要小，有利于延长拉刀机构(碟簧变形小)使用寿命；5，主轴拉刀机构拉刀力小，松刀油缸松刀动作迅速，松刀行程短，刀柄从拉刀自锁稳定状态到松刀状态可瞬时转换，可以快速换刀，节约加工辅助时间，提高机床加工效率，有实验验证；

三，主轴高速切削时，能从拉刀杆后端安装旋转联接器导入高压喷水到刀柄中心，再到刀具刃口高压喷出，是一种新型高速切削技术，高速切削刀具中心高压喷水运作原理：刀具高速切削工件会产生高温水蒸汽而工件表面的水蒸汽会隔绝切削液附着，导致冷却工件或刀具的效果不到20％，唯有把切削液加压至1000PSI(70BAR)以上，切削液才能直接接触工件和刀具，到最有效率的降温效果，当刀具不容易过热时，就可以大幅度提升线速度，及进给率；主轴中心主高压喷水产生后果，没有铁屑缠绕，直接断屑排出；带走切削时摩擦高温热量，延长刀具使用寿命，直接优势：1直接大幅提高加工效率50％，2大幅提高刀具使用寿命，节约生产成本；3减少刀痕，获得良好的加工表面质量。

结论，此型主轴拉刀机构有效辅助提高国内高端数控机床高速主轴的开发应用，有很大程度提高机床加工效率，及表面加工精度，节约能源成本。

作为改进，本主轴拉刀机构部件主轴后盖与主轴旋转轴芯后内孔之间螺纹联接，可控制拉刀杆拉紧刀后的后移量；此主轴后端盖上螺孔用于安装紧钉螺栓，顶在旋转轴芯后端面，锁定主轴后盖不位移，并且后主轴后盖上有紧钉螺钉孔，可以加减螺钉用于主轴做动平衡实验时配平衡用途。

作为改进，所述新型自锁增力型拉爪设计有两个斜楔自锁增力原理的接触面：一是拉爪拉栓和拉爪爪片配合处设有小楔角自锁圆锥面；二是拉爪爪片与拉爪外径套内孔台阶之间有一个大于35度楔角的接触圆锥面；

作为改进，所述拉刀机构中心设计有高压通水通气单向通道，刀柄和刀柄拉钉之间、刀柄拉钉和喷水顶杆之间、喷水顶杆和拉爪拉栓之间、喷水顶杆和单向阀之间均设有O型圈密封，并设计有弹簧顶推，保证喷水顶杆与刀柄刀钉持续密封接触。

附图说明

图1是一种拉爪能自锁增力的新型高速主轴拉刀机构的结构示意图。

图2是一种拉爪能自锁增力的新型高速主轴拉刀机构的主轴后端盖结构示意图。

图3是一种能自锁增力新型拉爪结构图

图4是BBT刀具系统说明图

图5是一种拉爪能自锁增力的新型高速主轴拉刀机构注水机构示意图。

图6是一种拉爪能自锁增力的新型高速主轴拉刀机构中心通道O型圈密封分布位置图。

图7是一种拉爪能自锁增力的新型高速主轴拉刀机构的松刀承压套受油压缸压力F分布图。

图8是一种拉爪能自锁增力的新型高速主轴拉刀机构的拉爪拉紧刀状态图。

图9是一种拉爪能自锁增力的新型高速主轴拉刀机构的松刀过程1状态图。

图10是一种拉爪能自锁增力的新型高速主轴拉刀机构的松刀过程2状态图。

图11是一种拉爪能自锁增力的新型高速主轴拉刀机构的拉爪松开刀状态图

如图所示：1、主轴旋转轴芯，2、BBT刀柄，3、刀柄拉钉，4、拉爪外径套，5、拉爪爪片，6、喷水顶杆，7、单向阀，8、顶推弹簧，9、碟簧前垫套，10、拉刀杆，11、碟簧组，12、碟簧中间隔圈，13、主轴后端盖，14、松刀承压套，15、拉爪拉栓。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明在具体实施时，主轴与刀具的锥面与端面要做到两面约束，势必要将端面的间隙归零，几乎是不可能，因此BBT系统使用弹性变形的方式来达到两面拘束的目的，如图4所示，在拉紧刀前，主轴与刀具仅有锥面接触，在主轴与刀具端面留有一定的间隙；而在拉紧刀后时，刀柄受拉爪轴向拉力，主轴内孔受力扩张产生弹性变形，使主轴与刀具的端面间隙消除进而贴合，达到两面约束的目的，主轴内孔的弹性变形与刀具的轴向位移量关系非常紧密，因此刀具的轴向位移量控制很重要，本主轴拉刀机构部件主轴后端盖如图2所示，控制拉刀杆拉紧刀后的后移量；此主轴后端盖上有螺孔用于安装紧钉螺栓，顶在旋转轴芯后端面，锁定主轴后盖不位移，并且有主轴做动平衡实验时配平衡用途；

BBT刀具为保证刀柄接触稳定，刀柄与主轴锥孔必须保证清洁，在换刀过程，本拉刀机构设计了从主轴中心喷气清洁锥孔：图5所示，主轴拉刀杆后端孔螺纹联接安装旋转联接器，外部高压气源，经从旋转联接器，拉刀杆中心孔，单向阀，吹气顶杆吹出，换刀过程持续吹气清洁；

主轴中心喷水喷气：如图5,图6所示，气源通道也是高压喷水源通道，均共用主轴拉刀机构中心通道(旋转联接器，到拉刀杆中心通孔，到单向阀，喷水顶杆，喷水时喷水顶杆到刀柄拉钉中心锥孔，顶推弹簧保持喷水顶杆接触刀柄拉钉，到刀刃中心喷出)，切削加工时主轴中心喷高压水，换刀时主轴中心吹气，均从拉刀杆后端安装旋转联接器导入，机床外部提供高压过滤切削水，或气源，切换由外部电磁阀控制，水源与气源进入共用管道前，都必须经过单向阀，互不倒流；

本发明的工作原理：本新型拉刀机构松刀时：图7，主轴松刀油缸活塞前移，接触主轴后端松刀承压圈；图8至图11，从上到下，是新型拉爪松刀过程，机床主轴松刀油压缸压缩松刀承压套，向主轴前端移动；承压套推动拉刀杆后大端压缩碟簧组，拉刀杆推动拉爪拉栓部分向刀柄方向移动，图8到图9过程，拉爪拉栓相对拉爪爪片前移松开楔紧状态，拉爪爪片还是拉住刀柄状态，到第9图时，拉爪拉栓大直径台阶开始推动拉爪片前移，拉刀爪片后一部分开始径向向中心收拢受环形弹簧作用力，沿拉爪外径套锥面导向，到第10图时，拉刀爪片后一部分开始收缩进拉爪外径套孔小径部分；到第11图时，爪片前一部分已经张开，拉爪拉栓前端顶动刀柄拉钉，完成松刀过程。

拉爪拉紧刀过程是，拉爪在张开状态，也即松刀油缸一直在压住拉刀杆后端松刀承压套压缩碟簧状态，刀柄在加工中心自动换刀过程，刀柄被机械手塞进主轴孔内，到位感应到信号后，主轴松刀油缸电磁阀换向，松刀油缸后退，拉刀杆在碟簧恢复变形过程中被顶推后主轴后端后退，拉刀杆联接拉爪拉栓往主轴后端移动，过程与松刀过程逆反，从图11状态到图8状态，拉刀爪片被拉栓配合的锥面挤入拉爪外径套大孔径内，图9至图8过程，拉爪接紧刀柄后进入楔紧自锁状态，松刀油缸活塞继续后退，脱开拉刀杆后端承压套，完成拉刀锁紧过程；整个松刀，拉刀过程主轴保持吹气状态，清洁刀柄锥柄与主轴锥孔。

本新型主轴拉刀机构，针对于高端数控机床主轴高速且高效率的重切削而设计，采用BBT主轴两面定位系统(刀柄锥面与法兰端面同时接触主轴锥孔与主轴前端面)，并结合新型拉爪自锁增力的拉刀的稳定性，高压喷切削水的新加工工艺，使得主轴刚性好，适合刀柄悬长较长的加工，如大型模具，箱体，壳体，重切削比较多的零件加工，且须要刀柄悬长较长，可保证高效率及稳定性。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征，在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”，“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (4)

1.一种拉爪能自锁增力的新型高速主轴拉刀机构，其特征在于：所述主轴旋转轴芯(1)前锥孔装配有BBT刀柄(2)，所述刀柄(2)有中心通孔，刀柄锥柄小端安装有刀柄拉钉(3)，所述刀柄拉钉(3)中心通孔，端部设有锥形孔及油封槽，所述刀柄拉钉(3)端部锥形孔有密封接触喷水顶杆(6)，所述喷水顶杆(6)从拉爪拉栓(15)中心孔穿出，所述拉爪拉栓(15)小径轴端和刀柄拉钉(3)的外侧设有自锁拉爪爪片(5)，所述自锁拉爪爪片(5)外侧设有拉爪外径套(4)，拉爪外径套衬在拉爪外径与主轴旋转轴芯内孔之间，旋转轴芯内径台阶轴向定位，所述喷水顶杆(6)端部，拉爪拉栓(15)中心孔处安装有单向阀(7)，所述单向阀(7)端部上安装有顶推弹簧(8)，所述拉爪外径套(4)的端部安装有碟簧前垫套(9)，拉爪外径套与碟簧前垫套之间有定位销定位联接，所述拉爪拉栓(15)螺纹联接有拉刀杆(10)，所述拉刀杆(10)从中心孔依次串碟簧前垫套(9)，两组碟簧组(11)，碟簧组中间隔圈(12)，所述拉刀杆(10)安装在主轴旋转轴芯(1)内孔内通过主轴后盖(13)进行限位，主轴后盖与主轴轴芯之间螺纹联接，所述拉刀杆(10)露出主轴旋转轴芯(1)的一端上安装有松刀承压套(14)。

2.根据权利要求1所述的一种拉爪能自锁增力的新型高速主轴拉刀机构，其特征在于：所述本主轴拉刀机构部件主轴后盖与主轴旋转轴芯后内孔之间螺纹联接，可控制拉刀杆拉紧刀后的后移量；此主轴后端盖上螺孔用于安装紧钉螺栓，顶在旋转轴芯后端面，锁定主轴后盖不位移，并且后主轴后盖上有紧钉螺钉孔，可以加减螺钉用于主轴做动平衡实验时配平衡用途。

3.根据权利要求1所述的一种拉爪能自锁增力的新型高速主轴拉刀机构，其特征在于：所述新型自锁增力型拉爪设计有两个斜楔自锁增力原理的接触面：一是拉爪拉栓(15)和拉爪爪片(5)配合处设有小楔角自锁圆锥面；二是拉爪爪片与拉爪外径套内孔台阶之间有一个大于35度楔角的接触圆锥面。

4.根据权利要求1所述的一种拉爪能自锁增力的新型高速主轴拉刀机构，其特征在于：此新型拉刀机构中心有一个单向密封通道，设计有弹簧顶推，保证喷水顶杆与刀柄拉钉持续密封接触，保证主轴中心喷水或喷气通道的密封性能，应用于主轴高压喷水或喷气。

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