CN116276160B - 一种用于主轴的后置活塞锁紧机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及主轴技术领域，尤其是一种用于主轴的后置活塞锁紧机构。一种用于主轴的后置活塞锁紧机构，包括可旋转运动的芯轴，芯轴的尾端伸入到气缸外壳座和刹车块固定座内；气缸外壳座内安装第一刹车，刹车块固定座内安装第二刹车；芯轴上有凸起的摩擦部，芯轴在锁紧状态时，摩擦部的两侧分别与第一刹车和第二刹车接触；芯轴在自由状态时，摩擦部的两侧分别与第一刹车和第二刹车分离。这种用于主轴的后置活塞锁紧机构，为芯轴提供两组刹车系统，这两组刹车系统同步的对摩擦部进行夹紧或松开，用于对芯轴进行刹车或者解锁，两组刹车的相向设置，锁止效果好。

Description

一种用于主轴的后置活塞锁紧机构

技术领域

本发明涉及主轴技术领域，尤其是一种用于主轴的后置活塞锁紧机构。

背景技术

在中高端五轴数控机床领域，带有车铣功能互相转换的五轴数控机床可以实现回转类零件车、铣、镗、钻、攻丝、多轴联动曲面加工、斜面钻孔等复杂多任务加工。通过一次装夹完成多面体车削和铣削等加工，避免二次或多次装夹带来的精度损失。

在对主轴进行刹车锁止的时候，目前国内外比较常用的有以下几种：①切向夹紧机构；②径向液压夹紧机构；③齿轮消隙机构；④蜗轮蜗杆消隙机构；⑤电机直驱等。

切向夹紧机构适用于轴直径较小的情况，比如尾座顶尖轴的夹紧；

径向液压夹紧机构是利用液压使液压装置中的薄壁零件发生微变形，抱紧主轴，对薄壁零件的工艺要求高；

对大扭矩主轴，双从动轮齿轮消隙机构无法满足要求，只能使用双主动轮消隙机构，其造价高；

蜗轮蜗杆消隙机构中有使用双蜗杆的机构，相对来说造价较高，调整相对困难，使用双导程蜗杆消隙机构，但磨损较快，使用寿命较短，相应的精度损失也较快；

电机直驱实现时，要求的电机功率较大，发热量大，造价也相对较高。

现有已公开的中国专利（申请号为：201620903860.0，申请日为：2016.8.18，发明名称为：电主轴液压径向锁止机构），其公开了一种锁止机构，其存在以下缺点：

1、刹车片（即摩擦片222）使用寿命短，传统刹车都是通过对单个点或某一个面施加压力来实现刹车的效果，这会导致在该点或这一面上产生很大的力，长时间使用会导致受力点由于高压而引起变形、磨损和破裂，从而丧失刹车性能。

2、刹车过程长能耗大，在刹车时往往需要很大的压力压住刹车片使其停止转动，一旦失去或压力值达不到额定压力将会导致刹车片失效，所以现有的刹车结构要保持刹车效果，就需要保证持续性的压力。

3、唯一性，传统刹车结构由于其安装需要大量的空间和成本，所以都只安装了一套刹车系统，这往往导致在该刹车片损坏或刹车系统失效时，必须拆卸更换。

4、油缸需要一套供油系统，成本高，污染严重，且不利于后期维护。

有鉴于上述的缺陷，本设计人，积极加以研究创新，以期创设一种用于主轴的后置活塞锁紧机构，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种用于主轴的后置活塞锁紧机构。

本发明的一种用于主轴的后置活塞锁紧机构，包括可旋转运动的芯轴，芯轴的尾端伸入到气缸外壳座和刹车块固定座内；

气缸外壳座内安装第一刹车，刹车块固定座内安装第二刹车；

芯轴上有凸起的摩擦部，芯轴在锁紧状态时，摩擦部的两侧分别与第一刹车和第二刹车接触；

芯轴在自由状态时，摩擦部的两侧分别与第一刹车和第二刹车分离。

这种用于主轴的后置活塞锁紧机构，为芯轴提供两组刹车系统，这两组刹车系统同步的对摩擦部进行夹紧或松开，用于对芯轴进行刹车或者解锁，两组刹车的相向设置，锁止效果好。

进一步的，气缸外壳座和刹车块固定座之间有用于安装定位的限位环，气缸外壳座和刹车块固定座通过螺栓螺孔的方式进行固定。

限位环作为转接用的机构，将气缸外壳座和刹车固定块连接在一起形成一个整体。

进一步的，第一刹车包括多个固定在气缸外壳座内的气缸；

气缸的气缸缸体和气缸端盖通过螺栓进行固定，气缸缸体内部的空腔中安放有活塞，在空腔的两端都设有进气口，活塞与第一刹车块固定连接。

第一刹车的动力由气缸提供，气缸上的通过两端的进气口分别连接气源，在气源的驱动下使其内部的活塞进行前后移动，用于推动第一刹车块与摩擦部接触，实现刹车锁止的目的。

进一步的，第一刹车块下端为圆弧状，第一刹车块靠近限位环的位置有台阶状结构，限位环的一侧为凸起环状结构，该凸起环状结构与第一刹车块的台阶状结构接触，第一刹车块下端的圆弧的半径大于芯轴的半径，第一刹车块的下端为倒角状的第一刹车接触面，第一刹车接触面用于与摩擦部接触。

第一刹车块的形状经过特殊设计，下端为圆弧状，其在安装之后下端与芯轴的外圈不接触，避免干涉芯轴运转，通过与限位环的配合，限制第一刹车块轴线旋转，也能起支撑第一刹车块的目的。

进一步的，刹车块固定座上有与气缸数量一致的缺口，缺口内安装第二刹车块，第二刹车块呈现直角状结构，第二刹车块下端有用于与摩擦部接触的第二刹车接触面，另一端与第一刹车块接触，第二刹车块的拐角位置通过销轴安装在刹车块固定座内。

刹车块固定座安装的第二刹车块与第一刹车块数量一致，并且第二刹车块与第一刹车块接触，在第一刹车块移动的时候即可推动第二刹车块转动，使第二刹车块与摩擦部接触，提供双面摩擦减速的目的。

进一步的，摩擦部截面呈现为等腰梯形状结构、其两侧分别第一刹车接触面以及第二刹车接触面紧密接触或分离。

摩擦部的两侧分别与第一刹车块和第二刹车块的接触面进行接触，提供双向的锁止力。

进一步的，在气缸缸体的底部安装有磁钢用于吸住活塞。

活塞在不推动第一刹车块的时候，其尾端被磁钢吸住，活塞不就会轻易窜动，便于控制第一刹车块的位置。

进一步的，在每一个第二刹车块的外侧都安装有复位机构，该复位机构安装在刹车块固定座上。

第二刹车块是活动安装在刹车块固定座上的，因此需要一个复位机构用于带动第二刹车块回归原位，松开对芯轴的夹持，便于芯轴自由转动。

进一步的，复位机构包括一个螺纹孔，螺纹孔的底部有一个直径小于螺纹孔的通孔，推杆安装在螺纹孔内，推杆的中部有直径大于上述通孔的挡圈，在螺纹孔内旋入堵丝，在堵丝与推杆的挡圈之间安装有弹簧，推杆的末端与第二刹车块外侧接触。

该复位机构通过一个与第二刹车块接触的推杆以及对应的弹簧配合使用，弹簧提供推杆向下的推力，在第二刹车块需要复位的时候，弹簧推动第二刹车转动，使其端部脱离芯轴，完成复位解锁。

进一步的，堵丝与推杆的端部之间有空腔。

在安放推杆的螺纹孔内，堵丝在安装之后使螺纹孔内存在一个空腔，便于推杆上下移动，避免堵丝干涉推杆。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

1、采用若干个气缸多方向自定心锁紧，采用径向抱死与挤压双重刹车结构，可以实现圆周360°任意角度锁紧，且极大程度上减少了轴向力和径向力的影响。

2、双重刹车结构保证了刹车的效率和寿命，均衡的分配每一个刹车块的受力，避免因为大摩擦力和扭矩导致刹车块的损毁。

3、气缸结构简单，同时可以做到承受大扭矩的作用，安装方便，成本比较低，提高了主轴在车削状态的重复定位精度和加工精度。

4、在第一刹车块向下运动的同时，产生的挤压力会使第二刹车块旋转，从而形成第二处锁紧状态，第二处锁紧状态可以大大分担主轴的锁紧力，锁紧力的分散布置有利于降低轴向和径向的变形，减少对轴的损耗，增加刹车机构安全性和使用寿命。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某个实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的图1的剖视图；

图3是本发明气缸安装示意图；

图4是本发明的气缸的剖视图；

图5是本发明的第一刹车块的结构示意图；

图6是本发明的刹车固定座的机构示意图；

图7是本发明的第二刹车块配装示意图；

图8是本发明的图7的后视图；

图9是本发明的图2的局部放大示意图；

图10是本发明的图9的局部发达示意图；

图中1、芯轴，2、气缸外壳座，3、刹车块固定座，4、限位环，5、气缸缸体，6、气缸端盖，7、活塞，8、第一刹车块，9、第一刹车接触面，10、第二刹车块，11、第二刹车接触面，12、磁钢，13、推杆，14、堵丝。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见图1和图2，芯轴1是安装在电主轴内的，其通过电主轴内的支撑机构限位机构以及驱动机构进行旋转，在芯轴1的尾端伸入到气缸外壳座2以及刹车块固定座3内，气缸外壳座2以及刹车块固定座3内分别安装有第一刹车和第二刹车，两组刹车分别与芯轴1上摩擦部的两侧进行接触或分离，用于对芯轴1进行锁止或分离，两侧的刹车同步进行锁止操作，提高对芯轴1锁紧力，并且锁紧效果稳定，避免了芯轴1因为外部施加的压力导致芯轴1的窜动，提高在刹车时芯轴的稳定性。

参见图1和图2，气缸外壳座2和刹车块固定座3通过螺栓螺孔的方式进行固定，气缸外壳座2与刹车块固定座3之间有转接用的限位环4，通过螺栓螺孔的固定方式进行固定，同时在这三者的连接位置安装了密封用的密封圈，避免外界的水汽和杂质进入主轴内，起到保护主轴的目的，同时也起到安装刹车块固定座3的作用。

参见图3-图5，首先在气缸外壳座2内安装多组气缸，气缸的气缸缸体5和气缸端盖6之间通过螺栓进行固定，这个气缸由气泵提供的高压气体由两端的进气口进入到气缸缸体5内，用于驱动安装在气缸缸体5内的活塞7，在图4中上端的进气口注入高压空气的时候驱动活塞7下移，活塞7与第一刹车块8之间是通过活塞7端部的螺纹以及第一刹车块8上的螺孔进行配合固定连接，因此在活塞7下移的过程中即可带动第一刹车块8下移，完成与芯轴1的摩擦部接触，提供摩擦力，进行减速锁止操作，在图4中下端的进气口注入高压空气的时候驱动活塞7上移，进而带动第一刹车块8上移，使第一刹车块8与芯轴1分离，完成解锁操作。

参见图5，提供一种第一刹车块8的结构，第一刹车块8与限位环4内侧的凸起结构密切配合（参见图2中的配合方式），限位环4上这个凸起的结构，起到对第一刹车块8轴向位置的限制，使第一刹车块8的移动方向只能沿着这个凸起环状结构进行上下移动，不会发生左右的偏转运动，在进行刹车操作的时候，芯轴1上旋转力经过第一刹车块8之后大部分传递到限位环4上，这样就能避免活塞7承受较大的扭转力，保护活塞7的安全，同时第一刹车块8的下端圆弧状的结构与芯轴1的外圈是分离，这样在自由状态的情况下，就不会干涉到芯轴1，使芯轴1转动顺畅，第一刹车接触面9呈现为倒角状，其具有一定的倾斜角度，其与摩擦部接触的时候，施加的压力分成两个方向，一个方向为竖直的压紧在摩擦部上起到刹车减速的目的，另一个方向向芯轴1中心压紧的力，起到稳定芯轴1转动方向的目的，避免在刹车的时候芯轴1因为受力出现窜动的情况发生。

参见图2、7和8，第二刹车块10的数量与第一刹车块8的数量一致，第二刹车块10通过销轴活动安装在刹车块固定座3上的缺口内，使第二刹车块10能够依托销轴进行转动，同时第一刹车块8与第二刹车块10之间为接触的状态，这样就使得第一刹车块8和第二刹车块10为联动状态，在第一刹车块8下移的时候，能够推动第二刹车块10在销轴上转动，使第二刹车块10上的第二刹车接触面11与摩擦部的另一个斜面接触，提供刹车锁止的目的。

第二刹车接触面11与第一刹车接触面9呈现为反向的倾斜角度，两者与摩擦部之间接触关系参见图9，摩擦部截面呈现为等腰梯形状结构，两侧倾斜的面分别与第二刹车接触面11与第一刹车接触面9进行接触，第二刹车接触面11在进行刹车操作的时候，同样对摩擦部提供两个方向的力，同样的起到刹车减速以及防止芯轴1窜动的目的。

并且两组刹车同时使用的时候，进一步的提高刹车的效率，也能进一步的防止芯轴1的变形，减少对芯轴1的损耗。

参见图9，在对芯轴1松开状态的时候，活塞7是由高压空气驱动之后回到上方位置，如果断开高压空气的输入，那么活塞7就会因为自身重力下移，启动第一刹车块8和第二刹车块10移动，与芯轴1上的摩擦部接触，就会对芯轴1施加额外的阻力，影响加工，因此在气缸缸体5的底部安装了吸力较强（吸力要大于活塞7以及连接在活塞7上的第一刹车块8的重力）的磁钢12用于对活塞7进行位置固定，无需持续的施加外部作用力，起到节省能源的目的。

参见图9和图10，第二刹车块10的移动由第一刹车块8提供动力，但是第二刹车块10与第一刹车块8之间没有直接的连接关系，那么在第一刹车块8复位之后，第二刹车块10本身是没有复位的能力的，此时第二刹车块10还是与摩擦部接触的，因此采用复位机构驱动第二刹车块10复位，使其脱离芯轴1的摩擦部。

参见图10，该复位机构为进可活动安装在刹车块固定座3内的推杆13，推杆13的中部为凸起的挡圈结构，挡圈结构尺寸避免推杆13从刹车块固定座3上通孔划入到其内部，同时挡圈也用于安装弹簧，弹簧套在推杆13上，并且另一端与堵丝14内侧接触，提供推力，在第一刹车块8复位之后，第二刹车块10的内推杆13推动，使第二刹车块10依托销轴转动，使第二刹车接触面11脱离摩擦部。

在堵丝14与推杆13之间的空腔空间，用于推杆13移动，便于与其接触的第二刹车块10转动。

本发明的工作原理如下：

在初始状态时：气缸内的活塞7处于气缸缸体5的上端，活塞7由磁钢12提供的吸力进行固定，此时第一刹车块8的位置被活塞7拉动，紧贴在限位环4的内侧，使第一刹车接触面9脱离摩擦部，而第二刹车块10在推杆13的推动下，以销轴为中心进行转动，使第二刹车块10的上端与第一刹车块8接触，同时第二刹车块10的第二刹车接触面11脱离摩擦部，此时芯轴1为自由旋转的状态。

在进行锁止操作时：气缸上部的进气口注入高压空气，驱使活塞7下移，活塞7下移的同时驱动第一刹车块8下移，第一刹车块8下移的时候，就能驱动与其解除的第二刹车块10依托销轴进行转动，最终第一刹车块8上的第一刹车接触面9和第二刹车块10上的第二刹车接触面11与摩擦部接触，此时气缸提供的推力越大，第一刹车块8和第二刹车块10为芯轴1上的摩擦部提供的径向摩擦力也越大，最后直至径向抱死芯轴1，在第一刹车块8和第二刹车块10同步锁止操作的时候，第一刹车块8和第二刹车块10不仅仅提供了径向的摩擦阻力用于锁止芯轴1，也提供了轴向力用于维持在刹车过程中芯轴1的转动方向，避免芯轴1出现偏转窜动的情况发生，第二刹车块10形成第二处锁紧状态，第二处锁紧状态可以大大分担主轴的锁紧力，锁紧力的分散布置有利于降低轴向和径向的变形，减少对轴的损耗，增加刹车机构安全性和使用寿命。

在松开刹车时：高压气体从气缸下部的进气口注入，驱散活塞7上移，活塞7带动第一刹车块8上移，此时第一刹车块8施加在第二刹车块10上的力被取消，第二刹车块10由推杆13推动，使其沿着销轴转动，最终第二刹车块10还是与第一刹车块8接触，这个时候，第一刹车块8上的第一刹车接触面9和第二刹车块10上的第二刹车接触面11与摩擦部分离，芯轴1处于自由状态，即可进行转动。

通过多组第一刹车和第二刹车的组合，使整个刹车组件结构简单，拆卸方便，能够实现双重锁紧的功能，多向同步动作施加作用力，具有多方向多点自定心功能，减少主轴轴向窜动和径向摆动。由于气缸的锁紧及松开都是气压控制，可以通过调整气缸的出气的压力来调整气缸锁紧和松开的速度。也有足够的空间增加刹车块与主轴的接触面积，气缸的外置限位环可以承受各个方向的受力，这样锁紧时主轴能够传递大扭矩，保护轴承不承受切削力，解锁时气缸反向进气能够保证刹车盘与主轴及时脱离，生产效率高。能显著地提高主轴的精度和使用寿命。

最后应说明的几点是：首先，在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；

其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后：以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于主轴的后置活塞锁紧机构，包括可旋转运动的芯轴（1），其特征在于：芯轴（1）的尾端伸入到气缸外壳座（2）和刹车块固定座（3）内；

气缸外壳座（2）内安装第一刹车，刹车块固定座（3）内安装第二刹车；

芯轴（1）上有凸起的摩擦部，芯轴（1）在锁紧状态时，摩擦部的两侧分别与第一刹车和第二刹车接触；

芯轴（1）在自由状态时，摩擦部的两侧分别与第一刹车和第二刹车分离；

气缸外壳座（2）和刹车块固定座（3）之间有用于安装定位的限位环（4），气缸外壳座（2）和刹车块固定座（3）通过螺栓螺孔的方式进行固定；

第一刹车包括多个固定在气缸外壳座（2）内的气缸；

气缸的气缸缸体（5）和气缸端盖（6）通过螺栓进行固定，气缸缸体（5）内部的空腔中安放有活塞（7），在空腔的两端都设有进气口，活塞（7）与第一刹车块（8）固定连接；

第一刹车块（8）下端为圆弧状，第一刹车块（8）靠近限位环（4）的位置有台阶状结构，限位环（4）的一侧为凸起环状结构，该凸起环状结构与第一刹车块（8）的台阶状结构接触，第一刹车块（8）下端的圆弧的半径大于芯轴（1）的半径，第一刹车块（8）的下端为倒角状的第一刹车接触面（9），第一刹车接触面（9）用于与摩擦部接触；

刹车块固定座（3）上有与气缸数量一致的缺口，缺口内安装第二刹车块（10），第二刹车块（10）呈现直角状结构，第二刹车块（10）下端有用于与摩擦部接触的第二刹车接触面（11），另一端与第一刹车块（8）接触，第二刹车块（10）的拐角位置通过销轴安装在刹车块固定座（3）内。

2.根据权利要求1所述的一种用于主轴的后置活塞锁紧机构，其特征在于：摩擦部截面呈现为等腰梯形状结构、其两侧分别与第一刹车接触面（9）以及第二刹车接触面（11）接触或分离。

3.根据权利要求2所述的一种用于主轴的后置活塞锁紧机构，其特征在于：在气缸缸体（5）的底部安装有磁钢（12）用于吸住活塞（7）。

4.根据权利要求3所述的一种用于主轴的后置活塞锁紧机构，其特征在于：在每一个第二刹车块（10）的外侧都安装有复位机构，该复位机构安装在刹车块固定座（3）上。

5.根据权利要求4所述的一种用于主轴的后置活塞锁紧机构，其特征在于：复位机构包括一个螺纹孔，螺纹孔的底部有一个直径小于螺纹孔的通孔，推杆（13）安装在螺纹孔内，推杆（13）的中部有直径大于上述通孔的挡圈，在螺纹孔内旋入堵丝（14），在堵丝（14）与推杆（13）的挡圈之间安装有弹簧，推杆（13）的末端与第二刹车块（10）外侧接触。

6.根据权利要求5所述的一种用于主轴的后置活塞锁紧机构，其特征在于：堵丝（14）与推杆（13）的端部之间有空腔。