一種高速主軸鎖緊防松機構的研究與應用

趙 雄 楊云霞

(①昆明鐵路機械學校，云南昆明650208;②昆明金殿中學，云南昆明650224)

隨著科技的進步，世界機床行業正在朝著高速化、高精度化和高可靠性發展。由于高速切削加工時離心力、切削負荷和振動的影響，刀具系統的結構安全性和高精度的動平衡是至關重要的，刀具系統必須具有良好的平衡狀態和安全性。

一般來說，高速銑削加工機床的刀具系統是由拉刀機構、刀柄系統和鎖緊機構組成。高速切削機床在加工時，大多數會存在正反向旋轉切削加工情況，刀具系統所受的載荷也會隨著變化，使得刀具鎖緊機構可靠性下降，刀具整體不平衡的影響加劇，造成安全隱患和加工質量的不穩定。

1 結構原理

鎖緊防松機構是在鎖緊連接結構基礎上，增加由防松螺釘、鋼珠以及和鋼珠形成相切線的作用錐孔共同組成。其工作機理為:當調整防松螺釘后，螺釘軸向進給，推動鋼珠將作用力均勻加載在鋼珠和錐孔相切圓上，這個結構類似于力、位移放大器，即增力機構，將產生大小相同、方向通過相切圓法線的分布力，使軸端向外均勻有限變形，進而鎖緊螺紋周向緊密咬合，減小螺紋間隙，達到防松的目的。

如圖1所示，在高速加工機床主軸系統內部、拉桿3和拉爪8之間的連接過渡件滑套4內，增加鋼珠5、防松螺釘6、防松螺母座7;滑套4和拉桿3采用螺紋連接;拉桿3軸端內部有一錐孔和鋼珠5相切配合，通過防松螺釘6擰緊時產生的軸向力推動鋼珠5，這個力間接作用于拉桿3內錐孔使其向外周均勻擴張，如圖2b，從而使拉桿3和滑套4連接螺紋變形，讓連接螺紋牙均勻咬合。當金屬切削加工時，在碟形彈簧2作用下，拉桿3帶動滑套4往上移動，拉動拉爪8將刀柄9軸向拉緊，隨著主軸1高速旋轉切削，即使在正反旋轉切削加工時刀柄9都不會脫落。

2 理論計算

將圖1中防松機構簡化為圖2a力學分析模型，設鋼珠的直徑為2R，拉桿和鋼珠相切點處的內錐圓孔口處的直徑為2r，一般來說2r＜2R，內錐孔錐角為2α。

當旋轉防松螺釘，軸向進給位移Δx，將產生軸向的推力Fx，推動鋼珠將力間接施加在拉桿內錐切圓上，從而使內錐產生徑向力Fr;理論上講，如果忽略摩擦、加工制造和裝配誤差，徑向力Fr將均勻分布在相切圓周線上(如圖2b)。如果徑向力足夠大，使拉桿內錐向外變形Δr根據理論力學相似原理，我們等效出拉桿內錐和鋼珠相切點處等效力學三角形和等效位移三角形(如圖3)。

根據以上的假設條件，我們計算出本機構在防松螺釘軸向進給Δx后，拉桿在錐孔相切處產生位移Δr的徑向力Fr。結合幾何學和理論力學原理，得到如下方程:

也即:

式中:α為軸端錐孔錐度的一半;Δx為防松螺釘軸向位移;Δr為紋連接軸端外徑徑向變形量;Fx為防松螺釘產生的軸向推力;Fr為螺紋連接軸端產生Δr變形量所需的徑向力;R為鋼珠的半徑;r為鋼珠和錐孔相切圓的半徑。

在實際應用時，調整螺釘的位移可以根據主軸轉速、動平衡精度綜合考慮。本機構中的零件都為對稱件，零件遠遠小于主軸回轉半徑，且安裝方式都通過軸心線，產生的殘余不平衡質量非常小。

3 應用與結論

該結構設計者已經獲得國家知識產權局發明專利授權(ZL200810058388.5)，同時我們將該結構應用在數控銑床VMC850和中小型加工中心機床主軸系統上進行驗證，主軸系統的拉刀機構為增壓氣缸，刀柄系統為BT40，主軸最高轉速達16 000 r/min。通過性能試驗研究和實際切削表明，主軸系統的振動小，回轉精度高，松拉刀動作準確可靠，沒有出現掉刀情形，說明這種結構設計是可靠和可行的。

總之，本機構結構簡潔，制造和裝配較為簡單，定位精度較高，動平衡性能較好，主軸系統的振動和噪聲非常小，可以廣泛應用于高速旋轉軸系中。