主軸拉刀力檢測裝置設計*

何成云 霍紅梅 胡廣強 王鳳山 李國海

（青海一機數控機床有限責任公司，青海西寧 810018）

數控機床的切削刀具一般采用碟形彈簧拉緊在主軸錐孔上，拉刀力的大小直接影響刀具定位的可靠性。如果拉刀力過大，將引起主軸錐孔的彈性擴張，切削加工的精度和效率將大幅下降，同時松刀力也會隨之變大，這將影響主軸的精度和壽命。如果拉刀力小于規定值，主軸錐孔與刀具的連接剛性不足，輕則降低了重復定位精度和換刀精度，影響加工質量，嚴重的會造成機床事故，甚至人身傷害事故。為確保主軸部件的壽命及對工件的加工精度，必須要對刀具的拉緊力大小制定更嚴格的要求和檢測。設計本裝置的目的，主要是為了測量主軸拉刀系統拉刀力的大小。并能夠適時監控主軸內部拉刀機構的工作狀態，從而有效地保證生產加工過程的安全可靠及加工精度的要求。

1 拉刀力檢測裝置設計和應用的必要性

高性能的高速主軸部件從設計到零件制造、組裝及性能檢測，每一過程都是環環相扣，缺一不可。事實上，主軸實際的拉刀力與設計理論計算的拉刀力并不一致。主要是由碟形彈簧的實際特性與理論載荷特性的差異、碟形彈簧之間及碟形彈簧與導向件之間存在的摩擦力等因素所致。此外由于機械的疲勞，比如碟形彈簧的磨損、破損等問題，會使主軸拉刀力下降到一個特定的值，由此可能引發一系列的后果:①主軸磨損增加;②主軸振動，從而影響工件的表面粗糙度;③微動，影響主軸錐度和拉緊力;④意外磨損;⑤使用壽命減少;⑥機床操作者的安全性。所以為了確保主軸部件的高品質和高可靠性，不僅要從提升零部件設計、制造及組裝技術入手，還需要更進一步地加強檢測能力和提升檢測手段。拉刀機構拉刀力的量化檢測對于提升主軸部件的質量性能是非常必要的。

近年來，我國機床主機和零部件行業得到了突飛猛進的發展，產品的檔次和水平有了很大的提高。但由于國內大部分企業對產品性能及可靠性方面的研究不夠重視，相應的檢測工藝方面的研究和投入力度不大，導致檢測工藝很落后。目前大部分檢測儀器及軟件只能依賴進口，不僅價格非常昂貴，還要受好多條款限制。因此，為盡快解決目前中國數控機床向高端發展過程中存在的諸多瓶頸問題，還需業內同行們共同努力，自主研發設計和掌控核心技術。只有這樣才能提高產品的性能和可靠性，降低成本、節約資金，不斷提升企業的核心競爭力。

2 拉刀力檢測裝置結構及工作原理

主軸拉刀力檢測裝置是一款用于測量主軸拉刀桿拉力大小的儀器。該裝置主要有拉釘、刀柄、活塞、壓力表、密封圈和油堵組成（如圖1）;拉釘1和活塞3通過螺紋M連接在一起，而刀柄和拉釘之間為間隙配合，軸向可滑動。P孔為壓力表接口，Q孔為加注油液及排氣接口，用油堵6封死。A腔為壓力油腔，B腔為空氣腔。

該裝置的工作原理如下:將檢測裝置插入主軸錐孔內，通過拉刀機構將其拉緊。此時拉刀力F就通過拉釘1作用在活塞3上。眾所周知，當壓力油作用在油缸活塞上時會對活塞產生推或拉的力。同樣對活塞施加推或拉的外力來擠壓封閉油腔內液體，就能使封閉腔內液體產生壓強。根據帕斯卡定律:“加在密閉液體上的壓強，能夠大小不變地由液體向各個方向傳遞”可知，A腔的油液在外力F的擠壓作用下產生壓強P，并通過連接在活塞上的壓力表將此壓強值顯示出來。通過下面的式（1）和（2）可推導出相應壓強值和活塞面積與作用力間的數據關系式（3），并可計算出所要測的拉刀力F的大小。

檢測拉刀力F的大小理論推導如下:在拉力F（N）作用下，A腔壓力油產生的壓強為P（MPa）可由壓力表讀出，那么:

壓力油腔的活塞大、小直徑分別為d1和d2（mm），活塞的有效作用面積:

對于某個確定的檢測裝置而言，d1和d2為定值，故活塞的有效作用面積S（mm2）為一個常數，將此常數設為系數k（N/MPa），式（1）可轉化為:

式（3）即為主軸拉刀力與壓力表壓強測試值間的線性方程，根據此式便可計算得出所要測的拉刀力F的大小。常數k為該檢測裝置的剛度系數。

該裝置有兩種方式得出所測得的拉力值。其一，根據式（3）將該檢測裝置的剛度系數k乘以從壓力表上顯示的壓力值計算得到所測得拉刀力F的值;其二，根據該檢測裝置的剛度系數k定制專用的能直接顯示所測拉刀力（N）的壓力表［簡單的說就是用剛度系數k換算，將壓力表表盤上的壓強刻度值（MPa）對應的轉換成相應的拉力刻度值（N）］，就可直接從表上讀出所測得拉刀力F的值。

該裝置設計使用時有以下幾方面的要求:首先，為確保檢測數據更精確，要求A腔充滿高粘度的液壓油，同時保證將內部空氣被完全排出;B腔內應填充適量的潤滑油脂，并且要與外界自由相通（通過拉釘中心的小孔）。其次，為防止因A腔壓力油微量泄漏造成測量誤差及負載突變造成較大的壓力波動和沖擊，一般情況下最好是在每次檢測前通過旋緊螺紋M對A腔的壓力油進行預壓處理，預壓量為預檢測拉力值的70%左右為宜（當且僅當外加負載大于預壓負載時壓力表顯示值才會按外界負載值變化）;每次檢測工作完成后對A腔的壓力油進行泄壓處理是非常有必要的。另外，要在保證尺寸d3、d4、c及f與標準尺寸保持不變的情況下，盡可能縮短b、e尺寸的長度，同時要相應加長a尺寸長度，其目的:①減輕重量，降低操作者的勞動強度，節省原材料;②降低了零件的制造難度，提高了工藝性能和加工效率;③使用專用的拉釘，確保檢測裝置的精度、可靠性和使用壽命。

3 拉刀力檢測裝置的應用實例

以錐孔形式為ISO 7∶24 No．50的高速切削型主軸來舉例說明檢測裝置對拉刀力檢測的應用實例。如圖2所示，將拉刀力檢測裝置插入主軸錐孔并用主軸拉刀機構將其拉緊。ISO 7∶24 No．50的主軸拉刀力檢測裝置中活塞的設計直徑分別為:

則根據式（1）可求出檢測裝置的剛度系數:

（說明該款檢測裝置壓力表上每MPa刻度值壓強對應的拉力值應為2 450 N。）將此剛度系數代入式（3）得:

此時壓力表指示約為6 MPa左右，由式（4）可近似求出此拉刀機構的拉刀力為:

將所測的拉刀力數據與設計給定值對比，從而可得知實際的拉刀力是符合設計要求的。

假若所測的拉刀力數據與設計給定值對比不符合要求時，則需從拉刀機構各調整環節來調整拉刀力的大小直至符合要求。

4 拉刀力檢測裝置的規格類型

為適應對不同規格主軸拉刀力的檢測，設計時需采用模塊化設計理念。通常要按不同的主軸序號規格把檢測裝置刀柄、拉釘設計成ISO 7∶24 No．30（40、45、50、60）或 HSKA50（63、80、100）等形式。按不同的刀庫機械手適配刀柄形式不同及不同的主軸拉刀機構適配拉釘形式不同，可將檢測裝置刀柄、拉釘分別設計成對應的JT（國際標準ISO）、BT（日本標準MAS403）及CAT（美國標準ANSIB5．50）等形式，以最大限度地滿足不同客戶群體的需求。

表1 幾種型號規格的主軸拉刀力設計經驗值（N）

目前國內加工中心常用的主軸錐孔形式多為ISO 7∶24 No．40和 No．50兩種，常用的刀柄和拉釘形式為國際標準、日本標準及美國標準三種。以下提供兩種常用規格主軸序號中不同類型的主軸拉刀力設計經驗值（見表1），供讀者參考。

5 拉刀力檢測裝置功能擴展設計簡述

為了檢測數據更直觀、更準確及所測數據可進行計算機分析和處理的需要，該裝置可擴展為帶數字顯示的，也可以是帶數據輸出等的諸多派生產品。

首先，將現有的常規壓力表更換成為性能較高的數顯式壓力表，并根據該裝置的剛度系數k設定好輸入與輸出數據間的數據交換處理關系，這樣便可直接顯示和讀取被檢測拉刀力的數值大小。其次，將這種通過借助油液的壓強測拉力的結構的裝置轉換為性能更高的檢測裝置。其方法簡而言之就是將按A腔尺寸定制的φd1×φd2×L的壓電晶體裝入A腔內（建議最好是按壓電晶體供應商的標準外形尺寸來確定A腔尺寸），通過數據線連接與外置顯示裝置或與計算機數據傳輸和交換處理，可得出要檢測的結果。另外，此類裝置在結構稍作改動的情況下，用于對數控機床主軸系統所受的切削抗力、進給系統的推拉力、夾具系統的夾緊力、工作臺負載力等的實時動態檢測和過載保護等課題研究方面，以及用于對類似主軸箱等垂向移動部件的重力平衡系統中平衡力檢測、校正和動態補償等課題研究方面，有極高的使用和研究價值。其工作原理與拉刀力檢測裝置類同，在此不再贅述。

6 結語

經過使用證明，該主軸拉刀力檢測裝置可方便準確地檢測出主軸拉刀機構實際的拉刀力，而且能夠適時監控主軸內部拉刀機構工作狀態是否正常。該檢測裝置結構簡單，動作可靠，檢測數據準確效率高，使用方便，通用性強，制造或采購成本低，經久耐用，便于維護，功能可擴展性強等諸多優點。希望本設計能對讀者朋友有所幫助和啟發，并能在各行業得到推廣應用。

［1］《機床設計手冊》編寫組．機床設計手冊［M］．北京:機械工業出版社，1986．

［2］成大先．機械設計手冊．單行本．液壓傳動［M］．北京:化學工業出版社，2004．

［3］《金屬切削機床設計》編寫組．金屬切削機床設計［M］．上海:上海科學技術出版社，1985．