數控車床主軸內孔的定位機構研究

施琴慧，李 俊

（南京機電職業技術學院，江蘇南京211135）

0 引言

現階段，國內數控機床企業都有較強的設計能力、生產能力，為取得國內外市場的競爭優勢，各生產廠家除了提高產品本身的質量［1］、提高性價比外，對用戶的個性化服務愈來愈周到，主要表現在對用戶的典型零件切削加工的工裝夾具的方面，采用多元化設計，來滿足不同用戶的要求。

1 數控車床主軸內孔的定位機構的選擇背景

在數控車床零件的切削加工過程中尤其涉及零件的深孔、端面及螺紋加工時，由于不能采用尾架頂緊的夾持方式，常規狀態下必須采用中心架來輔助支撐，而中心架輔助支撐必須對零件的外圓表面預先加工。當同一批次零件的直徑大小存在著一定范圍的誤差時，必須要調整中心架的中心，否則會由于中心架的中心與機床主軸的不同心而引起零件的震擺，并且使用了中心架還會因為中心架自身剛性不足而引起零件加工表面產生震紋，中心架的存在還極易引發機床切削刀具的干涉，切削加工零件操作時需要非常小心謹慎［2］。綜上所述，使用中心架會因零件外圓定位不準或中心架剛性不足發生震顫現象而達不到零件加工精度的要求，而主軸內置定位送料裝置就可以解決這個問題，不需對零件的外圓夾持面預加工，不需考慮中心架的剛性和干涉區域，只需將零件置于主軸內孔，由定位套軸向定位、定位碗輔助徑向定心，完成零件的切削加工。根據用戶的要求、根據數控車床的回轉油缸的配置情況，研究人員可以用兩種主軸內孔定位機構對零件進行定位加工，分別是后置氣缸主軸內孔推料定位機構及前置主軸內孔定位機構，后置氣缸推料定位機構安裝于主軸箱后部并要求油缸是空心油缸，氣缸固定于主軸箱的尾部，通過氣缸的前進、后退完成零件的推料功能，如圖1所示。如果數控車床配置的是實心油缸，則我們采用前置主軸內孔定位機構，將主軸內孔定位的整套機構固定在一個固定套內，固定套與卡盤固定并配合定心，軸向定位的定位套與固定套相連接，內置彈簧可以使零件的錐面與定位碗的錐面完全配合完成零件的輔助定心功能［3］，如圖2所示。這兩種主軸內孔定位機構均可根據加工零件的種類不同，只需改變定位套和定位碗就可以滿足不同零件的定位夾持要求，從而使主軸內孔定位推料機構具有極大的通用性和實用性。

2 兩種主軸內孔的定位機構具體方案原理

圖1 后置氣缸主軸內孔推料定位機構

結合簡圖淺析主軸內孔定位機構的實施原理，圖1是后置氣缸主軸內孔推料定位機構的結構簡圖（省略了主軸箱的內部結構和擋料裝置簡圖），該機構采用后置氣缸推料并實現定位的主要由直線氣缸1、安裝板2、定位螺母3、調整螺桿4、兩個支架5、拉桿6、滾動軸承7、定位心軸8、端蓋9［2］、定位盤10、螺柱11、圓柱形壓縮彈簧12、定位碗13等組成。后置氣缸推料機構的工作原理是：分別從機床主軸箱的頂面和側面伸出兩個支架5將直線氣缸1固定在安裝板2上，調整螺桿4將直線氣缸1的活塞桿與拉桿6左端螺孔連接起來，在定位芯軸8外圓上設置兩個深溝球軸承（有一定跨距）并通過鎖緊螺母鎖緊后置于拉桿6的內腔中，并通過端蓋9固定，定位盤10通過在圓周上設置的螺釘與定位芯軸8的端面連接成一體，而定位碗13通過一周邊8個長螺柱11（長螺柱上纏繞圓柱形壓縮彈彈簧12）與定位盤10連接。拉桿6在直線氣缸1的活塞桿的帶動下前后運動驅使定位盤10、定位碗13作前后直線運動。而定位盤10、定位碗13則通過定位芯軸8與滾動軸承7的內隔圈相連可以與被加工零件一起做旋轉運動。這樣定位盤10、定位碗13當零件上、下料時需要作前后運動，在零件切削時隨著零件做旋轉運動［2］。定位盤10和定位碗13的外徑與主軸內孔需有配合并有形位公差要求，保證整套推料定位機構與主軸的同心。后置氣缸推料定位機構需有擋料裝置來配合完成整套氣缸推料定位的動作。擋料裝置根據情況不同有多種結構（一般采用彈性結構，內含彈簧），安裝方式有多種，可以安裝在機床的刀盤上，也可以安裝在機床的尾座上，也可以單獨裝在機床的導軌上（具體結構此處不作詳談）。零件切削定位時整套機構的操作過程是：零件上料時，當直線氣缸的活塞桿推動定位盤10和定位碗13至機床主軸的孔口（即氣缸的最前極限位置）時，將零件放入定位碗13中，用擋料裝置中的擋料盤端面與工件的端面貼合，此時擋料裝置將克服氣缸的推力前進，將本機構退至最后位置，即定位螺母靠緊安裝板。如何確定零件是否可靠定位呢？由于定位碗13的錐面與被加工的零件錐面是互相配合的，定位碗13依靠圓柱形壓縮彈簧12的彈力分別從8個方向均勻抱緊零件并實現對零件的錐面定心，定位碗13與零件跟隨刀架向主軸內孔前進，并繼續壓縮圓柱形彈簧12至零件端面與定位盤10的端面可靠貼合，當擋料裝置中的圓柱形壓縮彈簧變形，表明零件端面已貼合定位盤的端面，從而完成零件錐面輔助定心并末端定位過程［2］，這時表明零件已經可靠定位，此時卡爪夾緊零件，擋料裝置退回，直線氣缸頂緊零件，主軸旋轉，然后切削加工零件。加工完成后，擋料裝置前進至其端面與工件的端面貼合位置，此時卡爪松開，擋料裝置開始后退，氣缸同步前進至上料位即氣缸推料定位機構中氣缸的最前位置，擋料裝置回退，卸下零件，完成采用直線氣缸對零件的推料并定位的一套完整動作。其中的調整機構是通過調整螺桿4將直線氣缸1的活塞桿與拉桿6的尾部通過螺紋連接，根據零件的長短需要用扳手調整拉桿6的前后合適位置（拉桿6的左端有一個扁絲為扳手使用），調整合適后用緊固螺釘鎖緊。前后調整的范圍可根據被加工零件長短和實際的需求來合理設計調整螺桿4的長度。定位碗13的圓錐度和尺寸的大小根據被加工零件的不同錐度與直徑可作相應的更換，從而使本機構具有可換性、通用性和極高的性價比［2］。

后置氣缸推料定位機構在實際使用時如果零件不大的話，擋料裝置可以省略。本機構在實際使用時，還可根據加工零件的重量選擇氣缸活塞桿直徑的大小來保證有一定的推力以克服整套機構運動的摩擦力，從而將零件推進或推出。

氣缸推力大小與活塞桿直徑的關系為：

F=P×S

式中：F為氣缸推力（kgf）；

P為氣缸的工作壓力（kgf/cm2）；

S為氣缸活塞的工作面積（cm2）。

在氣缸主軸內孔推料定位機構中氣缸1的前進和后退由一個三位五通的電磁閥來控制。整套機構動作可通過編制電氣PLC程序來控制，極大提高了生產效率。

圖2是前置主軸內孔定位機構的結構簡圖（省略了主軸箱的內部結構）。前置主軸內孔定位裝置［3］，分為兩部分，一部分為內孔定位裝置，主要包括固定套7、定位碗8、定位套9、滑動套10、定位碟形彈簧11、連接軸12、擋板13、鎖緊螺母14和連接板15，固定套7與卡盤相連接，通過鎖緊螺母14、連接板15與連接軸12固定。將定位碟形彈簧11套在連接軸12上后安裝于滑動套10內腔，滑動套10與用于接納加工零件并對之定位的定位碗8相連，使定位碗8在固定套7內可軸向移動，從而實現零件的輔助定心彈性夾緊功能。擋板13與滑動套10相連起限位作用。另一部分為推料機構，用于輔助托料并將零件推至主軸內孔可靠定位，主要包括刀夾1、安裝板2、芯軸3、推料碟形彈簧4、定位盤5、托料桿6，托料桿6、定位盤5和推料碟形彈簧4通過芯軸3固定于安裝板2上，安裝板2通過刀夾1固定在刀盤上，整套推料機構可由刀架驅動使之前進或后退。在零件上料時，一端置于主軸內孔端部，另一端置于托料桿6上，推料機構中的定位盤5起輔助定心的作用，推料機構隨著刀架向右前進將零件推入主軸內孔定位裝置中的定位碗8中，由于定位碗8的錐面與加工的零件錐面是互相配合的（定位碗可視錐面和直徑按實際要求進行更換），推料機構中的推料碟形彈簧4克服主軸內孔定位裝置中的定位碟形彈簧11的力推動滑動套10（滑動套10與定位碗8相連）向右直至零件的左端面與定位套9貼合，此時，零件錐面與定位碗的錐面也完全配合完成零件的定心。需要注意的是推料機構中的碟形彈簧4的剛度必須大于主軸內孔中的碟形彈簧11的剛度。由于固定套7固定在卡盤上位置不動，到位后推料碟形彈簧4將被壓縮變形，此時表明零件在上料完畢時已可靠錐面定心、末端定位，零件從兩個方向被可靠定位。這時，卡盤夾緊，刀架回退至工作位置，開始加工零件的深孔、端面及螺紋等。加工完成后，再由刀架上的推料機構進行輔助托料，卡盤松開，進行下料，從而完成零件的推料定位整套動作［3］。對于某一種固定的零件，主軸內孔定位機構裝配調試完畢后即可正常工作，在工作過程中不需調整，而推料裝置前進、后退動作可通過編制數控程序來控制。

圖2 前置主軸內孔定位機構

這兩種主軸內孔定位機構各有特點，均具有很好的可靠性和通用性，前者在數控車床配置空心回轉油缸時可選用，它的自動化程度較高，可降低操作者的勞動強度，生產率會有顯著提高。后者結構更為簡單，裝拆方便，經濟性好,尤其在一些機床外部條件（如機床配置實心油缸、機床結構緊湊等）受到限制的情況下有其獨特的優勢［3］。

3 結語

在保證零件加工質量前提下，提高生產率、提高零件加工多元化的程度是我們當今世界制造業發展的總趨勢、總目標。制造業的經營者為了鎖定更多的客戶群，更大的盈利目標，對機床行業提出加工零件質量穩定、設備精度優良等要求［4］，普遍采用全功能數控編程及全自動上下料來減少輔助的工作時間，達到提高生產率、降低生產成本的目的，還有很多的機床廠家將為用戶設計合理化的夾具來吸引用戶，提高機床的競爭力，例如美國哈挺機床，工作母機的不變加夾具的定制來應對客戶的萬變零件。作為機床行業，除了對現有機床提高各種速度，減少加工時間外，更要考慮在機床的零件夾持方式、上下料及加工等方面采用合理的結構保證其動作的連貫性、可靠性，以提高整機的平均無故障時間（MTBF），因此，主軸內孔定位機構作為機床的輔助功能部件，結構簡單，調整、操作、使用非常方便，性能可靠而且具有可換性，提高了工作效率，降低了操作者的勞動強度，特別適合大批大量零件的加工。現階段在軍工領域、食品機械、石油鉆桿行業運用較為廣泛。隨著數控機床的夾具、工裝等進一步改進和開發，還將展示出數控機床在機械制造業中更廣闊的應用前景。