交換托盤安全式定位錐的創(chuàng)新設(shè)計(jì)

高秀峰

(沈陽機(jī)床(集團(tuán))設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110142)

為了提高零件的加工效率，交換托盤通常被應(yīng)用于臥式加工中心或立式加工中心[1]。定位錐是交換托盤重要的定位機(jī)構(gòu)與拉緊機(jī)構(gòu)，因此，定位錐的精度、拉緊剛度與可靠性直接影響著交換托盤的重復(fù)定位精度、零件加工精度、機(jī)床的加工效率及可靠性。

目前，定位錐的拉緊機(jī)構(gòu)主要有拉爪式與鋼球式2種，拉緊動(dòng)力源主要有液壓式、碟簧式與自鎖式3種。

當(dāng)交換托盤位于加工中心的傾斜式轉(zhuǎn)臺(tái)、搖籃式轉(zhuǎn)臺(tái)或者傾斜姿態(tài)時(shí)，該種工況對于定位錐的拉緊動(dòng)力源的可靠性提出了非常高的要求。如果動(dòng)力源意外喪失或者加工中心停機(jī)導(dǎo)致動(dòng)力源喪失之后，不可靠的拉緊方式極可能導(dǎo)致定位錐拉緊松動(dòng)、交換托盤定位精度不準(zhǔn)確、刀具與零件磕碰甚至交換托盤掉落等嚴(yán)重安全事故。因此，對定位錐的拉緊機(jī)構(gòu)及拉緊動(dòng)力源進(jìn)行研究具有極其重要的意義。

液壓式拉緊完全依賴于加工中心液壓站的壓力，因此，液壓式拉緊的可靠性較差。碟簧式拉緊屬于機(jī)械式拉緊，具有較高的可靠性，但由于碟簧尺寸較大、多片碟簧長度較長，因此造成定位錐整體尺寸偏大。若通過減少碟簧片數(shù)達(dá)到減小定位錐整體尺寸的目的，則會(huì)極大地降低碟簧的使用壽命。自鎖式拉緊盡管具有可靠性高、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，但價(jià)格較高。

根據(jù)上述3種定位錐拉緊動(dòng)力源的綜合分析，研制開發(fā)一種高可靠性、結(jié)構(gòu)緊湊、低成本的安全式定位錐，具有極其重要的意義。

1 傳統(tǒng)液壓式拉緊定位錐工作原理

目前，國內(nèi)外最常用的是液壓式拉緊定位錐，本文以德國Berg公司的產(chǎn)品為例，簡要闡述液壓式拉緊定位錐的工作原理，詳情如圖1所示。

松開進(jìn)油口6進(jìn)油后，活塞7帶動(dòng)拉爪8向上移動(dòng)，此時(shí)拉爪8松開。交換托盤連同上錐蓋1及拉釘2放置在下椎體4上之后，拉緊進(jìn)油口5進(jìn)油，活塞7帶動(dòng)拉爪8下移，拉爪8拉緊拉釘2。

由圖1可得知，液壓式定位錐的拉緊完全依賴于加工中心液壓站的壓力，因此液壓式拉緊定位錐的可靠性較差。

2 安全式定位錐創(chuàng)新設(shè)計(jì)

2.1 安全式定位錐結(jié)構(gòu)組成

筆者公司在深入研究當(dāng)前液壓式拉緊定位錐的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種安全式定位錐。該安全式定位錐在正常工作時(shí)，依賴液壓進(jìn)行拉緊與松開，但在液壓動(dòng)力源意外喪失之后，還能依賴自身內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對拉釘?shù)臒o壓拉緊，極大地保證了交換托盤及加工中心的安全性。

安全式定位錐的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

2.2 安全式定位錐工作原理

如圖3所示，安全式定位錐的動(dòng)作流程是：

1無壓無釘拉緊→2有壓無釘松開→3有壓有釘拉緊→4無壓有釘拉緊→5有壓有釘松開→6有壓無釘松開。

在圖2中，定位錐在初始無壓狀態(tài)時(shí)，外活塞7與內(nèi)活塞10分別在復(fù)位彈簧的作用下實(shí)現(xiàn)鋼球的拉緊。交換托盤連同上錐蓋1及拉釘2放置在下椎體5上之前，松開進(jìn)油口6進(jìn)油，外活塞7壓迫復(fù)位彈簧向下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)鋼球松開。交換托盤連同上錐蓋1及拉釘2放置在下椎體5上之后，拉緊進(jìn)油口12進(jìn)油，該路油同時(shí)推動(dòng)外活塞7向上移動(dòng)以及內(nèi)活塞10向下移動(dòng)，這兩個(gè)反向同步移動(dòng)實(shí)現(xiàn)了鋼球?qū)數(shù)目煽坷o。當(dāng)液壓動(dòng)力源意外喪失之后，內(nèi)活塞10在復(fù)位彈簧的作用下向上移動(dòng)一段微小距離，與下缸蓋貼合；外活塞7由于受到復(fù)位彈簧8向上的推力作用，因此外活塞7仍靜止不動(dòng)。此時(shí)，鋼球4盡管同步上移了與內(nèi)活塞10相同的一段微小距離，但仍處于外活塞7的圓柱內(nèi)孔與內(nèi)活塞10的徑向小孔之間，因此此時(shí)鋼球4仍然實(shí)現(xiàn)了對拉釘?shù)目煽坷o。若要松開交換托盤時(shí)，松開進(jìn)油口6進(jìn)油，外活塞7壓迫復(fù)位彈簧8向下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)鋼球?qū)數(shù)乃砷_。拉釘抬起后，鋼球定位塊15在復(fù)位彈簧14的作用下向上移動(dòng)至密封蓋處，松開進(jìn)油口6泄壓，外活塞7在復(fù)位彈簧8的作用下向上移動(dòng)至初始位置，整個(gè)定位錐又返回至初始的無壓無釘拉緊的狀態(tài)。

2.3 安全式定位錐的無壓拉緊原理

對圖3d的鋼球和外活塞分別作受力分析，如圖4所示。

由圖4a可得：

N74=N24cosα

(1)

N104=N24sinα

(2)

α≤45°

(3)

式中：N74、N24、N104分別表示外活塞7對鋼球4的支撐力、拉釘2對鋼球4的支撐力、內(nèi)活塞10對鋼球4的支撐力。其中，N104等于定位錐對拉釘?shù)睦o力。

由圖4b可得：

F+f=fN74

(4)

fN74=uN74

(5)

式中：F、f、fN74、u分別表示外活塞復(fù)位彈簧的總復(fù)位推力、密封圈摩擦力、鋼球4對外活塞7的摩擦力、摩擦系數(shù)。

由式(1)～(5)可得：

F

(6)

設(shè)外活塞復(fù)位彈簧的數(shù)量為n，則每個(gè)彈簧的最大復(fù)位推力為：

(7)

設(shè)定位錐對拉釘?shù)睦o力N104=20 kN，鋼球與外活塞之間的摩擦系數(shù)u=0.001～0.005，外活塞復(fù)位彈簧數(shù)量n=4。

由式(7)可得外活塞每個(gè)復(fù)位彈簧的最大復(fù)位推力為：

(8)

由上述計(jì)算分析可以得出，通過內(nèi)外活塞及各復(fù)位彈簧的巧妙設(shè)計(jì)，可以在液壓動(dòng)力源意外喪失之后，仍能通過較小的力實(shí)現(xiàn)定位錐對拉釘強(qiáng)力的可靠拉緊，這就是安全式定位錐的無壓拉緊原理。

3 結(jié)語

針對目前液壓式拉緊定位錐可靠性較差、碟簧式拉緊定位錐尺寸較大、自鎖式拉緊定位錐價(jià)格較高的問題，筆者公司自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種全新的安全式定位錐。

該產(chǎn)品可靠性高、尺寸小巧、價(jià)格低廉，并且可以在動(dòng)力源意外喪失或者加工中心停機(jī)導(dǎo)致動(dòng)力源喪失之后，仍然能夠?qū)崿F(xiàn)定位錐對拉釘?shù)目煽坷o。該產(chǎn)品的研發(fā)，對交換托盤在臥式加工中心或立式加工中心的可靠應(yīng)用，具有極其重要的實(shí)際意義。