施琴慧，李 俊

（南京機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京211135）

0 引言

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床企業(yè)都有較強(qiáng)的設(shè)計(jì)能力、生產(chǎn)能力，為取得國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，各生產(chǎn)廠家除了提高產(chǎn)品本身的質(zhì)量［1］、提高性價(jià)比外，對(duì)用戶的個(gè)性化服務(wù)愈來(lái)愈周到，主要表現(xiàn)在對(duì)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(shè)計(jì)，來(lái)滿足不同用戶的要求。

1 數(shù)控車(chē)床主軸內(nèi)孔的定位機(jī)構(gòu)的選擇背景

在數(shù)控車(chē)床零件的切削加工過(guò)程中尤其涉及零件的深孔、端面及螺紋加工時(shí)，由于不能采用尾架頂緊的夾持方式，常規(guī)狀態(tài)下必須采用中心架來(lái)輔助支撐，而中心架輔助支撐必須對(duì)零件的外圓表面預(yù)先加工。當(dāng)同一批次零件的直徑大小存在著一定范圍的誤差時(shí)，必須要調(diào)整中心架的中心，否則會(huì)由于中心架的中心與機(jī)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(huì)因?yàn)橹行募茏陨韯傂圆蛔愣鹆慵庸け砻娈a(chǎn)生震紋，中心架的存在還極易引發(fā)機(jī)床切削刀具的干涉，切削加工零件操作時(shí)需要非常小心謹(jǐn)慎［2］。綜上所述，使用中心架會(huì)因零件外圓定位不準(zhǔn)或中心架剛性不足發(fā)生震顫現(xiàn)象而達(dá)不到零件加工精度的要求，而主軸內(nèi)置定位送料裝置就可以解決這個(gè)問(wèn)題，不需對(duì)零件的外圓夾持面預(yù)加工，不需考慮中心架的剛性和干涉區(qū)域，只需將零件置于主軸內(nèi)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(jù)用戶的要求、根據(jù)數(shù)控車(chē)床的回轉(zhuǎn)油缸的配置情況，研究人員可以用兩種主軸內(nèi)孔定位機(jī)構(gòu)對(duì)零件進(jìn)行定位加工，分別是后置氣缸主軸內(nèi)孔推料定位機(jī)構(gòu)及前置主軸內(nèi)孔定位機(jī)構(gòu)，后置氣缸推料定位機(jī)構(gòu)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(guò)氣缸的前進(jìn)、后退完成零件的推料功能，如圖1所示。如果數(shù)控車(chē)床配置的是實(shí)心油缸，則我們采用前置主軸內(nèi)孔定位機(jī)構(gòu)，將主軸內(nèi)孔定位的整套機(jī)構(gòu)固定在一個(gè)固定套內(nèi)，固定套與卡盤(pán)固定并配合定心，軸向定位的定位套與固定套相連接，內(nèi)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(nèi)孔定位機(jī)構(gòu)均可根據(jù)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(nèi)孔定位推料機(jī)構(gòu)具有極大的通用性和實(shí)用性。

2 兩種主軸內(nèi)孔的定位機(jī)構(gòu)具體方案原理

圖1 后置氣缸主軸內(nèi)孔推料定位機(jī)構(gòu)

結(jié)合簡(jiǎn)圖淺析主軸內(nèi)孔定位機(jī)構(gòu)的實(shí)施原理，圖1是后置氣缸主軸內(nèi)孔推料定位機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（省略了主軸箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和擋料裝置簡(jiǎn)圖），該機(jī)構(gòu)采用后置氣缸推料并實(shí)現(xiàn)定位的主要由直線氣缸1、安裝板2、定位螺母3、調(diào)整螺桿4、兩個(gè)支架5、拉桿6、滾動(dòng)軸承7、定位心軸8、端蓋9［2］、定位盤(pán)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(jī)構(gòu)的工作原理是：分別從機(jī)床主軸箱的頂面和側(cè)面伸出兩個(gè)支架5將直線氣缸1固定在安裝板2上，調(diào)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(lái)，在定位芯軸8外圓上設(shè)置兩個(gè)深溝球軸承（有一定跨距）并通過(guò)鎖緊螺母鎖緊后置于拉桿6的內(nèi)腔中，并通過(guò)端蓋9固定，定位盤(pán)10通過(guò)在圓周上設(shè)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(guò)一周邊8個(gè)長(zhǎng)螺柱11（長(zhǎng)螺柱上纏繞圓柱形壓縮彈彈簧12）與定位盤(pán)10連接。拉桿6在直線氣缸1的活塞桿的帶動(dòng)下前后運(yùn)動(dòng)驅(qū)使定位盤(pán)10、定位碗13作前后直線運(yùn)動(dòng)。而定位盤(pán)10、定位碗13則通過(guò)定位芯軸8與滾動(dòng)軸承7的內(nèi)隔圈相連可以與被加工零件一起做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣定位盤(pán)10、定位碗13當(dāng)零件上、下料時(shí)需要作前后運(yùn)動(dòng)，在零件切削時(shí)隨著零件做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)［2］。定位盤(pán)10和定位碗13的外徑與主軸內(nèi)孔需有配合并有形位公差要求，保證整套推料定位機(jī)構(gòu)與主軸的同心。后置氣缸推料定位機(jī)構(gòu)需有擋料裝置來(lái)配合完成整套氣缸推料定位的動(dòng)作。擋料裝置根據(jù)情況不同有多種結(jié)構(gòu)（一般采用彈性結(jié)構(gòu)，內(nèi)含彈簧），安裝方式有多種，可以安裝在機(jī)床的刀盤(pán)上，也可以安裝在機(jī)床的尾座上，也可以單獨(dú)裝在機(jī)床的導(dǎo)軌上（具體結(jié)構(gòu)此處不作詳談）。零件切削定位時(shí)整套機(jī)構(gòu)的操作過(guò)程是：零件上料時(shí)，當(dāng)直線氣缸的活塞桿推動(dòng)定位盤(pán)10和定位碗13至機(jī)床主軸的孔口（即氣缸的最前極限位置）時(shí)，將零件放入定位碗13中，用擋料裝置中的擋料盤(pán)端面與工件的端面貼合，此時(shí)擋料裝置將克服氣缸的推力前進(jìn)，將本機(jī)構(gòu)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(gè)方向均勻抱緊零件并實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的錐面定心，定位碗13與零件跟隨刀架向主軸內(nèi)孔前進(jìn)，并繼續(xù)壓縮圓柱形彈簧12至零件端面與定位盤(pán)10的端面可靠貼合，當(dāng)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(pán)的端面，從而完成零件錐面輔助定心并末端定位過(guò)程［2］，這時(shí)表明零件已經(jīng)可靠定位，此時(shí)卡爪夾緊零件，擋料裝置退回，直線氣缸頂緊零件，主軸旋轉(zhuǎn)，然后切削加工零件。加工完成后，擋料裝置前進(jìn)至其端面與工件的端面貼合位置，此時(shí)卡爪松開(kāi)，擋料裝置開(kāi)始后退，氣缸同步前進(jìn)至上料位即氣缸推料定位機(jī)構(gòu)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(duì)零件的推料并定位的一套完整動(dòng)作。其中的調(diào)整機(jī)構(gòu)是通過(guò)調(diào)整螺桿4將直線氣缸1的活塞桿與拉桿6的尾部通過(guò)螺紋連接，根據(jù)零件的長(zhǎng)短需要用扳手調(diào)整拉桿6的前后合適位置（拉桿6的左端有一個(gè)扁絲為扳手使用），調(diào)整合適后用緊固螺釘鎖緊。前后調(diào)整的范圍可根據(jù)被加工零件長(zhǎng)短和實(shí)際的需求來(lái)合理設(shè)計(jì)調(diào)整螺桿4的長(zhǎng)度。定位碗13的圓錐度和尺寸的大小根據(jù)被加工零件的不同錐度與直徑可作相應(yīng)的更換，從而使本機(jī)構(gòu)具有可換性、通用性和極高的性價(jià)比［2］。

后置氣缸推料定位機(jī)構(gòu)在實(shí)際使用時(shí)如果零件不大的話，擋料裝置可以省略。本機(jī)構(gòu)在實(shí)際使用時(shí)，還可根據(jù)加工零件的重量選擇氣缸活塞桿直徑的大小來(lái)保證有一定的推力以克服整套機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的摩擦力，從而將零件推進(jìn)或推出。

氣缸推力大小與活塞桿直徑的關(guān)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(nèi)孔推料定位機(jī)構(gòu)中氣缸1的前進(jìn)和后退由一個(gè)三位五通的電磁閥來(lái)控制。整套機(jī)構(gòu)動(dòng)作可通過(guò)編制電氣PLC程序來(lái)控制，極大提高了生產(chǎn)效率。

圖2是前置主軸內(nèi)孔定位機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（省略了主軸箱的內(nèi)部結(jié)構(gòu)）。前置主軸內(nèi)孔定位裝置［3］，分為兩部分，一部分為內(nèi)孔定位裝置，主要包括固定套7、定位碗8、定位套9、滑動(dòng)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(pán)相連接，通過(guò)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(dòng)套10內(nèi)腔，滑動(dòng)套10與用于接納加工零件并對(duì)之定位的定位碗8相連，使定位碗8在固定套7內(nèi)可軸向移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)零件的輔助定心彈性?shī)A緊功能。擋板13與滑動(dòng)套10相連起限位作用。另一部分為推料機(jī)構(gòu)，用于輔助托料并將零件推至主軸內(nèi)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(pán)5、托料桿6，托料桿6、定位盤(pán)5和推料碟形彈簧4通過(guò)芯軸3固定于安裝板2上，安裝板2通過(guò)刀夾1固定在刀盤(pán)上，整套推料機(jī)構(gòu)可由刀架驅(qū)動(dòng)使之前進(jìn)或后退。在零件上料時(shí)，一端置于主軸內(nèi)孔端部，另一端置于托料桿6上，推料機(jī)構(gòu)中的定位盤(pán)5起輔助定心的作用，推料機(jī)構(gòu)隨著刀架向右前進(jìn)將零件推入主軸內(nèi)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(shí)際要求進(jìn)行更換），推料機(jī)構(gòu)中的推料碟形彈簧4克服主軸內(nèi)孔定位裝置中的定位碟形彈簧11的力推動(dòng)滑動(dòng)套10（滑動(dòng)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(shí)，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(jī)構(gòu)中的碟形彈簧4的剛度必須大于主軸內(nèi)孔中的碟形彈簧11的剛度。由于固定套7固定在卡盤(pán)上位置不動(dòng)，到位后推料碟形彈簧4將被壓縮變形，此時(shí)表明零件在上料完畢時(shí)已可靠錐面定心、末端定位，零件從兩個(gè)方向被可靠定位。這時(shí)，卡盤(pán)夾緊，刀架回退至工作位置，開(kāi)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(jī)構(gòu)進(jìn)行輔助托料，卡盤(pán)松開(kāi)，進(jìn)行下料，從而完成零件的推料定位整套動(dòng)作［3］。對(duì)于某一種固定的零件，主軸內(nèi)孔定位機(jī)構(gòu)裝配調(diào)試完畢后即可正常工作，在工作過(guò)程中不需調(diào)整，而推料裝置前進(jìn)、后退動(dòng)作可通過(guò)編制數(shù)控程序來(lái)控制。

圖2 前置主軸內(nèi)孔定位機(jī)構(gòu)

這兩種主軸內(nèi)孔定位機(jī)構(gòu)各有特點(diǎn)，均具有很好的可靠性和通用性，前者在數(shù)控車(chē)床配置空心回轉(zhuǎn)油缸時(shí)可選用，它的自動(dòng)化程度較高，可降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，生產(chǎn)率會(huì)有顯著提高。后者結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，裝拆方便，經(jīng)濟(jì)性好,尤其在一些機(jī)床外部條件（如機(jī)床配置實(shí)心油缸、機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊等）受到限制的情況下有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［3］。

3 結(jié)語(yǔ)

在保證零件加工質(zhì)量前提下，提高生產(chǎn)率、提高零件加工多元化的程度是我們當(dāng)今世界制造業(yè)發(fā)展的總趨勢(shì)、總目標(biāo)。制造業(yè)的經(jīng)營(yíng)者為了鎖定更多的客戶群，更大的盈利目標(biāo)，對(duì)機(jī)床行業(yè)提出加工零件質(zhì)量穩(wěn)定、設(shè)備精度優(yōu)良等要求［4］，普遍采用全功能數(shù)控編程及全自動(dòng)上下料來(lái)減少輔助的工作時(shí)間，達(dá)到提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本的目的，還有很多的機(jī)床廠家將為用戶設(shè)計(jì)合理化的夾具來(lái)吸引用戶，提高機(jī)床的競(jìng)爭(zhēng)力，例如美國(guó)哈挺機(jī)床，工作母機(jī)的不變加夾具的定制來(lái)應(yīng)對(duì)客戶的萬(wàn)變零件。作為機(jī)床行業(yè)，除了對(duì)現(xiàn)有機(jī)床提高各種速度，減少加工時(shí)間外，更要考慮在機(jī)床的零件夾持方式、上下料及加工等方面采用合理的結(jié)構(gòu)保證其動(dòng)作的連貫性、可靠性，以提高整機(jī)的平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF），因此，主軸內(nèi)孔定位機(jī)構(gòu)作為機(jī)床的輔助功能部件，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)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(dòng)強(qiáng)度，特別適合大批大量零件的加工?，F(xiàn)階段在軍工領(lǐng)域、食品機(jī)械、石油鉆桿行業(yè)運(yùn)用較為廣泛。隨著數(shù)控機(jī)床的夾具、工裝等進(jìn)一步改進(jìn)和開(kāi)發(fā)，還將展示出數(shù)控機(jī)床在機(jī)械制造業(yè)中更廣闊的應(yīng)用前景。