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自动换刀系统采用弹簧夹头和外驱动夹紧机构等关键技术，并作为加工中心的标准附件组织专门化生产，不仅可以大大简化了机床主轴结构，也使数控机床的工作性能明显提高。由于系统全部采用圆柱柄刀具和辅具，使加工中心的配套成本大幅下降。
本文介绍笔者研究的一种可供数控机床选型配套的高性能弹簧夹头自动换刀系统的结构模式。
一、系统的组成
如图1所示，弹簧夹头自动换刀系统由设置在机床主轴轴端的弹簧夹头、分布在机床主轴箱两侧的外驱动刀具夹紧机构、刀具交换装置、扩展型链式刀库以及系统控制器组成。 （图片）
图1 配套弹簧夹头自动换刀系统的机床外观 弹簧夹头是该自动换刀系统的核心部件。它的工作性能及结构的完善程度，除直接影响刀具的夹持性能及影响数控机床的切削加工性能外，也影响机床主轴的优化设计，是自动换刀系统设计的重点。
外驱动刀具夹紧机构和刀具交换装置的作用是完全模仿现有弹簧夹头使用中人手换刀的动作。刀具夹紧机构必须具备夹紧力大、夹紧力恒定、结构简单、工作稳定可靠的特点。
刀具交换装置采用双臂回转机械手工作方式。这种装置在换刀时能同时抓取固定在刀座和机床主轴弹簧夹头中的刀具，进行交换和装刀、卸刀操作，它的动作简单，换刀时间短。本系统采用的刀具交换装置完全可类同于现有加工中心常用的刀具交换装置。
刀具柄部全部采用统一直径的标准圆柱刀柄，链式刀库中的刀座结构及刀具的固定方式与锥柄结构的固定方式和刀座结构会有很大不同。因此，还要设计出适合于圆柱刀柄存放、固定的专用刀座，刀座还必须便于刀具的装卸。刀柄的其他结构，如整体式结构或带有接长杆的组合结构形式，都可采用与现有数控机床的刀具结构完全相同的结构形式。至于链式刀库的驱动，以及刀具的识别也完全可以采用现有数控机床的成熟结构和控制方式。
本系统采用PLC控制器，对自动换刀系统的换刀动作进行全方位控制管理，它与机床的数控单元之间可通过几条联络线进行通讯和数据交换。
二、系统的关键部件和机构的设计
1. 弹簧夹头
通过第一代小型弹簧夹头自动换刀系统样机的研究表明，要进一步提高机床主轴的工作性能，并满足数控机床自动换刀的要求，设计研制的机床主轴轴端弹簧夹头必须能够很好地解决以下关键问题：1)圆柱刀柄与弹簧夹头接触面之间，在夹紧状态下应有足够的接触刚度。弹簧夹头中的弹簧套与机床主轴轴端锥孔接触面之间，在夹紧状态下也应有足够的接触刚度。2)在加工过程中机床主轴必须给刀具传递足够的切削扭矩。3)弹簧夹头采用螺旋夹紧机构，在夹紧刀具时除向刀具提供足够大的径向夹紧力外，还必须具备可靠的自锁性能。4)刀具交换装置和弹簧夹头在每次更换刀具后，应使刀具具有较高的重复定位精度。5)在换刀过程中具有自动清理刀柄和弹簧夹头型腔内铁屑尘渣的功能。6)机床主轴轴端应结构简单和工艺性好，便于主轴自身的优化的设计。（图片）
1.主轴轴端结构 2.弹簧套 3.齿圈螺母套 4.V型槽挡圈 5.滚动体 6.孔底双侧半圆键 7.喷气口 8.圆柱形刀柄
图2 机床主轴专用弹簧夹头 经过反复研究对比，提出了如图2所示的弹簧夹头结构设计方案。方案中弹簧夹头由主轴轴端结构1、弹性夹紧元件——弹簧套2、齿圈螺母套3、V型槽挡圈4、滚动体5、孔底双侧半圆键6、喷气口7组成。
1) 主轴轴端结构
内圆锥面的圆锥角2α一般取30°。取较大圆锥角的目的是，刀柄容易被松开，便于刀具的装卸。
设置在孔底的两个半圆键，其作用是通过刀柄向刀具切削刃传递足够的切削扭矩。半圆键顶部加工出导向锥，便于刀柄插入。同时在两个半圆键的同一侧(非工作侧面)沿轴向加工出长槽，在槽内固定弹簧片，弹簧片工作面略高出半圆键表面，其作用是当两半圆键插入刀柄尾端半圆槽后，以消除半圆键与刀柄半圆槽工作表面间隙，防止刀具插入后由于间隙的存在，当切削扭矩大于弹簧套与刀柄之间的摩擦扭矩时，产生相对滑动而划伤刀具圆柱柄。主轴孔底中央设置一个喷气口，喷气口与主轴中心孔气路相通。交换刀具时，压缩空气通过喷气口，进入弹簧套型腔，吹净附着在弹簧套内和刀具刀柄上的铁屑污物。主轴轴端外圆表面加工出一段螺纹，供齿圈螺母套3与主轴轴端联接。
这样确定的主轴轴端结构具有简单、工艺性好、占据空间小等特点，有利于机床主轴按照其自身的要求进行最优化、标准化设计。
2) 弹簧套
弹簧套为薄壁圆锥形弹性元件，是弹簧夹头关键件。弹簧套锥部可以根据需要开出多条轴向槽。弹簧套大径一端设计出挡圈止口，以便通过挡圈向弹簧套提供轴向推力。
3) 齿圈螺母套
本设计采用螺旋夹紧机构。据资料介绍，在一对螺旋副中，当螺旋升角" 小于螺纹的当量摩擦角f0时，螺旋夹紧机构就会具有很好的自锁性能。对于普通标准螺纹，采用钢—钢摩擦副，其当量摩擦角φ0=6°35'，而本螺纹螺旋升角λ=2°29'，即λ≤φ0。
弹簧夹头夹紧机构采用螺旋夹紧机构完成夹紧、锁紧刀柄。螺母套带有齿圈，其目的是通过齿圈与夹紧机构中的齿轮正确啮合传递扭矩。为了减小齿圈螺母套在夹紧刀具时的摩擦损失，在齿圈螺母套的外端与弹簧套挡圈之间加工出V型槽，槽内密排一圈钢球，从而形成了弹簧夹头最简单的结构方案。为了进一步增强螺旋夹紧机构在切削过程中的抗冲击能力(即在冲击过程中仍能保持机构的自锁夹紧性能)，弹簧夹头夹紧机构的结构形式完全可以采用国内生产的一种强力弹簧夹头刀柄的结构形式。
在夹紧刀具的过程中为了保证刀柄与弹簧套之间无相对移动，即刀具跟随弹簧套一起作同步轴向位移，同时还要保证刀具在每次换刀后都能保持很好的轴向重复定位精度，就必须保证刀具柄部的定位端面与弹簧套定位端面间在夹紧过程中始终保持接触。在本设计中，这一动作是由刀具交换位置中的机械手提供的，即机械手在夹紧过程中始终给刀柄提供一个使刀柄凸缘定位端面与弹簧套端面靠紧的向上作用的弹性力。目前弹性夹头的定心精度一般可以达到0.01mm，甚至更高。
2. 外驱动刀具夹紧装置
要保证圆柱柄刀具在切削过程中始终能够被可靠地夹持在弹簧内夹头内，除弹簧夹头应有自锁性能外，换刀过程中夹紧装置必需给弹簧夹头提供足够的夹紧力。刀具夹紧机构如图3所示。（图片）
1.螺母套 2.齿轮 3.齿轮 4.驱动电机 5.蜗杆减速器 6.拨杆 7.挡铁 8.挡铁 9.行程开关 10.压力传感器
图3 外驱动刀具夹紧机构 夹紧力是通过螺母套的增力作用产生对弹簧足够大的轴向推动力，并通过两锥面的相互作用实现。螺母套的旋转是通过螺母套上的齿圈与夹紧装置中的齿轮2的啮合运动获得。齿轮3空套在减速器输出轴上，拨杆6与蜗轮轴刚性联结。夹紧、放松刀具的动作流程如下：主轴停转并进入主轴换刀准停位置，刀具夹紧装置从主轴箱一侧进入刀具预定换刀位置，齿轮2随同刀具夹紧装置沿弹簧夹头螺母套齿圈径向方向对插啮合，驱动电机4带动蜗轮轴顺时针旋转(俯视图为逆时针旋转)，蜗轮轴带动拨杆6拨动(通过压力传感器)齿轮3、齿轮3驱动齿轮2、齿轮2驱动弹簧夹头螺母套夹紧刀具，当压力传感器10达到额定压力，电机停转，完成夹紧刀具的工作过程。额定夹紧力可通过设定压力传感器临界压力值来确定。放松刀具的动作可通过电机反向旋转，直接拨动挡铁7、驱动齿轮3、齿轮2及螺母套、放松弹簧夹头、松开刀具。当挡铁8接触行程开关9，电机停止，放松动作完成。可通过调整行程开关9的位置，来设定弹簧夹头放松刀具的程度。刀具的夹紧和放松是依靠螺母套和主轴的相对转动实现的，因此机床主轴必须设定准停、锁定装置（机构）。另外，齿轮2在驱动螺母套旋转的过程中，由于螺母套在作螺旋运动，它必然产生一定的轴向位移。在有载荷的情况下，如果齿轮2不产生同步轴向位移，将会使传动很难完成，或者有可能拉伤齿面，因此在刀具夹紧装置的机构设计上还必须设置齿轮2的同步轴向移动机构。
3. 圆柱柄结构
系统采用的刀柄结构如图4所示。采用圆柱柄刀具(或刀柄)具有以下显著优点：首先，圆柱面(包括弹簧套内圆面和刀柄圆柱面)具有很好的加工工艺性，精度很容易保证，因此本自动换刀系统中刀柄圆柱面与弹簧套内圆面之间在夹紧状态下，必须能够很好接触，必然会获得比现有锥柄刀具夹紧时更高的接触刚度，它有利于机床主轴工作性能的提高。其次，圆柱柄在换刀过程中具有很好的导入清污能力，即刀柄沿弹簧套轴线插入时，在弹簧套内尚存的赃物残屑必然会被刀柄推入主轴凹槽内，起到清理作用。（图片）
图4 圆柱刀柄结构 圆柱刀柄尾部加工出对称的双半圆键槽，形成八字形开放结构，这样便于压缩空气清理，同时也便于换刀时主轴孔底双半圆键的插入。
圆柱柄顶部设计出带有V形槽环的凸缘，便于刀具交换装置中机械手抓取刀具。凸缘内端面用作刀具轴向定位基准，即在整个换刀过程中，刀柄在换刀机械手的作用下始终使该定位基准与弹簧套端面靠合，以保证刀具的轴向定位精度。
另外在换刀过程中为了使刀柄半圆键槽与主轴孔底端面键能够准确对中定位，除机床主轴设有准停机构外，圆柱刀柄插入刀座时也必须保证半圆键槽的准确方位。
8/1/2005
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