基于AD與TRIZ的加工中心主軸松拉刀機構優化設計

左斌，王仁忠，陶宇，王敏

(1.蘇州市職業大學機電工程學院，江蘇蘇州 215104；2.紐威數控裝備(蘇州)股份有限公司，江蘇蘇州 215153)

0 前言

數控加工中心是一種功能齊全且高效的數控機床[1]，加工過程中數控系統根據被加工零件的工序自動選擇并更換合適的刀具，完成零件表面的切削、銑削、鉆削等多個工序的加工。數控加工中心的主軸系統是控制刀具旋轉以及自動更換刀具的部件，當主軸系統進行刀具更換時需借助松拉刀機構完成刀具松開和夾緊2個動作，而松拉刀機構直接影響刀具的更換速度，因此它是高速銑削機床的研究熱點。國內眾多學者對松拉刀機構與主軸系統做了相應的研究：于陳江等[2]進行了主軸松刀裝置底座變形問題的研究，提高了松拉刀機構的直面鎖緊裝置的機械性能；何強等人[3]研究了電主軸的單氣缸動力不足的問題，實現了雙氣缸松拉刀裝置在電主軸上的應用；吳東陽等[4]對松拉刀過程中主軸軸承的受力進行分析，設計出了浮動缸卸荷結構。以上研究均未考慮主軸系統的性能變化，而在實際生產加工的過程中，主軸系統因刀具頻繁更換后常出現無法松刀的情況。為經濟高效地解決此問題，需綜合分析主軸結構和松刀結構，設計出新型結構以滿足主軸系統頻繁更換刀具的要求。

TRIZ理論是前蘇聯科學家ALTSHULLER通過對大量專利和創新方案進行分析得出的創新解決問題方法[5-7]，主要包括八大進化法則、39個通用技術參數、40個發明原理和76個標準解等。AD公理化設計是美國麻省理工學院SUH教授提出的一種邏輯性強的思維方法和工具[8]，主要包括信息公理和獨立公理2個公理原則。這些方法的理論研究與應用一直受到國內外學者熱捧：劉志峰等[9]應用TRIZ沖突原理構建可拆卸系統物-場模型并提出改進方法；俞斌、陳振華[10]基于AD/TRIZ構建了鋼卷開卷裝置優化設計流程；劉曉敏等[11]基于AD/TRIZ融合流程設計了海草夾苗機械手創新方案。

本文作者針對數控加工中心頻繁更換刀具時出現的松刀力不足、無法松刀的問題，應用TRIZ功能模型和因果鏈分析找出松刀問題的根本原因，并綜合TRIZ沖突原理與AD獨立公理提出松拉刀的優化設計方案。

1 主軸松拉刀問題描述

數控加工中心在加工過程中可通過一次裝夾完成零件的多個工序加工，但此過程中需選擇并更換多把刀具，因此，主軸上刀具的更換是數控加工中的一個重要環節。刀具在更換過程中分為刀具夾緊和松開2個動作，實現該動作的部件為松拉刀機構。在更換刀具時常出現松刀力不足和無法松刀2種情況，其產生原因為：(1)松刀力不足。加工中心完成多次松刀、拉刀后，活塞桿與缸體以面接觸的形式運動時不可避免地因多次摩擦而出現發熱情況，導致密封圈老化甚至出現裂紋，從而影響密封圈的性能，引起松刀力不足；(2)無法松刀。加工中心的刀具在頻繁更換過程中，松拉刀機構需多次完成松開、夾緊動作，導致主軸中碟簧彈性逐漸減小、可靠性降低，致使松拉刀機構運動行程不足、無法松刀。

2 主軸松拉刀問題分析

2.1 系統組件功能分析

目前市面上數控加工中心主軸松拉刀的動力源多以液壓或氣動為主，它主要由前缸蓋、后缸蓋、油缸、活塞桿、密封圈、拉桿、碟簧、主軸等組成，如圖1所示。主軸松刀時，液壓油進入油缸的右腔，推動活塞桿向前移動并與拉桿接觸，此時主軸中的碟簧對拉桿產生反向作用力，隨著液壓油的壓力持續增大，活塞桿推動拉桿繼續向前移動直至拉釘松開，實現主軸松刀；主軸拉刀時，油缸中的右腔壓力為零，活塞桿在彈簧作用下完成復位，同時主軸在碟簧的作用下推動拉桿向后運動完成拉刀。

圖1 某數控設備主軸松拉刀結構

運用TRIZ系統組件工具對主軸松拉刀功能組件分析，主軸松拉刀的超系統組件、系統組件和子系統組件見表1。工程技術系統是主軸松拉刀，其功能為松開和夾緊，對主軸松拉刀組件兩兩之間的相互關系進行分析，建立相互關系矩陣，如表2所示。其中，組件間存在相互作用關系用“+”表示，組件間不存在相互作用關系用“-”表示，同一組件間不做比較。通過相互關系矩陣可以更加直觀地掌握各個組件間的作用。

表1 主軸松拉刀組件分析

表2 主軸松拉刀相互關系矩陣

根據表1和表2建立主軸松拉刀的功能模型，如圖2所示?？芍核衫兜膭幼魇峭ㄟ^活塞桿推動拉桿實現，活塞桿的運動是利用液壓油和彈簧驅動，因此，可初步判斷出影響松刀的原因是活塞桿強度、液壓油的壓力和彈簧強度。

圖2 主軸松拉刀功能模型

2.2 系統因果鏈分析

分析圖2判斷松刀故障的初步原因，更深層次原因還需進一步挖掘。因果鏈分析工具可幫助全面識別系統組件以及超系統組件的各種問題，找出根本原因。文中主要探討的問題是數控加工中心主軸系統無法正常松刀，因此圍繞松刀故障進行系統因果鏈分析，如圖3所示。

圖3 主軸松拉刀因果鏈分析

分析圖3得出松刀故障主要由松刀力不足以及拉桿未到位所引起的，進一步分析挖掘出更深層次的原因為：(1)打刀缸密封性差；(2)彈簧力過大；(3)活塞桿和拉桿尺寸??；(4)碟簧運動次數多；(5)油缸、主軸間有灰塵、雜質等進入；(6)刀具斷裂；(7)材料老化；(8)主軸溫升。

結合主軸松拉刀的實際使用情況，針對上述分析所得的關鍵問題提出初步解決思路，將問題分為3類進行闡述：第一類，通過優化原有配置即可解決的問題：將O形密封圈更換成唇形密封圈提高密封性能解決問題(1)；增加活塞桿和拉桿的直徑提高材料剛度解決變形問題(3)；選擇優質性能的材料、改進油缸、增加主軸間的防塵裝置解決問題(2)(5)(7)；主軸作為數控機床的核心部件，其設計過程經過嚴謹的計算，其溫升產生的誤差可通過溫度補償或冷卻方式解決問題(8)。第二類，屬于系統組件且不易解決的問題：加工中心的主軸需要多次更換刀具，碟簧作為主軸的常用配置不可避免地需要多次被壓縮和釋放，對它改進較為困難，涉及問題(4)。第三類，超系統問題(6)不作此次解決問題的研究對象。

3 主軸松拉刀問題解決

3.1 運用TRIZ工具生成方案

根據因果鏈的分析所得到的根本原因中，問題(4)為主軸碟簧多次運動導致碟簧性能降低，影響主軸松刀精度，屬于改進較為困難的問題，在此將運用TRIZ工具尋找解決方案。首先將碟簧與拉桿2個物質轉化為物場模型，然后運用76個標準解尋找解決方案。碟簧在較大作用力下推動拉桿使刀具夾緊，屬于“有效”模型。主軸碟簧經長期壓縮后壓縮量變小，致使主軸松刀距離減少，因而松刀失敗，此時物場模型屬于“有效-效應不足”的模型，如圖4所示。該物場模型可應用TRIZ理論中的第2類標準解來增強不足效應：運用標準解S2.1，在模型中增加一個“機械場F2”和另一個物質“松刀桿S3”形成鏈式物場模型，即在活塞桿的前端增加松刀桿物質彌補主軸松刀距離以確保松刀順利，此時物場模型變為“有效”模型，如圖5所示。

圖4 效應不足的拉桿物場模型

圖5 有效的拉桿物場模型

根據改進后的物場模型設計新型的主軸松拉刀初始方案(見圖6)：在活塞桿前端增設松刀桿結構，并通過螺紋連接自由調整松刀桿與活塞桿間的距離，在液壓作用下活塞桿帶動松刀桿共同推動拉桿壓縮碟簧完成主軸松刀，從而解決碟簧性能降低所導致的主軸松刀失敗的問題。

圖6 主軸松拉刀初始方案

3.2 運用AD獨立公理判斷方案

依據初始方案的結構功能需求與設計參數構建兩者之間的表達式，如式(1)所示：

(1)

式中：FR1為松開拉桿功能矢量；FR2為調節拉桿功能矢量；DP1為活塞桿參數；DP2為松刀桿參數。

實際操作中，依據初始方案在活塞桿前端增設松刀桿結構時，無法直接調節松刀桿與活塞桿的移動距離，需拆下松拉刀整個機構才能進行調節，即功能矢量FR1和功能矢量FR2相關，兩者間產生了耦合，故原始設計矩陣A為

A矩陣中的子元素表示功能需求到設計參數間兩元素的關聯程度，1表示兩者間存在關聯，0表示兩者間弱關聯或無關聯。

根據AD獨立公理原則可知，松拉刀機構在移動活塞桿和調節松刀桿距離時，兩者間功能不能相互影響，即兩者間應該是非耦合的，但此時活塞桿和松刀桿的功能之間產生了耦合，說明原始改進方案不可行，故需消除A21，使得A21=0 。為消除“松開拉桿”和“調節拉桿”兩功能之間的相互影響，可借助TRIZ沖突原理將其轉化為物理矛盾問題，并利用空間分離原理進行問題求解，形成優化方案：在空間上將松刀機構分為松刀桿調節區和活塞桿移動區，活塞桿移動區設計成環形套筒置于外部，可調節的松刀桿移動區呈包圍狀態，松刀桿與活塞桿之間通過螺桿固定，如圖7所示。首先根據碟簧的壓縮量預先調整松刀桿與活塞桿的距離，完成松刀桿調節區的調整。然后利用液壓推動活塞桿移動完成主軸松刀的單獨控制，從而很好地解決了“松開拉桿”和“調節拉桿”兩者之間的矛盾。此時A矩陣變成一個對角矩陣，滿足AD獨立公理設計要求，方案可行。

圖7 主軸松拉刀優化方案

4 主軸松拉刀優化方案落地實施

4.1 主軸松拉刀機構理論分析

(1)主軸松刀力計算

數控加工中心在銑削被加工零件表面時會伴隨著切削力F[12]，切削力可分解成3個相互垂直的切向力Fz、徑向力Fr、軸向力Fx。通過數控機床手冊查找，得到切削力F的公式：

(2)

(3)

根據數控機床設計手冊相關資料以及數控機床的實際使用情況確定相關參數：ap為背吃刀量，粗加工時可達8～10 mm；af為每齒進給量，取值為0.1～0.3 mm；d為銑刀直徑，取20 mm；aw為銑削寬度，取100 mm；Z為銑刀齒數，取5；x、y、z分別為0.86、0.72、-0.86；Cp為系數，取68.2；δHB為零件的布氏硬度，取190HB。將相關參數代入式(2)中得到最大切削力。

對稱銑削時，切向力Fz與水平走刀力Fh、豎直走刀力Fy、軸向力Fx之間的關系有：

(4)

整理式(4)得軸向力Fx：

(5)

根據文獻[12]可知，銑削分力系數K1取值為0.80～0.90，代入式(5)得Fx的曲線如圖8所示?？芍篕1參數相同時，螺旋角ω與主軸軸向力Fx成正比；螺旋角相同時，K1參數與主軸軸向力Fx成反比。因此，當K1參數值最小、ω=45°時軸向力最大，此時Fx=9 179 N。

圖8 主軸軸向力曲線

同時，數控加工中心在鉆削過程中產生的切削力F可根據式(6)計算：

F=309dKpf0.8

(6)

式中：f為每轉進給量；Kp為修正系數；d為刀具直徑。

很顯然加工中心在鉆削時所產生的切削力遠小于銑削時所產生的切削力，故主軸的拉刀力取決于銑削力。加工中心在加工各種零件時，選取不同的加工參數會使切削力不同，在文中所選參數下得出的拉刀力為9 179 N，然而在松刀時拉桿會進一步壓縮碟簧以實現刀柄脫離拉爪，因此松刀力比拉刀力大一倍可確保松刀順利，故松刀力為18 358 N。

(2)調整螺桿計算

數控加工中心加工箱體類零件時常需根據工藝要求多次更換主軸刀具，使得主軸上的松刀桿頻繁工作。為保證松刀桿正常工作，有必要對松刀桿上的調節螺桿進行計算分析。初步選用合金鋼作為螺桿材料，強度等級為8.8級，故螺桿的抗拉強度為800 MPa，屈服強度為640 MPa。由于換刀時主軸碟簧變形量最大，導致碟簧對松刀桿的作用力也最大，故此時松刀桿上的螺桿也承受最大的軸向載荷，其載荷量Fa=18 358 N。若采用6個螺桿均勻分布在松刀桿上，則單個螺桿所受的外力為

Fa1=Fa/6

(7)

由式(7)計算得Fa1=3 060 N，單個螺桿承受的總拉力為碟簧的軸向載荷力和螺桿的殘余預緊力之和：

F2=Fa1+0.5σsA

(8)

螺桿危險截面的拉伸強度：

(9)

式中：F2為單個螺桿的總拉力；σs為螺桿的屈服強度；Fa1為單個螺桿所受的外載荷；d0為螺桿的底徑。

由式(8)(9)計算得d0約為4.75 mm，選擇螺桿底徑大于4.75 mm即可，故選擇6個M6的螺桿用于固定松刀桿。

4.2 主軸松拉刀機構仿真分析

(1)幾何建模

由主軸松拉刀機構的優化方案可知：新型松拉刀機構主要由油缸、活塞桿、松刀桿、螺桿和法蘭蓋組成。主軸換刀時通過液壓油驅動活塞桿向前移動，活塞桿通過法蘭蓋與松刀桿固定連接，從而帶動松刀桿向前，推動拉桿完成松刀。根據主軸松拉刀的理論分析以及查閱相關資料得出松拉刀機構的主要設計參數如表3所示[3]。

表3 松拉刀機構的主要設計參數

利用SolidWorks軟件的拉伸、旋轉、掃描切除等功能對各部件進行建模并裝配[13]，通過工具欄中的“干涉檢查”命令對松拉刀機構進行檢查，結果顯示無干涉，判定該模型符合裝配要求，其裝配見圖9。

圖9 松拉刀機構優化設計模型

(2)有限元分析

松刀時主軸的軸向反力直接作用在松刀桿上，若松刀桿的強度和剛度不足則會影響主軸松刀，故對其進行靜力學分析。首先定義松刀桿的材料為45鋼，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為2.1×105MPa，屈服強度為220 MPa?；谇蔬M行網格劃分，最大單元為10 mm，最小單元為2 mm。在松刀桿的前端面設置固定約束，松刀桿的大徑右端面處施加軸向力18.4 kN進行仿真計算，結果如圖10、11所示?？芍核傻稐U在左端面約束條件下最大的應力為45.24 MPa，小于材料的屈服強度；最大變形量靠近載荷處，約為6.995 μm，變形量小，符合結構設計要求。

圖10 松拉桿應力分布

圖11 松拉桿位移分布

4.3 松拉刀機構試驗研究

(1)試驗指標及方法

根據上述優化方案，制作了新型松拉刀機構并安裝在臥式加工中心主軸上，如圖12所示。分別將主軸拉力計、主軸松刀量具安裝在加工中心BT50主軸上，通過調節液壓站的液壓力進行不同工況下的主軸松刀試驗，如圖13所示。

圖12 松拉刀實物結構

圖13 松拉刀測試

為驗證主軸松拉刀機構的性能及工作可靠度，以松刀成功率為指標開展松拉刀試驗，松刀的成功率是指松刀時未出現脫落和松刀力不足的概率。松刀的成功率u為

u=1-t/z-q/z

(10)

式中：t為脫落的刀具；q為松刀未到位次數；z為松刀試驗總數。

試驗采用正交試驗法，選取具有3個水平的試驗因素，分別為液壓力、打刀量、拉刀力，見表4。松刀試驗每組進行3次，共9次，具體方案見表5。

表4 因素水平

表5 松拉刀機構試驗方案及結果

(2) 試驗結果及分析

由表5可知，3種試驗下的液壓力因素A影響松刀成功率為72.33%、93.33%、95.67%；打刀量因素B影響松刀成功率為89.00%、85.67%、85.67%；拉刀力因素C影響松刀成功率為92.33%、86.33%、82.67%。為找出最優的試驗方案，需對試驗結果進一步進行方差分析，如表6所示。

表6 試驗結果分析

由表6中的方差指標S可得：液壓力A因素對松刀的成功率影響最大，打刀量B因素對松刀的成功率影響最小，其最優的因素組合為A3C1B1，即液壓力5 MPa、拉刀力18 kN、打刀量1.0 mm。為驗證最優組合的合理性，對松刀機構進行多次測試，統計各指標的平均值。結果表明：主軸在夾刀狀態下，拉桿左端面與主軸端面的距離約為156 mm；松刀狀態下，均能完成松刀，松刀的行程大于9 mm。

5 結論

(1)針對數控加工中心主軸換刀過程中的松刀力不足問題，提出了一種基于TRIZ與AD產品分析與優化設計解決思路。

(2)應用TRIZ理論中的物場模型分析方法提出了松拉刀機構的優化方案，通過AD獨立性原理對方案進行評價，發現活塞桿和松刀桿的功能之間產生了耦合，說明初始改進方案不可行。接著借助TRIZ 沖突原理找出求解方法，最終獲得最優方案。

(3)為使優化方案能夠落地實施，對新方案主軸的松刀力和螺桿的最小直徑進行了計算分析，并應用SolidWorks軟件對松拉刀機構進行了建模和仿真，從理論上驗證了方案的可行性。同時，通過對現場試物進行多次測試，測試結果表明當液壓力為5 MPa時，松刀行程、松刀力以及打刀量均符合生產要求。