立式加工中心及数控铣床的主轴自动换刀，是机床加工中必不可少的功能。机床在进行换刀时，首先通过松刀动作后，才能将主轴上的刀具取下，待主轴换上新刀后，再进行拉刀动作，将主轴上的刀具拉紧后，方可进行加工。目前的机床主轴换刀时，通常的结构都是首先通过松刀缸的动作，推动带有碟形弹簧的拉杆，使机床夹持刀具的夹头松开，然后由机械手(对于加工中心)或手工(对于数控铣床)来进行换刀动作，当新的刀具被换到主轴上后，松刀缸反向运动，活塞回退，拉刀杆在蝶形弹簧的作用下回退，拉紧刀具。

1 主轴结构及自动换刀工作原理

立式加工中心及数控铣床主轴结构，多采用组件结构形式，如图1所示主要由主轴套筒2、主轴构件4、主轴前、后支承轴承1和8、实现自动换刀功能的主轴拉杆5,蝶形弹簧9及拉杆头部的拉爪机构组成。采用组件结构，便于主轴的生产、装配和维修。

图1所示为不带主轴轴承御荷装置立式加工中心主轴部件内部结构。其换刀过程如下:

在加工过程中需要进行换刀时，松刀缸14在高压油或压缩气体的作用下，松刀缸活塞杆下行，逐渐与主轴拉杆5上端接触，压迫拉杆下行，拉杆的下端刚性连接着拉爪套16和拉爪机构17，拉爪机构在下行过程中瓣松开拉爪，这时主轴锥孔中的刀柄及拉钉被放开，在机械手的作用下实现自动换刀。待换刀完成后，松刀油缸回程，拉杆在蝶形弹簧的作用下上行，带动拉爪上行，通过刀柄上的拉钉实现刀具的拉紧。

2 主轴轴承的受力分析

如图1结构所示，换刀过程中.拉杆要下行一定距离，由于蝶形弹簧压缩量增大，使其内部作用力增大，而蝶形弹簧的作用力通过下垫板7作用到主轴构件4上，主轴前、后支承轴1和8在轴承内隔圈及锁紧螺母的连接下，与主轴构件形成刚性联接，所以这个作力也就施加到了主轴轴承上，使得主轴轴承产生了一个较大的轴向力;由于拉爪结构的需要，主轴松刀行程一般要达到5-6.55mm左右，这样主轴轴承在每次换刀时，都会产生较大的轴向力，一般而言，40#主轴的松刀力将达到12kN左右，50#主轴的松刀力将达到18kN左右，而且加工中心在工作过程中，换刀是相当频繁的，这就造成主轴轴承要承受经常性的较大的轴向冲击力，严重影响了主轴的精度的稳定和使用寿命。

3 浮动反扣御荷装置结构

为了消除换刀过程中松刀力对主轴轴承的轴向冲击作用，采用图2所示的结构，将会起到明显的效果。主要结构与工作原理与图1大致相同，不同的是在主轴构件a的上端安装一固定拉环20与主轴构件4通螺钉形成刚性联接，在主轴箱上端安装浮动拉环21(在安装时要先将固定拉环20拆下)，浮动环与松刀缸底座1b通过螺钉19固定形成整体，在导向套12、压缩弹簧t3、压板14及螺钉15的作用下，实现其在主轴箱内孔的上下浮动，主轴在正常回转过中，浮动环及压缩缸座在压簧13的作用下，与主轴箱休孔上平面靠实，确保浮动环与固定环不接触。具体工作过程如下:

在加工过程中，需要进行换刀时，松刀缸16在高压油或压缩气体的作用下，松刀缸活塞杆下行，逐渐与主轴拉杆S上端接触，在松刀缸和拉杆的接触面之间产生一对作用力且随之加大，当作用力超过压簧13的预压力时，松刀缸与浮动环一起向上运动，直到浮动环与固定环相互接触，在这之后，松刀缸与拉杆之间的作用力，就完全由浮动环与主轴构件形成的刚性体来承担，拉杆与拉爪机构及松刀抓刀动作，与图1完全相同，不作详述。

由于增加浮动反扣御荷装置结构，在松刀过程中主轴产生的很大的轴向力，都传递给了主轴构件，有效地减轻了主轴轴承的轴向受力，从而大提高了主轴部件的运动精度和使用寿命。

4 设计中的注意事项

(1)浮动机构的压簧弹簧力要选用适当，在确保正常工作时，将松刀缸底座及浮动环整体压靠主轴箱体上端面的前提下，弹簧力要尽可能小，否则对主轴轴承轴向力的减小不明显，相反会增大松刀的工作力。

(2)主轴正常工作时，要确保浮动环与主轴构件上固定环不接触，否则会造成磨擦和发热，影响主轴工作性能。

(3)主轴上端的固定环在安装过程中，需要拆下，必须考虑拆装前后位置不变，以确保拆装时不破坏原主轴组件的动平衡。

5 结束语

运用主轴轴承松刀卸荷装置，可以使主轴轴承在频繁的换刀过程，不受较大的轴向松刀力的影响，提高了轴承使用寿命，保持了主轴轴承精度的稳定性。尤其是对大功率、大扭矩的主轴，为保证了大功率、大扭矩切削时刀具夹持的稳定性，主轴松刀力大多超过20kN以上，为了提高机床主轴轴承精度的稳定性和使用寿命，采用主轴轴承松刀卸荷结构是非常必要的。