由大连华根机械有限公司承担的“千台国产加工中心可靠性提升工程”课题，按照专项要求，对机床展开了大规模的升级研究，通过对传统的主轴打刀机构进行改进，确保了新结构能够有效提高机床主轴的精度保持性，从而有效提高机床的可靠性和使用寿命。
主轴打刀传统结构
普通的主轴打刀装置（如图1所示）主要包括：打刀缸、主轴体、主轴拉杆和碟簧等。主轴拉杆位于主轴体内，与打刀缸的活塞杆在同一轴线上，并在主轴体内上下滑动。机床在换刀时，打刀缸活塞的力作用于主轴拉杆上，迫使碟簧变形松刀。此作用力经主轴体通过主轴轴承传递到主轴箱体。为保证拉刀可靠，主轴拉刀力通常都较大，例如，加工中心常用的BT40刀柄拉刀力在8kN左右，打刀缸打刀力在10kN左右；BT50刀柄拉刀力在15kN左右，打刀缸打刀力在20kN左右。如此大的作用力频繁作用在主轴轴承上，将造成主轴轴承滚道受损，影响主轴精度，使主轴轴承寿命大大缩短。由于加工中心的精密主轴轴承都比较昂贵，在轴承配置上承受反向作用力的能力较差，因此这种打刀装置使用起来很不经济。
主轴打刀新结构
为了解决此问题，现在的机床一般使用如图2所示的带反扣卸荷的主轴打刀装置，包括：打刀缸、主轴、拉杆、碟簧、弹性体、主轴箱体和主轴轴承。主轴通过轴承与主轴箱体活动连接，主轴拉杆位于主轴体中心的空腔中，与打刀缸的活塞杆在同一轴线上，其上端套接在一圆筒形滑动压块中，并与滑动压块固定连接。滑动压块的外径与主轴体的内径相配合，可在主轴体内上下滑动。主轴拉杆的下端穿过环形下限位块，末端通过拉钉与刀柄连接。碟簧位于滑动压块与环形下限位块之间，其外径与主轴体内径相配合，还包括环形连接块、反扣盘和浮动反扣压块。环形连接块为圆筒形结构，位于打刀缸的法兰下方。浮动反扣压块位于环形连接块的下方，为中间有阶梯孔的圆柱形结构，该阶梯孔上大下小。连接螺栓将浮动反扣压块、法兰及环形连接块固定在一起。反扣盘为T形环状体结构，套在浮动反扣压块的阶梯孔中，其外径小的部分的直径比浮动反扣压块中大孔的直径稍小，其外径大的部分的直径比浮动反扣压块中大孔的直径稍大，反扣盘与浮动反扣压块之间有0.3～0.5mm的间隙，主轴体的顶端套在反扣盘的通孔中，与反扣盘固定连接。
在浮动反扣压块外缘处的圆周上开有通孔，弹性体导杆的下端穿过该通孔，锁紧在位于浮动反扣压块下方与主轴箱体固定连接座板的螺纹孔里，形成固定连接。弹性体穿设在导杆上，其顶端与弹性体导杆的顶端固定，其末端与浮动反扣块的上顶面相接触。
主轴打刀新结构工作原理
采用上述结构后，由于浮动反扣压块与打刀缸为一体，机床需要换刀时，打刀缸的活塞杆向下运动。当打刀缸的活塞杆力作用在主轴拉杆上时，主轴体内碟簧的反作用力很大，弹性体被压缩，使浮动反扣压块连同打刀缸向上顶起，从而消除了反扣盘和浮动反扣压块之间0.3～0.5mm的间隙，浮动反扣压块与反扣盘结合成一体，即浮动反扣压块向上浮动并托住反扣盘，使打刀缸活塞杆的力不会通过主轴体作用到主轴轴承上，保证了主轴轴承的精度不受损。
弹性体在确保松刀动作完成后，可使浮动反扣压块可靠复位，反扣盘与浮动反扣压块之间0.3～0.5mm的间隙可靠回复，避免了主轴高速回转时，反扣盘与浮动反扣压块之间发生剧烈摩擦。
由于弹性体导杆的导向，可防止弹性体歪斜，也可防止打刀缸歪斜。
在这种结构中，弹性体的选择至关重要。弹性体刚度过小，反扣盘和浮动反扣压块之间0.3～0.5mm的间隙不能可靠保持，主轴高速回转时，反扣盘和浮动反扣压块之间可能发生剧烈摩擦；弹性体刚度过大，打刀缸的打刀力又大部分作用到主轴轴承上，起不到卸荷作用。
力学分析表明，主轴轴承承受的作用力，如果忽略打刀缸的重力和相关摩擦力，正好等于消除反扣盘与浮动反扣压块之间0.3～0.5mm间隙的弹性体的弹力。因此，当弹性体此时的弹力等于或大于碟簧的弹力时，此机构将不起任何作用。
结论
本课题研究提出了主轴打刀新结构，该结构避免了将打刀力作用于主轴轴承，从而有效延长了主轴精度的保持时间。实际应用表明，该结构能有效提升机床的可靠性。
