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幾種數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)軸的定位夾緊方式

2015-1-21 來(lái)源：數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)網(wǎng) 作者：沈陽(yáng)機(jī)床研究院張文博劉春時(shí)張維官王哲

摘要: 針對(duì)雙擺角數(shù)控萬(wàn)能銑頭和數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)等實(shí)現(xiàn)五軸加工中心回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的功能部件，對(duì)其回轉(zhuǎn)軸的定位夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究，介紹了幾種數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)軸設(shè)計(jì)中常用的定位夾緊方式，并闡述了各定位夾緊機(jī)構(gòu)在數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)軸中的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方法。

關(guān)鍵詞: 數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)軸定位夾緊齒盤(pán) 夾緊套

雙擺角數(shù)控萬(wàn)能銑頭和數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)是實(shí)現(xiàn)五軸加工中心回轉(zhuǎn)進(jìn)給功能的關(guān)鍵功能部件，不但要為五軸聯(lián)動(dòng)加工提供第四軸和第五軸的回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而且要具備固定角度的分度定位或任意角度的定位夾緊功能。這是因?yàn)樵趯?duì)工件指定角度平面或定向特征進(jìn)行定位加工時(shí)，僅靠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常并不能滿足工件所需的定位精度要求。即使定位精度能夠得到保證，當(dāng)?shù)毒呋蚬ぜ惺茌^大切削力時(shí)，尤其是在重切削時(shí)，其所處的回轉(zhuǎn)軸也將承受較大的切削扭矩，這勢(shì)必會(huì)帶來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量大、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力變形和傳動(dòng)剛度不足而引起刀具或工件振動(dòng)等問(wèn)題，從而嚴(yán)重影響工件的加工精度。因此，回轉(zhuǎn)軸中定位夾緊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，不但能夠?yàn)榛剞D(zhuǎn)軸指定角度加工提供較高的定位精度，還能夠分散傳動(dòng)機(jī)構(gòu)定位加工時(shí)的受力，將力直接傳遞給箱體，使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)得到釋放，從而保證回轉(zhuǎn)軸具有較高的傳動(dòng)剛性。本文針對(duì)雙擺角萬(wàn)能銑頭和數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)軸的定位夾緊功能，介紹了設(shè)計(jì)中幾種常用的定位夾緊機(jī)構(gòu)，并闡述了回轉(zhuǎn)進(jìn)給機(jī)構(gòu)中定位夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用方法。

1 固定角度的定位夾緊機(jī)構(gòu)

1．1 端齒盤(pán)式定位夾緊機(jī)構(gòu)

端齒盤(pán)式定位夾緊機(jī)構(gòu)具有固定角度分度定位功能，通過(guò)動(dòng)齒盤(pán)與靜齒盤(pán)的脫開(kāi)、轉(zhuǎn)位和嚙合即可實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)軸的鎖緊和高精度的分度定位。如圖 1 所示，其最小分度單位受齒盤(pán)的齒數(shù)限制，由于誤差平均效應(yīng)，齒盤(pán)的齒數(shù)越多，定位精度也越高，常用的端齒盤(pán)定位精度一般可達(dá)±2″以上。因此，此類(lèi)機(jī)構(gòu)常用于有固定角度分度功能的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)、數(shù)控刀架和角度頭等功能部件的設(shè)計(jì)中，通過(guò)齒盤(pán)的分度定位功能在某一固定角度來(lái)鎖緊回轉(zhuǎn)軸，實(shí)現(xiàn)工件某一固定角度的定位加工。

同時(shí)端齒盤(pán)還具有傳動(dòng)扭矩大、傳動(dòng)剛性好等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中為了保證分度定位能夠提供足夠的扭矩和較高的保持剛性，通常通過(guò)液壓拉釘或碟簧等機(jī)構(gòu)在軸向方向上對(duì)端齒盤(pán)施加一定的軸向預(yù)緊力來(lái)鎖緊動(dòng)靜齒盤(pán)，其受力關(guān)系如圖 2 所示。當(dāng)回轉(zhuǎn)軸能夠傳遞的最大回轉(zhuǎn)扭矩為 Tmax時(shí)，齒盤(pán)在圓周方向上對(duì)應(yīng)的切向力為 Ft，兩者具有以下關(guān)系:

式中:d1和 d2分別為齒的內(nèi)徑和外徑。為了在承受最大回轉(zhuǎn)扭矩 Tmax時(shí)，兩齒盤(pán)不脫開(kāi)，施加的最小預(yù)緊力Fa為:

式中:α為齒盤(pán)的齒形角。通過(guò)式(1)和式(2)可知在設(shè)計(jì)夾緊機(jī)構(gòu)時(shí)，夾緊機(jī)構(gòu)提供的預(yù)緊力 F 應(yīng)滿足如下關(guān)系:

式中:μ 為安全系數(shù)，一般為 1．8 ～3。

目前，齒盤(pán)常見(jiàn)的齒形結(jié)構(gòu)主要有直齒、楔形齒和弧形齒 3 種齒面，齒形沿圓周向心分布，正常接觸后具有自動(dòng)定心功能和良好的互換性，因此，端齒盤(pán)通常還用于銑頭的換頭機(jī)構(gòu)的快速定位連接。

本次沈陽(yáng)機(jī)床設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)的“十一五” 重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目 AC 軸雙擺角數(shù)控萬(wàn)能銑頭的樣機(jī) MH30fhc，采用的就是端齒盤(pán)式分度定位機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn) A 軸單元的快換功能。齒盤(pán)連接的設(shè)計(jì)方案替代了傳統(tǒng)的鍵連接傳遞扭矩，圓錐面定心的連接方式不僅結(jié)構(gòu)緊湊、連接剛性好，實(shí)現(xiàn)了 C 軸單元對(duì) A 軸單元的大扭矩傳遞，而且具有定心速度快、定位精度高的特點(diǎn)，很好地保證了不同 A 軸單元和通用 C 軸單元的快速和高精度定位連接。

1． 2 三齒盤(pán)定位夾緊機(jī)構(gòu)

三齒盤(pán)定位夾緊機(jī)構(gòu)與端齒盤(pán)式定位夾緊機(jī)構(gòu)同屬于固定角度分度定位機(jī)構(gòu)，但兩者分度動(dòng)作不同，端齒盤(pán)在定位分度過(guò)程中需要?jiǎng)育X盤(pán)和相關(guān)的回轉(zhuǎn)部件整體相對(duì)于靜齒盤(pán)有一定的抬起量，如圖 3 所示。

而三齒盤(pán)是通過(guò)一公用齒盤(pán)的動(dòng)作間接嚙合動(dòng)靜齒盤(pán)，從而達(dá)到回轉(zhuǎn)部件的定位分度的目的，如圖 4 所示。三齒盤(pán)的這一結(jié)構(gòu)特性雖然傳動(dòng)剛度較端齒盤(pán)略差，但避免了端齒盤(pán)式定位夾緊機(jī)構(gòu)在回轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)應(yīng)用中整體回轉(zhuǎn)單元的抬起動(dòng)作，因此在重載數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的設(shè)計(jì)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，定位速度快，也能避免回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作時(shí)切屑的進(jìn)入，如圖 4 所示。

除此之外，三齒盤(pán)定位夾緊機(jī)構(gòu)也常用于車(chē)銑復(fù)合加工中心的動(dòng)力主軸和 B 軸回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)削加工時(shí)動(dòng)力主軸車(chē)削刀具準(zhǔn)確定位、提高回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)剛性和指定角度的強(qiáng)力切削。

2 任意角度的定位夾緊機(jī)構(gòu)

在數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)軸的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用齒盤(pán)式定位夾緊機(jī)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)指定角度和傾斜度的孔或表面的定位加工，從加工范圍上來(lái)講，這限制了數(shù)控機(jī)床的加工能力。因此，任意角度定位夾緊機(jī)構(gòu)是為了實(shí)現(xiàn)工件任意角度加工特征的定位加工而設(shè)計(jì)的。由于夾緊機(jī)構(gòu)本身并不具有分度功能，回轉(zhuǎn)軸的任意角度的定位夾緊功能首先需要靠回轉(zhuǎn)軸的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)和角度編碼器組成的閉環(huán)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)角度分度定位，分度精度由角度編碼器決定，再通過(guò)夾緊機(jī)構(gòu)對(duì)回轉(zhuǎn)軸定位鎖緊完成。此類(lèi)定位夾緊機(jī)構(gòu)不但能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)范圍內(nèi)任意角度的分度定位，而且還使回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)得到釋放，將切削力由夾緊系統(tǒng)直接分散到箱體，提高了回轉(zhuǎn)軸分度定位時(shí)的傳動(dòng)剛性，易于實(shí)現(xiàn)大扭矩的定位加工。目前，常見(jiàn)的任意角度定位夾緊機(jī)構(gòu)主要有碟片式定位夾緊機(jī)構(gòu)和環(huán)抱式定位夾緊機(jī)構(gòu)兩種。

2． 1 碟片式定位夾緊機(jī)構(gòu)

碟片式定位夾緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式很多，圖 5 為 Fi-bro 公司轉(zhuǎn)臺(tái)的定位夾緊機(jī)構(gòu)。其主要原理是通過(guò)活塞對(duì)安裝于回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)單元的彈簧碟片施加一定的軸向力，使彈簧碟片與固定環(huán)型面的端面貼合產(chǎn)生摩擦力，從而達(dá)到回轉(zhuǎn)軸定位夾緊的目的。碟片式定位夾緊機(jī)構(gòu)可以通過(guò)增加活塞內(nèi)介質(zhì)的壓力以及彈簧碟片的作用面積，來(lái)提高機(jī)構(gòu)的夾緊扭矩。但受空間結(jié)構(gòu)的限制，碟片的作用面積一般較小，因此，夾緊扭矩受到了限制，目前只在回轉(zhuǎn)扭矩小的轉(zhuǎn)臺(tái)和銑頭上得到了應(yīng)用。

圖 5 為 Fi-bro 公司轉(zhuǎn)臺(tái)的定位夾緊機(jī)構(gòu)。其主要原理是通過(guò)活塞對(duì)安裝于回轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)單元的彈簧碟片施加一定的軸向力，使彈簧碟片與固定環(huán)型面的端面貼合產(chǎn)生摩擦力，從而達(dá)到回轉(zhuǎn)軸定位夾緊的目的。碟片式定位夾緊機(jī)構(gòu)可以通過(guò)增加活塞內(nèi)介質(zhì)的壓力以及彈簧碟片的作用面積，來(lái)提高機(jī)構(gòu)的夾緊扭矩。但受空間結(jié)構(gòu)的限制，碟片的作用面積一般較小，因此，夾緊扭矩受到了限制，目前只在回轉(zhuǎn)扭矩小的轉(zhuǎn)臺(tái)和銑頭上得到了應(yīng)用。

為了增大碟片式夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊扭矩，部分廠商嘗試了一種多碟片式夾緊機(jī)構(gòu)，成倍地增加了摩擦接觸面積(如圖 6 所示)，從而增大了碟片夾緊的扭矩，較單片碟片式夾緊機(jī)構(gòu)可以達(dá)到兩倍以上的夾緊扭矩，取得了很好的效果。

碟片式定位夾緊機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)時(shí)除了考慮到扭矩因素之外，還要考慮夾緊機(jī)構(gòu)在回轉(zhuǎn)單元中的布置位置，在空間允許的條件下，盡量增大剎車(chē)片的作用面積，且靠近工件的受力面，以提高定位加工時(shí)結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)剛性。對(duì)于具有對(duì)稱(chēng)特征的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如雙擺角數(shù)控萬(wàn)能銑頭 A 軸的叉形體結(jié)構(gòu)和雙擺臺(tái)的搖籃式結(jié)構(gòu)，

夾緊機(jī)構(gòu)最好也對(duì)稱(chēng)布置于機(jī)構(gòu)的兩側(cè)。這不但能夠彌補(bǔ)碟片式剎車(chē)機(jī)構(gòu)夾緊扭矩小的不足，回轉(zhuǎn)軸定位夾緊時(shí)的保持剛性也會(huì)得到改善。除此之外，由于是軸向受力夾緊機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮到機(jī)構(gòu)定位夾緊時(shí)的受力關(guān)系，使活塞的夾緊力傳遞到箱體之上，避免臺(tái)面浮動(dòng)而影響回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

碟片式定位夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊動(dòng)作可以通過(guò)液壓和氣壓 2 種方式實(shí)現(xiàn)。由于液壓夾緊方式很容易獲得較高的壓力，因此可以獲得更大的夾緊扭矩。但相對(duì)于液壓夾緊方式來(lái)講，氣壓夾緊方式則具有清潔、可靠性高和夾緊速度快等優(yōu)點(diǎn)。

2． 2 環(huán)抱式定位夾緊機(jī)構(gòu)

環(huán)抱式定位夾緊是通過(guò)夾緊套或環(huán)形剎車(chē)片在徑向方向上作用于旋轉(zhuǎn)軸的圓周表面，從而產(chǎn)生摩擦扭矩對(duì)回轉(zhuǎn)軸進(jìn)行角度定位的夾緊方式。目前常見(jiàn)的環(huán)抱式定位夾緊機(jī)構(gòu)主要有液壓夾緊套和氣壓抱閘 2 種。

液壓夾緊套的工作原理是將油壓在抱閘套筒壁的密封圈之間毫無(wú)損失地轉(zhuǎn)換成徑向夾緊力，并使套筒內(nèi)壁作用于回轉(zhuǎn)軸的外圓周表面，從而產(chǎn)生摩擦扭矩的夾緊方式，如圖 7 所示。

碟片式定位夾緊機(jī)構(gòu)的夾緊動(dòng)作可以通過(guò)液壓和氣壓 2 種方式實(shí)現(xiàn)。由于液壓夾緊方式很容易獲得較高的壓力，因此可以獲得更大的夾緊扭矩。但相對(duì)于液壓夾緊方式來(lái) 講，氣壓夾緊方式則具有清潔、可靠性高和夾緊速度快等優(yōu)點(diǎn)。

被夾緊的元件在夾緊定位發(fā)生時(shí)，既不會(huì)產(chǎn)生軸向推動(dòng)，也不會(huì)產(chǎn)生扭曲，當(dāng)油壓完全卸荷，套筒彈回最初狀態(tài)，再次釋放部件。此類(lèi)夾緊機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，夾緊扭矩大。其夾緊扭矩可根據(jù)下式估算:

式中:T 為實(shí)際的夾緊扭矩;d 為抱閘內(nèi)壁直徑;L 為實(shí)際液體壓力的作用長(zhǎng)度;p 為液體作用壓力;μ 為抱閘與被夾緊件之間的摩擦系數(shù)。

圖 8 為我公司“十一五” 重大專(zhuān)項(xiàng) AC 軸雙擺角數(shù)控萬(wàn)能銑頭項(xiàng)目樣機(jī) MH30fhc 的 C軸回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。回轉(zhuǎn)單元主要采用力矩電動(dòng)機(jī)串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。其夾緊定位機(jī)構(gòu)采用的是液壓夾緊套的定位夾緊方式，夾緊套的筒壁直接作用于隔套的外圓周，較直接作用于外轉(zhuǎn)子表面具有更大的作用面積，獲得了理想的夾緊扭矩。將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和夾緊系統(tǒng)較好地融合在了一起。此外，液壓夾緊套直接作用于隔套的外圓周，而不是作用于力矩電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子，也降低了電動(dòng)機(jī)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

由式(4)可以得出，徑向液壓夾緊方式的夾緊扭矩與抱閘的作用面積、作用壓力以及抱閘和被夾緊面的摩擦系數(shù)成正比。圖 8 為我公司“十一五” 重大專(zhuān)項(xiàng) AC 軸雙擺角數(shù)控萬(wàn)能銑頭項(xiàng)目樣機(jī) MH30fhc 的 C軸回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。回轉(zhuǎn)單元主要采用力矩電動(dòng)機(jī)串聯(lián)式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。其夾緊定位機(jī)構(gòu)采用的是液壓夾緊套的定位夾緊方式，夾緊套的筒壁直接作用于隔套的外圓周，較直接作用于外轉(zhuǎn)子表面具有更大的作用面積，獲得了理想的夾緊扭矩。將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和夾緊系統(tǒng)較好地融合在了一起。此外，液壓夾緊套直接作用于隔套的外圓周，而不是作用于力矩電動(dòng)機(jī)的外轉(zhuǎn)子，也降低了電動(dòng)機(jī)損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

與液壓夾緊套的夾緊方式類(lèi)似，氣動(dòng)抱閘也是利用環(huán)形剎車(chē)片作用于回轉(zhuǎn)軸的圓周表面，從而產(chǎn)生摩擦扭矩，達(dá)到回轉(zhuǎn)軸定位夾緊的目的。

圖 9 為 HEMA 公司的內(nèi)圓周被動(dòng)式氣壓抱閘的原理，OPEN 口通入空氣時(shí)，彈簧皮腔彎曲弓起，并連帶引起環(huán)形剎車(chē)片與回轉(zhuǎn)軸的分離，回轉(zhuǎn)軸得到釋放，當(dāng)壓縮彈簧的空氣由 OPEN 口排放或皮腔外部腔體由CLOSE 口充氣增壓時(shí)，皮腔得到放松并伸展，從而環(huán)形剎車(chē)片夾緊回轉(zhuǎn)軸。氣動(dòng)抱閘雖然在大夾緊扭矩的獲得上效果不如液壓夾緊套，但其具有反應(yīng)速度快、安裝簡(jiǎn)單和清潔度高的優(yōu)點(diǎn)，尤其值得一提的是，此類(lèi)氣動(dòng)抱閘本身還具有安全夾緊的功能，當(dāng)系統(tǒng)掉電時(shí)，氣源消失，彈簧會(huì)恢復(fù)形變，抱閘自動(dòng)夾緊回轉(zhuǎn)軸，能夠有效防止系統(tǒng)失去動(dòng)力后回轉(zhuǎn)軸由于自身重力或磁力作用產(chǎn)生難以預(yù)料的動(dòng)作造成刀具或工件的損壞。

3 結(jié)語(yǔ)

定位夾緊機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)軸指定角度定位加工功能的關(guān)鍵。本文針對(duì)銑頭和數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)等回轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，闡述了幾種常用的定位夾緊機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)和實(shí)際的設(shè)計(jì)及應(yīng)用方法。

目前，這些方法在國(guó)內(nèi)外各機(jī)床制造廠商的產(chǎn)品中得到了廣范應(yīng)用。但在具體產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，夾緊機(jī)構(gòu)的選擇和布置方式千差萬(wàn)別，各有千秋，所以設(shè)計(jì)者應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)需要選擇合適的夾緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的角度分度定位功能。如在具有車(chē)銑復(fù)合功能的 B 軸單元的設(shè)計(jì)中除了要布置具有任意角度定位分度功能的夾緊機(jī)構(gòu)外，還要布置能夠滿足車(chē)削加工大扭矩、高剛性要求的固定角度分度定位的夾緊機(jī)構(gòu)，兩者并用才能更好地完成機(jī)構(gòu)的車(chē)削和銑削加工。

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