加工中心刀具擺動軸徑向鎖緊機構分析與設計
2019-11-19 來源：唐山工業職業學院 河北機車技師院 等 作者：賀靜 盛艷 王志軍
摘要：針對五軸葉片加工中心刀具擺動軸徑向鎖緊機構的不足，提出了一種液壓鎖緊機構，該鎖緊機構不僅鎖緊效果好，而且占用的軸向尺寸較小，安裝調整方便，可以實現回轉軸任意角度的鎖緊。
首先介紹了液壓鎖緊機構的結構布置和工作過程，然后根據機床的整體設計方案需求分別對活塞 Ｏ 型圈摩擦力、活塞與壓縮彈簧之間的壓力、偏轉力矩等幾個關鍵參數進行分析計算。從而驗證了所提出的鎖緊機構滿足使用要求，對提高機床的安全性和整體結構穩定性、改善機床性能具有一定的意義。
關鍵詞：加工中心；液壓鎖緊機構：刀具擺動軸；機構分析
０ 引言
隨著空間曲面等復雜型面零件需求量不斷加大，國內外許多學者對多軸聯動數控加工中心，尤其是帶回轉軸的多軸聯動數控加工中心進行了研究和改進。隨著對曲面零件加工要求的不斷提高，五軸聯動加工中心不僅要求回轉軸與其他直線軸聯動，還要求回轉軸可以實現任意角度的鎖緊，以保證加工精度。利用五軸聯動葉片加工中心加工葉片的葉冠、葉根、凸臺等平面時，為了保證加工形狀與加工精度，刀具擺動軸必須保持靜止不動的狀態。
但是刀具切削工件時的切削分力會改變擺動軸原有的靜止狀態，影響平面的加工精度。目前國內金屬切削數控加工中心的回轉軸很多不具備任意角度的鎖緊功能，少數帶有鎖緊功能的加工中心基本上均采用徑向鎖緊機構。
但是由于徑向鎖緊機構占用軸向尺寸，使得回轉主軸加長，從而降低回轉軸剛性，且其對回轉主軸和徑向鎖緊用夾緊套的加工精度要求高，難以調整，鎖緊效果較差，并且占用大量加工中心空間。針對徑向鎖緊機構的不足，本文提出一種液壓鎖緊機構，該鎖緊機構不僅鎖緊效果好，而且占用較小的軸向尺寸，安裝調整方便，可以實現回轉軸任意角度的鎖緊。在實際工作狀態中，通過調整液壓油的壓力來調整鎖緊力的大小，以達到最佳的鎖緊效果。
１、液壓鎖緊機構的結構與工作過程
１．１ 液壓鎖緊機構的結構布置
圖１為液壓鎖緊機構裝配簡圖。液壓鎖緊機構主要由刀具擺動軸箱體１、調整柱２、密封圈３、彈性摩擦片４、壓縮彈簧５、活塞６、端蓋７、油缸套８等組成。在刀具擺動軸箱體端面上固定有表面質量很高的端蓋和油缸套，形成了封閉的環形槽，該環形槽用于容納液壓油。
活塞在液壓油壓力的作用下在環形槽中實現軸向滑動。活塞內外圓裝有 Ｏ 型密封圈，其通過與活塞和油缸套之間的摩擦力實現了密封。彈性摩擦片與刀具擺動軸之間裝有調整墊，用以調整彈性摩擦片與活塞和刀具擺動軸箱體之間的距離，以達到最好的使用效果。
圖１ 液壓鎖緊機構裝配簡圖
采用這種液壓鎖緊機構可以實現回轉軸任意角度鎖緊，不僅結構緊湊，便于調整，而且鎖緊力可調，鎖緊剛性好，可廣泛用于旋轉軸任意角度鎖緊的多軸數控加工中心。
１．２ 液壓鎖緊機構的工作過程
當刀具擺動軸擺動到某一角度需要鎖緊時，系統發出鎖緊信號，收到信號后液壓站開始向鎖緊機構供油，液壓油不斷進入到端蓋與油缸套之間的密封腔體中。當液壓油壓力大于恢復彈簧的壓力后，油缸開始向前滑動；滑動到一定距離后，油缸前端面接觸到彈性摩擦片，彈性摩擦片在力的作用下開始發生彈性形變；當彈性摩擦片變形達到一定程度后，彈簧組就會被完全壓到安裝孔內，使彈性摩擦片與刀具擺動軸箱體鑄件前端面接觸。
隨著壓力的增大，彈性摩擦片與箱體鑄件之間的摩擦力也不斷增大，當摩擦力大于刀具擺動軸部件的偏擺力矩時，刀具擺動軸將靜止不動，實現了刀具擺動軸的鎖緊功能。當摩擦力達到理想值時保持液壓站的壓力，即可加工葉片兩端導流槽等內凹式平面。
當需要解除鎖緊功能時，機構的運動過程與上述動作反向。該種新型的液壓鎖緊機構鎖緊過程和解除鎖緊過程的運動比較復雜，但是響應速度很快，僅為０．５ｓ，而且這種鎖緊機構的作用力完全是內部應力，避免了液壓鎖緊機構對其他零件的干擾，間接地保證了機床的精度。
２ 、液壓鎖緊機構的分析與計算
根據機床的整體設計方案需求，設計該液壓鎖緊機構時需要對其中的活塞 Ｏ 型圈摩擦力、活塞與壓縮彈簧之間的壓力、偏轉力矩等幾個關鍵參數進行分析計算。
２．１ 活塞 Ｏ 型圈摩擦力的計算
根據機床的整體設計方案需求以及 Ｏ 型圈的使用要求和使用環境，粗略選出 Ｏ 型圈的型號。計算活塞Ｏ型圈摩擦力時需要根據活塞的設計情況，計算出活塞 Ｏ型圈與上下壁的壓力值（壓力取最大值），然后即可求出活塞運動時的摩擦力。Ｏ型圈規格尺寸如圖２所示。活塞外圈 Ｏ 型圈最大壓縮量為：
圖２ Ｏ 型圈規格尺寸示意圖
通過查閱資料可知橡膠與鋼有潤滑時摩擦系數為ｆ１＝０．５，無潤滑時摩擦系數為ｆ２＝０．８。根據該鎖緊機構的實際工作情況可知，此機構在工作過程中處于有油狀態，但為了保障安全，按照無潤滑狀態計算，即可得到活塞內、外圈 Ｏ 型圈最大摩擦力及整個活塞所受 Ｏ 型圈最大摩擦力。活塞 Ｏ 型圈最大摩擦力可表示為：
２．３ 偏轉力矩的計算
為了減小或消除偏轉力矩對機床精度的影響，在刀具擺動軸部件中增加了平衡彈簧，在平衡彈簧的作用下，由重力引起的偏擺力矩對加工的影響會隨著刀具擺動角度的變化而變化，具體變化情況如表１所示。
表１ 重力力矩與平衡力矩比較
加工葉片時，刀具擺動軸一般在其行程±３０°范圍內的擺動最頻繁，根據這一特點，通過對平衡彈簧長短的選擇、簧絲直徑的比較、彈簧直徑的比較、平衡角度的選取等數十次的計算比較得出平衡點在３０°時平衡效果最好，此時在其常用的范圍內偏擺力矩（即表１中的力矩差）均小于１００Ｎｍ，平衡效果明顯增強。
但是在±４５°時，彈簧的彈力急劇增大，此時會出現反向力矩，使平衡力矩反向增大。由于液壓鎖緊機構的鎖緊力矩為９７８．３９Ｎｍ，大于彈簧力在±４５°時的極限彈簧力力矩差２４３．８４Ｎｍ，因此在理論情況下此次設計完全滿足使用要求。
但在實際工作過程中，存在許多不確定因素，例如，彈性摩擦片與擺動軸箱體鑄件前端面的實際接觸面積的大小、材料之間的實際摩擦系數大小、彈簧的理論彈力與實際相差大小這些值是不能精確計算得出的，這些因素對鎖緊機構的影響是不可小覷的。因此，液壓站和彈簧組要有一定調節余地和調節范圍，液壓站的型號規格要選擇壓力調節范圍大的，彈簧力的大小可以通過更換彈簧規格或者增減彈簧數量來調節。
３ 、結論
本文提出一種新型液壓鎖緊機構，并從機構的原理、機構的具體結構與工作過程、機構的設計與分析計算等方面對其進行研究，重點對活塞 Ｏ 型圈摩擦力、活塞與壓縮彈簧之間的壓力、偏轉力矩等幾個關鍵參數進行了詳細的分析和計算。
分析結果表明，所提出的液壓鎖緊機構在理論情況下完全能夠滿足使用要求。該液壓鎖緊機構不僅噪聲低、調節范圍廣、結構形式靈活、適用于旋轉軸類機構的鎖緊，而且它提高了機床使用的安全性以及機床整體結構的穩定性，使機床的性能得到了很好的改善，為國產機床整體精度的提高提供了保證。
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