幾種數控機床回轉軸的定位夾緊方式
2015-1-21 來源：數控機床市場網 作者：沈陽機床研究院張文博劉春時張維官王哲
摘要: 針對雙擺角數控萬能銑頭和數控轉臺等實現五軸加工中心回轉進給運動的功能部件，對其回轉軸的定位夾緊機構的設計進行了深入的研究，介紹了幾種數控機床回轉軸設計中常用的定位夾緊方式，并闡述了各定位夾緊機構在數控機床回轉軸中的設計和應用方法。
關鍵詞: 數控機床 回轉軸 定位夾緊 齒盤 夾緊套
雙擺角數控萬能銑頭和數控轉臺是實現五軸加工中心回轉進給功能的關鍵功能部件，不但要為五軸聯動加工提供第四軸和第五軸的回轉進給運動，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。這是因為在對工件指定角度平面或定向特征進行定位加工時，僅靠驅動系統和傳動機構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，當刀具或工件承受較大切削力時，尤其是在重切削時，其所處的回轉軸也將承受較大的切削扭矩，這勢必會帶來驅動電動機發熱量大、傳動機構受力變形和傳動剛度不足而引起刀具或工件振動等問題，從而嚴重影響工件的加工精度。因此，回轉軸中定位夾緊機構的應用，不但能夠為回轉軸指定角度加工提供較高的定位精度，還能夠分散傳動機構定位加工時的受力，將力直接傳遞給箱體，使驅動系統和傳動機構得到釋放，從而保證回轉軸具有較高的傳動剛性。本文針對雙擺角萬能銑頭和數控轉臺回轉軸的定位夾緊功能，介紹了設計中幾種常用的定位夾緊機構，并闡述了回轉進給機構中定位夾緊機構的設計和應用方法。
1 固定角度的定位夾緊機構
1．1 端齒盤式定位夾緊機構
端齒盤式定位夾緊機構具有固定角度分度定位功能，通過動齒盤與靜齒盤的脫開、轉位和嚙合即可實現回轉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的齒數限制，由于誤差平均效應，齒盤的齒數越多，定位精度也越高，常用的端齒盤定位精度一般可達±2″以上。因此，此類機構常用于有固定角度分度功能的數控轉臺、數控刀架和角度頭等功能部件的設計中，通過齒盤的分度定位功能在某一固定角度來鎖緊回轉軸，實現工件某一固定角度的定位加工。
同時端齒盤還具有傳動扭矩大、傳動剛性好等特點，設計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，通常通過液壓拉釘或碟簧等機構在軸向方向上對端齒盤施加一定的軸向預緊力來鎖緊動靜齒盤，其受力關系如圖 2 所示。當回轉軸能夠傳遞的最大回轉扭矩為 Tmax時，齒盤在圓周方向上對應的切向力為 Ft， 兩者具有以下關系:
式中:d1和 d2分別為齒的內徑和外徑。為了在承受最大回轉扭矩 Tmax時， 兩齒盤不脫開， 施加的最小預緊力Fa為:
式中:α為齒盤的齒形角。通過式(1)和式(2)可知在設計夾緊機構時，夾緊機構提供的預緊力 F 應滿足如下關系:
式中:μ 為安全系數，一般為 1．8 ～3。
目前，齒盤常見的齒形結構主要有直齒、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定心功能和良好的互換性，因此，端齒盤通常還用于銑頭的換頭機構的快速定位連接。
本次沈陽機床設計研究院承擔的“十一五” 重大專項項目 AC 軸雙擺角數控萬能銑頭的樣機 MH30fhc，采用的就是端齒盤式分度定位機構來實現 A 軸單元的快換功能。齒盤連接的設計方案替代了傳統的鍵連接傳遞扭矩，圓錐面定心的連接方式不僅結構緊湊、連接剛性好，實現了 C 軸單元對 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，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 三齒盤定位夾緊機構
三齒盤定位夾緊機構與端齒盤式定位夾緊機構同屬于固定角度分度定位機構，但兩者分度動作不同，端齒盤在定位分度過程中需要動齒盤和相關的回轉部件整體相對于靜齒盤有一定的抬起量，如圖 3 所示。
而三齒盤是通過一公用齒盤的動作間接嚙合動靜齒盤，從而達到回轉部件的定位分度的目的，如圖 4 所示。三齒盤的這一結構特性雖然傳動剛度較端齒盤略差，但避免了端齒盤式定位夾緊機構在回轉軸的設計應用中整體回轉單元的抬起動作，因此在重載數控轉臺的設計中具有明顯的優勢，定位速度快，也能避免回轉機構動作時切屑的進入，如圖 4 所示。
除此之外，三齒盤定位夾緊機構也常用于車銑復合加工中心的動力主軸和 B 軸回轉機構中來實現車削加工時動力主軸車削刀具準確定位、提高回轉機構的傳動剛性和指定角度的強力切削。
2 任意角度的定位夾緊機構
在數控機床回轉軸的設計中，應用齒盤式定位夾緊機構只能實現指定角度和傾斜度的孔或表面的定位加工，從加工范圍上來講，這限制了數控機床的加工能力。因此，任意角度定位夾緊機構是為了實現工件任意角度加工特征的定位加工而設計的。由于夾緊機構本身并不具有分度功能，回轉軸的任意角度的定位夾緊功能首先需要靠回轉軸的驅動系統、傳動系統和角度編碼器組成的閉環結構來實現角度分度定位，分度精度由角度編碼器決定，再通過夾緊機構對回轉軸定位鎖緊完成。此類定位夾緊機構不但能夠實現回轉軸回轉范圍內任意角度的分度定位，而且還使回轉機構的驅動系統和傳動機構得到釋放，將切削力由夾緊系統直接分散到箱體，提高了回轉軸分度定位時的傳動剛性，易于實現大扭矩的定位加工。目前，常見的任意角度定位夾緊機構主要有碟片式定位夾緊機構和環抱式定位夾緊機構兩種。
2． 1 碟片式定位夾緊機構
碟片式定位夾緊機構的結構形式很多，圖 5 為 Fi-bro 公司轉臺的定位夾緊機構。其主要原理是通過活塞對安裝于回轉軸旋轉單元的彈簧碟片施加一定的軸向力，使彈簧碟片與固定環型面的端面貼合產生摩擦力，從而達到回轉軸定位夾緊的目的。碟片式定位夾緊機構可以通過增加活塞內介質的壓力以及彈簧碟片的作用面積，來提高機構的夾緊扭矩。但受空間結構的限制，碟片的作用面積一般較小，因此，夾緊扭矩受到了限制，目前只在回轉扭矩小的轉臺和銑頭上得到了應用。
為了增大碟片式夾緊機構的夾緊扭矩，部分廠商嘗試了一種多碟片式夾緊機構，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構可以達到兩倍以上的夾緊扭矩，取得了很好的效果。
碟片式定位夾緊機構在設計時除了考慮到扭矩因素之外，還要考慮夾緊機構在回轉單元中的布置位置，在空間允許的條件下，盡量增大剎車片的作用面積，且靠近工件的受力面，以提高定位加工時結構的傳動剛性。對于具有對稱特征的回轉機構，如雙擺角數控萬能銑頭 A 軸的叉形體結構和雙擺臺的搖籃式結構，
夾緊機構最好也對稱布置于機構的兩側。這不但能夠彌補碟片式剎車機構夾緊扭矩小的不足，回轉軸定位夾緊時的保持剛性也會得到改善。除此之外，由于是軸向受力夾緊機構，設計時還要考慮到機構定位夾緊時的受力關系，使活塞的夾緊力傳遞到箱體之上，避免臺面浮動而影響回轉結構的穩定。
碟片式定位夾緊機構的夾緊動作可以通過液壓和氣壓 2 種方式實現。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。但相對于液壓夾緊方式來講，氣壓夾緊方式則具有清潔、可靠性高和夾緊速度快等優點。
2． 2 環抱式定位夾緊機構
環抱式定位夾緊是通過夾緊套或環形剎車片在徑向方向上作用于旋轉軸的圓周表面，從而產生摩擦扭矩對回轉軸進行角度定位的夾緊方式。目前常見的環抱式定位夾緊機構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損失地轉換成徑向夾緊力，并使套筒內壁作用于回轉軸的外圓周表面，從而產生摩擦扭矩的夾緊方式，如圖 7 所示。
被夾緊的元件在夾緊定位發生時，既不會產生軸向推動，也不會產生扭曲，當油壓完全卸荷，套筒彈回最初狀態，再次釋放部件。此類夾緊機構的特點是結構緊湊，夾緊扭矩大。其夾緊扭矩可根據下式估算:
式中:T 為實際的夾緊扭矩;d 為抱閘內壁直徑;L 為實際液體壓力的作用長度;p 為液體作用壓力;μ 為抱閘與被夾緊件之間的摩擦系數。
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成正比。圖 8 為我公司“十一五” 重大專項 AC 軸雙擺角數控萬能銑頭項目樣機 MH30fhc 的 C軸回轉機構。回轉單元主要采用力矩電動機串聯式驅動結構。其夾緊定位機構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，較直接作用于外轉子表面具有更大的作用面積，獲得了理想的夾緊扭矩。將驅動系統和夾緊系統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機的外轉子，也降低了電動機損壞的風險。
與液壓夾緊套的夾緊方式類似，氣動抱閘也是利用環形剎車片作用于回轉軸的圓周表面，從而產生摩擦扭矩，達到回轉軸定位夾緊的目的。
圖 9 為 HEMA 公司的內圓周被動式氣壓抱閘的原理，OPEN 口通入空氣時，彈簧皮腔彎曲弓起，并連帶引起環形剎車片與回轉軸的分離，回轉軸得到釋放，當壓縮彈簧的空氣由 OPEN 口排放或皮腔外部腔體由CLOSE 口充氣增壓時，皮腔得到放松并伸展，從而環形剎車片夾緊回轉軸。氣動抱閘雖然在大夾緊扭矩的獲得上效果不如液壓夾緊套，但其具有反應速度快、安裝簡單和清潔度高的優點，尤其值得一提的是，此類氣動抱閘本身還具有安全夾緊的功能，當系統掉電時，氣源消失，彈簧會恢復形變，抱閘自動夾緊回轉軸，能夠有效防止系統失去動力后回轉軸由于自身重力或磁力作用產生難以預料的動作造成刀具或工件的損壞。
3 結語
定位夾緊機構是實現數控機床回轉軸指定角度定位加工功能的關鍵。本文針對銑頭和數控轉臺等回轉軸的結構特點，闡述了幾種常用的定位夾緊機構的特點和實際的設計及應用方法。
目前，這些方法在國內外各機床制造廠商的產品中得到了廣范應用。但在具體產品的設計過程中，夾緊機構的選擇和布置方式千差萬別，各有千秋，所以設計者應該根據實際的設計需要選擇合適的夾緊機構實現回轉機構的角度分度定位功能。如在具有車銑復合功能的 B 軸單元的設計中 除了要布置具有任意角度定位分度功能的夾緊機構外，還要布置能夠滿足車削加工大扭矩、高剛性要求的固定角度分度定位的夾緊機構，兩者并用才能更好地完成機構的車削和銑削加工。
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