李 蕾

(北京中色建設(shè)機(jī)電設(shè)備有限公司， 北京 100029)

數(shù)控機(jī)床中幾種常見(jiàn)的回轉(zhuǎn)軸的夾緊方式

李 蕾

(北京中色建設(shè)機(jī)電設(shè)備有限公司， 北京 100029)

數(shù)控機(jī)床中常見(jiàn)回轉(zhuǎn)軸需具備夾緊或要求更高的準(zhǔn)確定位夾緊，本文針對(duì)這種定位夾緊需求，介紹幾種常用的夾緊機(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。

數(shù)控機(jī)床； 液壓式； 夾緊旋轉(zhuǎn)軸

在數(shù)控機(jī)床中尤其是功能部件中旋轉(zhuǎn)軸是極其常見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)組件，常用來(lái)傳遞力、扭矩、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等，但有時(shí)需要對(duì)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行快速定位夾緊和快速定位松開(kāi)，用以實(shí)現(xiàn)某些加工需求。如擺頭、轉(zhuǎn)臺(tái)等對(duì)工件指定角度平面或定向特征進(jìn)行定位加工，臥式車銑加工中心進(jìn)行銑削，立式加工中心電主軸進(jìn)行車削等加工工序時(shí)，要求旋轉(zhuǎn)軸能夠精確定位且承受較大的切削扭矩。僅靠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)通常不能滿足工件所需的定位精度要求，當(dāng)?shù)毒呋蚬ぜ惺茌^大切削力時(shí)，回轉(zhuǎn)軸會(huì)承受較大切削扭矩，勢(shì)必會(huì)使驅(qū)動(dòng)電機(jī)發(fā)熱量大，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)剛性不足受力變形，引起刀具或工件振動(dòng)等問(wèn)題，影響加工質(zhì)量[1]?；谝陨闲枨?，定位夾緊機(jī)構(gòu)在回轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它可以快速準(zhǔn)確的夾緊及松開(kāi)回轉(zhuǎn)軸，而且可以將制動(dòng)扭矩傳遞給主軸箱等外界零部件，釋放驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)得到較大的傳動(dòng)剛性。本文介紹了幾種常用的數(shù)控機(jī)床中常用的夾緊機(jī)構(gòu)，給出了其設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用領(lǐng)域。

1 任意角度的定位夾緊機(jī)構(gòu)

1.1 環(huán)抱式液壓夾緊機(jī)構(gòu)

環(huán)抱式液壓夾緊機(jī)構(gòu)基本原理是將液壓油的壓力轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)軸的徑向夾緊力，夾緊面作用于旋轉(zhuǎn)軸表面產(chǎn)生摩擦扭矩。

設(shè)液壓油壓力為P(MPa)，

夾緊面面積為A=2πR×B×a%

其中R為被夾緊旋轉(zhuǎn)軸部位的半徑，B為夾緊面沿軸向的寬度；a%為夾緊機(jī)構(gòu)夾緊面占整圓周的百分比。

則產(chǎn)生的夾緊力為F=P×A

夾緊扭矩為T=μF×R=μ·P·2πR×B×a%×R=2πR2μPB×a%

其中μ為夾緊機(jī)構(gòu)夾緊面與旋轉(zhuǎn)軸被夾緊面的摩擦系數(shù)。

可見(jiàn)結(jié)構(gòu)確定后，夾緊扭矩與液壓油壓力成正比。

1.連接桿 2.夾緊件 3.液壓缸圖1 液壓缸驅(qū)動(dòng)的鉗式夾緊機(jī)構(gòu)

如圖1所示，該機(jī)構(gòu)常用于臥式加工中心工件主軸的旋轉(zhuǎn)制動(dòng)夾緊中，連接桿通過(guò)連接件與主軸箱固定，兩夾緊件通過(guò)液壓缸的運(yùn)動(dòng)完成夾緊- 放松等動(dòng)作。當(dāng)液壓缸活塞桿推進(jìn)時(shí)，兩夾緊件靠近，通過(guò)夾緊面夾緊回轉(zhuǎn)軸達(dá)到制動(dòng)效果。液壓缸活塞桿推出時(shí)，兩夾緊件遠(yuǎn)離，夾緊面釋放旋轉(zhuǎn)軸。夾緊后承受的扭矩通過(guò)連接件傳遞到主軸箱。該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及加工都相對(duì)簡(jiǎn)單，成本低，但需要一定的安裝空間，因臥式加工中心工件主軸后端一般空間都比較大，因此該結(jié)構(gòu)比較常見(jiàn)。此外設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合夾緊面的大小及液壓缸的行程、液壓油的壓力，切削扭矩等確定各零件的相對(duì)位置關(guān)系，保證夾緊時(shí)制動(dòng)扭矩足夠大。

如圖2所示，這種夾緊制動(dòng)機(jī)構(gòu)主要工作部分是由彈性材料加工成的帶法蘭的柱狀?yuàn)A緊套，它通過(guò)螺釘?shù)劝惭b連接在固定件上，在夾緊套和固定件之間形成一個(gè)填充液壓油的空腔。高壓油通入空腔，夾緊套發(fā)生彈性變形，內(nèi)壁夾緊旋轉(zhuǎn)件達(dá)到制動(dòng)效果。這種結(jié)構(gòu)將油壓轉(zhuǎn)換成徑向夾緊力，沒(méi)有損失，回彈不需要油壓，泄壓后夾緊套會(huì)靠自身的彈性回到初始狀態(tài)，被夾緊部件得到釋放。這種結(jié)構(gòu)所需安裝空間小，夾緊松開(kāi)速度快。常見(jiàn)于擺頭、轉(zhuǎn)臺(tái)等功能部件中。但該結(jié)構(gòu)中的夾緊套加工難，首先是材料彈性要求非常好，常見(jiàn)鈹青銅、錫青銅等，其次其夾緊部位的結(jié)構(gòu)必須能夠保證通壓時(shí)快速?gòu)棾鲂箟簳r(shí)快速?gòu)椈兀荒芴?動(dòng)作慢，達(dá)不到理想的變形量)，不能太薄(夾緊時(shí)扭矩不足)，常見(jiàn)的該零件夾緊壁上會(huì)有一些細(xì)長(zhǎng)條的小豁槽，這些豁槽保證其夾緊及回彈動(dòng)作的靈敏性。在哈默的銑削中心轉(zhuǎn)臺(tái)上使用了此結(jié)構(gòu)保證了轉(zhuǎn)臺(tái)的快速夾緊和松開(kāi)。西泰克的雙擺銑頭也應(yīng)用了該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)A軸的夾緊與松開(kāi)。

1.固定件 2.空腔 3.柱狀?yuàn)A緊套 4.旋轉(zhuǎn)件圖2 圓柱狀?yuàn)A緊套

1.2 剎車片式夾緊機(jī)構(gòu)

剎車片式夾緊機(jī)構(gòu)基本原理是通過(guò)夾緊與旋轉(zhuǎn)軸相連接的盤式剎車片，在夾緊表面處產(chǎn)生摩擦扭矩達(dá)到制動(dòng)效果。夾緊剎車片的結(jié)構(gòu)各異，以下列舉兩類實(shí)現(xiàn)方式。

如圖3所示，盤式制動(dòng)器越來(lái)越多地用在機(jī)床回轉(zhuǎn)軸的制動(dòng)中，制動(dòng)器通過(guò)螺釘與主軸箱緊固連接，連接盤與回轉(zhuǎn)軸通過(guò)連接件相連接。通入液壓油制動(dòng)器動(dòng)作，夾緊連接盤達(dá)到制動(dòng)效果；泄壓后制動(dòng)器恢復(fù)原位，釋放連接盤，旋轉(zhuǎn)軸可重新旋轉(zhuǎn)。盤式制動(dòng)器是液壓驅(qū)動(dòng)形式，因其制動(dòng)面積較小，因此所需用的制動(dòng)液壓油壓力會(huì)比較大。

1.液壓油制動(dòng)器 2.連接盤圖3 盤式制動(dòng)器

液壓油壓力為P，夾緊面面積為A，產(chǎn)生的夾緊力為F=P·A，屬于雙面夾緊

如圖4所示，這種制動(dòng)機(jī)構(gòu)中剎車片通過(guò)連接件與旋轉(zhuǎn)軸相連。夾緊件固定，高壓油通入空腔碟簧被壓縮，剎車片松開(kāi)，旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；泄壓后碟簧回彈，剎車片被夾緊起到制動(dòng)作用。根據(jù)夾緊扭矩的大小可配置多組該機(jī)構(gòu)。剎車片的耐磨性能要求較高。這種機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于工作時(shí)是通壓松開(kāi)，泄壓夾緊，因此可以在發(fā)生事故或突然斷電的情況下夾緊旋轉(zhuǎn)軸，防止意外的發(fā)生。

1.剎車片 2.空腔 3.夾緊件 4.碟簧圖4 碟簧與液壓聯(lián)合作用實(shí)現(xiàn)制動(dòng)

1.3 氣動(dòng)鉗夾夾緊機(jī)構(gòu)

如圖5所示，HEMA公司的氣動(dòng)鉗夾在回轉(zhuǎn)軸的制動(dòng)中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在Close口通入壓縮空氣，彈簧皮腔被壓縮伸展，連帶環(huán)形剎車片夾緊回轉(zhuǎn)軸達(dá)到制動(dòng)效果，在Open口通入壓縮空氣，彈簧皮腔彎曲收縮，環(huán)形剎車片與回轉(zhuǎn)軸分離，被夾緊的回轉(zhuǎn)軸得到釋放。應(yīng)用中氣動(dòng)鉗夾通過(guò)螺釘連接在固定件上。這種夾緊機(jī)構(gòu)較液壓式的在大扭矩夾緊情況下效果要差些，而且因其加工困難，目前國(guó)際上能生產(chǎn)它的廠家非常少，因此價(jià)格比較高，設(shè)計(jì)的成本會(huì)增加，但其夾緊及釋放速度非常快，安裝簡(jiǎn)單，而且具有安全鎖緊功能，一般扭矩需求下均可替代液壓夾緊。

1.固定件 2.氣動(dòng)鉗夾 3.回轉(zhuǎn)件圖5 氣動(dòng)鉗夾

2 固定角度的夾緊機(jī)構(gòu)

2.1 端齒盤式夾緊機(jī)構(gòu)

如圖6所示，這種夾緊機(jī)構(gòu)除有鎖緊功能，還有固定角度分度定位功能，最小的分度單位根據(jù)需要調(diào)整齒盤齒數(shù)即可，齒數(shù)越多，定位精度也越高[2]。端齒盤具有自定心定位功能，常見(jiàn)于雙擺銑頭中AC軸的連接處，在A軸實(shí)現(xiàn)快換功能時(shí)，通過(guò)端齒盤能夠準(zhǔn)確嚙合，實(shí)現(xiàn)大扭矩的傳遞。這種結(jié)構(gòu)需設(shè)計(jì)齒盤脫開(kāi)及拉緊裝置，常見(jiàn)的是手動(dòng)松開(kāi)換頭及通過(guò)液壓拉抓實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換頭動(dòng)作，兩端齒盤主要起到定位和傳遞扭矩的作用。而且這種結(jié)構(gòu)通常處于外界環(huán)境中，因此要保證齒盤處的清潔，防止鐵屑等雜物進(jìn)入破壞齒面影響定位精度。

圖6 兩端齒盤

2.2 三齒盤式夾緊機(jī)構(gòu)

如圖7所示，三齒盤結(jié)構(gòu)常用于車銑復(fù)合加工中心動(dòng)力主軸中[3]，如圖為實(shí)現(xiàn)該功能的一種結(jié)構(gòu)，靜齒盤與固定件通過(guò)螺釘連接，在空腔中通入高壓油，活塞桿被頂起，推動(dòng)活塞齒盤向上與靜齒盤及旋轉(zhuǎn)齒盤嚙合，其中旋轉(zhuǎn)齒盤與旋轉(zhuǎn)軸相連接，此時(shí)旋轉(zhuǎn)齒盤通過(guò)活塞齒盤與靜齒盤連接，同時(shí)螺旋彈簧被壓縮，實(shí)現(xiàn)鎖緊功能；泄壓后，靠螺旋彈簧的恢復(fù)力將活塞齒盤推離靜齒盤，同時(shí)也與旋轉(zhuǎn)齒盤相脫離，旋轉(zhuǎn)齒盤釋放，旋轉(zhuǎn)軸可再次旋轉(zhuǎn)。這種結(jié)構(gòu)多處于功能部件內(nèi)部，避免了鐵屑等雜物的影響，而且定位速度快，具有明顯優(yōu)勢(shì)。

1.固定件 2.活塞桿 3.活塞齒盤 4.靜齒盤 5.空腔 6.螺旋彈簧 7.旋轉(zhuǎn)齒盤圖7 三齒盤

3 結(jié)語(yǔ)

旋轉(zhuǎn)軸的快速啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)、準(zhǔn)確定位夾緊是數(shù)控機(jī)床尤其是主軸、擺頭、轉(zhuǎn)臺(tái)等功能部件常見(jiàn)的動(dòng)作需求。本文針對(duì)這種需要闡述了多種定位夾緊機(jī)構(gòu)，給出了實(shí)現(xiàn)其動(dòng)作的局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用場(chǎng)合。

目前，這些設(shè)計(jì)方法在國(guó)內(nèi)外的產(chǎn)品中都得到了廣泛應(yīng)用。具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，因周圍結(jié)構(gòu)、空間大小各有不同，要根據(jù)實(shí)際情況選用合理的定位夾緊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)所需功能。

[1] 張文博，劉春時(shí)，張維官，王哲.幾種數(shù)控機(jī)床回轉(zhuǎn)軸的定位夾緊方式[J].設(shè)計(jì)與研究，2013，(1)：125-127，131.

[2] 南歡.端齒盤的參數(shù)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]，制造技術(shù)與機(jī)床，2006，(10)：106-109.

[3] 李憲凱，車銑復(fù)合機(jī)床五軸頭關(guān)鍵技術(shù)[J]，設(shè)備管理與維修，2005(12).

Several Common Clamping Pattern of Rotary Spindle in CNC Machine

LI Lei

Rotary axis in CNC machine needs to have clamping and more accuracy positioning clamping function, the paper introduces some common clamping mechanisms, describes design and application of the rotary feed mechanism in locating and clamping mechanism.

CNC machine； rotary axis； clamping mechanism

2015-01-30

李 蕾(1982-)，女，河北秦皇島人，工程師，招標(biāo)師，碩士，主要從事有色設(shè)備采購(gòu)工作，現(xiàn)任北京中色建設(shè)機(jī)電設(shè)備有限公司進(jìn)出口部副經(jīng)理。

TG659

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1003-8884(2015)03-0021-03