數(shù)控轉(zhuǎn)臺鎖緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計與計算

楊小娟 邱 巖

通用技術(shù)沈陽機(jī)床股份有限公司 沈陽 110141

1 數(shù)控轉(zhuǎn)臺介紹

數(shù)控轉(zhuǎn)臺是一種重要的機(jī)床附件,主要應(yīng)用在加工中心和數(shù)控鏜銑床上,能夠為機(jī)床提供第四軸、第五軸的回轉(zhuǎn)運動,擴(kuò)大了機(jī)床的加工范圍,使加工復(fù)雜曲面成為可能。數(shù)控轉(zhuǎn)臺在航空、航天設(shè)備和車輛的零部件加工中起關(guān)鍵作用,是一個復(fù)雜的機(jī)電一體的現(xiàn)代化設(shè)備。

常見的數(shù)控轉(zhuǎn)臺通過伺服電機(jī)來驅(qū)動,一級傳動采用齒輪或皮帶傳動,二級傳動采用蝸輪蝸桿或齒輪傳動,通過兩級傳動來獲得想要的傳動比,實現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)。高速高精轉(zhuǎn)臺常采用力矩電機(jī)直驅(qū)的方式。根據(jù)定位方式的區(qū)別,轉(zhuǎn)臺可以分為分度轉(zhuǎn)臺和連續(xù)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺。定位夾緊機(jī)構(gòu)的應(yīng)用,不但能夠為回轉(zhuǎn)軸指定角度加工提供較高的定位精度,還能夠分散傳動機(jī)構(gòu)加工時的受力,將力直接傳遞給箱體,使驅(qū)動機(jī)構(gòu)和傳動機(jī)構(gòu)的受力得到釋放,從而保證回轉(zhuǎn)軸具有較高的傳動剛性。筆者就轉(zhuǎn)臺的定位方式展開討論,介紹幾種常見的定位方式的設(shè)計計算方法。

2 分度轉(zhuǎn)臺定位

2.1 齒盤定位

分度轉(zhuǎn)臺又稱數(shù)控分度盤,轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)角度后鎖緊,然后參與加工,此類型的轉(zhuǎn)臺一般不能進(jìn)行插補聯(lián)動運行。分度轉(zhuǎn)臺通過端齒盤實現(xiàn)定位,常用的端齒盤有雙聯(lián)齒盤和三聯(lián)齒盤。雙聯(lián)齒盤的動作如圖1所示,三聯(lián)齒盤的動作如圖2所示。分度盤的精度取決于齒盤的精度。

▲圖1 雙聯(lián)齒盤動作▲圖2 三聯(lián)齒盤動作

2.2 齒盤強度校核

齒盤的校核包括齒側(cè)應(yīng)力校核、齒面壓縮應(yīng)力校核、等價齒面壓縮應(yīng)力校核。以下介紹一種雙聯(lián)齒盤的校核,以一度一分的齒盤360-450-340XV型號為例進(jìn)行校核,齒盤齒形角為30°,嚙合狀態(tài)下每齒的接觸長度大于齒長的50%,總接觸齒數(shù)大于80%。齒盤簡圖如圖3所示。

▲圖3 齒盤簡圖

齒側(cè)應(yīng)力Ss為:

(1)

齒面壓縮應(yīng)力Sc為:

(2)

等價齒面壓縮應(yīng)力Sec為:

(3)

式中:D1為齒盤外徑;T為鎖緊扭矩;W為齒寬;Z為齒數(shù);h0為有效齒高;Fc為齒盤鎖緊最大負(fù)載。

360-450-340XV型號齒盤的齒側(cè)應(yīng)力在滲碳工藝下允許值為170 MPa,齒面壓縮應(yīng)力在滲碳工藝下允許值為230 MPa,等價齒面壓縮應(yīng)力在滲碳工藝下允許值為850 MPa。

3 連續(xù)轉(zhuǎn)臺定位

連續(xù)轉(zhuǎn)臺又稱任意分度轉(zhuǎn)臺,工作臺可以實現(xiàn)任意角度的旋轉(zhuǎn),可以參與機(jī)床的聯(lián)動加工,聯(lián)動加工過程中的定位由驅(qū)動電機(jī)的驅(qū)動力矩來保持,在重切削時能夠保證加工精度;在靜止中的定位為了節(jié)省電機(jī)的能源損耗,防止電機(jī)過載發(fā)生,轉(zhuǎn)臺由定位夾緊裝置來進(jìn)行轉(zhuǎn)臺的定位。連續(xù)轉(zhuǎn)臺的夾緊裝置主要有摩擦片式、環(huán)抱式和彈性材料摩擦式,夾緊動力有液壓和氣壓。

3.1 摩擦片式夾緊機(jī)構(gòu)

摩擦片式夾緊機(jī)構(gòu)是依靠接觸面之間的靜摩擦力所產(chǎn)生的摩擦力矩,使轉(zhuǎn)臺保持靜止。

(1) 單摩擦片夾緊裝置結(jié)構(gòu)。圖4所示為單摩擦片夾緊結(jié)構(gòu)圖,摩擦片固定在旋轉(zhuǎn)座上隨旋轉(zhuǎn)座一起轉(zhuǎn)動,在摩擦片上方布置有夾緊活塞,轉(zhuǎn)臺夾緊時,活塞在液壓油的推動下壓緊摩擦片,實現(xiàn)夾緊動作。摩擦片間的間隙推薦值為0.2～0.8 mm,夾緊油壓推薦為2 MPa～5 MPa。

▲圖4 單摩擦片夾緊裝置結(jié)構(gòu)

(2) 多摩擦片夾緊結(jié)構(gòu)。圖5所示為多摩擦片夾緊結(jié)構(gòu)圖,多片旋轉(zhuǎn)摩擦片安裝旋轉(zhuǎn)座上,并隨旋轉(zhuǎn)座一起轉(zhuǎn)動,固定摩擦片與固定座連接,旋轉(zhuǎn)摩擦片和固定摩擦片左側(cè)組裝擠壓摩擦片的活塞。旋轉(zhuǎn)摩擦片中間設(shè)置墊片,起到分離旋轉(zhuǎn)摩擦片及保持運動間隙的作用。轉(zhuǎn)臺鎖緊時,活塞移動,擠壓旋轉(zhuǎn)摩擦片和固定摩擦片,旋轉(zhuǎn)摩擦片、固定摩擦片及活塞接觸面的摩擦力保證轉(zhuǎn)臺的鎖緊力矩。

▲圖5 多摩擦片夾緊結(jié)構(gòu)

(3) 有轉(zhuǎn)臺廠家利用增壓原理研發(fā)倍力雙活塞的夾緊機(jī)構(gòu),增加轉(zhuǎn)臺的夾緊力。這種結(jié)構(gòu)有兩個活塞,左側(cè)活塞油腔進(jìn)入液壓油,同時液壓油通過活塞的小孔進(jìn)入右側(cè)的活塞腔體,活塞的摩擦正壓力是左側(cè)活塞壓力和右側(cè)活塞油腔壓力之和。

(4) 摩擦片式夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計。摩擦片應(yīng)當(dāng)選用有較高抗拉強度和屈服強度的材質(zhì),通常使用的有65Mn或60SiMnA等彈簧鋼,經(jīng)淬火、回火處理,65Mn彈簧鋼強度高,淬透性較差,脫碳傾向小,價格低,切削加工性能好,有過熱敏感性,易產(chǎn)生淬火裂紋并有回火脆性,可用于制造各種截面較小的扁、圓彈簧、板簧和彈簧片。剎車片要求具有較好的面接觸,保證剎車扭矩。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺根據(jù)夾緊機(jī)構(gòu)的不同來選擇合適的摩擦片,一般推薦選用干式摩擦片。

(5) 摩擦片夾緊力矩計算單摩擦片夾緊力矩Td與摩擦片的摩擦因數(shù)、尺寸及夾緊壓力相關(guān),為:

(4)

式中:μ為摩擦因數(shù);Pm為摩擦片單位面積壓力;Dm為摩擦片摩擦環(huán)外徑;Dn為摩擦片摩擦環(huán)內(nèi)徑;n為摩擦片摩擦面的數(shù)量;r為摩擦片半徑。

3.2 環(huán)抱式夾緊結(jié)構(gòu)

(1) 環(huán)抱式夾緊結(jié)構(gòu)設(shè)計。對于重載的轉(zhuǎn)臺可以采用環(huán)抱式夾緊結(jié)構(gòu),如圖6所示。脹緊套是由彈簧鋼等材料制成的彈性元件,具有足夠的彈性形變能力且有良好的耐磨性。當(dāng)液壓油充滿脹緊套油腔時,液壓油的壓力使脹緊套發(fā)生彈性變形,脹緊套與夾緊面的摩擦力夾緊旋轉(zhuǎn)部件,實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)部件的制動。環(huán)抱式夾緊面與數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺能大面積接觸,具有高剛性和耐重切削的特性,脹緊套厚度推薦為5～10 mm。

▲圖6 環(huán)抱式夾緊結(jié)構(gòu)

(2) 環(huán)抱式夾緊力矩計算。環(huán)抱式夾緊力矩Md與脹緊套面積、夾緊介質(zhì)壓力,以及材料的摩擦因數(shù)相關(guān),為:

Md=d(L-2a)πPμd/2/105

(5)

式中:d為脹緊套內(nèi)徑;L為脹緊套長度;a為脹緊套斷面與密封斷面的距離;P為夾緊油壓。

4 結(jié)束語

筆者詳細(xì)介紹了數(shù)控轉(zhuǎn)臺常用的夾緊方式及夾緊力的計算方式,在轉(zhuǎn)臺設(shè)計中可根據(jù)轉(zhuǎn)臺的實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇。小型、輕型轉(zhuǎn)臺夾緊扭矩小,可以選擇氣壓單摩擦片結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)成本低,節(jié)省液壓站費用,維護(hù)方便。對于較大型轉(zhuǎn)臺,采用液壓單摩擦片式或多摩擦片式結(jié)構(gòu)。對于重載轉(zhuǎn)臺,可采用環(huán)抱式夾緊機(jī)構(gòu),或者采用增力機(jī)構(gòu)增加壓力來實現(xiàn)大摩擦力。