擺頭力矩電動機夾緊機構設計及優化分析

蔡春剛 任志輝 冷 磊 賀行健 杜長林

(大連光洋科技工程有限公司，大連遼寧 116600)

為了增加擺頭高速切削和重切削的能力，并防止在加工過程中機床或系統異常掉電以致擺頭失控損壞被加工工件，擺頭的A、C軸力矩電動機必須提供夾緊功能。

1 C軸力矩電動機夾緊機構設計

目前，成熟的夾緊方案主要有如下2種:

(1)對旋轉體的外圓柱面夾緊

這種夾緊方案主要特點是:①周向夾緊比較穩定，夾緊之后不容易產生偏斜;②夾緊面積可以很大，從而夾緊力矩可以做到很大，有利于提高整個部件的切削剛性;③圓柱面夾緊機構方式安裝和調整比較方便;④夾緊套(即夾緊的執行部件)制造精度要求較高，工藝難度較大。這種技術方案是直驅式擺頭、直驅式回轉工作臺及車銑復合用電主軸上應用比較多的方案。

(2)對旋轉體的端面夾緊

這種機構類似于汽車的剎車盤，但具體的結構有所不同。這種結構主要應用在直驅回轉工作臺上，這是因為一般機床的回轉工作臺體積較大，這就方便了端面夾緊機構的設計，也可以把夾緊力矩做到很大。但它的難度在于夾緊機構的制造精度要求較高，安裝和調整也比較困難。

鑒于上述特點和直驅式擺頭的內部結構特點，我們采用第一種夾緊方案。圖1所示是專為擺頭C軸設計的夾緊套的實物照片。其夾緊原理如圖2所示。該結構通過液壓油由進油孔進入到油腔，此時回油孔封死，油腔內的液壓油壓力達到一定程度以后，迫使夾緊套產生彈性變形并緊密貼合電動機轉子，使夾緊套和電動機轉子的結合面間產生接觸壓力從而產生足夠大的摩擦力，完成力矩電動機的剎車制動及夾持作用。夾緊扭矩可由下式估算獲得:

式中:Md為作用在外徑為d的回轉體上的夾緊扭矩，N·m;L為有效夾緊長度，m;p為液壓油的壓力，Pa;μ為摩擦系數，根據我們的材料特性，取0.07～0.12。

利用有限元方法對夾緊套進行強度與剛度的考核。根據其工作原理，夾緊套必須工作在其材料的彈性極限范圍，以此為條件來優化其結構，最終確定夾緊套與被夾持體——電動機轉子之間的配合公差。

2 C軸力矩電動機夾緊套機構優化

圖3所示為根據外圓柱面夾緊原理設計的一種夾緊套(如圖4所示)和被夾緊轉子配合(下稱方案一)在最大允許油壓為6 MPa作用下的應力分析圖及變形分析圖。由圖3a可知，在6 MPa液壓力的作用下，在夾緊套的油腔上端局部區域產生了應力集中，最大應力為121.8 MPa，已經超過了初選材料的屈服強度(彈性極限)的下限值。由此可知，所選材料必須要求其屈服強度大于121.8 MPa，并且留有一定的裕度。這樣便提高了對材料性能的要求，增加了材料處理的工藝成本。

根據方案一改進的夾緊套(如圖5所示)和轉子配合(下稱方案二)如圖6所示，夾緊套和被夾緊轉子的裝配圖在最大允許油壓6 MPa作用下的應力分析圖及變形分析圖分別如圖6a和6b所示。方案二的不同之處在于改變了夾緊接觸區域的始末位置，加大了接觸區域的范圍，使得油腔兩端的密封圈凹槽對應的夾緊套的內圓柱面也直接接觸到轉子外圓柱面。

由圖6可知，夾緊套的最大應力為51 MPa，遠小于材料的屈服強度下限值120 MPa;并且轉子的變形量為0.048 6 mm，小于方案一的0.051 mm，并沒有由于夾緊面積的增大而增大，反而有少許減小。由此可見，方案二是較為合理的優化設計。

［1］鄭金興.機械制造裝備設計［M］.哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2008.

［2］田文濤，賀小華.Solidworks與ANSYS軟件數據交換文件應用研究［J］.現代制造工程，2008(7):43 －46.

［3］劉偉.ANSYS 12.0 寶典［M］.北京:電子工業出版社，2010.

［4］周明，孫樹棟.遺傳算法原理及應用［M］.北京:國防工業出版社，1999.