數控轉臺鎖緊機構的設計與計算

楊小娟 邱 巖

通用技術沈陽機床股份有限公司 沈陽 110141

1 數控轉臺介紹

數控轉臺是一種重要的機床附件,主要應用在加工中心和數控鏜銑床上,能夠為機床提供第四軸、第五軸的回轉運動,擴大了機床的加工范圍,使加工復雜曲面成為可能。數控轉臺在航空、航天設備和車輛的零部件加工中起關鍵作用,是一個復雜的機電一體的現代化設備。

常見的數控轉臺通過伺服電機來驅動,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,實現轉臺的旋轉。高速高精轉臺常采用力矩電機直驅的方式。根據定位方式的區別,轉臺可以分為分度轉臺和連續旋轉轉臺。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加工時的受力,將力直接傳遞給箱體,使驅動機構和傳動機構的受力得到釋放,從而保證回轉軸具有較高的傳動剛性。筆者就轉臺的定位方式展開討論,介紹幾種常見的定位方式的設計計算方法。

2 分度轉臺定位

2.1 齒盤定位

分度轉臺又稱數控分度盤,轉臺旋轉到目標角度后鎖緊,然后參與加工,此類型的轉臺一般不能進行插補聯動運行。分度轉臺通過端齒盤實現定位,常用的端齒盤有雙聯齒盤和三聯齒盤。雙聯齒盤的動作如圖1所示,三聯齒盤的動作如圖2所示。分度盤的精度取決于齒盤的精度。

▲圖1 雙聯齒盤動作▲圖2 三聯齒盤動作

2.2 齒盤強度校核

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

▲圖3 齒盤簡圖

齒側應力Ss為:

(1)

齒面壓縮應力Sc為:

(2)

等價齒面壓縮應力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;h0為有效齒高;Fc為齒盤鎖緊最大負載。

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

3 連續轉臺定位

連續轉臺又稱任意分度轉臺,工作臺可以實現任意角度的旋轉,可以參與機床的聯動加工,聯動加工過程中的定位由驅動電機的驅動力矩來保持,在重切削時能夠保證加工精度;在靜止中的定位為了節省電機的能源損耗,防止電機過載發生,轉臺由定位夾緊裝置來進行轉臺的定位。連續轉臺的夾緊裝置主要有摩擦片式、環抱式和彈性材料摩擦式,夾緊動力有液壓和氣壓。

3.1 摩擦片式夾緊機構

摩擦片式夾緊機構是依靠接觸面之間的靜摩擦力所產生的摩擦力矩,使轉臺保持靜止。

(1) 單摩擦片夾緊裝置結構。圖4所示為單摩擦片夾緊結構圖,摩擦片固定在旋轉座上隨旋轉座一起轉動,在摩擦片上方布置有夾緊活塞,轉臺夾緊時,活塞在液壓油的推動下壓緊摩擦片,實現夾緊動作。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構

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

▲圖5 多摩擦片夾緊結構

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

(4) 摩擦片式夾緊機構設計。摩擦片應當選用有較高抗拉強度和屈服強度的材質,通常使用的有65Mn或60SiMnA等彈簧鋼,經淬火、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。數控回轉工作臺根據夾緊機構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、尺寸及夾緊壓力相關,為:

(4)

式中:μ為摩擦因數;Pm為摩擦片單位面積壓力;Dm為摩擦片摩擦環外徑;Dn為摩擦片摩擦環內徑;n為摩擦片摩擦面的數量;r為摩擦片半徑。

3.2 環抱式夾緊結構

(1) 環抱式夾緊結構設計。對于重載的轉臺可以采用環抱式夾緊結構,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。當液壓油充滿脹緊套油腔時,液壓油的壓力使脹緊套發生彈性變形,脹緊套與夾緊面的摩擦力夾緊旋轉部件,實現旋轉部件的制動。環抱式夾緊面與數控回轉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 環抱式夾緊結構

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

Md=d(L-2a)πPμd/2/105

(5)

式中:d為脹緊套內徑;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 結束語

筆者詳細介紹了數控轉臺常用的夾緊方式及夾緊力的計算方式,在轉臺設計中可根據轉臺的實際結構進行選擇。小型、輕型轉臺夾緊扭矩小,可以選擇氣壓單摩擦片結構,這種結構成本低,節省液壓站費用,維護方便。對于較大型轉臺,采用液壓單摩擦片式或多摩擦片式結構。對于重載轉臺,可采用環抱式夾緊機構,或者采用增力機構增加壓力來實現大摩擦力。