幾種數控機床回轉（zhuǎn）軸（zhóu）的定位夾緊方式-數控機床市場網

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幾種數控機床回轉軸（zhóu）的定（dìng）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（zhēn）對雙擺角數控萬能（néng）銑頭和數（shù）控轉（zhuǎn）台等實現五軸加工中心回（huí）轉進給運動的功能部件，對其回轉軸的定位夾緊機構（gòu）的設計進行了深入的研究，介紹了幾種數控機床回轉軸（zhóu）設（shè）計（jì）中常用的定位夾緊方（fāng）式，並闡（chǎn）述了各定位夾緊機構在數控機床回轉軸中的設計和應（yīng）用方法。

關鍵詞: 數控機床回轉軸（zhóu）定位夾緊齒盤夾緊套

雙擺角（jiǎo）數控萬能銑頭和數控轉台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（zhóu）聯動加工提供第四軸和第五軸的（de）回轉進（jìn）給運動，而且要具備固（gù）定角度的分度定位或（huò）任意角度（dù）的定位夾緊功能。這是（shì）因為在對工件指定角度平麵或定向特征進行定位加工時（shí），僅靠驅動係（xì）統和傳動機（jī）構通常並不能滿足（zú）工件（jiàn）所需的定位精度要求。即使（shǐ）定位精度能夠得到保（bǎo）證，當刀具或工件承受較大切削力時（shí），尤（yóu）其是在重切削時，其所處的回轉軸也（yě）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（chuán）動機構（gòu）受力變形和傳動剛度不足而引起（qǐ）刀具或工件振動等問（wèn）題，從（cóng）而嚴重影響工件的加工精度。因此，回轉軸（zhóu）中定位夾緊機構的應用，不但能夠為回轉軸指定（dìng）角度加工提供（gòng）較高的定位精度，還能夠分散傳動機構定位加工時的受（shòu）力，將力直（zhí）接傳遞給箱體，使（shǐ）驅動係統和傳動機構得到釋放，從而保證回轉軸具有較高的（de）傳動（dòng）剛性。本文針對雙擺（bǎi）角萬能銑頭和數控轉台回轉軸的定位（wèi）夾（jiá）緊功能，介紹了設計中幾種常用的定位夾緊機構，並闡述了回轉進給機構中定位夾（jiá）緊機構的設計和應（yīng）用方法。

1 固定角度的定位夾緊機構

1．1 端齒盤（pán）式（shì）定位夾緊機構

端齒盤式定位（wèi）夾（jiá）緊機構具有固定角度分度定位功能（néng），通過動（dòng）齒盤與靜齒盤的脫開、轉位和（hé）齧合即可實現回轉軸的鎖緊和高精度的分度定位。如圖 1 所（suǒ）示，其最小分度單位受齒盤的齒數限製，由於誤（wù）差平均效應，齒盤的齒數越多，定位精度也（yě）越高，常用（yòng）的端齒盤定位精度一般可達±2″以上。因此，此類機構常用於有固（gù）定角度分（fèn）度功能的數控轉台、數（shù）控刀架和角度頭（tóu）等功能部件的設計（jì）中，通過齒盤的（de）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（tóng）時（shí）端齒盤還具有（yǒu）傳動（dòng）扭矩大、傳動剛性好等特點（diǎn），設計中為（wéi）了保證分度定（dìng）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（xiàng）上（shàng）對端齒盤施加一（yī）定的軸向（xiàng）預緊力來鎖緊動靜齒（chǐ）盤（pán），其受力關係如圖 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，兩者具有以下關係:

式中:d1和 d2分別為齒的內（nèi）徑和外徑。為了（le）在承受最大回轉扭矩 Tmax時，兩齒盤不脫（tuō）開，施加的最小（xiǎo）預緊力Fa為:

式中:α為齒盤（pán）的齒（chǐ）形角。通過式(1)和式(2)可（kě）知在設計夾緊機構時，夾緊機構提供（gòng）的預（yù）緊力 F 應滿（mǎn）足如下關係:

式中:μ 為安全係數，一般為 1．8 ～3。

目前（qián），齒盤常見（jiàn）的齒形結構主要有直齒、楔形齒（chǐ）和弧形齒 3 種齒麵，齒形沿圓（yuán）周向心分布，正（zhèng）常接觸後（hòu）具有自動定心功能（néng）和良好的互換性，因此，端（duān）齒盤通常還用於銑頭（tóu）的換（huàn）頭機構的快速定位（wèi）連接。

本次沈陽機床設計研究院承（chéng）擔的“十一五（wǔ）” 重大（dà）專項項目 AC 軸雙擺角數（shù）控萬能銑頭的樣（yàng）機 MH30fhc，采用的就（jiù）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，圓錐麵定（dìng）心的連接方式不僅結構緊湊、連接剛性好（hǎo），實現（xiàn）了 C 軸（zhóu）單（dān）元對 A 軸單元的大扭矩傳遞，而且（qiě）具有定心速度快、定位（wèi）精（jīng）度高的（de）特點，很好地保證了不同（tóng） A 軸單元和通用（yòng） C 軸單元的快速和高精度定位連接。

1． 2 三齒盤定（dìng）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於固定角度分度定位機（jī）構（gòu），但兩者分度動作不同，端齒盤在定位（wèi）分度過程中需要動齒盤和相關的回（huí）轉部件整體相對於靜齒盤有一定的（de）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齧合動靜（jìng）齒盤，從而達到回轉部件（jiàn）的定（dìng）位分度的目（mù）的，如圖 4 所示。三齒盤的這一結（jié）構特性雖然傳動剛（gāng）度較端（duān）齒盤略差，但避免了（le）端齒盤（pán）式定位夾緊機構在回（huí）轉軸的設計應（yīng）用中整體回轉單元（yuán）的抬起（qǐ）動作，因此在重載數控轉台的設計中具有明顯的優（yōu）勢，定位速度快，也能避免回轉機構動作時切屑的進（jìn）入，如圖 4 所示。

三齒盤定位夾緊機構與（yǔ）端齒盤式定位夾緊機構同屬於固定（dìng）角度分度定位機構，但兩者分度動作不同，端齒盤在定（dìng）位分度過程中需要動齒盤和相關的回轉部件整體相對於靜齒盤有一定（dìng）的（de）抬起量（liàng），如圖 3 所示。

除此之外，三齒盤定位夾緊機構也常用於車銑複合加工中心的動力主軸和 B 軸（zhóu）回轉機構中來實現車削加工時動力主（zhǔ）軸車削（xuē）刀具準確定位、提高回轉機構的傳（chuán）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（shù）控機（jī）床（chuáng）回（huí）轉軸的設計中，應用齒盤式定位夾緊機構隻能（néng）實現指（zhǐ）定角度和傾斜度的孔或表麵的定位加（jiā）工，從加工範（fàn）圍上來講，這限製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（jiǎo）度加工特征的定位加工而設計的。由於夾緊機構本身並不（bú）具有分度（dù）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（qū）動係（xì）統、傳動係統和角度（dù）編碼器組成的閉環結構來實現角（jiǎo）度分度定位，分（fèn）度精度由角度編碼器（qì）決定，再通過夾緊機構對回轉軸定位鎖緊完成（chéng）。此類定位夾緊機構不但能夠實現回轉軸回轉範圍內任意角度的分度定位，而且還使回（huí）轉機構的驅動係統和傳動機構得到釋放，將切削力由夾（jiá）緊係統直接分散到箱體，提高了回轉軸分度定位（wèi）時的傳動剛（gāng）性，易於實現大扭矩的定位加工。目前，常見（jiàn）的任意角度定位夾（jiá）緊機構主要有碟片式定（dìng）位夾緊機（jī）構和（hé）環抱式定位夾緊機構兩種。

2． 1 碟片式定位夾緊（jǐn）機構

碟片（piàn）式定位夾緊機構的結（jié）構形式很多，圖 5 為 Fi-bro 公司轉台的定位夾緊機（jī）構。其主要原理是通過活塞對安裝於回轉軸旋轉單元的彈簧碟片施加（jiā）一定（dìng）的軸向力，使彈簧碟片與固定環型麵的端麵貼合產生摩擦力，從而達到回轉軸定位夾緊的目的。碟片式定位夾緊（jǐn）機構可以（yǐ）通（tōng）過（guò）增加活塞內介質的壓力以及彈簧碟片的作用麵（miàn）積，來提高機構的夾緊扭矩。但受空間結構的限製，碟片的（de）作用麵積一般（bān）較小，因此，夾緊扭矩受到了限製，目前隻在回轉扭矩小的轉台（tái）和銑頭（tóu）上得到了應用。

圖 5 為 Fi-bro 公司轉台的定位夾緊機構。其主要原理是通過活塞（sāi）對（duì）安裝於回轉軸旋轉單（dān）元（yuán）的彈簧碟片施加一定的軸向力，使彈簧碟（dié）片與固（gù）定環型麵（miàn）的端麵（miàn）貼合產生摩（mó）擦力，從而（ér）達到回轉軸定位夾緊的目的。碟片式（shì）定位夾緊機構可以通過（guò）增加活塞內介質的壓力以及彈簧碟片的作用麵積，來提高機構（gòu）的夾緊扭（niǔ）矩。但受空（kōng）間結構的限製，碟片的作用麵（miàn）積一般較小，因此，夾緊扭矩受到了限製，目（mù）前隻在回轉扭矩（jǔ）小的轉台和（hé）銑頭上得到了應用。

為了增大碟片式夾緊機構（gòu）的夾（jiá）緊扭矩，部分廠商嚐試（shì）了一種多碟（dié）片式夾緊機（jī）構，成倍地增加了摩擦接觸（chù）麵（miàn）積(如圖 6 所示)，從而增大了碟片夾緊的扭矩，較單片碟片（piàn）式夾緊機構可以達到兩倍以（yǐ）上的夾緊扭矩，取得了很好的效果。

為了增大碟片式夾緊機構的夾緊扭矩，部分廠商嚐試了一種多碟片式夾緊機構，成倍地增加了摩擦接觸麵積(如圖 6 所示)，從而增大了碟片夾緊的扭矩，較單片（piàn）碟片式（shì）夾（jiá）緊機構（gòu）可以達到兩倍（bèi）以（yǐ）上的夾緊扭矩，取得了很好的效果。

碟片式定位夾緊（jǐn）機構在設計時除了考慮到（dào）扭矩因素之外，還要考（kǎo）慮夾緊機構在回轉單元中（zhōng）的布置位置，在空間允（yǔn）許的條件下，盡（jìn）量增大刹車（chē）片的作用（yòng）麵（miàn）積，且靠近工件的受力麵，以提高定位加工時結構的傳動剛性。對於具有對稱（chēng）特征的回轉機構，如雙擺角數控（kòng）萬能銑頭 A 軸的叉形體結構和雙擺台的搖籃式結構（gòu），

夾（jiá）緊機構最好也對稱（chēng）布置於機構的兩（liǎng）側。這不但能夠彌補碟片式刹車機構夾緊扭矩小的不足，回轉軸定位（wèi）夾緊時的保持剛性也會得到改善。除此之外，由（yóu）於是軸向受力夾緊機構，設計（jì）時還要考慮到機構定位夾緊時（shí）的受力關係，使活塞的夾緊力傳遞到（dào）箱體之上，避免台麵浮動而影響回轉結構的穩定（dìng）。

碟片式定位夾（jiá）緊（jǐn）機構的夾緊動作可以（yǐ）通過液壓和氣壓 2 種方式實現（xiàn）。由於液壓（yā）夾緊方式很容（róng）易獲得較高的壓力，因此可以獲得更大的夾（jiá）緊扭（niǔ）矩。但相對（duì）於液（yè）壓夾緊方式來講，氣（qì）壓夾緊方式則具有清潔、可靠性高和夾（jiá）緊速度快（kuài）等優點。

2． 2 環抱式定位（wèi）夾緊機構

環抱式定位夾緊是通過夾緊套或環形刹車片在徑向方（fāng）向上作用於旋轉軸的圓周表麵，從而產生摩擦扭矩對回轉軸進行角度定位的夾（jiá）緊方式。目（mù）前常見的環抱式定位夾緊機構主要有液壓夾緊套和氣壓（yā）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（fēng）圈之間（jiān）毫無損失地轉換（huàn）成徑向夾緊力，並使套筒內壁（bì）作（zuò）用（yòng）於回轉軸的外圓周表麵，從而產生摩擦扭矩的夾緊方式，如圖 7 所示。

碟片式定位（wèi）夾緊機構的夾（jiá）緊動作可以通過液壓和氣壓 2 種方（fāng）式實現（xiàn）。由於液壓夾緊方式很（hěn）容易獲得較高的壓力，因此可（kě）以獲得更大的夾緊扭矩。但相對於液壓夾緊方式來講，氣壓夾（jiá）緊方式則具有清潔（jié）、可靠性高（gāo）和夾緊速度快等（děng）優（yōu）點。

被夾緊（jǐn）的元件在夾緊定位（wèi）發（fā）生時（shí），既不會產生（shēng）軸向推動，也不會產生扭曲，當油壓完全卸荷（hé），套筒彈回最初狀態，再次釋放部件（jiàn）。此類夾緊機（jī）構的特點是結構緊湊，夾緊扭矩大。其夾緊扭矩可根據下（xià）式估算:

式中（zhōng）:T 為實際的夾緊扭（niǔ）矩;d 為抱閘內壁直徑;L 為實際液體壓力的作用（yòng）長（zhǎng）度;p 為液（yè）體作用（yòng）壓力;μ 為抱（bào）閘與被夾緊件之間的摩擦係數。

圖 8 為我公司“十一五” 重大專項 AC 軸雙擺角數控萬（wàn）能銑頭項目樣機 MH30fhc 的 C軸（zhóu）回轉機構。回轉單元主要（yào）采用力矩電動機串（chuàn）聯（lián）式驅動結構。其夾緊定位機構采用的是液（yè）壓夾緊套的定位夾緊方式，夾緊套的筒壁直接作（zuò）用於隔套（tào）的外圓周，較直接作用於外轉子表麵具有更大的作用麵積，獲得了理想的夾緊扭（niǔ）矩。將驅動係統和夾緊係統較好（hǎo）地融合在了一起。此外，液壓夾緊套直接作用於隔套的外圓周，而不是作用於力矩電動機的外轉子，也（yě）降低了電動機損壞的風險。

由式(4)可以得出，徑向液（yè）壓夾緊方式的夾緊扭矩與抱閘的（de）作用麵（miàn）積、作用壓力以及抱（bào）閘和被夾緊麵的摩擦係數成正比。圖 8 為我公司“十一五” 重大專項 AC 軸雙（shuāng）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（gòu）采用的是液壓夾緊（jǐn）套（tào）的定位夾緊方式，夾緊（jǐn）套的筒（tǒng）壁直接作用於隔套的外圓周，較直接作用於外轉子表麵具有更大的作用麵積，獲得了理想的夾緊扭矩。將（jiāng）驅動係統和夾緊係統較好地融合在了一起。此外，液（yè）壓夾緊（jǐn）套（tào）直接作用於隔套的外圓周，而（ér）不是作（zuò）用於力矩電（diàn）動機（jī）的外轉子，也降低了電動機損壞的（de）風險（xiǎn）。

與（yǔ）液壓（yā）夾緊套（tào）的夾緊方式類似（sì），氣動抱閘也是利用環形刹車片作用於回轉軸的圓周表麵，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（de）內圓周被動式氣壓抱閘的原理，OPEN 口通（tōng）入空氣時，彈簧皮（pí）腔彎曲弓起，並連帶引起環（huán）形（xíng）刹車片與（yǔ）回轉軸的分離，回轉（zhuǎn）軸得到釋（shì）放，當壓縮彈簧的空氣由 OPEN 口排放或皮腔外部腔體（tǐ）由CLOSE 口充氣增壓時，皮腔得到放鬆並伸展，從（cóng）而環形刹車片夾緊回轉軸。氣（qì）動抱閘雖然在大夾緊扭矩的獲（huò）得上效果（guǒ）不如液壓夾緊套，但其具有反應速（sù）度快、安裝簡單和清潔度（dù）高的（de）優點，尤其值得（dé）一提的是（shì），此類氣動抱閘本身還具有安全夾緊的功能，當係統掉電時，氣源消失，彈簧會恢（huī）複形變，抱閘（zhá）自動夾（jiá）緊（jǐn）回轉軸，能夠有效防止係統失去動力後回轉（zhuǎn）軸由於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。

圖 9 為 HEMA 公司的內圓周（zhōu）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，並連帶引起環形刹車片與回轉軸的分（fèn）離，回轉軸得到釋放，當壓縮彈（dàn）簧的空氣（qì）由（yóu） OPEN 口排放或皮腔外部腔體由CLOSE 口充氣增壓時，皮腔（qiāng）得（dé）到放鬆並伸展（zhǎn），從而環形刹車片夾緊回轉軸。氣動抱閘雖然在大夾緊扭矩的（de）獲得上效果不如液壓夾緊套，但（dàn）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（néng），當（dāng）係（xì）統掉電（diàn）時，氣源消失，彈簧（huáng）會恢複形變，抱閘自動夾緊回轉軸（zhóu），能夠有效防止係統失去動力後回轉軸由（yóu）於自身重力或磁力作用產生難以預料（liào）的動作造成刀（dāo）具或工件的（de）損壞。

3 結語

定位夾緊機構是（shì）實現數（shù）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（tóu）和數控（kòng）轉台等回轉軸的結構特點，闡述了幾種常（cháng）用的定位夾（jiá）緊機構的（de）特點和實（shí）際的設計及應用方法。

目前，這些方法（fǎ）在國內外各機床製造廠商的產品中（zhōng）得到（dào）了廣範應用。但在具體產品的設計過程中，夾緊機構的選擇和布置（zhì）方式（shì）千差萬（wàn）別，各有（yǒu）千秋，所以設計者應該根據實際（jì）的設計需要選擇合適的（de）夾緊機構實現（xiàn）回轉機構的角（jiǎo）度分度定位功能。如（rú）在具有車銑複合功能的 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（néng）夠滿（mǎn）足車削（xuē）加工大（dà）扭矩、高剛性要求的固定角度分度定位的夾緊機構（gòu），兩者並用才能更好地完成機（jī）構的車削和銑削加工（gōng）。

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