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加工中心刀具擺動軸徑向鎖緊機構分析與設計

2019-11-19 來源：唐山工業職業學院河北機車技師（shī）院等作者（zhě）：賀靜盛豔王誌軍

摘要：針對五軸葉片（piàn）加工中心刀（dāo）具擺動軸徑向鎖緊機構的不足，提出了一種液壓鎖緊機構，該鎖緊機（jī）構不僅鎖（suǒ）緊效果（guǒ）好，而且占用的軸向尺寸較小，安裝調整方便，可（kě）以實（shí）現回轉軸任意角度的鎖緊。

首先介紹了（le）液壓鎖緊機構的結構布置（zhì）和工（gōng）作過程（chéng），然後根據機床的（de）整體設計方案需求分別對活（huó）塞Ｏ型（xíng）圈摩擦力、活塞與壓縮彈簧之間的壓力、偏轉力矩等幾個關鍵參數進（jìn）行分（fèn）析計算。從而驗證了所提出的鎖緊機構滿足使用要求，對提（tí）高機床的安全性和整體結構穩定性、改（gǎi）善機床性能具有一（yī）定的意義。

關（guān）鍵詞：加工中心（xīn）；液壓鎖緊機構：刀具擺動軸；機構分析

０　引言

隨著空間曲麵等複雜型麵零件需求量不斷加大，國（guó）內外許多學者對多軸聯（lián）動數控（kòng）加工中心，尤其是帶回轉軸的多軸聯動數控加工中心進行了研究（jiū）和改進。隨著（zhe）對曲麵（miàn）零（líng）件加工要求的不斷提高，五軸聯動加工中心不僅要求回轉（zhuǎn）軸與其他直線軸聯（lián）動，還要求回轉軸可以實現任意角度（dù）的鎖緊，以保證加工精度。利用五軸聯動葉片加（jiā）工中（zhōng）心（xīn）加工葉（yè）片的葉冠（guàn）、葉根（gēn）、凸台等平麵時，為了保（bǎo）證（zhèng）加工形狀與加工精度，刀具擺動軸（zhóu）必須保持靜止不動的狀態。

但是刀具切削（xuē）工件時的切削分力會改變擺動軸原有的靜止狀態，影響平麵的加工精度。目前（qián）國內（nèi）金屬切削數控加工中心的回轉軸很多不具備任意角（jiǎo）度的鎖（suǒ）緊功能，少數帶有鎖緊功能的加工中心基本上均采用徑向鎖緊機構（gòu）。

但是由於（yú）徑向鎖緊機構占用軸向尺寸，使得（dé）回轉主軸加長，從而降低回轉軸（zhóu）剛性，且其對回轉主軸（zhóu）和徑向鎖緊用夾緊套的加工精度要求高，難以調整，鎖緊效果較（jiào）差，並且占用大量加（jiā）工中心空間。針對徑向鎖緊機構的不足，本文提出一種液壓鎖（suǒ）緊機構，該鎖緊機構不僅鎖緊效果好，而且占用較小的軸向尺寸，安裝調整方便，可以實現回轉（zhuǎn）軸任（rèn）意角度的鎖緊。在實際工作狀態中，通過調（diào）整液壓油的（de）壓力來調整鎖緊力的大小，以達到最佳的鎖緊效果。

１、液壓鎖緊（jǐn）機構的結構與工作過程

１．１　液壓鎖緊（jǐn）機構的結構布置

圖１為液壓鎖緊機構裝配簡（jiǎn）圖。液壓（yā）鎖緊機構主要由刀具擺（bǎi）動（dòng）軸箱體１、調整柱２、密封圈３、彈性摩擦（cā）片（piàn）４、壓縮彈簧５、活塞６、端蓋７、油（yóu）缸套８等組成。在刀具擺動（dòng）軸箱體端麵上固定有表麵（miàn）質量很高的端蓋和油缸套，形成了封閉的環形槽，該環形槽用於容納液壓油。

活（huó）塞在液壓油壓力的（de）作用下在環形槽中實現軸向滑動。活塞內外圓裝有Ｏ型密封圈，其通過與活塞和油缸套之間的（de）摩（mó）擦力實現了密封。彈性摩擦片（piàn）與刀具擺動軸之間（jiān）裝有（yǒu）調（diào）整墊，用以調整（zhěng）彈性（xìng）摩擦（cā）片與活塞和刀具擺動軸（zhóu）箱體之間的距離（lí），以達到最（zuì）好的使用效果。

圖１　液壓鎖緊機構（gòu）裝配簡圖

采用這種液壓鎖緊機構可以實現回轉軸任意（yì）角（jiǎo）度鎖緊，不僅（jǐn）結構緊湊（còu），便於調整，而且鎖緊（jǐn）力可調，鎖緊剛性好（hǎo），可廣泛用於旋轉軸任意角度鎖緊的多軸數控加工（gōng）中心。

１．２　液壓鎖緊機構的工作過程

當刀具擺動軸擺動（dòng）到某一角度（dù）需要鎖緊時，係統發出鎖緊信號，收到信號後液（yè）壓站開始向鎖緊機構（gòu）供油，液壓油不斷進入到端蓋與油缸套（tào）之間的密封腔（qiāng）體中。當液（yè）壓油壓力大於恢複彈簧的壓力（lì）後，油缸開（kāi）始向前滑動；滑動到一定距離後，油缸前端麵接觸到（dào）彈性摩擦片，彈性摩擦片在力的作用下開始發生彈性形變；當彈性摩擦片變形達到一定程度（dù）後，彈（dàn）簧組就會被完全壓到安裝（zhuāng）孔內，使彈性摩擦片與刀具擺動（dòng）軸（zhóu）箱體鑄件前（qián）端麵接觸（chù）。

隨著壓力的增大，彈性摩擦片與（yǔ）箱體鑄件之間的摩擦力也不斷增（zēng）大，當摩擦力大於刀具（jù）擺（bǎi）動軸（zhóu）部件的（de）偏擺力矩時，刀具（jù）擺動軸將靜止不動，實現（xiàn）了（le）刀具擺動軸的鎖緊功能。當摩擦（cā）力（lì）達到理想值時保持液壓站（zhàn）的壓力，即可加工葉片兩端導流槽等內凹（āo）式（shì）平麵。

當需要解除鎖緊功能時，機構的運動過（guò）程與（yǔ）上述動（dòng）作反向。該種新型的（de）液壓鎖緊（jǐn）機構鎖緊過程和解除鎖緊（jǐn）過程的運動比較複雜，但是響應速度很快，僅為０．５ｓ，而且這種鎖緊機（jī）構的作用力完全是內部應力，避免了（le）液壓鎖緊機構對（duì）其他（tā）零件的幹（gàn）擾，間接地保證了機床的（de）精度。

２　、液壓鎖緊機構的分析與計算

根據機床的整體設（shè）計方案需求，設計該液壓鎖緊機構時需要對其中的活塞Ｏ型圈摩擦力、活塞（sāi）與壓縮彈簧之間的壓力、偏轉力矩等幾個關鍵參（cān）數進行分析計算。

２．１　活塞Ｏ型圈摩擦力的計算

根據機床的整體設計方案需求以及Ｏ型圈的使用要求和使用（yòng）環境，粗略選出Ｏ型圈（quān）的（de）型號。計算活塞Ｏ型（xíng）圈摩擦力時需要根據活塞（sāi）的設計情況，計算（suàn）出活塞Ｏ型（xíng）圈與（yǔ）上（shàng）下壁的壓力值（zhí）（壓力取最大值），然後即可求出活塞運動時的摩擦力。Ｏ型圈規格尺寸（cùn）如圖２所示。活塞外圈Ｏ型圈最大壓縮量為：

圖２　Ｏ型圈（quān）規格尺（chǐ）寸示意（yì）圖

通（tōng）過查閱資料可知橡膠（jiāo）與鋼（gāng）有潤滑時摩擦係（xì）數為ｆ１＝０．５，無（wú）潤滑時摩擦係數為（wéi）ｆ２＝０．８。根據該鎖緊機構的實際工作情況可知，此機構在工作過（guò）程中處於有油狀態，但為了保障安全，按照無潤滑狀態計算，即可得到活塞（sāi）內、外圈Ｏ型圈最大摩擦力及整個活塞（sāi）所受Ｏ型圈最大摩擦力。活塞Ｏ型圈最大摩擦力可表（biǎo）示為：

２．３　偏轉力矩的計算

為了減小或（huò）消除偏轉力矩對機床精度的影響，在刀具擺動軸部（bù）件中增加了平衡彈簧，在平衡彈簧的作用下，由重力（lì）引起的偏擺力矩對加工的影響會隨著刀具擺動角度的變化而變化，具體變（biàn）化情況如表１所示。

表１　重力力矩與平衡力矩比較

加工葉片時，刀具擺動（dòng）軸一般在其行程±３０°範圍內的擺動最頻（pín）繁，根據這一特點，通過對平衡彈簧長短的選（xuǎn）擇（zé）、簧（huáng）絲直徑的比較、彈簧直徑的比較、平衡角度的（de）選取等數十次（cì）的計算比較得出平衡點在３０°時平衡效果（guǒ）最（zuì）好，此（cǐ）時在其常用的範圍內偏擺力（lì）矩（即表１中（zhōng）的力（lì）矩差）均小於１００Ｎｍ，平衡效果明顯增強。

但是在±４５°時，彈簧的彈力急劇增大，此時會出現反向力矩，使平衡力矩反向增大。由於液壓鎖緊機構的鎖緊力矩為９７８．３９Ｎｍ，大於彈簧力在±４５°時的極（jí）限彈簧力力矩差２４３．８４Ｎｍ，因此在理（lǐ）論情況下此次設計完全滿足使用要求。

但在實際工作過程中，存在許多不確定因素，例如，彈性摩擦片與擺動軸箱（xiāng）體鑄件前端麵的實際接觸（chù）麵積的（de）大（dà）小、材料之間的實際摩擦係數大小（xiǎo）、彈（dàn）簧的理論彈力與實（shí）際相差大（dà）小這些（xiē）值是不能精確計算得出的，這些因素對鎖緊機構的影響是不（bú）可小覷的。因此，液壓站和彈簧組要有一定調節（jiē）餘地和調（diào）節範圍（wéi），液壓站的型號規格要選擇壓力調節（jiē）範（fàn）圍大的，彈簧（huáng）力的大小可以通過更（gèng）換彈簧規（guī）格或者增減彈簧數量來調節。

３　、結論

本文提（tí）出（chū）一種新型液壓鎖緊（jǐn）機（jī）構，並從機構的原理、機構的（de）具體結構與工作過程、機構的設計與分（fèn）析計算等方麵對其進行研究，重點對活塞Ｏ型圈摩擦力、活塞（sāi）與（yǔ）壓縮彈簧之間的壓力、偏轉力矩等幾個關鍵參（cān）數進行了（le）詳細的分析和計算。

分析結果表明，所提出的液壓鎖緊機構（gòu）在（zài）理論情（qíng）況下（xià）完全能夠滿足使用要求。該液壓鎖緊機構不僅噪聲低、調節範圍廣、結構形式靈活、適用於旋轉軸類機構（gòu）的鎖緊，而且它提高了機床（chuáng）使用的安全性以（yǐ）及機床整體結構的穩定性，使（shǐ）機床的（de）性能得到了很好的改善，為國產機床整（zhěng）體精（jīng）度的提高提供了（le）保證（zhèng）。

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