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幾種數控機床回轉軸的定位夾緊方（fāng）式

2015-1-21 來源：數（shù）控機床市（shì）場網作者：沈陽機（jī）床研究院張文博劉春（chūn）時張維官王哲

摘（zhāi）要: 針對雙（shuāng）擺角數控萬能銑頭和（hé）數控轉台等實現五軸加工中心回轉進（jìn）給運動的功能（néng）部件，對其回轉軸的（de）定位夾緊機（jī）構的設計（jì）進行了深入的研究，介紹了幾種數控機床回轉軸設計中常用的定位夾緊方式，並闡述（shù）了各定位夾緊機構在數控機床回轉軸中的設計和（hé）應用方法。

關鍵詞: 數控機床回（huí）轉軸定位夾緊齒盤夾緊套

雙（shuāng）擺角數控萬能銑頭和數控轉台（tái）是（shì）實現五軸加（jiā）工中心回轉進給（gěi）功能的關鍵功能部件，不但要為五（wǔ）軸聯動加（jiā）工（gōng）提供第四軸和第五軸的回（huí）轉進給運動（dòng），而且要具備固定角度的（de）分度定位或任意角度的定位（wèi）夾緊（jǐn）功能。這是因為在對工（gōng）件指定角度平麵或定向特征進行定位（wèi）加工時，僅靠驅動係（xì）統和傳動機構通常並不能滿足工件所需的定位精度要求。即使定（dìng）位（wèi）精度能（néng）夠得到保證，當刀具或工件承受較大切削力時，尤其是在重切削時，其所處的回轉（zhuǎn）軸也將承受較大的切削扭矩，這勢必會帶（dài）來驅動電動機發熱量大、傳動（dòng）機構受力變形和傳動（dòng）剛度（dù）不足（zú）而引起刀具或工件振動等問題，從而嚴重影響工件的加工精度。因此，回轉軸中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（néng）夠分散傳動機構定位加工（gōng）時的（de）受力，將（jiāng）力直接傳遞給箱（xiāng）體，使驅動係統（tǒng）和傳動機構得到釋放，從而保證回轉軸具有較高的傳動剛性。本文針對雙擺（bǎi）角萬能（néng）銑（xǐ）頭和數（shù）控轉台回轉軸的定位夾緊功能，介紹了設計中幾種常（cháng）用的定位夾緊機構（gòu），並闡述了回轉進給機構（gòu）中（zhōng）定位夾緊機構的設計和應用方法。

1 固定角度的定位夾緊機構

1．1 端齒盤式定（dìng）位（wèi）夾緊機構

端（duān）齒盤式定位夾緊機構具有固定角度分度定位功能，通過動齒盤與靜齒盤的脫開、轉位和齧合（hé）即可（kě）實（shí）現回轉軸的鎖緊和高精度的分度定位。如圖 1 所示，其最小分度單位受齒盤的齒數限製，由於誤差平均效（xiào）應，齒盤的（de）齒數（shù）越多，定位精度（dù）也越高，常用的端齒盤定位精度一（yī）般可達±2″以上。因此（cǐ），此類機構常用於有固定角度分度功能的數控轉台、數控刀架和角度頭等功能部件（jiàn）的設計（jì）中，通過齒盤的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。

同時端齒盤還具有傳動（dòng）扭矩大、傳動剛性（xìng）好等特點，設計中為（wéi）了保證分度定位能夠提供足夠的（de）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（xiàng）方向上對端齒盤施加（jiā）一定的軸向預緊力來鎖緊動靜齒盤，其受力（lì）關係如圖 2 所示。當回轉軸能夠傳遞的最大回轉（zhuǎn）扭矩為 Tmax時，齒盤（pán）在圓周方向上對應的切向力為 Ft，兩者具有（yǒu）以下關係:

式中:d1和 d2分別為齒的內徑和外徑。為了在承受最大回轉扭（niǔ）矩 Tmax時，兩齒盤不脫開，施加的最小（xiǎo）預緊力Fa為（wéi）:

式（shì）中:α為齒盤的齒形角。通過式(1)和式（shì）(2)可知在設計夾緊機構時（shí），夾緊機構提供的預緊力 F 應滿（mǎn）足如下關係:

式中:μ 為安全係（xì）數，一般為 1．8 ～3。

目前，齒盤常（cháng）見的齒形結構主要有直（zhí）齒、楔形齒和弧（hú）形齒 3 種齒麵，齒形（xíng）沿圓（yuán）周向心分布，正常接觸後具有自動定心功能和良好的互換性，因此，端齒（chǐ）盤通常還用於銑頭的換頭機構的快速定位連接。

本（běn）次沈陽機床設計研究院承擔的“十一五” 重（chóng）大專項（xiàng）項目 AC 軸雙（shuāng）擺角數控萬能銑頭（tóu）的樣機 MH30fhc，采用的就是端齒盤（pán）式（shì）分度定位機構來實現 A 軸（zhóu）單元的快換功能。齒盤連接的設計方案（àn）替代了（le）傳統的鍵連接傳遞扭矩，圓錐麵定心的連接方式不僅結構緊（jǐn）湊、連接剛性好，實現了 C 軸單元對 A 軸單元的大扭矩傳遞，而且具有定心速度快（kuài）、定位精度高的特點，很好地保證了不同 A 軸單元和通用 C 軸單元的快速和（hé）高精度定位連接。

1． 2 三齒盤定位夾緊機構

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（dìng）位機構，但兩者分度動作不同，端齒盤在定位分度過程中需（xū）要動齒盤和相關的回轉部件（jiàn）整體相對於靜齒盤有（yǒu）一（yī）定的抬（tái）起量，如（rú）圖 3 所示。

而三齒（chǐ）盤是（shì）通過一公用齒盤的動作間接齧合動靜齒盤，從（cóng）而達到回轉部件的定位分度的目的，如圖 4 所示。三齒盤（pán）的這一結構特性雖然傳動剛度較端齒盤略差，但避免了端齒盤（pán）式定位夾緊機構在回轉軸的設計應用中整體回轉單元的抬起動作，因此在重載數控轉台的設計中具有明顯的優（yōu）勢，定位（wèi）速度快，也能避免回轉機構動作時切屑的（de）進入，如圖 4 所示。

三齒盤定位夾緊機（jī）構與端齒盤式定位夾緊機構同屬於固定角度分度定位（wèi）機構，但兩者分（fèn）度動作不同，端齒盤在定位分度過程中需要動齒（chǐ）盤（pán）和相關的回轉部件整體相對於靜齒盤有一定的抬起量，如圖 3 所（suǒ）示。

除此之外，三齒盤定位夾緊（jǐn）機構也常用於車（chē）銑複合加工中心的動力主軸和 B 軸回（huí）轉機構中來實現（xiàn）車削加工（gōng）時動力主軸車削（xuē）刀具準確定位、提高回轉機構的傳動剛性和指（zhǐ）定角度的強力切削。

2 任意（yì）角度的定位夾緊機（jī）構

在數控機床回轉軸的設計中，應（yīng）用齒盤（pán）式定位夾緊機構隻能實現指定（dìng）角度和傾斜度的孔或表麵（miàn）的定位加（jiā）工，從（cóng）加工範圍（wéi）上來（lái）講，這限製了（le）數控機床的（de）加工能力。因此，任意角度定位夾緊機構是（shì）為了實現工件任意角度加工特征的定位加（jiā）工而設計的。由於夾緊機構本身（shēn）並不具有分度功能，回轉軸的任意角度的定（dìng）位夾緊功能首先需要靠回轉軸的驅（qū）動係（xì）統、傳動係統和角度編碼器組（zǔ）成的（de）閉環結構來實現角度分度定位，分（fèn）度精度（dù）由（yóu）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。此類定位夾（jiá）緊機構不但能夠實現回轉軸回（huí）轉範圍內任意角度的分度定位，而且還使回轉機構的驅動係統和傳動機構得到（dào）釋放，將切（qiē）削力由夾緊係統直接分散到箱體，提高了回轉軸分度定位時的傳動剛性，易於實現大扭矩的（de）定位加工。目前，常見（jiàn）的任意角度定位夾緊機構主要有（yǒu）碟片式定位夾緊機構和環抱式定位夾（jiá）緊機構兩種。

2． 1 碟（dié）片式定位夾緊機構

碟片式定位（wèi）夾緊機構的結構形（xíng）式很多，圖 5 為 Fi-bro 公司轉（zhuǎn）台的定位（wèi）夾緊機構（gòu）。其主要原理是通過活塞對安裝（zhuāng）於回轉（zhuǎn）軸旋轉（zhuǎn）單元的彈簧碟片施加一定的軸向力，使彈簧碟片與（yǔ）固定環（huán）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（piàn）式定位夾緊機構可以（yǐ）通過增加活塞內介質的壓（yā）力以及彈簧碟片的（de）作用（yòng）麵積，來提高機構的夾緊扭矩。但受空間結構的限製，碟片的作用麵積一般較小，因此，夾（jiá）緊扭矩受到了（le）限製，目前隻在回轉扭矩（jǔ）小的轉台和銑頭上得到（dào）了應用（yòng）。

圖 5 為 Fi-bro 公（gōng）司轉台的（de）定位夾緊機構。其主要原理是通過活塞對安裝於回（huí）轉軸旋轉單元的彈簧碟片（piàn）施加一定的軸向力，使彈簧碟片與固（gù）定環型麵的端麵貼合產生摩擦力，從而達到（dào）回轉軸定位夾緊的目的。碟片式定位夾緊機構可以通過增加活塞（sāi）內（nèi）介質的壓力以及彈簧碟片的作用麵積（jī），來提高機構的夾緊扭矩。但受空間結構的限製，碟片的作用麵積一般較（jiào）小，因此（cǐ），夾緊扭矩受到了限製，目前隻在回（huí）轉扭矩小的轉台和銑頭（tóu）上得到了應（yīng）用。

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（jǐn）機構，成倍地增加了摩擦接（jiē）觸麵積(如圖 6 所示)，從而增大（dà）了碟片夾緊的（de）扭矩，較單片碟片式夾緊機構可以達到兩倍以上的夾緊扭矩（jǔ），取得了很好的效果。

為了增大碟（dié）片式（shì）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（cóng）而增大了碟片夾緊（jǐn）的扭矩，較單（dān）片碟片式夾緊機構可以達到兩倍以上的夾緊（jǐn）扭矩，取得了很好的效果（guǒ）。

碟片式定位夾緊機構在設計時除了考慮到扭矩因素之外，還要考慮夾（jiá）緊機構在（zài）回轉單元中（zhōng）的布（bù）置位置，在空間（jiān）允許的條件下，盡量增大刹車片的作用麵積（jī），且靠近工件的（de）受力麵，以提高定位加工時結構的傳動剛性。對於（yú）具有對稱特征的回轉機構，如雙擺角數控萬能（néng）銑（xǐ）頭（tóu） A 軸的叉（chā）形體結構和雙擺台的搖籃式結（jié）構，

夾緊機構最（zuì）好也對（duì）稱布置於（yú）機構的兩側（cè）。這不（bú）但能（néng）夠彌補碟片式刹車機（jī）構夾緊扭矩（jǔ）小的不足，回轉軸定位（wèi）夾緊時（shí）的保持剛性也會得到（dào）改善。除此之外，由於是軸向（xiàng）受力夾緊機構，設計時還要考慮（lǜ）到機構定位夾緊時的受力關係，使活塞的夾緊力傳遞到箱體（tǐ）之上（shàng），避免台麵（miàn）浮動（dòng）而影響回轉結構的穩定。

碟（dié）片式定（dìng）位夾緊機（jī）構的夾緊動作可以通過液壓和氣壓 2 種方式實現。由（yóu）於液壓夾緊方式很容易獲得（dé）較高的壓力，因此可以獲（huò）得（dé）更大的夾緊扭矩。但相對於液壓夾緊方式來講，氣壓夾緊方式則具有清潔、可靠性高（gāo）和夾緊速（sù）度快等優點（diǎn）。

2． 2 環（huán）抱式定位夾緊（jǐn）機構

環抱式定位夾緊是通過夾緊套或環形刹車片在徑（jìng）向方向上（shàng）作用於旋轉軸（zhóu）的圓周表（biǎo）麵，從而產生摩擦扭（niǔ）矩對回轉軸進行角度定位的夾緊方式。目前常見的環抱式定位夾緊機構主要有液壓夾緊套和氣壓抱閘 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圈之間毫無損失地轉換成徑向夾緊力，並使套筒內壁作用（yòng）於回轉軸的外（wài）圓周（zhōu）表麵，從（cóng）而產生摩擦扭矩的夾緊方式，如圖 7 所示。

碟片（piàn）式定位夾緊機（jī）構的夾緊動（dòng）作可以（yǐ）通過液壓和氣壓 2 種方（fāng）式實現。由於液壓（yā）夾緊方式很容易獲得較高的（de）壓力，因此可以獲得更大的（de）夾緊扭矩。但相對（duì）於（yú）液壓夾緊方式來講，氣壓夾（jiá）緊方式則具有清潔、可靠性高和（hé）夾緊（jǐn）速度快等優點。

被夾緊的（de）元件在夾緊定位發生時，既不會產（chǎn）生軸向推動，也不會產生扭曲（qǔ），當油壓完全卸荷，套筒彈回最初狀態，再次釋（shì）放部件。此類夾緊機構的特點是結構緊湊，夾緊扭矩大。其夾緊扭矩可根據下式估算:

式中（zhōng）:T 為實際的夾緊扭矩;d 為抱閘內壁直徑;L 為實際（jì）液體壓力的作用長度;p 為液體作用壓力;μ 為抱閘與被夾緊（jǐn）件之間的（de）摩擦係數。

圖 8 為我公司“十（shí）一五” 重大專項 AC 軸雙擺角（jiǎo）數控（kòng）萬能銑頭項目樣機 MH30fhc 的 C軸回轉機構。回轉單（dān）元主要采用力矩電動機串聯式驅動結構。其夾緊定位機構采用（yòng）的是液（yè）壓夾緊套的定位夾緊方式，夾緊套的筒壁直接作用於隔套的外圓周，較直接作用於外轉子表（biǎo）麵具有更大的作用麵積（jī），獲得了（le）理想的夾緊扭矩。將驅動係統和（hé）夾緊係統較好地融合在了一起。此（cǐ）外，液壓夾緊套直接作用於隔套（tào）的外圓周，而不是作用於力矩電動機的外轉子，也降低了電動（dòng）機損壞的（de）風險。

由式(4)可以得（dé）出，徑向（xiàng）液壓夾緊方式的夾緊扭矩（jǔ）與抱閘的作用麵積、作（zuò）用壓力以及（jí）抱閘和被夾緊麵的摩擦係（xì）數成正比。圖 8 為我公司“十一五” 重大專項 AC 軸雙擺角數控萬能銑頭項目樣機 MH30fhc 的 C軸回轉機構。回轉單（dān）元主要采用力矩電動機串聯式驅動結構。其夾緊定位機構采用的是液壓夾緊套的定位夾緊方式，夾緊（jǐn）套的筒壁直接作用（yòng）於隔套的外圓周（zhōu），較直接作用於外轉子表麵具有更（gèng）大的作（zuò）用麵積，獲得了理想的夾緊扭矩。將驅動係統和夾緊係統較好地融合在（zài）了一起。此外，液壓夾緊套直接作用於（yú）隔套的外（wài）圓周，而不是作用於力矩（jǔ）電動機的外轉子，也降低了電動機損壞的風險。

與液壓夾緊（jǐn）套的夾緊方式類似，氣動抱閘也是利用環形刹車片作用於回（huí）轉軸的圓周表麵，從而產生摩擦扭矩（jǔ），達到回轉軸（zhóu）定位夾緊的目的（de）。

圖（tú） 9 為（wéi） HEMA 公司的內圓（yuán）周被動式氣壓抱閘的原理，OPEN 口通（tōng）入空氣時，彈（dàn）簧皮（pí）腔彎曲弓起，並連帶引起環形刹車片與回轉（zhuǎn）軸的分離，回轉軸（zhóu）得到釋放，當（dāng）壓縮彈簧的空氣由 OPEN 口排放或皮腔外部腔體由CLOSE 口充氣增壓時，皮腔得到放鬆並（bìng）伸展，從而環（huán）形刹車片夾緊回轉軸。氣動抱閘雖然在大（dà）夾緊扭（niǔ）矩（jǔ）的獲得上效果不如液壓夾緊套，但其具有反應速度快（kuài）、安裝簡單和清潔度高的優點，尤其值得一提的（de）是，此類氣（qì）動抱閘本身還具有安全（quán）夾緊的功能，當係統掉電時，氣源消失，彈簧（huáng）會恢複（fù）形變，抱閘自動夾緊回轉軸，能夠有效防（fáng）止係（xì）統失去動力後回轉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（gōng）件的損壞。

圖 9 為 HEMA 公司的內圓周（zhōu）被動式氣（qì）壓抱閘的原理，OPEN 口通入空氣時，彈簧皮（pí）腔彎曲弓起，並連帶引起（qǐ）環形刹車（chē）片與回轉軸的分離，回轉軸得到釋放（fàng），當壓縮彈簧的空氣由 OPEN 口（kǒu）排放或（huò）皮腔外部腔體由CLOSE 口充（chōng）氣增壓時，皮腔得（dé）到放鬆並伸展，從而環（huán）形刹車（chē）片夾緊回（huí）轉（zhuǎn）軸。氣動抱閘雖然在大（dà）夾緊扭矩的獲得上效（xiào）果不如液壓夾緊套，但其具有（yǒu）反應（yīng）速度快、安裝簡單和清潔度（dù）高的優點，尤其值得一提的是，此類氣動抱（bào）閘本身還具有安全夾緊的（de）功能，當係（xì）統掉電時，氣源消失，彈簧會恢複形變（biàn），抱閘自動夾緊回轉軸，能夠有效防止係統（tǒng）失去動力後回轉軸由於自身重力（lì）或磁力（lì）作（zuò）用產生難以預料（liào）的（de）動作（zuò）造成刀具或工件的損壞。

3 結語

定位夾緊機構是實現數控（kòng）機床（chuáng）回轉軸（zhóu）指定角度定位加工功能的關鍵（jiàn）。本文針對銑頭和數控（kòng）轉台（tái）等（děng）回轉軸的結構特點，闡述了幾種常用的定位（wèi）夾緊機構的（de）特點和實際的設計（jì）及應用方法。

目前，這些方法在國內外各機床製造（zào）廠（chǎng）商的產品中得到了廣範（fàn）應用。但在具體（tǐ）產品（pǐn）的設計過程中，夾緊機構的選擇和布（bù）置方式千差（chà）萬別，各有千秋，所以設計（jì）者應該根據（jù）實際的設計需要選擇合適（shì）的夾緊機構實現回轉機（jī）構（gòu）的角度分度定位功能。如在具有車銑（xǐ）複合功能的 B 軸單元的設計中除了要布置具（jù）有任意角度定位（wèi）分（fèn）度（dù）功能（néng）的夾緊機構外，還要布置能夠滿足車削加工大扭（niǔ）矩、高剛性要（yào）求的固（gù）定角度分度定位（wèi）的（de）夾緊機構，兩（liǎng）者並用才能更好地完（wán）成機構的車削和銑削加工。

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