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幾種數控機床回轉軸的（de）定位夾緊方式

2015-1-21 來源（yuán）：數控機床市場網作者：沈陽機床（chuáng）研（yán）究院張文博劉春（chūn）時張維官王哲

摘要: 針對雙擺角數控萬能銑頭（tóu）和數控轉台等實現五軸（zhóu）加工中心回轉進給運動的功能部件，對其回轉軸的定位夾（jiá）緊機構的設（shè）計進行了深入的研究，介紹了幾種數控機床回轉（zhuǎn）軸設計中常（cháng）用的定位夾緊方式，並（bìng）闡述了各定位（wèi）夾緊機構在（zài）數控機床回轉軸中的（de）設計和應用方法。

關鍵詞: 數（shù）控機床回轉軸定位夾緊齒盤夾緊套

雙擺角數控萬能銑頭和數控（kòng）轉台是實現五（wǔ）軸加工（gōng）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（dì）四軸和第五軸的回轉進給運動，而且要具備固定角度的分度（dù）定位或任意角度的定位夾（jiá）緊功（gōng）能。這是因為在（zài）對工件指定角度平麵或定向特征進行定位加（jiā）工時，僅靠驅動係統（tǒng）和傳動機構通常並不能滿足工件所需的（de）定位精度要求。即使定（dìng）位精度能夠（gòu）得到（dào）保證，當刀具或（huò）工件承受較大切削力時，尤其是在重（chóng）切削時，其所處的回轉軸也將承受較大的切削（xuē）扭矩，這勢（shì）必會帶來驅動電動機發熱量大、傳（chuán）動機構受力變形（xíng）和傳（chuán）動剛（gāng）度不足而引起（qǐ）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（zhóu）中（zhōng）定位夾緊（jǐn）機構的應用，不但能夠為回轉（zhuǎn）軸指定角度加（jiā）工（gōng）提供（gòng）較（jiào）高的（de）定位精度，還能夠分散傳動機構定位加工時的受力，將力直接（jiē）傳遞給箱體（tǐ），使驅動係（xì）統和傳動機構得到釋放，從（cóng）而保證回轉軸具有（yǒu）較高的（de）傳動剛性。本（běn）文針對雙擺角萬能銑頭（tóu）和數控轉台（tái）回（huí）轉軸（zhóu）的定位夾緊功能，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（zhōng）定位夾緊機構的設計和應用方法。

1 固定（dìng）角度的定位夾緊機構

1．1 端齒盤式定位夾緊機構（gòu）

端齒盤式定位夾（jiá）緊機構具有固定角度分度定位功能，通（tōng）過動齒盤與靜齒盤的脫開、轉位和齧合即可實（shí）現（xiàn）回（huí）轉軸的鎖緊（jǐn）和（hé）高精度的分（fèn）度定位。如圖 1 所示，其最小分度單位受齒盤的（de）齒數限製，由（yóu）於誤差平均效應，齒盤的齒數越多，定位精度（dù）也越高（gāo），常用的端（duān）齒盤定位（wèi）精度一般可（kě）達±2″以上。因此，此類機構常用於有固定角度分度功能（néng）的數控轉台（tái）、數控刀架和角度頭等功能部件的（de）設計中，通過齒盤的分度定位（wèi）功能在某（mǒu）一固定角度來鎖緊回轉軸，實現工件某（mǒu）一固定角度的（de）定（dìng）位加工。

同時端齒盤還（hái）具有（yǒu）傳動扭矩（jǔ）大、傳動剛性好等（děng）特點，設計中為了保證分度定位能夠提供足夠的扭（niǔ）矩和較高的保持（chí）剛性，通常通（tōng）過液（yè）壓（yā）拉釘或碟簧等機構在軸向方向上對端齒盤施加一定的軸向預緊力來鎖緊動靜（jìng）齒盤，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（duì）應的切（qiē）向力為 Ft，兩者具有以下關係:

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矩 Tmax時，兩齒盤不脫開，施加的最小預緊力Fa為:

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

式中:μ 為安（ān）全係數，一般為 1．8 ～3。

目前（qián），齒盤（pán）常見的齒形結構主要有直（zhí）齒、楔形齒和弧形齒 3 種齒麵，齒形沿圓周向心分布（bù），正常接觸後具有（yǒu）自動定心（xīn）功能和良好的互換性，因此，端齒盤通（tōng）常還用於（yú）銑頭的換頭機構的（de）快速定位連接。

本次沈陽機床設計（jì）研究院承擔的“十一（yī）五” 重（chóng）大專項項目 AC 軸雙擺角數控（kòng）萬能銑頭的樣機 MH30fhc，采用的就（jiù）是端齒盤式（shì）分度定位機構來實現 A 軸單元的快換（huàn）功（gōng）能。齒（chǐ）盤連接的設計方案替代（dài）了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湊、連（lián）接（jiē）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、定位精度高的特點，很好地保證了不同 A 軸單元（yuán）和（hé）通用 C 軸單元的快速和高精度（dù）定位連（lián）接。

1． 2 三齒盤（pán）定位夾緊（jǐn）機構

三齒（chǐ）盤定位夾緊機構與端齒盤式定位夾緊機構（gòu）同屬於固定角度分度定位機構，但兩者分度動作不同（tóng），端（duān）齒（chǐ）盤在定位分度過程中需要動齒盤和（hé）相關的回轉部件整體相對於靜齒盤有（yǒu）一定的抬起量，如圖 3 所示。

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

三齒盤定位（wèi）夾（jiá）緊機構與端齒盤（pán）式定位夾緊機構同屬（shǔ）於固定角度分度定位機構，但兩者分度動作不同，端齒盤在定位分度過程中需要動（dòng）齒（chǐ）盤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 所示。

除此之外，三齒盤定位（wèi）夾緊機構也常用於車銑複（fù）合（hé）加（jiā）工中心的動力主（zhǔ）軸和（hé） B 軸回轉機構中來實現車削加（jiā）工時動力主軸車削刀具準確（què）定位（wèi）、提高回轉機構的傳動剛性和指定角度的強力切削。

2 任意角度的定位（wèi）夾緊機（jī）構（gòu）

在數控機（jī）床回轉軸的設計中，應（yīng）用齒盤式定位夾緊機構隻能實現指定（dìng）角度和傾斜度的孔（kǒng）或表麵（miàn）的定位加工，從加工範圍上來講，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（jiàn）任意角度加工（gōng）特征的定位加工而（ér）設計的。由於夾緊機（jī）構本身並不（bú）具有分度功能，回轉軸的任意角度的定位夾緊功能首先需要（yào）靠回（huí）轉軸的驅動係統、傳（chuán）動係統和角度編（biān）碼（mǎ）器組成的閉環結構（gòu）來實現角度分度定位（wèi），分度精度由角度編（biān）碼（mǎ）器決定，再通過夾緊機構（gòu）對回轉軸定位鎖緊（jǐn）完成。此類定位夾緊機構不但（dàn）能夠實現回轉軸回轉範圍內任意角度的分度定位，而且還（hái）使（shǐ）回轉機構的驅動係統（tǒng）和傳動機構得到釋放，將切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（de）傳（chuán）動剛性，易於實現大扭矩的定位加工。目前，常見的任意角度定位夾緊機構主要（yào）有碟片式定位夾緊（jǐn）機構和環抱（bào）式定位夾緊機構兩種。

2． 1 碟片式定（dìng）位夾緊機構

碟片式定位夾（jiá）緊機構的結構形式很（hěn）多，圖（tú） 5 為 Fi-bro 公司轉台的定位夾（jiá）緊機構。其（qí）主要原理是通過活塞對安裝於（yú）回轉軸（zhóu）旋轉單元的彈（dàn）簧碟片施（shī）加一（yī）定的軸向力，使彈簧碟片與固定環型（xíng）麵（miàn）的端麵貼合產生摩擦力，從而達到回轉軸定位夾緊的目（mù）的。碟片式定位（wèi）夾緊機構可以通過增加活塞內介質（zhì）的壓力以及彈簧碟片的作用麵積，來提高機構的夾緊扭矩（jǔ）。但受空間結構（gòu）的限製，碟片的作用（yòng）麵積一般較小，因此，夾緊扭矩受到了限製，目前（qián）隻在回轉扭矩小（xiǎo）的轉台（tái）和銑頭上得到了應用。

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對安（ān）裝於（yú）回轉軸旋（xuán）轉單元的彈簧碟片施加（jiā）一（yī）定的軸向力，使（shǐ）彈簧碟片與（yǔ）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（mù）的。碟片式定位夾緊機構可以通過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（jī）構的夾緊扭矩（jǔ）。但受（shòu）空間結構的限（xiàn）製，碟片的作用麵積（jī）一般較小，因此，夾緊扭矩受到了限製，目前隻在回轉扭矩小（xiǎo）的轉台和銑頭上得到了應用。

為了增大碟片式（shì）夾緊機（jī）構的夾緊扭矩，部分廠商嚐試了一（yī）種多碟片式夾緊（jǐn）機構，成（chéng）倍地（dì）增加了摩擦（cā）接觸麵積(如圖 6 所示)，從而增大了碟片夾緊的（de）扭（niǔ）矩，較單片碟片式夾緊機構可以達到兩倍以上的夾緊扭矩，取得（dé）了很好的效果。

為（wéi）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（duō）碟片式（shì）夾緊機構，成倍地增（zēng）加了摩擦（cā）接觸麵積(如（rú）圖 6 所示)，從而增大了碟片夾緊的扭矩，較單片碟（dié）片式夾緊機構可以達到兩倍以上的夾緊（jǐn）扭矩，取得（dé）了很好的效果。

碟片（piàn）式定位夾緊機構在設計時除了考慮到扭矩因素之外（wài），還要考（kǎo）慮夾緊機（jī）構在回轉單元中的布置位置，在空（kōng）間允許的條件下，盡量增大刹車片的作用麵積（jī），且靠（kào）近工（gōng）件的受力麵，以提高定位加工時結構的（de）傳動剛性。對於具有對稱特征的回轉機構，如雙擺角數控萬能銑頭 A 軸的叉形體結構和雙（shuāng）擺台的搖籃式結構，

夾緊機構最（zuì）好也（yě）對稱布置於機構的兩側。這（zhè）不但能夠彌補碟片式刹車機（jī）構夾緊扭（niǔ）矩（jǔ）小的不足，回轉軸定位夾緊時的保持剛性也（yě）會（huì）得到改善。除此（cǐ）之（zhī）外，由於是（shì）軸向受力夾緊（jǐn）機構，設計時還要考（kǎo）慮到（dào）機（jī）構定位夾緊時的（de）受力關（guān）係，使（shǐ）活塞的夾緊力傳遞（dì）到箱體之上，避免台麵浮動而影響（xiǎng）回轉結構的穩定（dìng）。

碟（dié）片式定位夾緊機構的夾緊動作可以（yǐ）通過（guò）液壓和氣壓 2 種方式實現。由於（yú）液壓夾緊方式很容易獲得較高的壓力，因此可以獲得更大的夾緊扭矩。但相對於液壓夾緊方式來講，氣壓夾緊方式則具有清潔、可靠性高和夾（jiá）緊速度快等優點。

2． 2 環抱（bào）式定位夾緊機構

環（huán）抱式定位夾緊是通過夾緊套或環形刹車片在徑向方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（jìn）行角度（dù）定位的夾緊方式。目前常見的環抱式定位夾緊機構主要（yào）有（yǒu）液（yè）壓（yā）夾緊套和氣壓抱閘 2 種。

液壓夾緊套的工作原理是將油（yóu）壓（yā）在抱閘套筒壁的密封圈之間（jiān）毫無損失地轉換成徑向夾緊力，並使套筒內壁作用於回轉軸（zhóu）的外圓周表麵，從而產生摩擦扭（niǔ）矩的夾緊方式，如圖 7 所示。

碟片式定位夾緊機構的夾（jiá）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較高的壓力，因此可以獲得更（gèng）大（dà）的夾（jiá）緊扭矩。但相對於液壓夾緊（jǐn）方式（shì）來講，氣壓夾緊方（fāng）式則具有清潔、可靠性高和夾緊速度快等優點。

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

式中:T 為（wéi）實際的夾緊扭矩;d 為抱閘（zhá）內壁直徑;L 為實際液體壓力的作用長（zhǎng）度（dù）;p 為液體作用壓力;μ 為抱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（jiǎo）數控萬能銑頭項（xiàng）目樣機 MH30fhc 的 C軸回轉機構。回轉單元主要采用（yòng）力矩電動機串聯式驅動結構。其（qí）夾緊定（dìng）位（wèi）機構采用的是液（yè）壓夾緊套的定位夾緊方式，夾緊套（tào）的筒壁直接作用（yòng）於隔套的外圓周，較直接作用於（yú）外轉子（zǐ）表麵具有更大（dà）的作用麵積，獲得了理想（xiǎng）的夾緊扭矩。將驅動（dòng）係統和夾緊係統較好地融合在了（le）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，也降低了電（diàn）動機損壞的（de）風險。

由（yóu）式(4)可以得出，徑向（xiàng）液壓夾緊方式的夾緊扭矩與抱（bào）閘的作用麵積、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（dà）專項（xiàng） AC 軸雙擺角數控萬能（néng）銑頭項目樣機（jī） MH30fhc 的 C軸回轉機構。回轉單（dān）元主要采用力（lì）矩電動機串聯式驅動（dòng）結構。其夾緊定位機構采（cǎi）用的是液壓夾緊套的定位夾緊方式，夾緊（jǐn）套的筒壁直接作用於隔套的外圓周，較（jiào）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（jiá）緊係統較好地融合在了一起。此外，液壓夾緊套直接作用於隔套的外圓周，而不是作（zuò）用於力矩電（diàn）動（dòng）機的外轉子，也降低（dī）了（le）電（diàn）動機損壞的風險（xiǎn）。

與液（yè）壓夾（jiá）緊套（tào）的夾緊方式類似，氣動抱閘也是（shì）利（lì）用環（huán）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（dào）回轉軸定位夾緊的目的。

圖 9 為 HEMA 公司的內圓周（zhōu）被動式氣壓抱閘的原理，OPEN 口通（tōng）入空氣時，彈簧皮腔彎曲弓起，並（bìng）連帶引起環形刹車片與（yǔ）回轉軸（zhóu）的分離，回轉軸得到釋（shì）放，當壓（yā）縮彈簧的空氣由 OPEN 口排放或皮腔外部腔體（tǐ）由CLOSE 口充（chōng）氣增壓時，皮腔得到放鬆並伸展，從而環形刹車（chē）片夾緊回轉軸。氣動抱閘雖然在大夾（jiá）緊扭矩的（de）獲得上（shàng）效果不如液壓夾緊套，但其具有反應速度（dù）快、安裝（zhuāng）簡單和清潔度高的優點，尤其值得一提的（de）是，此類氣動抱（bào）閘（zhá）本身還具有安（ān）全夾（jiá）緊的功能，當（dāng）係統掉電時，氣（qì）源消失，彈簧（huáng）會恢複形變（biàn），抱閘自動夾緊回轉軸，能（néng）夠有效防止係統失（shī）去動力（lì）後回轉軸由（yóu）於自身重力或（huò）磁力作用產生難以預料（liào）的動作造成刀具或工件的損壞（huài）。

圖 9 為 HEMA 公司的內圓周被動式氣壓抱閘的原理（lǐ），OPEN 口通入空氣時，彈簧（huáng）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（huí）轉軸得到釋放，當（dāng）壓縮（suō）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，皮腔得到放鬆並伸展，從而環形（xíng）刹（shā）車（chē）片夾緊回轉軸。氣動抱閘雖然在大夾緊扭矩的獲得上效果不（bú）如（rú）液壓夾緊套，但其具有反應速度快、安裝簡單和清潔度高的優點，尤（yóu）其值得一（yī）提的是，此類氣（qì）動抱閘本身還具有（yǒu）安全夾緊的功能（néng），當係統掉電時（shí），氣源消失（shī），彈（dàn）簧會恢（huī）複形變，抱（bào）閘自動（dòng）夾緊回轉軸，能（néng）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（nán）以預料的（de）動作造成刀具或工件的損壞。

3 結語

定位夾緊機構是實現數控機床回轉軸指定（dìng）角度定位加工（gōng）功能的關鍵。本文針對銑（xǐ）頭和數控（kòng）轉台等回轉（zhuǎn）軸的結構特點，闡述了幾種常（cháng）用的定位夾緊機構的特點和實際的設計及應用方法。

目前，這（zhè）些方法（fǎ）在國內外各機床製造廠商的產品中得到了（le）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方式千差萬（wàn）別，各有千秋，所以設計者應（yīng）該根據實際的設計需要選擇合適的夾緊機構實（shí）現回轉機構的角度分度定位功能。如在具有（yǒu）車（chē）銑複合功能的 B 軸單元的設計中除了要布置具（jù）有（yǒu）任意角度（dù）定位分度功能的夾（jiá）緊機構外，還（hái）要布置能（néng）夠（gòu）滿足車削加工大扭矩、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構的車削和銑削加工。

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