廣州市敏嘉制造技術(shù)有限公司 (廣東 511453)謝政平

廣東工業(yè)大學(xué) (廣州 510520)姚松亮 鄭秀宏 李鍛能

車銑復(fù)合加工中心屬于多軸聯(lián)動機(jī)床，能在一次裝夾中完成全部或者大部分加工工序，包括車、銑、鉆、鏜、攻絲等多工序。帶有C 軸功能的伺服電主軸，夾持工件具有分度定位和聯(lián)動功能。特別當(dāng)工件需要在某一角度進(jìn)行鉆孔、攻絲、銑槽或銑平面加工時，需要靠C 軸的分度定位，并在分度定位后進(jìn)行主軸鎖緊，以免切削力引起振動或位移影響加工精度。車銑電主軸是車銑復(fù)合加工中心的心臟，而主軸鎖緊是車銑復(fù)合加工中心電主軸的一個特殊要求，是車銑電主軸關(guān)鍵技術(shù)之一。

機(jī)床加工后需鎖緊的時候，高速主軸在伺服電動機(jī)制動的作用下，停止在某個準(zhǔn)確位置，然后鎖緊機(jī)構(gòu)動作，利用機(jī)械鎖緊力固定主軸。鎖緊過程中，要求機(jī)構(gòu)的動作不得造成主軸軸向位移，特別是不能對主軸產(chǎn)生圓周擾動。鎖緊以后，要求機(jī)構(gòu)有足夠的鎖緊力和剛性承受切削載荷。目前，常見的主軸鎖緊機(jī)構(gòu)有摩擦片圓周鎖緊和三齒盤固定角度鎖緊等。摩擦片圓周鎖緊利用機(jī)構(gòu)對軸向柔性較好的摩擦片施加摩擦力，但是鎖緊機(jī)構(gòu)中摩擦片易磨損，性能不穩(wěn)定，影響主軸鎖緊精度。三齒盤結(jié)構(gòu)只能實(shí)現(xiàn)有級角度鎖緊，任意角度的鎖緊還要借助其他機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，鎖緊機(jī)構(gòu)過于復(fù)雜，體積大。

本文在對比已有主軸鎖緊機(jī)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，針對車銑電主軸鎖緊問題，設(shè)計出一種體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、鎖緊可靠、鎖緊過程對主軸精度沒有影響的車銑電主軸后置圓錐摩擦鎖緊機(jī)構(gòu)。

1.機(jī)構(gòu)原理

車銑電主軸后置圓錐摩擦鎖緊機(jī)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 所示是車銑電主軸兩個不同方向的剖面圖，結(jié)構(gòu)為內(nèi)脹套4 固定在主軸5 上，且可隨主軸5 做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動;外脹套2 位于后法蘭8 和彈簧碟片1 之間，通過內(nèi)、外脹套上不可自鎖20°配合錐面套在內(nèi)脹套4 上;彈簧碟片1 套在內(nèi)脹套4 上，并通過固定柱10和固定螺釘9 與后法蘭8 固定，同時彈簧碟片通過鎖緊螺釘6 與外脹套2 鎖緊;外脹套2 內(nèi)設(shè)有6 個均勻分布的油腔，6 個活塞塊分別置于6 個油腔內(nèi)。

圖1 車銑電主軸鎖緊機(jī)構(gòu)剖視圖

外脹套配設(shè)有提供液壓油的封套和油路等部件。當(dāng)輸入液壓油時，外脹套在液壓油壓力的作用下移動，同時利用彈簧碟片軸向易變形而徑向難變形的特性，保證外脹套的內(nèi)錐面與內(nèi)脹套的外錐面在嚙合過程中外脹套只做軸向移動，內(nèi)、外脹套始終與主軸保持同心，實(shí)現(xiàn)在不影響主軸精度的情況下外脹套抱死內(nèi)脹套，鎖緊主軸;當(dāng)卸載液壓油時，外脹套在彈簧碟片和彈簧的作用下脫離內(nèi)脹套，主軸恢復(fù)自由轉(zhuǎn)動。

2.機(jī)構(gòu)特點(diǎn)

本機(jī)構(gòu)的特別之處是，在內(nèi)、外脹套的嚙合表面上分別設(shè)置20°的內(nèi)錐面和外錐面。在內(nèi)、外脹套之間形成不可自鎖的20°嚙合圓錐摩擦面，如圖2所示。

圖2 外脹套(左)、內(nèi)脹套(右)剖視圖

不可自鎖的20°嚙合圓錐摩擦面是本文技術(shù)的關(guān)鍵，相比同樣的軸向彈性摩擦片機(jī)構(gòu)具有更大的嚙合面積。由于錐度不可自鎖，這樣既能夠保證內(nèi)、外脹套脫離可靠，又能將軸向力成倍放大為徑向力，從而保證內(nèi)、外脹套嚙合可靠，提高主軸鎖緊的可靠性。

鎖緊裝置在安裝調(diào)試的時候，外脹套可以在其內(nèi)錐面與內(nèi)脹套的外錐面完全嚙合后再鎖緊在彈簧碟片上，提高鎖緊機(jī)構(gòu)與電主軸裝配精度。鎖緊機(jī)構(gòu)設(shè)置在主軸的后端，有利于車銑復(fù)合加工中心主軸安裝調(diào)試以及維護(hù)維修。

鎖緊機(jī)構(gòu)在動作的時候，彈簧碟片做軸向?qū)?，?nèi)、外脹套始終與主軸保持同心，鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊對主軸的定位精度不會產(chǎn)生影響，保證了主軸的定位精度和主軸使用壽命。

鎖緊裝置采用20°錐面內(nèi)、外脹套和彈簧碟片組合鎖緊結(jié)構(gòu)，鎖緊精度高，鎖緊動作行程不超過1mm，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，能有效實(shí)現(xiàn)車銑復(fù)合加工中心主軸鎖緊。

3.鎖緊能力推導(dǎo)

本文研制的車銑電主軸后置圓錐摩擦鎖緊機(jī)構(gòu)是通過內(nèi)脹套和外脹套之間的不可自鎖的20°嚙合圓錐摩擦面所產(chǎn)生的靜摩擦力來實(shí)現(xiàn)車銑電主軸鎖緊，摩擦機(jī)構(gòu)需進(jìn)行力學(xué)分析初步推導(dǎo)鎖緊能力。

(1)靜摩擦接觸面積S 如圖3 所示，取圓錐摩擦面上微單元長度dx，其微圓面積為dS，則:

圖3 圓錐摩擦面受力示意圖

(2)靜摩錐面接觸比壓ρ 如圖4 所示，取內(nèi)脹套20°外錐面上微塊為受力分析對象。其中G 為內(nèi)脹套在外脹套作用下受到的軸向預(yù)緊力，N 為外脹套對內(nèi)脹套的正壓力，Z 為內(nèi)脹套錐面上的平均擠壓力，F(xiàn) 為外脹套對內(nèi)脹套的靜摩擦力，α 為內(nèi)脹套外錐面錐度角。

圖4 微塊受力示意圖

根據(jù)力的平衡原理，存在下列方程式

式中，f 為內(nèi)、外脹套錐面摩擦系數(shù)，解方程得

假設(shè)正壓力N 均勻地分布在摩擦錐面上，則接觸比壓ρ 為:

(3)圓錐摩擦面靜摩擦力產(chǎn)生的扭矩M 如圖3所示，取圓錐摩擦面上微圓面積dS 上產(chǎn)生的正壓力dN，形成的靜摩擦力

微圓面積dS 上扭矩

將式(5)代入式(6)

式中，d=d1+Ltanα。

(4)彈簧碟片承受載荷Q 如圖5 所示，彈簧碟片位于外脹套后端，同外脹套一起套在內(nèi)脹套上。

本文研制的車銑電主軸后置圓錐摩擦鎖緊機(jī)構(gòu)采用單片式彈簧碟片，彈簧碟片承受載荷

圖5 彈簧碟片安裝位置示意圖

式中，G 為內(nèi)脹套在外脹套作用下受到的軸向預(yù)緊力，有6 個油腔共同作用，即

式中，k 為液壓缸工作安全系數(shù);p 為單個液壓缸油壓力;S 為單個液壓缸活塞有效作用面積。

4.結(jié)語

本文研制的車銑電主軸后置圓錐摩擦鎖緊機(jī)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡潔緊湊、體積小、制造和裝配簡單、鎖緊可靠等優(yōu)點(diǎn)。通過本機(jī)構(gòu)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)車銑電主軸具備任意角度鎖緊定位的功能，且定位精度高。鎖緊裝置設(shè)置在車銑電主軸的后端，有利于車銑復(fù)合加工中心電主軸安裝調(diào)試以及維護(hù)維修，適用性強(qiáng)。

目前，該鎖緊裝置經(jīng)過研制定型，已被批量應(yīng)用在企業(yè)生產(chǎn)制造的精密車銑復(fù)合加工中心上，實(shí)際使用效果良好，完全滿足設(shè)計需求。