趙越，姜莉莉，雷曉鐘

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州 510006;2.廣州市珠江機床廠有限公司，廣東廣州 510000)

一種液壓夾緊機構(gòu)在直驅(qū)式雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的應(yīng)用

趙越1，姜莉莉1，雷曉鐘2

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州 510006;2.廣州市珠江機床廠有限公司，廣東廣州 510000)

雙軸數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺是五軸數(shù)控機床的基礎(chǔ)部件，它通過驅(qū)動轉(zhuǎn)臺或分度頭完成精密角度的等分、不等分或連續(xù)的回轉(zhuǎn)加工，能夠?qū)崿F(xiàn)A，C軸的回轉(zhuǎn)進給與定位，完成復(fù)雜曲面加工，使機床的加工范圍得以擴大。介紹了一種用在雙軸回轉(zhuǎn)工作臺的液壓夾緊裝置，該機構(gòu)具有定心精度高、夾緊力大、夾緊剛度高、結(jié)構(gòu)緊湊、安全可靠等優(yōu)點，實際應(yīng)用表明效果很好。

液壓夾緊套;雙軸回轉(zhuǎn)工作臺;力矩電機

0 前言

雙回轉(zhuǎn)工作臺是實現(xiàn)五軸加工中心回轉(zhuǎn)進給功能的關(guān)鍵功能部件，直驅(qū)式工作臺僅靠驅(qū)動系統(tǒng)和傳動機構(gòu)通常不能滿足工件所需的定位精度要求。而雙回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)軸的夾緊機構(gòu)主要有兩個作用:一是當(dāng)工作臺工作時突然切斷電源或因故障電網(wǎng)突然停電時，電機的轉(zhuǎn)矩幾乎為零，若負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量很大，則電機容易失控造成事故，這時需要制動保證其安全;另一作用是旋轉(zhuǎn)軸以及擺動軸到達任意角度需要通過夾緊固定來滿足其在指定角度平面強力銑削或定向結(jié)構(gòu)的要求，另外，還能夠分散傳動機構(gòu)定位加工時的受力，并將力直接傳遞給箱體，使驅(qū)動系統(tǒng)和傳動機構(gòu)得到釋放，從而保證了回轉(zhuǎn)軸的精度及高傳動性。

夾緊裝置可分為氣動抱閘、三齒盤、液壓抱閘等機構(gòu)。鑒于該型工作臺采用的是電動機直接驅(qū)動，結(jié)構(gòu)尺寸受限，且要達到大的鎖緊力矩比較困難。故文中采用的是液壓夾緊套制動機構(gòu)，接觸面積大，依靠夾緊套的彈性變形抱緊轉(zhuǎn)子，定心精度高，安全而又可靠。1 結(jié)構(gòu)原理

液壓夾緊套制動機構(gòu)主要由帶有凹槽的夾緊套和密封圈組成，凹槽能使夾緊套在受壓時更易變形，如圖1所示。

圖1 回轉(zhuǎn)工作臺液壓夾緊套制動機構(gòu)

其基本工作原理是:夾緊套外壁上的凹槽與固定件形成環(huán)形封閉油腔，內(nèi)部充有液壓油。當(dāng)對其施壓時，油壓在抱閘套筒壁的密封圈之間毫無損失地轉(zhuǎn)換成徑向夾緊力，并使套筒內(nèi)壁作用于轉(zhuǎn)子的外圓周表面，均勻地抱緊被夾緊件，通過消除配合間隙，產(chǎn)生摩擦扭矩的方式來完成旋轉(zhuǎn)的鎖緊制動;松開后，只需減壓來使夾緊套薄壁恢復(fù)到原始形狀，并恢復(fù)配合間隙。

文中介紹的對于電機直接驅(qū)動的雙回轉(zhuǎn)工作臺一是電機對A軸回轉(zhuǎn)擺動的驅(qū)動，二是在左右兩端各設(shè)有一電機 (如圖2)，用于驅(qū)動工作臺A軸的擺動，由于其結(jié)構(gòu)完全軸對稱，這就使得其工作及制動需完全同步，而液壓夾緊套制動機構(gòu)能夠在受限的空間內(nèi)進行制動且具有極高的夾緊力和夾緊剛度，則可對雙回轉(zhuǎn)工作臺進行應(yīng)用。

圖2 雙回轉(zhuǎn)工作臺

2 重要參數(shù)的確定

通過分析該夾緊套的工作原理，該夾緊套既要求良好的變形能力又要求足夠的強度。因此其夾緊套材料可采用鈹青銅QBe2，它是高性能銅合金，經(jīng)固溶及時效硬化處理，具有高硬度、高耐磨性、高抗爆性、高屈服極限與疲勞極限、耐腐性能佳、高導(dǎo)電率及優(yōu)異的散熱性能［1］。另外結(jié)構(gòu)為薄壁筒狀結(jié)構(gòu)，外壁上設(shè)有凹槽，在夾緊套的兩端設(shè)有密封圈用于防止泄漏，夾緊套兩端設(shè)有法蘭盤便于其安裝與固定。

鎖緊制動機構(gòu)中彈性套的相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定是該機構(gòu)設(shè)計的重點，彈性套在液壓作用下產(chǎn)生彈性變形，為了便于彈性套的變形，在彈性套上設(shè)計了變形槽。通過ANSYSWorkbench對其結(jié)構(gòu)進行仿真分析確定了一定液壓P下變形槽的最佳距離、均勻變形長度、變形區(qū)最佳厚度及轉(zhuǎn)子軸與彈性套間隙［2］。

3 應(yīng)用

該套筒制動機構(gòu)已應(yīng)用于某廠設(shè)計的一款直驅(qū)式雙回轉(zhuǎn)工作臺，如圖2所示。夾緊式機構(gòu)外側(cè)有液壓和空氣管路，分別用于液壓的執(zhí)行和釋放以及調(diào)試時排出油腔內(nèi)的空氣，C軸采用的力矩電機，為西門子1FW6130-0Px07，最大輸出轉(zhuǎn)矩575 N·m。彈性套材料選用淬火調(diào)質(zhì)后的鈹青銅，根據(jù)工藝及生產(chǎn)經(jīng)驗取?(轉(zhuǎn)子軸與夾緊套間隙)=0.15 mm、d(變形區(qū)域厚度)=2.4 mm，運用ANSYS-Workbench軟件對設(shè)計結(jié)果進行結(jié)構(gòu)靜力仿真分析，分析結(jié)果如圖3所示，模擬量數(shù)值關(guān)系見表1。在不同的液壓載荷下得到其變形量如圖4所示。

圖3 仿真分析結(jié)果

表1 模擬量數(shù)值關(guān)系表

圖4 鈹青銅的載荷與變形量曲線圖

通過仿真結(jié)果可得到在合適壓力作用下該結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)易變形，且變形后保證均勻接觸摩擦面積最大，從而驗證了變形槽位置設(shè)計的合理性，由分析結(jié)果得到p=2.5 MPa時均勻變形長度M=50mm，則最大均勻接觸面積 S=3.14×90×10－3×50×10－3m2。

由圖3得到在液壓力0～3 MPa時，載荷與變形量成線性關(guān)系，可以認(rèn)為彈性套處于理想彈性變形狀態(tài)，該數(shù)值分析結(jié)論與該合金鋼材料的屈服強度數(shù)值也是一致，從側(cè)面驗證了數(shù)學(xué)模型以及邊界約束設(shè)置的合理性。

通過上述分析可知在2.5 MPa的液壓剎緊力作用時，套筒鎖緊處于合理的完全彈性變形狀態(tài)，可以得到:

4 結(jié)論

文中重點講述了液壓夾緊套筒在回轉(zhuǎn)工作臺對C軸旋轉(zhuǎn)夾緊的應(yīng)用，其具有很高的定心精度和很好的重復(fù)性，同時其夾緊扭矩大、夾緊剛度高，并由于液壓夾緊油腔內(nèi)充滿了液壓油使其具有一定的阻尼減震作用。此夾緊機構(gòu)同樣可以應(yīng)用到圖2中驅(qū)動工作臺A軸擺動的兩對稱電機上，這除了需要布置具有任意角度定位分度功能的夾緊機構(gòu)外，還要布置能夠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)，兩者并用才能更好地完成機構(gòu)的車削和銑削加工，而文中所介紹的夾緊機構(gòu)則可應(yīng)用于此。

［1］機械工程手冊編委會.機械工程手冊.第3卷.機械工程材料［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2000.

［2］凌桂龍.ANSYSWorkbench 13.0［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2012.

Application of a Hydraulic Clamping Mechanism in Direct Drive Rotary Table with Double Axes

ZHAO Yue1，JIANG Lili1，LEIXiaozhong2
(1.School of Mechatronics Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou Guangdong 510006，China;2.Guangzhou Zhujiang Machine ToolWorks Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510000，China)

Double axes rotary table is one of the basic components in 5 axis numerical control(NC)machine tool.Its precision angle bisecting，unequal or continuous rotary processwere completed by driving the rotary table or dividing head to achieve rotary feeding and positioning of A，C axis，to complete complex surfacemachining，so that themachine's processing rangewas expanded.A kind of hydro-clamping sleeve device used on the rotary table with double axes was introduced.The mechanism has the advantages of high precision in centering，large clamping force，high clamping rigity，compact in structure，safe and reliablble，and etc.Its practical application shows very good effects.

Hydro-clamping sleeve;Rotary table with double axes;Torquemotor

TH132

B

1001－3881(2015)21－176－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.043

2014－08－11

趙越 (1991—)，男，碩士研究生，研究方向為機械設(shè)計制造及自動化。E－mail:383448562@qq.com。