曹鵬杰,關(guān)景開
(廣東高新凱特精密機械股份有限公司,廣東江門 529100)
滾動直線導(dǎo)軌副用鉗制器是精密機床升級的革命性產(chǎn)品,它是由主體、動力部件、鉗制部件和接觸部件等組成,與滾動直線導(dǎo)軌副配套使用的高性能功能部件[1]。該系列產(chǎn)品具有如下總體特點:一是安全可靠、強大的鉗制力;二是安裝方便,無需更改工作臺尺寸;三是快速反應(yīng),起到保護機床的作用[2];四是持久耐用,表面特殊處理,防銹性能好;五是設(shè)計新穎,避免鉗緊時產(chǎn)生剛性沖擊。
氣壓常閉帶剎車型是通過彈簧儲能作用于楔形塊進而實現(xiàn)鉗制和快速剎車,適合于長時間鉗制固定工作臺的設(shè)備,也可在垂直軸或直線電機驅(qū)動裝置斷電時剎車保護。
圖1 氣壓常閉鉗制器
氣壓常閉型鉗制器(如圖1)的關(guān)鍵部件的設(shè)計就是指產(chǎn)生鉗制力的彈簧的選擇和計算以及氣缸活塞的受力變形仿真模擬,下面以空壓常開帶剎車鉗制器一種規(guī)格為例,設(shè)計計算彈簧的選型和活塞受力分析[3]。
設(shè)計時設(shè)定的空壓鉗制器的最小鉗制力為:N=3 000 N;取鉗制器與導(dǎo)軌之間的摩擦系數(shù)為:μ=0.15;則鉗制器的夾緊力為2F=N/μ,F(xiàn)≈11 480 N;根據(jù)鉗制器楔形塊的斜邊放大效果計算公式:F=P/tanθ,θ=3h(楔形塊的角度設(shè)計為3度)[4],則可以推算出彈簧的總推力需要達到:P=524 N,考慮到此力為最低臨界推力,而實際上由于活塞在主體內(nèi)位移的不確定性,所以初始設(shè)計推力取P=600 N。
當(dāng)彈簧數(shù)量為1根時,則這根彈簧在受壓后要達到的推力為600 N,據(jù)此對加載活塞進行受力分析,如圖2(活塞材料為黃銅)。
圖2 活塞受力變形圖
由圖2可以看出當(dāng)活塞只受1根彈簧的推力600 N時,活塞的最大變形量為3.37 μm。當(dāng)彈簧數(shù)量為兩根時,則兩根彈簧在受壓后要達到的總推力為600 N,據(jù)此對加載活塞進行受力分析,由圖2可以看出當(dāng)活塞只受2根彈簧的推力600 N時,活塞的最大變形量為2.602 μm。通過以上對比得知,活塞在相同的推力下,受兩根彈簧比受一根彈簧的推力情況下變形位移更小,考慮活塞及彈簧的壽命,因此設(shè)計采用兩根彈簧,根據(jù)鉗制器的內(nèi)部結(jié)構(gòu),彈簧采用一大一小結(jié)構(gòu),內(nèi)外套合,兩彈簧合力為600 N。
根據(jù)已設(shè)計好的鉗制器尺寸結(jié)構(gòu),可知兩根彈簧的最大壓緊長度:大彈簧為28.3 mm,小彈簧為27.8 mm。大彈簧的外徑為21 mm,選取簧絲直徑為3 mm,圈數(shù)n=8,材料為彈簧剛彈性模量為8 104,旋繞比C=6.67>4,則根據(jù)彈簧剛度計算公式:
可得大彈簧的剛度為17 N/mm;設(shè)大彈簧的推力為350 N,則其壓縮位移為20.5 mm,則彈簧的總長度為20.5+28.3=48.8(mm),取H=50 mm。則大彈簧的規(guī)格為3 18 50(mm×mm×mm);小彈簧的外徑為14 mm,線徑為2 mm,圈數(shù)為10.5,則剛度為8.5 N/mm,小彈簧的推力為250 N,則其壓縮位移為29 mm,則彈簧的總長度為29+27.2=59.05(mm),取H=60 mm。則小彈簧的規(guī)格為2 12 60(mm×mm×mm)(根據(jù)機械設(shè)計彈簧標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計GBT 2089-2009相關(guān)計算所得)[5]。此標(biāo)準(zhǔn)適用于彈簧負荷及循環(huán)次數(shù)≤105次的情況下,若要達到鉗制器設(shè)計的一百萬次使用要求,則需特殊定制。
圖3 彈簧選型零件
此鉗制器設(shè)計的反推力需要復(fù)位活塞為兩個和加載活塞一個來提供動力,需要總推力應(yīng)大于600 N。才可以將加載彈簧壓縮,使鉗制器張開復(fù)位。因此需要設(shè)計計算活塞尺寸以及打開鉗制器所需的最小氣壓。
復(fù)位活塞只承受單面氣壓力,復(fù)位活塞1(設(shè)計直徑為 24 mm) 受力計算如下:S1=485.7 mm2,P1=pS1,當(dāng)p=0.45 MPa,則P1=218.5 N。受力分析如圖4。
由圖4可知,復(fù)位活塞1在受到0.45 MPa的壓力下其最大變形量為3.4 μm。
活塞受到的應(yīng)變較少,滿足使用要求。復(fù)位活塞2(設(shè)計直徑25 mm)受力計算如:S2=502.4 mm2,P2=pS2,當(dāng)p=0.45 MPa,則P1=226 N。由圖4可知,復(fù)位活塞2在受到0.45 MPa的壓力下其最大變形量為3.2 μm?;钊艿降膽?yīng)變較少,滿足使用要求。
圖4 復(fù)位活塞變形分析圖
加載活塞,既要承受彈簧施加的加載推力又要承受復(fù)位時的氣壓反推力。加載活塞(設(shè)計直徑28 mm)受空 氣 壓 力 計 算 S3=587 mm2, P3=pS3, p=0.45, 則 P3=264.2 N。受力分析如圖5。
圖5 加載活塞變形分析圖
由圖5可知,加載活塞在受到0.45 MPa的壓力下其最大變形量為2.6 μm。
P=0.8,則P3=462.8 N,活塞受到的應(yīng)變較少,滿足使用要求。
圖6 加載活塞零件
為了保證活塞上的密封件的密封性及是有壽命,要求活塞的整體變形量要小于10 μm。利用仿真模擬受力變形分析,可以看到,當(dāng)鉗制器打開氣壓達到0.8 MPa的壓力下,復(fù)位活塞1的最大變形量為6.12 μm。復(fù)位活塞2的最大變形量為5.7 μm。加載活塞的最大變形量為4.7 μm。滿足設(shè)計變形控制要求。
從以上計算可得,當(dāng)輸入空氣壓力為鉗制器設(shè)計的最低開放壓力0.45 MPa時,三個活塞產(chǎn)生的總反推力為P1+P2+P3=708 N,大于彈簧的總推力600 N,可以保證鉗制器正常復(fù)位。通過以上設(shè)計計算及仿真分析,證明加載彈簧的設(shè)計選型,復(fù)位活塞及加載活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。滿足此規(guī)格鉗制器的設(shè)計要求。
[1]楊家軍,劉偉方,孫健利,等.滾柱直線副導(dǎo)軌箝制器的研究及仿真[J].金屬加工(冷加工),2011(01):45-47.
[2]丁秋萍,楊家軍,趙美玲,等.氣壓常閉型鉗制器制動響應(yīng)時間的研究[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2015(08):54-57.
[3]劉文威,楊家軍,郤能,等.新型氣動式滾柱直線導(dǎo)軌副鉗制器的運動特性分析[J].機械設(shè)計,2016(05):14-19.
[4]劉文威,楊家軍,郤能,等.氣動式鉗制器楔形塊曲線設(shè)計[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2015(02):43-46.
[5]成大先.機械設(shè)計手冊:常用設(shè)計資料[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.