擺頭力矩電動(dòng)機(jī)夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析

蔡春剛 任志輝 冷 磊 賀行健 杜長林

(大連光洋科技工程有限公司，大連遼寧 116600)

為了增加擺頭高速切削和重切削的能力，并防止在加工過程中機(jī)床或系統(tǒng)異常掉電以致擺頭失控?fù)p壞被加工工件，擺頭的A、C軸力矩電動(dòng)機(jī)必須提供夾緊功能。

1 C軸力矩電動(dòng)機(jī)夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，成熟的夾緊方案主要有如下2種:

(1)對(duì)旋轉(zhuǎn)體的外圓柱面夾緊

這種夾緊方案主要特點(diǎn)是:①周向夾緊比較穩(wěn)定，夾緊之后不容易產(chǎn)生偏斜;②夾緊面積可以很大，從而夾緊力矩可以做到很大，有利于提高整個(gè)部件的切削剛性;③圓柱面夾緊機(jī)構(gòu)方式安裝和調(diào)整比較方便;④夾緊套(即夾緊的執(zhí)行部件)制造精度要求較高，工藝難度較大。這種技術(shù)方案是直驅(qū)式擺頭、直驅(qū)式回轉(zhuǎn)工作臺(tái)及車銑復(fù)合用電主軸上應(yīng)用比較多的方案。

(2)對(duì)旋轉(zhuǎn)體的端面夾緊

這種機(jī)構(gòu)類似于汽車的剎車盤，但具體的結(jié)構(gòu)有所不同。這種結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在直驅(qū)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)上，這是因?yàn)橐话銠C(jī)床的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)體積較大，這就方便了端面夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，也可以把夾緊力矩做到很大。但它的難度在于夾緊機(jī)構(gòu)的制造精度要求較高，安裝和調(diào)整也比較困難。

鑒于上述特點(diǎn)和直驅(qū)式擺頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，我們采用第一種夾緊方案。圖1所示是專為擺頭C軸設(shè)計(jì)的夾緊套的實(shí)物照片。其夾緊原理如圖2所示。該結(jié)構(gòu)通過液壓油由進(jìn)油孔進(jìn)入到油腔，此時(shí)回油孔封死，油腔內(nèi)的液壓油壓力達(dá)到一定程度以后，迫使夾緊套產(chǎn)生彈性變形并緊密貼合電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子，使夾緊套和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)合面間產(chǎn)生接觸壓力從而產(chǎn)生足夠大的摩擦力，完成力矩電動(dòng)機(jī)的剎車制動(dòng)及夾持作用。夾緊扭矩可由下式估算獲得:

式中:Md為作用在外徑為d的回轉(zhuǎn)體上的夾緊扭矩，N·m;L為有效夾緊長度，m;p為液壓油的壓力，Pa;μ為摩擦系數(shù)，根據(jù)我們的材料特性，取0.07～0.12。

利用有限元方法對(duì)夾緊套進(jìn)行強(qiáng)度與剛度的考核。根據(jù)其工作原理，夾緊套必須工作在其材料的彈性極限范圍，以此為條件來優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，最終確定夾緊套與被夾持體——電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子之間的配合公差。

2 C軸力矩電動(dòng)機(jī)夾緊套機(jī)構(gòu)優(yōu)化

圖3所示為根據(jù)外圓柱面夾緊原理設(shè)計(jì)的一種夾緊套(如圖4所示)和被夾緊轉(zhuǎn)子配合(下稱方案一)在最大允許油壓為6 MPa作用下的應(yīng)力分析圖及變形分析圖。由圖3a可知，在6 MPa液壓力的作用下，在夾緊套的油腔上端局部區(qū)域產(chǎn)生了應(yīng)力集中，最大應(yīng)力為121.8 MPa，已經(jīng)超過了初選材料的屈服強(qiáng)度(彈性極限)的下限值。由此可知，所選材料必須要求其屈服強(qiáng)度大于121.8 MPa，并且留有一定的裕度。這樣便提高了對(duì)材料性能的要求，增加了材料處理的工藝成本。

根據(jù)方案一改進(jìn)的夾緊套(如圖5所示)和轉(zhuǎn)子配合(下稱方案二)如圖6所示，夾緊套和被夾緊轉(zhuǎn)子的裝配圖在最大允許油壓6 MPa作用下的應(yīng)力分析圖及變形分析圖分別如圖6a和6b所示。方案二的不同之處在于改變了夾緊接觸區(qū)域的始末位置，加大了接觸區(qū)域的范圍，使得油腔兩端的密封圈凹槽對(duì)應(yīng)的夾緊套的內(nèi)圓柱面也直接接觸到轉(zhuǎn)子外圓柱面。

由圖6可知，夾緊套的最大應(yīng)力為51 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度下限值120 MPa;并且轉(zhuǎn)子的變形量為0.048 6 mm，小于方案一的0.051 mm，并沒有由于夾緊面積的增大而增大，反而有少許減小。由此可見，方案二是較為合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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