數(shù)控轉(zhuǎn)臺用環(huán)抱式剎車裝置的研究

夏向陽

(江蘇新瑞重工科技有限公司，江蘇 常州 213166)

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數(shù)控轉(zhuǎn)臺用環(huán)抱式剎車裝置的研究

夏向陽

(江蘇新瑞重工科技有限公司，江蘇 常州 213166)

介紹了一種數(shù)控轉(zhuǎn)臺用環(huán)抱式剎車裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)、工作原理、關(guān)鍵零件工藝要點(diǎn)，介紹了環(huán)抱式轉(zhuǎn)臺剎車裝置有效剎車所需液壓壓力和流量的計(jì)算過程，其中有效剎車所需液壓壓力先通過理論經(jīng)驗(yàn)公式來估算范圍，然后再利用ANSYS有限元分析軟件對環(huán)抱式剎車裝置進(jìn)行仿真分析，最終得出有效剎車需要的油壓壓力。

環(huán)抱式剎車裝置；液壓壓力和流量；經(jīng)驗(yàn)公式；ANSYS；仿真分析

筆者公司新開發(fā)了一款GM50A-5X五軸聯(lián)動立式加工中心，準(zhǔn)備于2016年4月份參加在上海舉辦的國家機(jī)床展覽會。該機(jī)床的核心功能部件A-C軸五軸搖籃式數(shù)控轉(zhuǎn)臺為筆者公司自行研發(fā)生產(chǎn)(如圖1)。A軸、C軸均采用力矩電動機(jī)直接驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)零間隙傳動，傳動精度高、傳動剛性好、動態(tài)響應(yīng)性能高。A-C軸五軸搖籃式數(shù)控轉(zhuǎn)臺不僅需要A軸、C軸能夠連續(xù)進(jìn)給實(shí)現(xiàn)多角度加工，也需要能夠在特定角度和方向準(zhǔn)確停止，并保持在該位置，以便在該位置進(jìn)行銑削或鉆削，這就要求轉(zhuǎn)臺的A軸、C軸具有可靠的剎車制動機(jī)構(gòu)。目前轉(zhuǎn)臺的典型剎車機(jī)構(gòu)有端面接觸式剎車機(jī)構(gòu)和環(huán)抱式剎車機(jī)構(gòu)兩種。端面接觸式剎車機(jī)構(gòu)，這就是俗稱碟剎機(jī)構(gòu)，通過接觸端面之間產(chǎn)生的靜摩擦力矩達(dá)到有效防松的目的，缺點(diǎn)是剎車扭矩小、剎車可靠性差，適用于高轉(zhuǎn)速、小扭矩的數(shù)控轉(zhuǎn)臺。環(huán)抱式轉(zhuǎn)臺剎車機(jī)構(gòu)，俗稱環(huán)剎，通過接觸的圓環(huán)面之間產(chǎn)生的靜摩擦力矩達(dá)到有效防松的目的，與碟剎相比，剎車扭矩大、剎車效果可靠，適合用在低轉(zhuǎn)速、大扭矩?cái)?shù)控轉(zhuǎn)臺上。筆者公司本次開發(fā)的轉(zhuǎn)臺為低速、大扭矩轉(zhuǎn)臺，顯然采用環(huán)抱式轉(zhuǎn)臺剎車機(jī)構(gòu)是合適的。筆者對環(huán)抱式轉(zhuǎn)臺剎車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理、有效剎車所需液壓壓力和流量的計(jì)算方法做了深入研究，這里把研究的成果介紹給大家，希望可以為讀者提供有益參考和幫助。

1　轉(zhuǎn)臺環(huán)抱式剎車機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)、工作原理、關(guān)鍵零件的工藝要點(diǎn)

1.1機(jī)械結(jié)構(gòu)

該轉(zhuǎn)臺環(huán)抱式剎車機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖2所示，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸1的三維外形圖見圖3，環(huán)抱式剎車環(huán)4的三維外形圖見圖4，剎車底座2的三維外形圖見圖5。

1.2工作原理

環(huán)抱式剎車環(huán)4通過上端12只剎車環(huán)固定螺釘7與剎車底座2連接到一起，通過其下端12只剎車環(huán)固定螺釘8與剎車環(huán)固定座5連接到一起，剎車環(huán)固定座5通過12只連接螺釘13與剎車底座2連接到一起，從而使環(huán)抱式剎車環(huán)4、剎車底座2、剎車環(huán)固定座5三者連接成剛性整體。環(huán)抱式剎車環(huán)4在上下兩端開有兩道密封圈槽，在中段開有凹槽作為壓力油腔，O型密封圈9和10分別安裝在兩道密封圈槽中，使液壓油能夠被有效密封在壓力油腔內(nèi)。剎車環(huán)固定座5開有2個密封圈槽，槽內(nèi)安裝2只O型密封圈6形成密閉的液壓油通道，需要剎車時液壓壓力油通過2只液壓管接頭3和液壓油通道進(jìn)入壓力油腔內(nèi)從而建立起壓力。在轉(zhuǎn)臺正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸1的外圓與環(huán)抱式剎車環(huán)4的內(nèi)壁保持0.1 mm間隙，從而保證轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸1的正常圓周進(jìn)給運(yùn)動；當(dāng)需要剎車時壓力油進(jìn)入環(huán)抱式剎車環(huán)4的壓力油腔內(nèi)向內(nèi)壓迫環(huán)抱式剎車環(huán)4的薄壁部分使其產(chǎn)生向內(nèi)0.15 mm左右的變形從而使其內(nèi)壁與轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸1的外圓緊密接觸產(chǎn)生足夠大的剎車扭矩使轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸1穩(wěn)定地保持在正確位置，從而完成剎車；當(dāng)轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸1需要再次進(jìn)行圓周進(jìn)給運(yùn)動時，壓力油腔內(nèi)壓力油卸荷，環(huán)抱式剎車環(huán)4通過自身的彈性恢復(fù)原有狀態(tài)，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸1的外圓與環(huán)抱式剎車環(huán)4的內(nèi)壁的0.1 mm間隙再次出現(xiàn)，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸1能夠正常進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，從而完成一個完整的剎車、運(yùn)轉(zhuǎn)的運(yùn)動循環(huán)。剎車底座2的圓周上設(shè)計(jì)有首次裝配用排氣孔，在首次裝配時，將排氣孔中油堵11、組合密封墊12拿掉，使油缸內(nèi)原有空氣有效排空，從而保證剎車的穩(wěn)定性和可靠性，氣體被排空后將油堵11、組合密封墊12重新安裝好以防漏油。與環(huán)抱式剎車環(huán)4抱緊的轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸1上設(shè)計(jì)有8只冷卻孔，剎車時能夠有效散熱，從而提高剎車機(jī)構(gòu)的使用壽命，提高剎車機(jī)構(gòu)的可靠性。與環(huán)抱式剎車環(huán)4抱緊的轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)軸1的外圓面上設(shè)計(jì)有螺旋槽，這些螺旋槽有兩個作用：(1)剎車時能夠有效散熱，從而提高剎車機(jī)構(gòu)的使用壽命，提高剎車機(jī)構(gòu)的可靠性；(2)剎車時增加摩擦接觸面摩擦阻力，從而提高剎車扭矩和剎車效果。

1.3關(guān)鍵零件的工藝要點(diǎn)

由于環(huán)抱式剎車環(huán)4是一個薄壁零件，為了防止變形并保證加工精度，加工時先把環(huán)抱式剎車環(huán)4外圓及長度方向尺寸加工到位，內(nèi)孔保留足夠大的加工余量，然后把環(huán)抱式剎車環(huán)4用螺釘與剎車底座2和剎車環(huán)固定座5可靠連接到一起，再把組合體整體固定到機(jī)床上，將環(huán)抱式剎車環(huán)4的內(nèi)孔加工至最終尺寸。

2　有效剎車所需液壓壓力和流量的計(jì)算

這里以轉(zhuǎn)臺的C軸旋轉(zhuǎn)軸的剎車機(jī)構(gòu)為例來說明環(huán)抱式轉(zhuǎn)臺剎車機(jī)構(gòu)的有效剎車所需液壓壓力和流量的計(jì)算過程。油壓壓力計(jì)算分兩步進(jìn)行，首先根據(jù)環(huán)抱式剎車機(jī)構(gòu)油壓計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式來估算油壓壓力范圍，再利用ANSYS有限元分析軟件對環(huán)抱式剎車機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，最終得出有效剎車所需液壓壓力。夾緊油缸的流量可以根據(jù)環(huán)抱式剎車機(jī)構(gòu)的儲油體積和剎車反應(yīng)時間求出。下面來詳細(xì)介紹計(jì)算過程。

已知條件：C軸抱閘筒壁內(nèi)徑d=191.2 mm；C軸實(shí)際液體壓力作用長度L=90.5 mm；C軸抱閘摩擦系數(shù)μ=0.15；C軸夾緊環(huán)采用QSn4-3(Y) 錫青銅；C軸抱閘夾緊缸的儲油部分外半徑R=102.8 mm；C軸抱閘夾緊缸的儲油部分內(nèi)徑r=98.615 mm；C軸抱閘夾緊缸的儲油部分體積V=πR2L-πr2L=3.14×0.905×(1.0282-0.986152)=0.2395L；C軸抱閘夾緊缸的儲油部分充滿反應(yīng)時間t=0.5 s=0.5/60=0.0083 min；C軸實(shí)際需要的夾緊扭矩T=400 N·m。

上面已知條件中的C軸抱閘筒壁內(nèi)徑、C軸實(shí)際液體壓力作用長度、C軸抱閘夾緊缸的儲油部分外半徑、C軸抱閘夾緊缸的儲油部分內(nèi)半徑是根據(jù)轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得出的(見圖2)。經(jīng)過查閱手冊對比，由于QSn4-3(Y)錫青銅彈性模量小，相對容易產(chǎn)生彈性變形，熱膨脹系數(shù)小，耐磨性好，故選取QSn4-3(Y)錫青銅作為剎車環(huán)的材料[1]。按照上述條件可以根據(jù)以下公式來估算C軸夾緊油缸所需液壓壓力P的范圍。

式中：P為液體壓力，MPa；T為實(shí)際需要的夾緊扭矩，T=400N·m；d為抱閘筒壁內(nèi)徑，d=0.191 2m；L為實(shí)際液體壓力作用長度，L=0.090 5m；μ為抱閘摩擦系數(shù)，μ=0.15。

可知：P=0.513MPa

C軸夾緊油缸所需液壓流量Q可以根據(jù)以下公式求出：

Q=V/t=28.85L/min

C軸環(huán)抱式轉(zhuǎn)臺剎車機(jī)構(gòu)有效剎車所需的液壓壓力一定要大于0.513MPa；所需液壓流量要大于28.85L/min。

上面根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算出了C軸環(huán)抱式剎車機(jī)構(gòu)有效剎車所需的液壓壓力P的范圍，而具體的壓力數(shù)值還要用有限元仿真軟件進(jìn)行分析后給出。下面利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行仿真分析從而得出C軸有效剎車所需的液壓壓力P。

C軸剎車環(huán)采用的材料QSn4-3(Y) 錫青銅的參數(shù)如表1。

表1

密度/(g/cm3)彈性模量/GPa泊松比/v熱膨脹系數(shù)/(10-6/℃)屈服強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa8.893.20.318420550

根據(jù)表1參數(shù)在ANSYS的材料參數(shù)中分別定義密度、彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等數(shù)值。為了分析給定油壓后C軸剎車環(huán)的變形量，先建立C軸剎車環(huán)(不帶假軸)有限元模型，模型采用20節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元SOLID186，如圖6所示。

根據(jù)估算出來的壓力范圍結(jié)合市場上同規(guī)格轉(zhuǎn)臺液壓壓力參數(shù)，先按照3 MPa壓力來對C軸剎車的變形量進(jìn)行有限元分析 。

圖7為C軸剎車環(huán)(不帶假軸)在3 MPa壓力作用下徑向位移云圖。由圖可知，在3 MPa壓力作用下，C軸剎車環(huán)的徑向位移為0.100 916 mm。由于剎車環(huán)和傳動軸之間設(shè)計(jì)時留有0.1 mm間隙，根據(jù)變形數(shù)據(jù)可知3 MPa壓力不足以使剎車環(huán)對軸產(chǎn)生有效的夾緊扭矩；需要修正液壓壓力為5 MPa再進(jìn)行分析。

圖8為C軸剎車環(huán)(不帶假軸)在5 MPa壓力作用下徑向位移云圖。由圖可知，在5 MPa壓力作用下，C軸剎車環(huán)的徑向位移為0.168 mm，理論上去掉間隙值0.1 mm，5 MPa壓力有可能是可以的。下面用有限元方法來分析夾緊力和夾緊扭矩。分析時為了模擬C軸剎車環(huán)工作時的實(shí)際工況，在C軸剎車環(huán)內(nèi)建模時建立一根假軸。C軸剎車環(huán)(帶假軸)的有限元模型剖視圖見圖9，假軸與剎車環(huán)間留有0.1 mm的間隙，模型采用20節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元SOLID186。

剎車環(huán)與假軸實(shí)體兩頭端面均采用固定約束(見圖10)，剎車環(huán)與軸之間采用Friction Contact,摩擦系數(shù)為0.15。在C軸剎車環(huán)的外表面施加均布載荷5 MPa(見圖11)。

圖12 為C軸剎車環(huán)(帶假軸)在5 MPa壓力下徑向位移云圖，圖13為在5 MPa壓力下C軸剎車環(huán)對假軸表面節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生徑向壓力統(tǒng)計(jì)圖。由圖可知，當(dāng)剎車環(huán)油壓為5 MPa壓力時，剎車環(huán)在均布載荷作用下向內(nèi)對假軸產(chǎn)生壓力，C軸剎車環(huán)的徑向壓力F為84 742 N(見圖13)，取摩擦系數(shù)0.15，C軸剎車環(huán)內(nèi)徑為191.2 mm，由此計(jì)算出C軸剎車環(huán)產(chǎn)生的夾緊扭矩M=μFd/2=0.15×84 742×0.1912/2=1 215 N·m，C軸設(shè)計(jì)剎車扭矩為400 N·m，1 215 N·m>400 N·m，顯然滿足設(shè)計(jì)要求。由此可知C軸剎車環(huán)需要的液壓壓力只要大于5 MPa就可以了。

通過ANSYS有限元進(jìn)行仿真分析得出結(jié)論：C軸夾緊油缸所需的液壓壓力要大于5 MPa。

3　結(jié)語

(1)在進(jìn)行環(huán)抱式剎車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時要考慮剎車環(huán)的有效散熱，從而提高剎車機(jī)構(gòu)的使用壽命，提高剎車機(jī)構(gòu)的可靠性。

(2)在進(jìn)行環(huán)抱式剎車機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)時一定要考慮剎車環(huán)首次裝配時剎車環(huán)壓力油腔內(nèi)空氣的排空，否則直接影響剎車效果。

(3)環(huán)抱式剎車機(jī)構(gòu)的剎車環(huán)為薄壁零件，為了防止變形并保證加工精度，內(nèi)孔必須先留余量，組合到其他零件上后再加工。

(4)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式來估算有效剎車所需要的液壓壓力，估算此壓力主要是為后面的有限元仿真分析提供一個范圍和方向。

(5)根據(jù)估算出來的壓力利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行仿真分析從而計(jì)算出有效剎車所需要的液壓壓力。

(6)剎車機(jī)構(gòu)夾緊油缸的流量可以根據(jù)環(huán)抱式剎車機(jī)構(gòu)的儲油體積和剎車反應(yīng)時間求出。

(7)目前該A-C軸搖籃式轉(zhuǎn)臺已經(jīng)試制成功，轉(zhuǎn)臺C軸采用該剎車機(jī)構(gòu)是可以可靠地把C軸有效夾緊在任意位置的，轉(zhuǎn)臺液壓系統(tǒng)采用的液壓壓力為5 MPa，采用的液壓流量為30 L/ min，轉(zhuǎn)臺能夠在通油瞬間(大約0.5 s)被有效剎緊，這充分證明了采用經(jīng)驗(yàn)公式和ANSYS有限元仿真分析軟件相結(jié)合的方式來計(jì)算環(huán)抱式剎車機(jī)構(gòu)所需的液壓壓力是完全可行且非常有效的。

[1]陳慧 ，劉海岷，楊群.直驅(qū)轉(zhuǎn)臺環(huán)保式制動機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析[J].機(jī)械研究與應(yīng)用，2014(4):80-81.

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The study of the device of the wrap-around brake used in a type of NC rotary table

XIA Xiangyang

(Jiangsu Shinri Heavy Industry Science and Technology Co.,Ltd., Changzhou 213166,CHN)

In this article, the author introduces the mechanical structure, working principle and the central technology of the pivotal part of the wrap-around brake used in a type of NC rotary table, and the calculation of the hydraulic pressure and flow required for the brake to work effectively. To conclude the pressure, the author first uses empirical formulas to estimate the range of the required pressure. Then the analysis software ANSYS is used to run the simulation analysis and finally the required hydraulic pressure is concluded.

the wrap-around brake； the hydraulic pressure and flow； empirical formulas； ANSYS； the simulation analysis

TH122

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.014

夏向陽，男，1975年生，高級工程師，從事大中型數(shù)控機(jī)床及機(jī)床用功能部件的研究開發(fā)工作，已發(fā)表論文20余篇，獲得國家實(shí)用新型專利授權(quán)20項(xiàng)。發(fā)明專利授權(quán)2項(xiàng)、受理并公開發(fā)明專利4項(xiàng)。

(編輯譚弘穎)

2016-02-18)

161018