加工中心刀具擺動(dòng)軸徑向鎖緊機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)*

賀 靜，盛 艷，王志軍

(1.唐山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河北 唐山 063299；2.河北機(jī)車技師學(xué)院，河北 唐山 063030; 3.華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0 引言

隨著空間曲面等復(fù)雜型面零件需求量不斷加大，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心，尤其是帶回轉(zhuǎn)軸的多軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控加工中心進(jìn)行了研究和改進(jìn)[1-4]。隨著對(duì)曲面零件加工要求的不斷提高，五軸聯(lián)動(dòng)加工中心不僅要求回轉(zhuǎn)軸與其他直線軸聯(lián)動(dòng)，還要求回轉(zhuǎn)軸可以實(shí)現(xiàn)任意角度的鎖緊，以保證加工精度。

利用五軸聯(lián)動(dòng)葉片加工中心加工葉片的葉冠、葉根、凸臺(tái)等平面時(shí)，為了保證加工形狀與加工精度，刀具擺動(dòng)軸必須保持靜止不動(dòng)的狀態(tài)[5-7]。但是刀具切削工件時(shí)的切削分力會(huì)改變擺動(dòng)軸原有的靜止?fàn)顟B(tài)，影響平面的加工精度。目前國(guó)內(nèi)金屬切削數(shù)控加工中心的回轉(zhuǎn)軸很多不具備任意角度的鎖緊功能，少數(shù)帶有鎖緊功能的加工中心基本上均采用徑向鎖緊機(jī)構(gòu)[8-9]。但是由于徑向鎖緊機(jī)構(gòu)占用軸向尺寸，使得回轉(zhuǎn)主軸加長(zhǎng)，從而降低回轉(zhuǎn)軸剛性，且其對(duì)回轉(zhuǎn)主軸和徑向鎖緊用夾緊套的加工精度要求高，難以調(diào)整，鎖緊效果較差，并且占用大量加工中心空間。

針對(duì)徑向鎖緊機(jī)構(gòu)的不足，本文提出一種液壓鎖緊機(jī)構(gòu)，該鎖緊機(jī)構(gòu)不僅鎖緊效果好，而且占用較小的軸向尺寸，安裝調(diào)整方便，可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)軸任意角度的鎖緊。在實(shí)際工作狀態(tài)中，通過調(diào)整液壓油的壓力來調(diào)整鎖緊力的大小，以達(dá)到最佳的鎖緊效果。

1 液壓鎖緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與工作過程

1.1 液壓鎖緊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置

圖1為液壓鎖緊機(jī)構(gòu)裝配簡(jiǎn)圖。液壓鎖緊機(jī)構(gòu)主要由刀具擺動(dòng)軸箱體1、調(diào)整柱2、密封圈3、彈性摩擦片4、壓縮彈簧5、活塞6、端蓋7、油缸套8等組成。在刀具擺動(dòng)軸箱體端面上固定有表面質(zhì)量很高的端蓋和油缸套，形成了封閉的環(huán)形槽，該環(huán)形槽用于容納液壓油。活塞在液壓油壓力的作用下在環(huán)形槽中實(shí)現(xiàn)軸向滑動(dòng)?；钊麅?nèi)外圓裝有O型密封圈，其通過與活塞和油缸套之間的摩擦力實(shí)現(xiàn)了密封。彈性摩擦片與刀具擺動(dòng)軸之間裝有調(diào)整墊，用以調(diào)整彈性摩擦片與活塞和刀具擺動(dòng)軸箱體之間的距離，以達(dá)到最好的使用效果。

1-刀具擺動(dòng)軸箱體；2-調(diào)整柱；3-密封圈；4-彈性摩擦片；5-壓縮彈簧；6-活塞；7-端蓋；8-油缸套

采用這種液壓鎖緊機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)軸任意角度鎖緊，不僅結(jié)構(gòu)緊湊，便于調(diào)整，而且鎖緊力可調(diào)，鎖緊剛性好，可廣泛用于旋轉(zhuǎn)軸任意角度鎖緊的多軸數(shù)控加工中心。

1.2 液壓鎖緊機(jī)構(gòu)的工作過程

當(dāng)?shù)毒邤[動(dòng)軸擺動(dòng)到某一角度需要鎖緊時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出鎖緊信號(hào)，收到信號(hào)后液壓站開始向鎖緊機(jī)構(gòu)供油，液壓油不斷進(jìn)入到端蓋與油缸套之間的密封腔體中。當(dāng)液壓油壓力大于恢復(fù)彈簧的壓力后，油缸開始向前滑動(dòng)；滑動(dòng)到一定距離后，油缸前端面接觸到彈性摩擦片，彈性摩擦片在力的作用下開始發(fā)生彈性形變；當(dāng)彈性摩擦片變形達(dá)到一定程度后，彈簧組就會(huì)被完全壓到安裝孔內(nèi)，使彈性摩擦片與刀具擺動(dòng)軸箱體鑄件前端面接觸。隨著壓力的增大，彈性摩擦片與箱體鑄件之間的摩擦力也不斷增大，當(dāng)摩擦力大于刀具擺動(dòng)軸部件的偏擺力矩時(shí)，刀具擺動(dòng)軸將靜止不動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了刀具擺動(dòng)軸的鎖緊功能。當(dāng)摩擦力達(dá)到理想值時(shí)保持液壓站的壓力，即可加工葉片兩端導(dǎo)流槽等內(nèi)凹式平面。當(dāng)需要解除鎖緊功能時(shí)，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程與上述動(dòng)作反向。

該種新型的液壓鎖緊機(jī)構(gòu)鎖緊過程和解除鎖緊過程的運(yùn)動(dòng)比較復(fù)雜，但是響應(yīng)速度很快，僅為0.5 s，而且這種鎖緊機(jī)構(gòu)的作用力完全是內(nèi)部應(yīng)力，避免了液壓鎖緊機(jī)構(gòu)對(duì)其他零件的干擾，間接地保證了機(jī)床的精度。

2 液壓鎖緊機(jī)構(gòu)的分析與計(jì)算

根據(jù)機(jī)床的整體設(shè)計(jì)方案需求，設(shè)計(jì)該液壓鎖緊機(jī)構(gòu)時(shí)需要對(duì)其中的活塞O型圈摩擦力、活塞與壓縮彈簧之間的壓力、偏轉(zhuǎn)力矩等幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算。

2.1 活塞O型圈摩擦力的計(jì)算

根據(jù)機(jī)床的整體設(shè)計(jì)方案需求以及O型圈的使用要求和使用環(huán)境，粗略選出O型圈的型號(hào)。計(jì)算活塞O型圈摩擦力時(shí)需要根據(jù)活塞的設(shè)計(jì)情況，計(jì)算出活塞O型圈與上下壁的壓力值(壓力取最大值)，然后即可求出活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦力。O型圈規(guī)格尺寸如圖2所示。

活塞外圈O型圈最大壓縮量為：

L外=d-(d外-d內(nèi))/2.

(1)

其中：d為O型圈初始直徑，d=5 mm；d外和d內(nèi)分別為活塞外圈O型圈外側(cè)和內(nèi)側(cè)直徑，d外=448.8 m、d內(nèi)=440.1 mm。將相關(guān)參數(shù)代入式(1)計(jì)算得：L外=0.65 mm。同理，可得活塞內(nèi)圈O型圈最大壓縮量L內(nèi)=0.625 mm。

圖2 O型圈規(guī)格尺寸示意圖

在動(dòng)密封使用液體環(huán)境中，O型圈的壓縮量為10%～18%，根據(jù)上述條件及計(jì)算可以選擇活塞內(nèi)圈和外圈O形圈分別為尺寸d1=440、尺寸d=5的O型圈和尺寸d1=400、尺寸d=5的O型圈。

根據(jù)所選的O型圈型號(hào)，查得其剛度K=440 N/mm，可求得活塞外圈O型圈的最大正壓力為:

N外=KL外.

(2)

將K=440 N/mm，L外=0.65 mm代入式(2)中，得到N外=296 N。同理也可得到活塞內(nèi)圈O型圈的最大正壓力為N內(nèi)=275 N。

通過查閱資料可知橡膠與鋼有潤(rùn)滑時(shí)摩擦系數(shù)為f1=0.5，無潤(rùn)滑時(shí)摩擦系數(shù)為f2=0.8。根據(jù)該鎖緊機(jī)構(gòu)的實(shí)際工作情況可知，此機(jī)構(gòu)在工作過程中處于有油狀態(tài)，但為了保障安全，按照無潤(rùn)滑狀態(tài)計(jì)算，即可得到活塞內(nèi)、外圈O型圈最大摩擦力及整個(gè)活塞所受O型圈最大摩擦力。

活塞O型圈最大摩擦力可表示為:

F摩=F外+F內(nèi)=(N外+N內(nèi))f2.

(3)

其中:F外和F內(nèi)分別為活塞外、內(nèi)圈O型圈最大摩擦力。

將N外和N內(nèi)代入式(3)計(jì)算得:F外=228.8 N，F(xiàn)內(nèi)=220 N，F(xiàn)摩=448.8 N。

2.2 活塞與壓縮彈簧之間的壓力計(jì)算

活塞的受力面積為:

S1=πR2-πr2.

(4)

其中:R和r分別為活塞缸內(nèi)壁半徑和活塞半徑。

活塞對(duì)彈簧片的正壓力為:

F正=pS1.

(5)

其中：p為液壓站油壓。

根據(jù)設(shè)計(jì)狀況可知R=0.224 4 m，r=0.2 m，由式(4)計(jì)算得:S1=32 515.83 mm2。當(dāng)p=1 MPa時(shí)，由式(5)計(jì)算得：F正=3.25×104N。

此時(shí)液壓油對(duì)彈性摩擦片的有效壓力為:

F有效=F正-F摩=3.21×104N.

(6)

2.3 偏轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算

為了減小或消除偏轉(zhuǎn)力矩對(duì)機(jī)床精度的影響，在刀具擺動(dòng)軸部件中增加了平衡彈簧，在平衡彈簧的作用下，由重力引起的偏擺力矩對(duì)加工的影響會(huì)隨著刀具擺動(dòng)角度的變化而變化，具體變化情況如表1所示。

表1 重力力矩與平衡力矩比較

加工葉片時(shí)，刀具擺動(dòng)軸一般在其行程±30°范圍內(nèi)的擺動(dòng)最頻繁，根據(jù)這一特點(diǎn)，通過對(duì)平衡彈簧長(zhǎng)短的選擇、簧絲直徑的比較、彈簧直徑的比較、平衡角度的選取等數(shù)十次的計(jì)算比較得出平衡點(diǎn)在30°時(shí)平衡效果最好，此時(shí)在其常用的范圍內(nèi)偏擺力矩(即表1中的力矩差)均小于100 Nm，平衡效果明顯增強(qiáng)。但是在±45°時(shí)，彈簧的彈力急劇增大，此時(shí)會(huì)出現(xiàn)反向力矩，使平衡力矩反向增大。

由于液壓鎖緊機(jī)構(gòu)的鎖緊力矩為978.39 Nm，大于彈簧力在±45°時(shí)的極限彈簧力力矩差243.84 Nm，因此在理論情況下此次設(shè)計(jì)完全滿足使用要求。但在實(shí)際工作過程中，存在許多不確定因素，例如，彈性摩擦片與擺動(dòng)軸箱體鑄件前端面的實(shí)際接觸面積的大小、材料之間的實(shí)際摩擦系數(shù)大小、彈簧的理論彈力與實(shí)際相差大小這些值是不能精確計(jì)算得出的，這些因素對(duì)鎖緊機(jī)構(gòu)的影響是不可小覷的。因此，液壓站和彈簧組要有一定調(diào)節(jié)余地和調(diào)節(jié)范圍，液壓站的型號(hào)規(guī)格要選擇壓力調(diào)節(jié)范圍大的，彈簧力的大小可以通過更換彈簧規(guī)格或者增減彈簧數(shù)量來調(diào)節(jié)。

3 結(jié)論

本文提出一種新型液壓鎖緊機(jī)構(gòu)，并從機(jī)構(gòu)的原理、機(jī)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)與工作過程、機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析計(jì)算等方面對(duì)其進(jìn)行研究，重點(diǎn)對(duì)活塞O型圈摩擦力、活塞與壓縮彈簧之間的壓力、偏轉(zhuǎn)力矩等幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的分析和計(jì)算。分析結(jié)果表明，所提出的液壓鎖緊機(jī)構(gòu)在理論情況下完全能夠滿足使用要求。

該液壓鎖緊機(jī)構(gòu)不僅噪聲低、調(diào)節(jié)范圍廣、結(jié)構(gòu)形式靈活、適用于旋轉(zhuǎn)軸類機(jī)構(gòu)的鎖緊，而且它提高了機(jī)床使用的安全性以及機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使機(jī)床的性能得到了很好的改善，為國(guó)產(chǎn)機(jī)床整體精度的提高提供了保證。

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