單體常閉式精密鎖緊器的研制*

吳 杰,李夢陽,胡 秋,夏仰球,袁南南

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所,綿陽 621999)

0 引言

超精密軸系在先進制造、精密檢測等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,保證超精密主軸、轉(zhuǎn)臺等軸系的可靠鎖緊、以及鎖緊前后精度的一致性與重復(fù)性是軸系能否保持高精度運行的關(guān)鍵,由此對超精密回轉(zhuǎn)軸系的鎖緊器提出了更高要求。

當(dāng)前,應(yīng)用于回轉(zhuǎn)軸系的鎖緊器主要包括齒盤、摩擦片、多碟片、脹緊套形式。齒盤式鎖緊器[1-2]通過靜、動齒盤的主動嚙合實現(xiàn)軸系鎖緊,其最小分度一般可達±2″。摩擦片式鎖緊器[3]通過外力消除摩擦片和固定法蘭的間隙而產(chǎn)生摩擦力,從而實現(xiàn)軸系鎖緊。多碟片式鎖緊器[4-5]通過多碟片結(jié)構(gòu)可成倍增加摩擦接觸面積,獲得較高的鎖緊力矩。漲緊套式鎖緊器[6-9]依靠鎖緊軸套的彈性變形抱緊轉(zhuǎn)子,無分度限制,定心精度高,接觸面積大,可獲得大鎖緊力矩。

綜合分析可知,現(xiàn)有回轉(zhuǎn)軸系的鎖緊器基本為常開式,即需外力主動改變軸系與鎖緊器的間隙實現(xiàn)鎖緊,結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,鎖緊過程需多個零、組件參與,軸系鎖緊后的精度受限;此外,其安裝過程需反復(fù)裝調(diào),且存在外力波動導(dǎo)致鎖緊失效的風(fēng)險。因此,本文通過結(jié)構(gòu)仿真與實驗研究,設(shè)計出一種基于徑向摩擦的單體常閉式精密鎖緊器,其在自然狀態(tài)下即可實現(xiàn)軸系的鎖緊,可滿足超精密軸系的高精度鎖緊要求。

1 軸系鎖緊性能要求

以某高精度轉(zhuǎn)臺為例,其軸系結(jié)構(gòu)如圖1所示。軸系由轉(zhuǎn)子、基座、工作臺及相應(yīng)的驅(qū)動、反饋器件組成,其通過直流無刷力矩電機驅(qū)動,用以實現(xiàn)角度轉(zhuǎn)位,其峰值堵轉(zhuǎn)扭矩為27 N·m。

圖1 某高精度轉(zhuǎn)臺的軸系結(jié)構(gòu)

由轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)與性能指標(biāo),鎖緊器需滿足以下要求:

(1)為了實現(xiàn)軸系的有效鎖緊,最小安全系數(shù)為2,要求鎖緊器的鎖緊力矩達到54 N·m以上;

(2)為保證轉(zhuǎn)臺的回轉(zhuǎn)精度不受鎖緊力矩的影響,要求鎖緊器不對轉(zhuǎn)子施加偏心載荷;

(3)為保證角度編碼器的校準(zhǔn)精度,要求鎖緊前后支承、驅(qū)動、反饋器件不發(fā)生軸向位移。

2 鎖緊器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 總體設(shè)計

為滿足轉(zhuǎn)臺精密、可靠的鎖緊性能要求,采用單體常閉式鎖緊結(jié)構(gòu)。如圖2所示,鎖緊器由單個零件構(gòu)成,其內(nèi)部設(shè)計為空腔,用于容納解鎖所需的壓力介質(zhì),優(yōu)先選用氣體作為壓力介質(zhì)(不污染軸系)。鎖緊器配置法蘭安裝面,用于連接轉(zhuǎn)子。摩擦環(huán)面兼顧變形運動和接觸摩擦的功能,其在自然狀態(tài)下與固定基座的內(nèi)環(huán)面為過盈配合,鎖緊器空腔通入壓力氣體后發(fā)生彈性變形,摩擦環(huán)面沿徑向收縮,從而實現(xiàn)固定基座的解鎖,工作過程如圖3所示。

圖2 鎖緊器在某轉(zhuǎn)臺軸系中的安裝示意

圖3 鎖緊器的工作過程示意

鎖緊器裝調(diào)入軸系時,需處于加載解鎖狀態(tài)。由于鎖緊器為單體結(jié)構(gòu),保證摩擦環(huán)面的尺寸精度以及摩擦環(huán)面相對法蘭安裝面的垂直度,即可有效提升軸系的鎖緊精度;此外,鎖緊產(chǎn)生的接觸壓力沿環(huán)面徑向傳遞,避免對軸系施加偏載,軸系鎖緊前后的精度幾乎無變化。

需注意的是,為保證轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)不受干擾,同時降低鎖緊器的裝調(diào)難度,解鎖后的環(huán)形間隙應(yīng)不小于2 μm。初定摩擦環(huán)面與固定基座內(nèi)環(huán)面的自然過盈量為2 μm以上,摩擦環(huán)面的回轉(zhuǎn)跳動為1 μm,則解鎖狀態(tài)下鎖緊器摩擦環(huán)面的最小徑向變形應(yīng)超過5 μm。

2.2 構(gòu)型分析

根據(jù)總體設(shè)計要求,對鎖緊器變形過程的受力情況進行了分析,如圖4所示。

(a) 鎖緊器變形前 (b) 鎖緊器變形后圖4 鎖緊器變形過程的受力示意

在壓力氣體的擠壓作用下,鎖緊器的A、B面向外拉伸,促使C面縮回,但由于C面存在壓力作用,其縮回變形將被抑制。因此,為提高鎖緊器摩擦環(huán)面的縮回變形量,應(yīng)增大FA和FB,同時減小FC。由此設(shè)計出弧形環(huán)腔結(jié)構(gòu)的鎖緊器,其A、B面設(shè)計為具有較大面積的弧面,C設(shè)計為窄面;此外,設(shè)計出矩形環(huán)腔鎖緊器,作為后續(xù)對比分析的參照,如圖5所示。

圖5 鎖緊器的兩種構(gòu)型

分別建立兩種構(gòu)型鎖緊器的二維軸對稱仿真模型,將材料定義為黃銅(H85);同時為提高仿真結(jié)果的精度,將空腔壁面細化為邊界層網(wǎng)格。如圖6所示,在0.4 MPa壓力作用下,矩形環(huán)腔鎖緊器和弧形環(huán)腔鎖緊器的摩擦環(huán)面均發(fā)生內(nèi)凹變形,前者的最小徑向變形(邊緣側(cè))幾乎為零,后者的最小徑向變形為3.79 μm(負號表示方向);此外,兩種構(gòu)型鎖緊器變形后的最大應(yīng)力均為30 MPa左右,均處于彈性變形階段。

(a) 矩形環(huán)腔鎖緊器的位移及應(yīng)力分布 (b) 弧形環(huán)腔鎖緊器的位移及應(yīng)力分布圖6 0.4 MPa壓力作用下鎖緊器的仿真結(jié)果

對比不同構(gòu)型鎖緊器的仿真變形結(jié)果,可知矩形環(huán)腔鎖緊器無法滿足鎖緊要求,而弧形環(huán)腔鎖緊器具備軸系解鎖的實現(xiàn)潛力,驗證了受力分析的合理性。因此,將弧形環(huán)腔結(jié)構(gòu)作為鎖緊器的優(yōu)選構(gòu)型。

2.3 材料優(yōu)選

選擇彈性模量較小且加工性較好的幾種金屬材料,包括黃銅(H85)、鈹青銅、結(jié)構(gòu)鋼、鋁合金(6061),獲得了不同材質(zhì)弧形環(huán)腔鎖緊器的仿真結(jié)果。由圖7可知,在0.4 MPa的供氣壓力下,結(jié)構(gòu)鋼材料的最小徑向變形量僅為2 μm;鈹青銅材料的最小徑向變形量為3.13 μm,黃銅的最小徑向變形量為3.78 μm;鋁合金的最小徑向變形量達到5.67 μm。

(a) 結(jié)構(gòu)鋼

(b) 黃銅

(c) 鈹青銅

(d) 鋁合金圖7 不同材質(zhì)鎖緊器的仿真結(jié)果

分析可知,不同材料的泊松比和楊氏模量存在差異,從而呈現(xiàn)不同的變形情況。考慮到弧形環(huán)腔鎖緊器的制造難度較大,分體焊接可能會存在應(yīng)力集中,且焊接質(zhì)量對鎖緊器的使用壽命影響較大,因此選擇增材制造等方式對鎖緊器一體化成形,再通過精密加工保證其尺寸精度與形位精度,工藝實現(xiàn)可行性較高。

綜合仿真結(jié)果可知,相同壓力下鋁合金材質(zhì)的鎖緊器具有較大的徑向變形量,且鋁合金材料在金屬增材制造中應(yīng)用較為廣泛。因此,從鎖緊性能達標(biāo)和工藝性提升兩方面考慮,將鋁合金作為鎖緊器的優(yōu)選材料。

3 鎖緊器的性能分析

為驗證所設(shè)計鎖緊器是否滿足穩(wěn)定、精密、可靠的鎖緊性能要求,分別對鎖緊器的鎖緊性能、疲勞壽命,以及氣源載荷作用下的瞬態(tài)響應(yīng)性能進行了仿真分析。

3.1 鎖緊性能分析

為分析鎖緊器的鎖緊性能,建立鎖緊器與固定基座的接觸應(yīng)力模型,給定摩擦環(huán)面與固定基座內(nèi)環(huán)面的過盈量,獲得鎖緊器的接觸應(yīng)力分布結(jié)果。為提高模型的收斂性,在接觸面間設(shè)定0.5 μm初始間隙,鎖緊器摩擦環(huán)面過盈量為2 μm時的接觸應(yīng)力分析結(jié)果如圖8所示。

(a) 鎖緊器的接觸變形 (b) 鎖緊器應(yīng)力與接觸應(yīng)力圖8 鎖緊器的接觸仿真結(jié)果(過盈量2 μm)

由結(jié)果可知,鎖緊器摩擦環(huán)面發(fā)生內(nèi)凹變形,其與固定基座的最大接觸應(yīng)力為11.6 MPa,且集中于摩擦環(huán)面的邊緣,如圖8b中線上箭頭所示;此外,變形后鎖緊器的最大應(yīng)力為6.58 MPa。

圖9給出不同壓力作用下鎖緊器摩擦環(huán)面的最小徑向變形(絕對值)與最大應(yīng)力結(jié)果。可知,隨著壓力提高,鎖緊器的變形能力線性增強;當(dāng)壓力提高至0.7 MPa時,鎖緊器的最大應(yīng)力達到51.2 MPa。因此,為確保鋁合金材質(zhì)鎖緊器工作過程中始終處于彈性變形階段,其工作壓力應(yīng)低于0.7 MPa,則鎖緊器的最小徑向變形不超過10 μm。

圖9 不同壓力作用下鎖緊器的仿真結(jié)果 圖10 不同接觸距離下的鎖緊力矩

由機械設(shè)計手冊[10]知,鋁合金與鋼材的摩擦系數(shù)通常為0.15～0.25,取最小值0.15,對摩擦環(huán)面上的接觸應(yīng)力進行積分,獲得鎖緊器的鎖緊力矩。由于鎖緊器的最小徑向變形不超過10 μm,考慮解鎖間隙與安裝形位誤差后,其與固定基座的最大過盈量不超過6 μm(對應(yīng)接觸距離6.5 μm)。如圖10所示,當(dāng)鎖緊器與固定基座的過盈量為2 μm時,其鎖緊力矩達到58.4 N·m,滿足某精密轉(zhuǎn)臺的鎖緊要求;隨著過盈量增至6 μm,鎖緊器的鎖緊力矩線性增至174 N·m,最大應(yīng)力不足20 MPa,表明鎖緊器具有較強的鎖緊性能。

3.2 疲勞壽命分析

由文獻[11]中鋁合金材料的S-N曲線為疲勞分析準(zhǔn)則,循環(huán)截止周期取為106,對鎖緊器施加循環(huán)壓力,獲得鎖緊器在不同工況下的疲勞壽命。如圖11a所示,當(dāng)鎖緊器工作于常規(guī)機加環(huán)境時(修正因子取為經(jīng)驗值0.7),其在循環(huán)周期內(nèi)未發(fā)生疲勞實效,疲勞壽命可達100萬次以上。圖11b為鎖緊器在潮濕腐蝕環(huán)境(修正因子為0.4)時的失效循環(huán)結(jié)果,可知鎖緊器在經(jīng)歷約19.9萬次周期性鎖緊后發(fā)生疲勞失效,失效點為摩擦環(huán)面的內(nèi)壁。

(a) 常規(guī)機加工況 (b) 潮濕腐蝕工況圖11 鎖緊器疲勞壽命結(jié)果

由此可知,鎖緊器具備較好的工作環(huán)境適應(yīng)性,即使應(yīng)用在潮濕腐蝕環(huán)境中,也具備可靠的鎖緊性能,其工作壽命滿足使用要求。

3.3 瞬態(tài)響應(yīng)分析

建立鎖緊器的瞬態(tài)分析模型,分別對鎖緊器施加微秒級、毫秒級和亞秒級斜坡氣源載荷,獲得鎖緊器最大應(yīng)力和摩擦環(huán)面最小徑向變形的時變結(jié)果。如圖12和圖13所示,微秒級氣源載荷使鎖緊器在0～4 μs內(nèi)發(fā)生振蕩變形,其摩擦環(huán)面的最小徑向變形超過13 μm,最大應(yīng)力數(shù)值達到55 MPa,可能發(fā)生塑性變形;毫秒級氣源載荷引起鎖緊器在1 μs內(nèi)發(fā)生輕微振蕩,但其最大應(yīng)力不超過35 MPa;亞秒級氣源載荷作用下的鎖緊器處于穩(wěn)態(tài)變形狀態(tài),性能保持穩(wěn)定。

圖12 瞬態(tài)氣源載荷下鎖緊器的最大應(yīng)力 圖13 瞬態(tài)氣源載荷下摩擦環(huán)面的最小徑向變形

通過分析鎖緊器在不同瞬態(tài)氣源載荷下的響應(yīng)結(jié)果,可知微秒級氣源載荷可能導(dǎo)致鋁合金材質(zhì)的鎖緊器發(fā)生塑性變形;而毫秒級以上氣源載荷幾乎不引起振蕩,鎖緊器具有較好的抗沖擊載荷能力。

4 鎖緊器的變形實驗

4.1 實驗原理

為探究鎖緊器的變形能力是否滿足設(shè)計要求,對鎖緊器開展了變形實驗,實驗原理如圖14所示。鎖緊器的氣路入口與壓力發(fā)生器連接,分辨率為0.01 μm的高精度測頭與鎖緊器的摩擦環(huán)面接觸,其測量結(jié)果由測頭數(shù)顯儀直顯。測試過程中,分別讀取鎖緊器在自然狀態(tài)和供壓狀態(tài)下的測頭示數(shù),求差后即可獲得鎖緊器的徑向變形結(jié)果。為分析鎖緊器環(huán)面變形的均勻性,將測頭分別處于不同周向位置(間隔約45°),多次重復(fù)供壓測試。圖15給出鎖緊器變形實驗的照片,由仿真可知摩擦環(huán)面邊緣處的變形量較小,因此將測頭集中于環(huán)面的邊緣位置,由此測得摩擦環(huán)面的最小徑向變形。

圖14 實驗原理圖

圖15 實驗過程照片

4.2 實驗結(jié)果

鎖緊器摩擦環(huán)面的徑向變形均值結(jié)果如圖16所示。

圖16 不同周向位置的徑向變形結(jié)果

由圖可知,鎖緊器摩擦環(huán)面的整體變形均值為-5.3 μm,標(biāo)準(zhǔn)差為±0.15 μm;在多次測試中,單個周向位置的徑向變形結(jié)果存在波動,最大標(biāo)準(zhǔn)差達到±0.3 μm;不同周向位置的徑向變形量存在小幅波動,測試點A的徑向變形最小,均值為-5.05 μm,測試點D徑向變形最大,其均值為5.5 μm。

由此可知,在多次異位的測試過程中,鎖緊器摩擦環(huán)面的最小徑向變形量超過5 μm,且波動約為±6%,具備較好的一致性和穩(wěn)定性,滿足軸系的解鎖要求,驗證了鎖緊器結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

對比仿真分析所得最小徑向變形結(jié)果(-5.67 μm),實測值偏小約7%。經(jīng)分析,誤差主要來自以下3方面:①鎖緊器由增材制造一體化成形,腔體結(jié)構(gòu)存在制造偏差,其對變形結(jié)果影響較大;②氣壓通過旋鈕控制與指針示數(shù),無法準(zhǔn)確控制壓力值,存在一定偏差;③測頭測試過程存在一定誤差,影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

本文完成了適用于精密/超精密軸系鎖緊器的結(jié)構(gòu)仿真與實驗分析,驗證了基于徑向摩擦的單體常閉式精密鎖緊器功能可行,使用性能和可靠性良好,在精密、超精密領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,主要結(jié)論如下:

(1)圍繞鎖緊性能達標(biāo)和工藝性提升,將弧形環(huán)腔結(jié)構(gòu)和鋁合金材料作為鎖緊器的優(yōu)選材料與構(gòu)型;

(2)由仿真可知,鎖緊器的的徑向變形大于5 μm,最大鎖緊力矩可達174 N·m,最大疲勞壽命超100萬次,具有較好的抗沖擊載荷能力;

(3)鎖緊器最小徑向變形的實測值為5.3 μm,波動不足±6%,與仿真結(jié)果的偏差在7%以內(nèi),具備較好的一致性和穩(wěn)定性,滿足功能要求。