数控机床中几种常见的回转轴的夹紧方式

李 蕾

(北京中色建设机电设备有限公司， 北京 100029)

数控机床中几种常见的回转轴的夹紧方式

李 蕾

(北京中色建设机电设备有限公司， 北京 100029)

数控机床中常见回转轴需具备夹紧或要求更高的准确定位夹紧，本文针对这种定位夹紧需求，介绍几种常用的夹紧机构，并阐述了回转进给机构中定位夹紧机构的设计和应用方法。

数控机床； 液压式； 夹紧旋转轴

在数控机床中尤其是功能部件中旋转轴是极其常见的运动组件，常用来传递力、扭矩、回转运动等，但有时需要对旋转轴进行快速定位夹紧和快速定位松开，用以实现某些加工需求。如摆头、转台等对工件指定角度平面或定向特征进行定位加工，卧式车铣加工中心进行铣削，立式加工中心电主轴进行车削等加工工序时，要求旋转轴能够精确定位且承受较大的切削扭矩。仅靠驱动系统和传动机构通常不能满足工件所需的定位精度要求，当刀具或工件承受较大切削力时，回转轴会承受较大切削扭矩，势必会使驱动电机发热量大，传动机构刚性不足受力变形，引起刀具或工件振动等问题，影响加工质量[1]。基于以上需求，定位夹紧机构在回转轴上的应用越来越广泛，它可以快速准确的夹紧及松开回转轴，而且可以将制动扭矩传递给主轴箱等外界零部件，释放驱动系统和传动机构得到较大的传动刚性。本文介绍了几种常用的数控机床中常用的夹紧机构，给出了其设计方法及应用领域。

1 任意角度的定位夹紧机构

1.1 环抱式液压夹紧机构

环抱式液压夹紧机构基本原理是将液压油的压力转换成旋转轴的径向夹紧力，夹紧面作用于旋转轴表面产生摩擦扭矩。

设液压油压力为P(MPa)，

夹紧面面积为A=2πR×B×a%

其中R为被夹紧旋转轴部位的半径，B为夹紧面沿轴向的宽度；a%为夹紧机构夹紧面占整圆周的百分比。

则产生的夹紧力为F=P×A

夹紧扭矩为T=μF×R=μ·P·2πR×B×a%×R=2πR2μPB×a%

其中μ为夹紧机构夹紧面与旋转轴被夹紧面的摩擦系数。

可见结构确定后，夹紧扭矩与液压油压力成正比。

1.连接杆 2.夹紧件 3.液压缸图1 液压缸驱动的钳式夹紧机构

如图1所示，该机构常用于卧式加工中心工件主轴的旋转制动夹紧中，连接杆通过连接件与主轴箱固定，两夹紧件通过液压缸的运动完成夹紧- 放松等动作。当液压缸活塞杆推进时，两夹紧件靠近，通过夹紧面夹紧回转轴达到制动效果。液压缸活塞杆推出时，两夹紧件远离，夹紧面释放旋转轴。夹紧后承受的扭矩通过连接件传递到主轴箱。该结构设计及加工都相对简单，成本低，但需要一定的安装空间，因卧式加工中心工件主轴后端一般空间都比较大，因此该结构比较常见。此外设计时要结合夹紧面的大小及液压缸的行程、液压油的压力，切削扭矩等确定各零件的相对位置关系，保证夹紧时制动扭矩足够大。

如图2所示，这种夹紧制动机构主要工作部分是由弹性材料加工成的带法兰的柱状夹紧套，它通过螺钉等安装连接在固定件上，在夹紧套和固定件之间形成一个填充液压油的空腔。高压油通入空腔，夹紧套发生弹性变形，内壁夹紧旋转件达到制动效果。这种结构将油压转换成径向夹紧力，没有损失，回弹不需要油压，泄压后夹紧套会靠自身的弹性回到初始状态，被夹紧部件得到释放。这种结构所需安装空间小，夹紧松开速度快。常见于摆头、转台等功能部件中。但该结构中的夹紧套加工难，首先是材料弹性要求非常好，常见铍青铜、锡青铜等，其次其夹紧部位的结构必须能够保证通压时快速弹出泄压时快速弹回，不能太厚(动作慢，达不到理想的变形量)，不能太薄(夹紧时扭矩不足)，常见的该零件夹紧壁上会有一些细长条的小豁槽，这些豁槽保证其夹紧及回弹动作的灵敏性。在哈默的铣削中心转台上使用了此结构保证了转台的快速夹紧和松开。西泰克的双摆铣头也应用了该结构实现A轴的夹紧与松开。

1.固定件 2.空腔 3.柱状夹紧套 4.旋转件图2 圆柱状夹紧套

1.2 刹车片式夹紧机构

刹车片式夹紧机构基本原理是通过夹紧与旋转轴相连接的盘式刹车片，在夹紧表面处产生摩擦扭矩达到制动效果。夹紧刹车片的结构各异，以下列举两类实现方式。

如图3所示，盘式制动器越来越多地用在机床回转轴的制动中，制动器通过螺钉与主轴箱紧固连接，连接盘与回转轴通过连接件相连接。通入液压油制动器动作，夹紧连接盘达到制动效果；泄压后制动器恢复原位，释放连接盘，旋转轴可重新旋转。盘式制动器是液压驱动形式，因其制动面积较小，因此所需用的制动液压油压力会比较大。

1.液压油制动器 2.连接盘图3 盘式制动器

液压油压力为P，夹紧面面积为A，产生的夹紧力为F=P·A，属于双面夹紧

如图4所示，这种制动机构中刹车片通过连接件与旋转轴相连。夹紧件固定，高压油通入空腔碟簧被压缩，刹车片松开，旋转轴旋转；泄压后碟簧回弹，刹车片被夹紧起到制动作用。根据夹紧扭矩的大小可配置多组该机构。刹车片的耐磨性能要求较高。这种机构的优点在于工作时是通压松开，泄压夹紧，因此可以在发生事故或突然断电的情况下夹紧旋转轴，防止意外的发生。

1.刹车片 2.空腔 3.夹紧件 4.碟簧图4 碟簧与液压联合作用实现制动

1.3 气动钳夹夹紧机构

如图5所示，HEMA公司的气动钳夹在回转轴的制动中应用越来越广泛，在Close口通入压缩空气，弹簧皮腔被压缩伸展，连带环形刹车片夹紧回转轴达到制动效果，在Open口通入压缩空气，弹簧皮腔弯曲收缩，环形刹车片与回转轴分离，被夹紧的回转轴得到释放。应用中气动钳夹通过螺钉连接在固定件上。这种夹紧机构较液压式的在大扭矩夹紧情况下效果要差些，而且因其加工困难，目前国际上能生产它的厂家非常少，因此价格比较高，设计的成本会增加，但其夹紧及释放速度非常快，安装简单，而且具有安全锁紧功能，一般扭矩需求下均可替代液压夹紧。

1.固定件 2.气动钳夹 3.回转件图5 气动钳夹

2 固定角度的夹紧机构

2.1 端齿盘式夹紧机构

如图6所示，这种夹紧机构除有锁紧功能，还有固定角度分度定位功能，最小的分度单位根据需要调整齿盘齿数即可，齿数越多，定位精度也越高[2]。端齿盘具有自定心定位功能，常见于双摆铣头中AC轴的连接处，在A轴实现快换功能时，通过端齿盘能够准确啮合，实现大扭矩的传递。这种结构需设计齿盘脱开及拉紧装置，常见的是手动松开换头及通过液压拉抓实现自动换头动作，两端齿盘主要起到定位和传递扭矩的作用。而且这种结构通常处于外界环境中，因此要保证齿盘处的清洁，防止铁屑等杂物进入破坏齿面影响定位精度。

图6 两端齿盘

2.2 三齿盘式夹紧机构

如图7所示，三齿盘结构常用于车铣复合加工中心动力主轴中[3]，如图为实现该功能的一种结构，静齿盘与固定件通过螺钉连接，在空腔中通入高压油，活塞杆被顶起，推动活塞齿盘向上与静齿盘及旋转齿盘啮合，其中旋转齿盘与旋转轴相连接，此时旋转齿盘通过活塞齿盘与静齿盘连接，同时螺旋弹簧被压缩，实现锁紧功能；泄压后，靠螺旋弹簧的恢复力将活塞齿盘推离静齿盘，同时也与旋转齿盘相脱离，旋转齿盘释放，旋转轴可再次旋转。这种结构多处于功能部件内部，避免了铁屑等杂物的影响，而且定位速度快，具有明显优势。

1.固定件 2.活塞杆 3.活塞齿盘 4.静齿盘 5.空腔 6.螺旋弹簧 7.旋转齿盘图7 三齿盘

3 结语

旋转轴的快速启动旋转、准确定位夹紧是数控机床尤其是主轴、摆头、转台等功能部件常见的动作需求。本文针对这种需要阐述了多种定位夹紧机构，给出了实现其动作的局部结构设计方法及其应用场合。

目前，这些设计方法在国内外的产品中都得到了广泛应用。具体设计过程中，因周围结构、空间大小各有不同，要根据实际情况选用合理的定位夹紧机构实现所需功能。

[1] 张文博，刘春时，张维官，王哲.几种数控机床回转轴的定位夹紧方式[J].设计与研究，2013，(1)：125-127，131.

[2] 南欢.端齿盘的参数设计与应用[J]，制造技术与机床，2006，(10)：106-109.

[3] 李宪凯，车铣复合机床五轴头关键技术[J]，设备管理与维修，2005(12).

Several Common Clamping Pattern of Rotary Spindle in CNC Machine

LI Lei

Rotary axis in CNC machine needs to have clamping and more accuracy positioning clamping function, the paper introduces some common clamping mechanisms, describes design and application of the rotary feed mechanism in locating and clamping mechanism.

CNC machine； rotary axis； clamping mechanism

2015-01-30

李 蕾(1982-)，女，河北秦皇岛人，工程师，招标师，硕士，主要从事有色设备采购工作，现任北京中色建设机电设备有限公司进出口部副经理。

TG659

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1003-8884(2015)03-0021-03