数控转台锁紧机构的设计与计算

杨小娟 邱 岩

通用技术沈阳机床股份有限公司 沈阳 110141

1 数控转台介绍

数控转台是一种重要的机床附件,主要应用在加工中心和数控镗铣床上,能够为机床提供第四轴、第五轴的回转运动,扩大了机床的加工范围,使加工复杂曲面成为可能。数控转台在航空、航天设备和车辆的零部件加工中起关键作用,是一个复杂的机电一体的现代化设备。

常见的数控转台通过伺服电机来驱动,一级传动采用齿轮或皮带传动,二级传动采用蜗轮蜗杆或齿轮传动,通过两级传动来获得想要的传动比,实现转台的旋转。高速高精转台常采用力矩电机直驱的方式。根据定位方式的区别,转台可以分为分度转台和连续旋转转台。定位夹紧机构的应用,不但能够为回转轴指定角度加工提供较高的定位精度,还能够分散传动机构加工时的受力,将力直接传递给箱体,使驱动机构和传动机构的受力得到释放,从而保证回转轴具有较高的传动刚性。笔者就转台的定位方式展开讨论,介绍几种常见的定位方式的设计计算方法。

2 分度转台定位

2.1 齿盘定位

分度转台又称数控分度盘,转台旋转到目标角度后锁紧,然后参与加工,此类型的转台一般不能进行插补联动运行。分度转台通过端齿盘实现定位,常用的端齿盘有双联齿盘和三联齿盘。双联齿盘的动作如图1所示,三联齿盘的动作如图2所示。分度盘的精度取决于齿盘的精度。

▲图1 双联齿盘动作▲图2 三联齿盘动作

2.2 齿盘强度校核

齿盘的校核包括齿侧应力校核、齿面压缩应力校核、等价齿面压缩应力校核。以下介绍一种双联齿盘的校核,以一度一分的齿盘360-450-340XV型号为例进行校核,齿盘齿形角为30°,啮合状态下每齿的接触长度大于齿长的50%,总接触齿数大于80%。齿盘简图如图3所示。

▲图3 齿盘简图

齿侧应力Ss为:

(1)

齿面压缩应力Sc为:

(2)

等价齿面压缩应力Sec为:

(3)

式中:D1为齿盘外径;T为锁紧扭矩;W为齿宽;Z为齿数;h0为有效齿高;Fc为齿盘锁紧最大负载。

360-450-340XV型号齿盘的齿侧应力在渗碳工艺下允许值为170 MPa,齿面压缩应力在渗碳工艺下允许值为230 MPa,等价齿面压缩应力在渗碳工艺下允许值为850 MPa。

3 连续转台定位

连续转台又称任意分度转台,工作台可以实现任意角度的旋转,可以参与机床的联动加工,联动加工过程中的定位由驱动电机的驱动力矩来保持,在重切削时能够保证加工精度;在静止中的定位为了节省电机的能源损耗,防止电机过载发生,转台由定位夹紧装置来进行转台的定位。连续转台的夹紧装置主要有摩擦片式、环抱式和弹性材料摩擦式,夹紧动力有液压和气压。

3.1 摩擦片式夹紧机构

摩擦片式夹紧机构是依靠接触面之间的静摩擦力所产生的摩擦力矩,使转台保持静止。

(1) 单摩擦片夹紧装置结构。图4所示为单摩擦片夹紧结构图,摩擦片固定在旋转座上随旋转座一起转动,在摩擦片上方布置有夹紧活塞,转台夹紧时,活塞在液压油的推动下压紧摩擦片,实现夹紧动作。摩擦片间的间隙推荐值为0.2～0.8 mm,夹紧油压推荐为2 MPa～5 MPa。

▲图4 单摩擦片夹紧装置结构

(2) 多摩擦片夹紧结构。图5所示为多摩擦片夹紧结构图,多片旋转摩擦片安装旋转座上,并随旋转座一起转动,固定摩擦片与固定座连接,旋转摩擦片和固定摩擦片左侧组装挤压摩擦片的活塞。旋转摩擦片中间设置垫片,起到分离旋转摩擦片及保持运动间隙的作用。转台锁紧时,活塞移动,挤压旋转摩擦片和固定摩擦片,旋转摩擦片、固定摩擦片及活塞接触面的摩擦力保证转台的锁紧力矩。

▲图5 多摩擦片夹紧结构

(3) 有转台厂家利用增压原理研发倍力双活塞的夹紧机构,增加转台的夹紧力。这种结构有两个活塞,左侧活塞油腔进入液压油,同时液压油通过活塞的小孔进入右侧的活塞腔体,活塞的摩擦正压力是左侧活塞压力和右侧活塞油腔压力之和。

(4) 摩擦片式夹紧机构设计。摩擦片应当选用有较高抗拉强度和屈服强度的材质,通常使用的有65Mn或60SiMnA等弹簧钢,经淬火、回火处理,65Mn弹簧钢强度高,淬透性较差,脱碳倾向小,价格低,切削加工性能好,有过热敏感性,易产生淬火裂纹并有回火脆性,可用于制造各种截面较小的扁、圆弹簧、板簧和弹簧片。刹车片要求具有较好的面接触,保证刹车扭矩。数控回转工作台根据夹紧机构的不同来选择合适的摩擦片,一般推荐选用干式摩擦片。

(5) 摩擦片夹紧力矩计算单摩擦片夹紧力矩Td与摩擦片的摩擦因数、尺寸及夹紧压力相关,为:

(4)

式中:μ为摩擦因数;Pm为摩擦片单位面积压力;Dm为摩擦片摩擦环外径;Dn为摩擦片摩擦环内径;n为摩擦片摩擦面的数量;r为摩擦片半径。

3.2 环抱式夹紧结构

(1) 环抱式夹紧结构设计。对于重载的转台可以采用环抱式夹紧结构,如图6所示。胀紧套是由弹簧钢等材料制成的弹性元件,具有足够的弹性形变能力且有良好的耐磨性。当液压油充满胀紧套油腔时,液压油的压力使胀紧套发生弹性变形,胀紧套与夹紧面的摩擦力夹紧旋转部件,实现旋转部件的制动。环抱式夹紧面与数控回转工作台能大面积接触,具有高刚性和耐重切削的特性,胀紧套厚度推荐为5～10 mm。

▲图6 环抱式夹紧结构

(2) 环抱式夹紧力矩计算。环抱式夹紧力矩Md与胀紧套面积、夹紧介质压力,以及材料的摩擦因数相关,为:

Md=d(L-2a)πPμd/2/105

(5)

式中:d为胀紧套内径;L为胀紧套长度;a为胀紧套断面与密封断面的距离;P为夹紧油压。

4 结束语

笔者详细介绍了数控转台常用的夹紧方式及夹紧力的计算方式,在转台设计中可根据转台的实际结构进行选择。小型、轻型转台夹紧扭矩小,可以选择气压单摩擦片结构,这种结构成本低,节省液压站费用,维护方便。对于较大型转台,采用液压单摩擦片式或多摩擦片式结构。对于重载转台,可采用环抱式夹紧机构,或者采用增力机构增加压力来实现大摩擦力。