車銑復(fù)合加工中心中的鎖緊及鎖緊力計算*

顏克輝 孔祥志 李 焱 羅志久 李 鵬

(沈陽機(jī)床設(shè)計研究院，遼寧沈陽 110142)

車銑復(fù)合加工中心屬于五軸聯(lián)動機(jī)床，其至少有3個線性伺服軸和2個回轉(zhuǎn)伺服軸(即X/Y/Z軸和B/C軸)，以及夾持刀具的動力主軸，其中B軸、C軸和動力主軸均需要有鎖緊。

1 C軸鎖緊及其鎖緊力計算

C軸，即繞工件主軸旋轉(zhuǎn)的伺服軸，是具有分度定位和聯(lián)動功能的工件回轉(zhuǎn)軸。當(dāng)工件需要在某一角度進(jìn)行鉆孔、攻絲、銑槽或銑平面加工時，需要用C軸的分度定位功能，并要求在分度定位后能進(jìn)行鎖緊，否則切削力會引起振動或位移而影響加工精度。

C軸的鎖緊位置分為前鎖緊和后鎖緊，二者各有利弊。前鎖緊是鎖緊機(jī)構(gòu)放在主軸前軸承的前端，后鎖緊是鎖緊機(jī)構(gòu)放在主軸的后端。由于前鎖緊的鎖緊位置距離加工位置較近，在分度后的定向銑削、鉆孔加工中，前鎖緊的系統(tǒng)剛性較好，不易產(chǎn)生振動和扭曲。但前鎖緊的主軸懸伸長，致使車削剛性減弱;同時，前鎖緊的裝配調(diào)整沒有后鎖緊方便，這是前鎖緊的不利之處。

在我公司設(shè)計的一款車銑復(fù)合加工中心上，C軸采用的是摩擦片式的前鎖緊。圖1中，唇型密封圈和定摩擦片把合在固定法蘭上，動摩擦片與C軸心軸把合在一起，動摩擦片與固定法蘭之間預(yù)留0.2 mm間隙，定摩擦片與動摩擦片之間也預(yù)留0.2 mm間隙。當(dāng)唇型密封圈的U型腔通過鎖緊進(jìn)油管路進(jìn)壓力油時，油壓通過唇型密封圈使定摩擦片和動摩擦片以及動摩擦片和固定法蘭之間間隙消除并產(chǎn)生摩擦力，使C軸心軸與固定法蘭鎖在一起，完成C軸的鎖緊。當(dāng)不給壓力時，摩擦片靠自身的彈性和彈簧的彈力恢復(fù)到初始位置。摩擦片的材料選用65Mn，該材料適宜制造較大尺寸的各種扁、圓彈簧，發(fā)條，以及其他經(jīng)受摩擦的零件［1］。

上述摩擦片鎖緊機(jī)構(gòu)的鎖緊力矩計算為式中:T為鎖緊扭矩，N·m;D為唇形密封圈外徑，mm;d為唇形密封圈內(nèi)徑，mm;u為摩擦系數(shù)，一般取0.1 ～0.15［1］;P 為鎖緊進(jìn)油管路的壓力，MPa。

2 B軸鎖緊及其鎖緊力計算

B軸，即為繞Y軸旋轉(zhuǎn)的伺服軸，是具有分度定位和聯(lián)動功能的刀具回轉(zhuǎn)軸。當(dāng)工件需要車削、鏜孔或者在某一角度進(jìn)行鉆孔、攻絲、銑槽或銑平面加工時，需要用B軸的分度定位功能，并要求在分度定位后能進(jìn)行鎖緊，否則切削力會引起振動或位移而影響加工精度。

B軸一般有兩套鎖緊機(jī)構(gòu)。一套是固定角度鎖緊(一般為2.5°或5°的整數(shù)倍)，另一套是任意角度鎖緊。固定角度鎖緊是為了滿足在指定角度平面強(qiáng)力銑削或定向結(jié)構(gòu)的要求(車削或鏜孔)。任意角度鎖緊是為了實現(xiàn)任意角度的定向加工要求。

第一，企業(yè)審計人員一旦發(fā)現(xiàn)被審計企業(yè)存在違規(guī)違法行為，要對此進(jìn)行明確界定，根據(jù)客觀事實來公平合理地劃分責(zé)任。

固定角度鎖緊一般采用三片式端齒盤(簡稱三齒盤或者鼠牙盤)鎖緊，其鎖緊扭矩大且可靠，可實現(xiàn)B軸的高剛度和高定位精度。

三齒盤鎖緊機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)［2－3］:

(2)精度重復(fù)性和持久性好。由于工作時齒盤在不斷對研，因此使用越久，分度精度的重復(fù)性和持久性也就越好，而且精度有可能提高。

(3)高剛性。當(dāng)凹齒與凸齒嚙合在一起時，齒間接觸面是均勻連續(xù)的，而且所有齒面同時參加嚙合，接觸面積大，因此能承受較高的載荷而且具有很高的剛性。

(4)結(jié)構(gòu)緊湊，維護(hù)簡便。如果三齒盤放在B軸軸承前端，則鎖緊位置離刀具較近，在進(jìn)行車削、鏜孔和定角度銑削時刀具系統(tǒng)整體剛性好，對加工有利。由于結(jié)構(gòu)的限制，此時的裝配調(diào)整可能不是很方便;同時，相對于三齒盤放在后面的結(jié)構(gòu)，軸承在B軸中的位置略有靠后，但是對于采用徑向、軸向均高剛性混合軸承的B軸的整體剛性幾乎沒有影響。尤其是對于車銑復(fù)合加工中心，這樣以車為主，同時2.5°或5°的整數(shù)倍定角度加工較多的機(jī)床來講，高的刀具系統(tǒng)剛性和高定位精度尤為重要，所以在B軸設(shè)計中，應(yīng)盡可能地將三齒盤機(jī)構(gòu)布置在B軸的前端。

在我廠設(shè)計的一款車銑復(fù)合加工中心上，其B軸固定角度鎖緊采用的就是三齒盤鎖緊機(jī)構(gòu)，其處在B軸軸承前端(圖2)。圖2中動齒盤與B軸心軸固定在一起，定齒盤與Y軸滑枕固定在一起，當(dāng)鎖緊進(jìn)油管路有壓力油時，鎖緊齒盤向左移動與動齒盤、定齒盤嚙合，實現(xiàn)B軸鎖緊;當(dāng)脫開進(jìn)油管路有壓力油時，鎖緊齒盤向右移動與動齒盤、定齒盤脫離嚙合，B軸被釋放。為了保護(hù)齒盤等零部件，此鎖緊機(jī)構(gòu)需要有嚙合與脫開的檢測裝置，以防止誤認(rèn)為鎖緊齒盤已到位時進(jìn)行的操作。

三齒盤的齒形角通常有40°、60°和90°等幾種，其中60°最常用。下面以60°齒形角為例，對上述三齒盤鎖緊機(jī)構(gòu)的鎖緊扭矩進(jìn)行計算，齒盤嚙合處受力如圖3［4］:

定齒盤所產(chǎn)生的軸向力:Fa1=Fu1tan30°

動齒盤所產(chǎn)生的軸向力:Fa2=Fu2tan30°

考慮安全系數(shù)后所需要的鎖緊軸向力:Fa=f(Fa1+Fa2)

式中:T為三齒盤鎖緊機(jī)構(gòu)的鎖緊力矩，N·m;D1為定齒盤齒圈外徑，mm;d1為定齒盤齒圈內(nèi)徑，mm;D2為動齒盤齒圈外徑，mm;d2為動齒盤齒圈內(nèi)徑，mm;f為安全系數(shù)，取1.8～3.0［4］;P為鎖緊進(jìn)油管路壓力，MPa;D為鎖緊進(jìn)油管路腔外徑，mm;d為鎖緊進(jìn)油管路腔內(nèi)徑，mm。

由于三齒盤結(jié)構(gòu)只能實現(xiàn)有限角度鎖緊，任意角度的鎖緊必須用其他方式來實現(xiàn)，此時的鎖緊機(jī)構(gòu)類似上述的C軸鎖緊機(jī)構(gòu)，只不過需要的鎖緊扭矩不一樣。三齒盤機(jī)構(gòu)一般處在B軸前端，由于空間結(jié)構(gòu)的限制，此時任意角度鎖緊機(jī)構(gòu)只能處在B軸的中間或者后端，在進(jìn)行加工時剛性可能略差。

3 動力主軸鎖緊及其鎖緊力計算

動力主軸，即為車銑復(fù)合加工中心的銑削主軸，也就是刀具主軸。由于在車削過程中，車刀是非旋轉(zhuǎn)刀具，且需保證準(zhǔn)確的中心高，要求動力主軸限制原有的旋轉(zhuǎn)自由度。由于車削過程中主軸受力較大，限制旋轉(zhuǎn)自由度的力相應(yīng)很大，這種限制只有通過機(jī)械方式實現(xiàn)。目前動力主軸常用的鎖緊機(jī)構(gòu)為三齒盤鎖緊，其在車銑復(fù)合加工中心動力主軸中的位置對加工性能有很大影響，通常有兩種形式。一種是裝在動力主軸前軸承的前端。這樣鎖緊位置離刀尖點(diǎn)較近，鎖緊剛性好，對車削有利，尤其是對重切和振切;另外三齒盤的液壓夾緊機(jī)構(gòu)有消振作用，對長刀桿切削有利。另一種是裝在動力主軸前軸承的后端，這種形式在銑削時，刀具受力點(diǎn)距主軸前軸承的距離短，有利于銑、鏜、鉆，對提高鏜、銑削剛度，提高表面加工質(zhì)量十分有利。三齒盤裝在動力主軸前軸承前端，裝配相對容易;三齒盤裝在動力主軸前軸承后端，裝配難度較大，且不利于維護(hù)［5］。

對于車銑復(fù)合加工中心這種以車為主的機(jī)床，應(yīng)盡可能地把三齒盤鎖緊機(jī)構(gòu)放在動力主軸前軸承的前端，以有利于車削。動力主軸的三齒盤鎖緊機(jī)構(gòu)與上述用于B軸定角度鎖緊的三齒盤鎖緊機(jī)構(gòu)基本相同;其鎖緊力的計算方法同B軸三齒盤鎖緊機(jī)構(gòu)的鎖緊力計算方法一樣，只不過鎖緊力大小不同。

4 結(jié)語

通過對車銑復(fù)合加工中心的C軸、B軸和動力主軸鎖緊的特點(diǎn)和作用的分析，使讀者對于車銑復(fù)合加工中心上的鎖緊可以有一定的了解。同時，對于其C軸和B軸任意角度鎖緊的摩擦片式鎖緊機(jī)構(gòu)以及B軸定角度鎖緊和動力主軸鎖緊的三齒盤式鎖緊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了簡要介紹，并計算了相應(yīng)鎖緊力，為讀者在進(jìn)行相關(guān)機(jī)床設(shè)計時可以作為參考。

［1］成大先.機(jī)械設(shè)計手冊［M］4版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

［2］南歡，許春香.端齒盤的參數(shù)設(shè)計與應(yīng)用［J］.機(jī)械傳動，2006，30(5):76－78.

［3］李業(yè)明，張紅軍，姚遠(yuǎn)大.功率機(jī)車驅(qū)動系統(tǒng)聯(lián)軸器弧齒端齒盤結(jié)構(gòu)性能分析及參數(shù)優(yōu)化［J］.鐵道機(jī)車車輛，2009，29(6):31 －33.

［4］福伊特公司的齒盤樣本［EB/OL］.http:∥www.voithturbo.com.

［5］李憲凱.車銑復(fù)合機(jī)床五軸頭關(guān)鍵技術(shù)［J］.設(shè)備管理與維修，2005(12):25－26.