高速大功率車銑電主軸后置圓錐摩擦鎖緊機構設計

廣州市敏嘉制造技術有限公司 (廣東 511453)謝政平

廣東工業大學 (廣州 510520)姚松亮 鄭秀宏 李鍛能

車銑復合加工中心屬于多軸聯動機床，能在一次裝夾中完成全部或者大部分加工工序，包括車、銑、鉆、鏜、攻絲等多工序。帶有C 軸功能的伺服電主軸，夾持工件具有分度定位和聯動功能。特別當工件需要在某一角度進行鉆孔、攻絲、銑槽或銑平面加工時，需要靠C 軸的分度定位，并在分度定位后進行主軸鎖緊，以免切削力引起振動或位移影響加工精度。車銑電主軸是車銑復合加工中心的心臟，而主軸鎖緊是車銑復合加工中心電主軸的一個特殊要求，是車銑電主軸關鍵技術之一。

機床加工后需鎖緊的時候，高速主軸在伺服電動機制動的作用下，停止在某個準確位置，然后鎖緊機構動作，利用機械鎖緊力固定主軸。鎖緊過程中，要求機構的動作不得造成主軸軸向位移，特別是不能對主軸產生圓周擾動。鎖緊以后，要求機構有足夠的鎖緊力和剛性承受切削載荷。目前，常見的主軸鎖緊機構有摩擦片圓周鎖緊和三齒盤固定角度鎖緊等。摩擦片圓周鎖緊利用機構對軸向柔性較好的摩擦片施加摩擦力，但是鎖緊機構中摩擦片易磨損，性能不穩定，影響主軸鎖緊精度。三齒盤結構只能實現有級角度鎖緊，任意角度的鎖緊還要借助其他機構實現，鎖緊機構過于復雜，體積大。

本文在對比已有主軸鎖緊機構優缺點的基礎上，針對車銑電主軸鎖緊問題，設計出一種體積小、結構緊湊、鎖緊可靠、鎖緊過程對主軸精度沒有影響的車銑電主軸后置圓錐摩擦鎖緊機構。

1.機構原理

車銑電主軸后置圓錐摩擦鎖緊機構如圖1 所示。

圖1 所示是車銑電主軸兩個不同方向的剖面圖，結構為內脹套4 固定在主軸5 上，且可隨主軸5 做旋轉運動;外脹套2 位于后法蘭8 和彈簧碟片1 之間，通過內、外脹套上不可自鎖20°配合錐面套在內脹套4 上;彈簧碟片1 套在內脹套4 上，并通過固定柱10和固定螺釘9 與后法蘭8 固定，同時彈簧碟片通過鎖緊螺釘6 與外脹套2 鎖緊;外脹套2 內設有6 個均勻分布的油腔，6 個活塞塊分別置于6 個油腔內。

圖1 車銑電主軸鎖緊機構剖視圖

外脹套配設有提供液壓油的封套和油路等部件。當輸入液壓油時，外脹套在液壓油壓力的作用下移動，同時利用彈簧碟片軸向易變形而徑向難變形的特性，保證外脹套的內錐面與內脹套的外錐面在嚙合過程中外脹套只做軸向移動，內、外脹套始終與主軸保持同心，實現在不影響主軸精度的情況下外脹套抱死內脹套，鎖緊主軸;當卸載液壓油時，外脹套在彈簧碟片和彈簧的作用下脫離內脹套，主軸恢復自由轉動。

2.機構特點

本機構的特別之處是，在內、外脹套的嚙合表面上分別設置20°的內錐面和外錐面。在內、外脹套之間形成不可自鎖的20°嚙合圓錐摩擦面，如圖2所示。

圖2 外脹套(左)、內脹套(右)剖視圖

不可自鎖的20°嚙合圓錐摩擦面是本文技術的關鍵，相比同樣的軸向彈性摩擦片機構具有更大的嚙合面積。由于錐度不可自鎖，這樣既能夠保證內、外脹套脫離可靠，又能將軸向力成倍放大為徑向力，從而保證內、外脹套嚙合可靠，提高主軸鎖緊的可靠性。

鎖緊裝置在安裝調試的時候，外脹套可以在其內錐面與內脹套的外錐面完全嚙合后再鎖緊在彈簧碟片上，提高鎖緊機構與電主軸裝配精度。鎖緊機構設置在主軸的后端，有利于車銑復合加工中心主軸安裝調試以及維護維修。

鎖緊機構在動作的時候，彈簧碟片做軸向導向，內、外脹套始終與主軸保持同心，鎖緊機構鎖緊對主軸的定位精度不會產生影響，保證了主軸的定位精度和主軸使用壽命。

鎖緊裝置采用20°錐面內、外脹套和彈簧碟片組合鎖緊結構，鎖緊精度高，鎖緊動作行程不超過1mm，結構緊湊、體積小，能有效實現車銑復合加工中心主軸鎖緊。

3.鎖緊能力推導

本文研制的車銑電主軸后置圓錐摩擦鎖緊機構是通過內脹套和外脹套之間的不可自鎖的20°嚙合圓錐摩擦面所產生的靜摩擦力來實現車銑電主軸鎖緊，摩擦機構需進行力學分析初步推導鎖緊能力。

(1)靜摩擦接觸面積S 如圖3 所示，取圓錐摩擦面上微單元長度dx，其微圓面積為dS，則:

圖3 圓錐摩擦面受力示意圖

(2)靜摩錐面接觸比壓ρ 如圖4 所示，取內脹套20°外錐面上微塊為受力分析對象。其中G 為內脹套在外脹套作用下受到的軸向預緊力，N 為外脹套對內脹套的正壓力，Z 為內脹套錐面上的平均擠壓力，F 為外脹套對內脹套的靜摩擦力，α 為內脹套外錐面錐度角。

圖4 微塊受力示意圖

根據力的平衡原理，存在下列方程式

式中，f 為內、外脹套錐面摩擦系數，解方程得

假設正壓力N 均勻地分布在摩擦錐面上，則接觸比壓ρ 為:

(3)圓錐摩擦面靜摩擦力產生的扭矩M 如圖3所示，取圓錐摩擦面上微圓面積dS 上產生的正壓力dN，形成的靜摩擦力

微圓面積dS 上扭矩

將式(5)代入式(6)

式中，d=d1+Ltanα。

(4)彈簧碟片承受載荷Q 如圖5 所示，彈簧碟片位于外脹套后端，同外脹套一起套在內脹套上。

本文研制的車銑電主軸后置圓錐摩擦鎖緊機構采用單片式彈簧碟片，彈簧碟片承受載荷

圖5 彈簧碟片安裝位置示意圖

式中，G 為內脹套在外脹套作用下受到的軸向預緊力，有6 個油腔共同作用，即

式中，k 為液壓缸工作安全系數;p 為單個液壓缸油壓力;S 為單個液壓缸活塞有效作用面積。

4.結語

本文研制的車銑電主軸后置圓錐摩擦鎖緊機構具有結構簡潔緊湊、體積小、制造和裝配簡單、鎖緊可靠等優點。通過本機構技術可實現車銑電主軸具備任意角度鎖緊定位的功能，且定位精度高。鎖緊裝置設置在車銑電主軸的后端，有利于車銑復合加工中心電主軸安裝調試以及維護維修，適用性強。

目前，該鎖緊裝置經過研制定型，已被批量應用在企業生產制造的精密車銑復合加工中心上，實際使用效果良好，完全滿足設計需求。