數控轉臺用環抱式剎車裝置的研究

夏向陽

(江蘇新瑞重工科技有限公司，江蘇 常州 213166)

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數控轉臺用環抱式剎車裝置的研究

夏向陽

(江蘇新瑞重工科技有限公司，江蘇 常州 213166)

介紹了一種數控轉臺用環抱式剎車裝置的機械結構、工作原理、關鍵零件工藝要點，介紹了環抱式轉臺剎車裝置有效剎車所需液壓壓力和流量的計算過程，其中有效剎車所需液壓壓力先通過理論經驗公式來估算范圍，然后再利用ANSYS有限元分析軟件對環抱式剎車裝置進行仿真分析，最終得出有效剎車需要的油壓壓力。

環抱式剎車裝置；液壓壓力和流量；經驗公式；ANSYS；仿真分析

筆者公司新開發了一款GM50A-5X五軸聯動立式加工中心，準備于2016年4月份參加在上海舉辦的國家機床展覽會。該機床的核心功能部件A-C軸五軸搖籃式數控轉臺為筆者公司自行研發生產(如圖1)。A軸、C軸均采用力矩電動機直接驅動，實現零間隙傳動，傳動精度高、傳動剛性好、動態響應性能高。A-C軸五軸搖籃式數控轉臺不僅需要A軸、C軸能夠連續進給實現多角度加工，也需要能夠在特定角度和方向準確停止，并保持在該位置，以便在該位置進行銑削或鉆削，這就要求轉臺的A軸、C軸具有可靠的剎車制動機構。目前轉臺的典型剎車機構有端面接觸式剎車機構和環抱式剎車機構兩種。端面接觸式剎車機構，這就是俗稱碟剎機構，通過接觸端面之間產生的靜摩擦力矩達到有效防松的目的，缺點是剎車扭矩小、剎車可靠性差，適用于高轉速、小扭矩的數控轉臺。環抱式轉臺剎車機構，俗稱環剎，通過接觸的圓環面之間產生的靜摩擦力矩達到有效防松的目的，與碟剎相比，剎車扭矩大、剎車效果可靠，適合用在低轉速、大扭矩數控轉臺上。筆者公司本次開發的轉臺為低速、大扭矩轉臺，顯然采用環抱式轉臺剎車機構是合適的。筆者對環抱式轉臺剎車機構設計、工作原理、有效剎車所需液壓壓力和流量的計算方法做了深入研究，這里把研究的成果介紹給大家，希望可以為讀者提供有益參考和幫助。

1　轉臺環抱式剎車機構結構、工作原理、關鍵零件的工藝要點

1.1機械結構

該轉臺環抱式剎車機構結構如圖2所示，轉臺旋轉軸1的三維外形圖見圖3，環抱式剎車環4的三維外形圖見圖4，剎車底座2的三維外形圖見圖5。

1.2工作原理

環抱式剎車環4通過上端12只剎車環固定螺釘7與剎車底座2連接到一起，通過其下端12只剎車環固定螺釘8與剎車環固定座5連接到一起，剎車環固定座5通過12只連接螺釘13與剎車底座2連接到一起，從而使環抱式剎車環4、剎車底座2、剎車環固定座5三者連接成剛性整體。環抱式剎車環4在上下兩端開有兩道密封圈槽，在中段開有凹槽作為壓力油腔，O型密封圈9和10分別安裝在兩道密封圈槽中，使液壓油能夠被有效密封在壓力油腔內。剎車環固定座5開有2個密封圈槽，槽內安裝2只O型密封圈6形成密閉的液壓油通道，需要剎車時液壓壓力油通過2只液壓管接頭3和液壓油通道進入壓力油腔內從而建立起壓力。在轉臺正常運轉時，轉臺旋轉軸1的外圓與環抱式剎車環4的內壁保持0.1 mm間隙，從而保證轉臺旋轉軸1的正常圓周進給運動；當需要剎車時壓力油進入環抱式剎車環4的壓力油腔內向內壓迫環抱式剎車環4的薄壁部分使其產生向內0.15 mm左右的變形從而使其內壁與轉臺旋轉軸1的外圓緊密接觸產生足夠大的剎車扭矩使轉臺旋轉軸1穩定地保持在正確位置，從而完成剎車；當轉臺旋轉軸1需要再次進行圓周進給運動時，壓力油腔內壓力油卸荷，環抱式剎車環4通過自身的彈性恢復原有狀態，轉臺旋轉軸1的外圓與環抱式剎車環4的內壁的0.1 mm間隙再次出現，轉臺旋轉軸1能夠正常進行旋轉運動，從而完成一個完整的剎車、運轉的運動循環。剎車底座2的圓周上設計有首次裝配用排氣孔，在首次裝配時，將排氣孔中油堵11、組合密封墊12拿掉，使油缸內原有空氣有效排空，從而保證剎車的穩定性和可靠性，氣體被排空后將油堵11、組合密封墊12重新安裝好以防漏油。與環抱式剎車環4抱緊的轉臺旋轉軸1上設計有8只冷卻孔，剎車時能夠有效散熱，從而提高剎車機構的使用壽命，提高剎車機構的可靠性。與環抱式剎車環4抱緊的轉臺旋轉軸1的外圓面上設計有螺旋槽，這些螺旋槽有兩個作用：(1)剎車時能夠有效散熱，從而提高剎車機構的使用壽命，提高剎車機構的可靠性；(2)剎車時增加摩擦接觸面摩擦阻力，從而提高剎車扭矩和剎車效果。

1.3關鍵零件的工藝要點

由于環抱式剎車環4是一個薄壁零件，為了防止變形并保證加工精度，加工時先把環抱式剎車環4外圓及長度方向尺寸加工到位，內孔保留足夠大的加工余量，然后把環抱式剎車環4用螺釘與剎車底座2和剎車環固定座5可靠連接到一起，再把組合體整體固定到機床上，將環抱式剎車環4的內孔加工至最終尺寸。

2　有效剎車所需液壓壓力和流量的計算

這里以轉臺的C軸旋轉軸的剎車機構為例來說明環抱式轉臺剎車機構的有效剎車所需液壓壓力和流量的計算過程。油壓壓力計算分兩步進行，首先根據環抱式剎車機構油壓計算的經驗公式來估算油壓壓力范圍，再利用ANSYS有限元分析軟件對環抱式剎車機構進行仿真分析，最終得出有效剎車所需液壓壓力。夾緊油缸的流量可以根據環抱式剎車機構的儲油體積和剎車反應時間求出。下面來詳細介紹計算過程。

已知條件：C軸抱閘筒壁內徑d=191.2 mm；C軸實際液體壓力作用長度L=90.5 mm；C軸抱閘摩擦系數μ=0.15；C軸夾緊環采用QSn4-3(Y) 錫青銅；C軸抱閘夾緊缸的儲油部分外半徑R=102.8 mm；C軸抱閘夾緊缸的儲油部分內徑r=98.615 mm；C軸抱閘夾緊缸的儲油部分體積V=πR2L-πr2L=3.14×0.905×(1.0282-0.986152)=0.2395L；C軸抱閘夾緊缸的儲油部分充滿反應時間t=0.5 s=0.5/60=0.0083 min；C軸實際需要的夾緊扭矩T=400 N·m。

上面已知條件中的C軸抱閘筒壁內徑、C軸實際液體壓力作用長度、C軸抱閘夾緊缸的儲油部分外半徑、C軸抱閘夾緊缸的儲油部分內半徑是根據轉臺結構設計得出的(見圖2)。經過查閱手冊對比，由于QSn4-3(Y)錫青銅彈性模量小，相對容易產生彈性變形，熱膨脹系數小，耐磨性好，故選取QSn4-3(Y)錫青銅作為剎車環的材料[1]。按照上述條件可以根據以下公式來估算C軸夾緊油缸所需液壓壓力P的范圍。

式中：P為液體壓力，MPa；T為實際需要的夾緊扭矩，T=400N·m；d為抱閘筒壁內徑，d=0.191 2m；L為實際液體壓力作用長度，L=0.090 5m；μ為抱閘摩擦系數，μ=0.15。

可知：P=0.513MPa

C軸夾緊油缸所需液壓流量Q可以根據以下公式求出：

Q=V/t=28.85L/min

C軸環抱式轉臺剎車機構有效剎車所需的液壓壓力一定要大于0.513MPa；所需液壓流量要大于28.85L/min。

上面根據經驗公式估算出了C軸環抱式剎車機構有效剎車所需的液壓壓力P的范圍，而具體的壓力數值還要用有限元仿真軟件進行分析后給出。下面利用ANSYS有限元分析軟件進行仿真分析從而得出C軸有效剎車所需的液壓壓力P。

C軸剎車環采用的材料QSn4-3(Y) 錫青銅的參數如表1。

表1

密度/(g/cm3)彈性模量/GPa泊松比/v熱膨脹系數/(10-6/℃)屈服強度/MPa抗拉強度/MPa8.893.20.318420550

根據表1參數在ANSYS的材料參數中分別定義密度、彈性模量、泊松比、熱膨脹系數、屈服強度、抗拉強度等數值。為了分析給定油壓后C軸剎車環的變形量，先建立C軸剎車環(不帶假軸)有限元模型，模型采用20節點六面體實體單元SOLID186，如圖6所示。

根據估算出來的壓力范圍結合市場上同規格轉臺液壓壓力參數，先按照3 MPa壓力來對C軸剎車的變形量進行有限元分析 。

圖7為C軸剎車環(不帶假軸)在3 MPa壓力作用下徑向位移云圖。由圖可知，在3 MPa壓力作用下，C軸剎車環的徑向位移為0.100 916 mm。由于剎車環和傳動軸之間設計時留有0.1 mm間隙，根據變形數據可知3 MPa壓力不足以使剎車環對軸產生有效的夾緊扭矩；需要修正液壓壓力為5 MPa再進行分析。

圖8為C軸剎車環(不帶假軸)在5 MPa壓力作用下徑向位移云圖。由圖可知，在5 MPa壓力作用下，C軸剎車環的徑向位移為0.168 mm，理論上去掉間隙值0.1 mm，5 MPa壓力有可能是可以的。下面用有限元方法來分析夾緊力和夾緊扭矩。分析時為了模擬C軸剎車環工作時的實際工況，在C軸剎車環內建模時建立一根假軸。C軸剎車環(帶假軸)的有限元模型剖視圖見圖9，假軸與剎車環間留有0.1 mm的間隙，模型采用20節點六面體實體單元SOLID186。

剎車環與假軸實體兩頭端面均采用固定約束(見圖10)，剎車環與軸之間采用Friction Contact,摩擦系數為0.15。在C軸剎車環的外表面施加均布載荷5 MPa(見圖11)。

圖12 為C軸剎車環(帶假軸)在5 MPa壓力下徑向位移云圖，圖13為在5 MPa壓力下C軸剎車環對假軸表面節點產生徑向壓力統計圖。由圖可知，當剎車環油壓為5 MPa壓力時，剎車環在均布載荷作用下向內對假軸產生壓力，C軸剎車環的徑向壓力F為84 742 N(見圖13)，取摩擦系數0.15，C軸剎車環內徑為191.2 mm，由此計算出C軸剎車環產生的夾緊扭矩M=μFd/2=0.15×84 742×0.1912/2=1 215 N·m，C軸設計剎車扭矩為400 N·m，1 215 N·m>400 N·m，顯然滿足設計要求。由此可知C軸剎車環需要的液壓壓力只要大于5 MPa就可以了。

通過ANSYS有限元進行仿真分析得出結論：C軸夾緊油缸所需的液壓壓力要大于5 MPa。

3　結語

(1)在進行環抱式剎車機構設計時要考慮剎車環的有效散熱，從而提高剎車機構的使用壽命，提高剎車機構的可靠性。

(2)在進行環抱式剎車機構設計時一定要考慮剎車環首次裝配時剎車環壓力油腔內空氣的排空，否則直接影響剎車效果。

(3)環抱式剎車機構的剎車環為薄壁零件，為了防止變形并保證加工精度，內孔必須先留余量，組合到其他零件上后再加工。

(4)根據經驗公式來估算有效剎車所需要的液壓壓力，估算此壓力主要是為后面的有限元仿真分析提供一個范圍和方向。

(5)根據估算出來的壓力利用ANSYS有限元分析軟件進行仿真分析從而計算出有效剎車所需要的液壓壓力。

(6)剎車機構夾緊油缸的流量可以根據環抱式剎車機構的儲油體積和剎車反應時間求出。

(7)目前該A-C軸搖籃式轉臺已經試制成功，轉臺C軸采用該剎車機構是可以可靠地把C軸有效夾緊在任意位置的，轉臺液壓系統采用的液壓壓力為5 MPa，采用的液壓流量為30 L/ min，轉臺能夠在通油瞬間(大約0.5 s)被有效剎緊，這充分證明了采用經驗公式和ANSYS有限元仿真分析軟件相結合的方式來計算環抱式剎車機構所需的液壓壓力是完全可行且非常有效的。

[1]陳慧 ，劉海岷，楊群.直驅轉臺環保式制動機構設計及有限元分析[J].機械研究與應用，2014(4):80-81.

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The study of the device of the wrap-around brake used in a type of NC rotary table

XIA Xiangyang

(Jiangsu Shinri Heavy Industry Science and Technology Co.,Ltd., Changzhou 213166,CHN)

In this article, the author introduces the mechanical structure, working principle and the central technology of the pivotal part of the wrap-around brake used in a type of NC rotary table, and the calculation of the hydraulic pressure and flow required for the brake to work effectively. To conclude the pressure, the author first uses empirical formulas to estimate the range of the required pressure. Then the analysis software ANSYS is used to run the simulation analysis and finally the required hydraulic pressure is concluded.

the wrap-around brake； the hydraulic pressure and flow； empirical formulas； ANSYS； the simulation analysis

TH122

B

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.10.014

夏向陽，男，1975年生，高級工程師，從事大中型數控機床及機床用功能部件的研究開發工作，已發表論文20余篇，獲得國家實用新型專利授權20項。發明專利授權2項、受理并公開發明專利4項。

(編輯譚弘穎)

2016-02-18)

161018