數(shù)控轉(zhuǎn)臺抱閘液壓力分析計算*

楊紅軍

(寶雞忠誠機床股份有限公司，陜西 寶雞721013)

雙軸轉(zhuǎn)臺是五軸加工中心的核心功能部件，在實現(xiàn)動態(tài)回轉(zhuǎn)高精度的同時，也需要能鎖緊任意在固定位置實現(xiàn)高剛性固定銑削。轉(zhuǎn)臺鎖緊機構(gòu)有碟片式和環(huán)抱式兩種，一般采用氣動或液壓作為動力來實現(xiàn)鎖緊松開動作。

因高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備重大專項五軸銑車復(fù)合加工中心需對一種環(huán)抱式轉(zhuǎn)臺鎖緊機構(gòu)進行設(shè)計分析計算。因抱閘結(jié)構(gòu)對液壓壓力敏感，壓力過大不但影響機床精度，而且可損壞機構(gòu)，所以準確確定抱閘壓力十分必要。近期閱讀一篇該類技術(shù)文章[1]，受益匪淺。借鑒該文，筆者提出一種通過SolidWorks Simulation來確定環(huán)抱式轉(zhuǎn)臺鎖緊機構(gòu)鎖緊壓力的方法。本文方法直觀、準確，對非ANSYS用戶具有應(yīng)用實際和參考借鑒作用。

1 抱閘結(jié)構(gòu)

該銑車五軸加工中心B/C雙回轉(zhuǎn)臺兩軸都采用環(huán)抱式液壓鎖緊機構(gòu)，結(jié)構(gòu)類似，本文只對B軸進行分析。環(huán)抱式轉(zhuǎn)臺鎖緊機構(gòu)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)由圓筒薄壁膜片外鎖緊轂1和圓柱內(nèi)鎖緊轂2組成。轂1或轂2固定在基體上。在自由松開狀態(tài)下，外轂與內(nèi)轂徑向存在間隙，可以相對自由轉(zhuǎn)動。需要夾緊時，外轂1薄壁腔內(nèi)液壓油壓力上升，外轂1薄壁彈性變形向內(nèi)縮小，間隙消除后直接與內(nèi)轂2外圓接觸，產(chǎn)生摩擦扭矩鎖死兩者的相對轉(zhuǎn)動。外轂1薄壁腔內(nèi)液壓油壓力消除后，外轂1薄壁腔內(nèi)縮彈性變形消失，重新回到自由松開狀態(tài)。抱閘結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

2 抱緊壓力估算

估算依據(jù)文獻[1]公式計算。該式經(jīng)分析是用已知液壓壓力、作用面積參數(shù)計算出作用力直接加載到接觸面上。該作用力的計算忽略了液力克服外轂薄壁彈性變形、消除內(nèi)外轂間隙的因素，因此該計算式的計算值應(yīng)小于實際所需的夾緊壓力。文獻[1]中計算式(1)及參數(shù)含如下：

(1)

式中：P為液壓壓力，MPa；T為需要的制動摩擦扭矩，N·m；d為摩擦接觸面的直徑，m；L為薄壁液腔軸向長度，m；μ為摩擦副的摩擦系數(shù)，取0.15。

式(1)對代入所需制動摩擦扭矩和結(jié)構(gòu)參數(shù)進行計算，認為就可得本例設(shè)計需液壓壓力P=1.046 MPa，即可達到所需摩擦制動扭矩T。

3 FEM分析

不管通過解析或FEM方法，通過計算摩擦副上的壓力總值來計算制動摩擦力矩是最直接和準確的方法。由抱閘結(jié)構(gòu)決定，接觸面壓應(yīng)力不是均勻恒定值，其隨軸向接觸位置不同而變化，F(xiàn)EM需要分析計算接觸壓力的代數(shù)和。本分析使用的Simulation有限元軟件只能輸出整個接觸面接觸應(yīng)力的矢量總和，不能算出接觸面間作用力的代數(shù)和，對于本算例的圓柱形接觸面接觸應(yīng)力的矢量總和為零，也就無法計算制動摩擦力矩。

根據(jù)上述問題，本文采用反、正雙向求解方法較圓滿地解決了問題。其基本過程是：(1)首先根據(jù)設(shè)計所需制動摩擦力，反求出接觸面間所需的作用壓力。(2)然后對內(nèi)轂單獨進行FEM分析，將上述壓力值直接作用在內(nèi)轂外圓面上，分析得到并記錄內(nèi)轂薄壁端面處最大變形量δmax，見圖2。(3)再用正向求解，將結(jié)果擬合到反向結(jié)果。具體是對內(nèi)外轂組件進行FEM分析，采用不同的液壓壓力值進行多次試分析，直到在某液壓壓力作用下外轂薄壁端面處最大變形量達到第2步記錄值δmax≥0.016 4 mm，這時的液壓壓力即是要的結(jié)果。圖3為0.5 MPa、1 MPa和1.5 MPa三種壓力下的組件變形圖。其中1.5 MPa是筆者的分析結(jié)果，此液壓力下產(chǎn)生的δmax=0.016 7 mm>0.016 4 mm。

4 結(jié)語

采用本反、正雙向求解方法得到的值為1.5 MPa，略大于估算值1.046 MPa。FEM分析結(jié)果符合我們對估算值偏小的推測。通過估算與本方法FEM的相互驗證，完全可認為FEM分析結(jié)果準確可用，可以指導(dǎo)實際應(yīng)用。

[1]夏向陽.數(shù)控轉(zhuǎn)臺用環(huán)抱式剎車裝置的研究[J].制造技術(shù)與機床，2016(10)：72-75.