重型臥式數控車床液壓消隙和阻尼的C軸分度系統

雷宇 劉磊

摘 要：帶有銑削和鉆削功能的重型臥式數控車床通常要用到c軸分度系統，設計中最常見的有雙電機伺服分度系統和單電機機械消隙/阻尼分度系統。雙電機伺服分度系統機械結構設計相對簡單，但成本較高；單電機c軸分度系統傳動鏈機械結構相對復雜，成本低，但系統的保持性較差。本文推薦一種帶有液壓消隙和阻尼的分度系統，其同時具有低成本和高保持性的優勢。

關鍵詞：阻尼；消隙；主軸分度；油缸保壓

重型臥式數控車床常用的c軸分度系統有雙電機伺服分度系統[1]和單電機機械消隙/阻尼分度系統。雙電機伺服分度系統所需電氣配套元件和機械零件數量較多，成本較高；單電機c軸分度系統機械件易磨損，碟簧組發生塑性變形，導致分度系統處于變量狀態，主軸分度的保持性不高，需要時常對機械系統進行調整才能達到理想工作狀態。

為克服以上缺點，我們設計了一種新的液壓消隙和阻尼結構，可以保證傳動鏈的精度，并提高主軸分度的穩定性。

1 主要結構

如圖1-2所示，該系統包括主軸箱及其主傳動鏈、主傳動鏈液壓換擋系統、c軸伺服分度傳動鏈，c軸伺服分度切換系統，c軸傳動鏈液壓消隙系統、大齒輪液壓阻尼系統等。

2 設計原理

2.1主傳動鏈換擋裝置

如圖1所示，主傳動鏈由4級傳動鏈組成。通過撥叉調整軸Ⅲ的滑移齒輪來實現換擋功能，完成高速鏈和低速鏈的自動切換。滑移齒輪的位置通過圖2Ⅲb軸來控制：當換擋油缸

2.2 C軸伺服分度切換

如圖l所示，當主軸要運行C軸分度功能時，主運動轉速降低至臨界轉速，撥叉（10）移動到位置B，主傳動鏈斷開。此時C軸齒輪切換油缸（11）推動C軸切換齒輪（17）與Ⅲ軸大齒輪嚙合。完全嚙合后，給油缸限位單元（14）信號，動作停止。

接到完成伺服分度信號后，c軸齒輪切換油缸（11）拉動C軸切換齒輪（17）與Ⅲ軸大齒輪脫離。達到預定位置后，動作停止。

2.3液壓消隙單元

如圖3所示，當油缸（25）接到油缸限位單元（14）閉合信號后，推動撥叉（24）向右運動，滑移斜齒輪（20）向遠離Ⅲ軸斜齒輪（18）的方向運動，使得III軸斜齒輪（18）和滑移斜齒輪（20）的齒面分別作用于Ⅳ軸大齒輪的兩個方向，達到消隙的效果。

接到完成伺服分度信號后，油缸（25）卸除壓力，滑移斜齒輪（20）恢復到自然狀態，并隨Ⅲ軸斜齒輪（18）一起跟隨主傳動鏈轉動。

2.4大齒輪阻尼單元

收到c軸伺服分度開始信號后，液壓站向阻尼油缸供油，通過串聯腔體結構使得兩邊彈性法蘭（28）內部壓力平衡，變形一致。阻尼塊（29）在彈性法蘭（28）受到油壓變形的作用下對Ⅳ軸大齒輪形成阻尼，對主軸分度動作起到平穩和抗震的作用；當主軸分度動作完成后，液壓系統調節油腔壓力，將分度定位后的Ⅳ軸大齒輪卡緊，動作完成（見圖4）。

3 設計注意事項

3.1液壓消隙單元

如圖5所示，油缸預緊力F在斜齒輪圓周方向產生的分力為F切，所產生的扭矩為T。本結構的拉力油缸處于恒壓狀態，可自動補償磨損值，為了完全消除反向間隙，并增加齒面接觸剛度，應：

式中：

Tn——齒輪計算轉矩，N·m；

P——電機額定功率，KW9；

nJ——該消隙軸的計算轉速，r/min；

B——斜齒輪螺旋角。

根據以上公式可以求出油缸最小拉力，并得出油缸需求的壓力值。

3.2大齒圈阻尼單元

3.2.1鎖緊狀態

進入鎖緊狀態時，摩擦力矩必須大于主軸（包括花盤、工件等）整體的最大慣性矩，即Tf≥M∑。

由保壓油缸對大齒圈的正壓力F產生的摩擦力f=2μF，由摩擦力f產生的扭矩為Tf=2π·f·R[2-3]。

由運動學公式：可以求出油缸的最小正壓力F，取值后設定系統F值恒定輸出。

式中：

R——摩擦力作用點處的齒圈半徑，m；

nmax——剛體最大轉動速度，r/min；

J∑——人共總轉動慣量，kg·m2；

α——角加速度rad/s2；

Pi——剛體折算半徑，m；

Mi——剛體質量，kg；

T——剛體設置制動時間，s。

3.2.2阻尼狀態

大齒圈在c軸分度狀態下產生的最大慣性矩為M∑，阻尼狀態下需綜合掉由傳動系統產生的機械振動，根據公式aTf=M∑[3]，a為計算常數，可以求出油缸正壓力范圍。

所有油缸壓力設定值確定后，進行系統運動狀態模擬，在軟件分析狀態下校核系統是否滿足設計需要，反復試驗達到許用要求。

4 實際應用效果

本結構利用油缸恒壓原理，克服了因機械結構磨損產生間隙而導致的不定因素，使得消隙預緊力、阻尼、卡緊力等保持不變。大大降低了維護保養的難度，實現穩定的c軸分度功能。本結構可適用于數控臥式車床等相關類似應用。齊齊哈爾二機床（集團）股份有限公司自行研制CXK61200X100/40重型數控臥式車銑床主軸箱c軸分度系統便依賴于此技術，該系統對主軸分度定位給予了充分對保障，實際應用效果非常顯著，受到客戶信賴。

[參考文獻]

[1]焦衛兵，常雪梅.高精度重型數控機床c軸進給分度裝置消隙結構的研究[C].哈爾濱：第三屆十省區市機械工程學會科技論壇暨黑龍江省機械工程學會年會，2007.

[2]李 宏.實用機床設計手冊[M].沈陽：遼寧科學技術出版社，1999

[3]機床設計手冊編寫組.機床設計手冊第三冊[M].北京：機械工業出版社，1986.