幾種數控機床回轉軸的定位夾緊方式-齒輪加工機床網（wǎng）-數控（kòng）機床市場（chǎng）網

您現在（zài）的位置：齒輪加工機床網> 技（jì）術前沿>幾種（zhǒng）數控機床回（huí）轉軸的定位夾緊方式

幾種數控機（jī）床（chuáng）回轉軸的定位夾緊（jǐn）方式

2015-1-21 來源：數控機床市場網作者：沈陽機床研究院張文博劉（liú）春（chūn）時張維官王哲

摘要: 針對（duì）雙擺角數控萬能銑頭和數控轉（zhuǎn）台等實現五軸加工中心回轉進給運（yùn）動的功能部件，對其回轉軸的定位夾緊機構的設計進行了深入的研究，介紹了（le）幾種數控機床回轉軸設計中常用的定位夾（jiá）緊（jǐn）方式（shì），並闡述了各定位夾緊機構在數控機床（chuáng）回轉軸中的設計和應用方法。

關鍵（jiàn）詞: 數控機床回轉軸定（dìng）位夾緊齒盤（pán）夾（jiá）緊套

雙擺角數控萬能銑頭和數控（kòng）轉台是實（shí）現五軸加工中（zhōng）心回轉進給（gěi）功能的關鍵功能部件，不但要為五軸聯動加工（gōng）提供第四軸（zhóu）和第五軸的回（huí）轉進給運（yùn）動，而且要具備固定角度的分（fèn）度定位或任意角（jiǎo）度的定位夾（jiá）緊功能。這是因為在對工件指（zhǐ）定角度（dù）平麵或（huò）定向（xiàng）特征進行定位加工時，僅靠驅動係統和傳動機構通（tōng）常並（bìng）不能滿足（zú）工件所需的定位精度要求。即使定位精度能夠得到保證，當刀具或工件承受較大（dà）切削力時，尤其是（shì）在重切削時，其所處（chù）的回轉軸也將承受較大的切削扭（niǔ）矩，這勢必（bì）會帶來驅動（dòng）電動機發熱量大、傳動機構受力變形和（hé）傳動剛（gāng）度不足而引起刀具或工件振動等問題（tí），從而嚴重影響工件的加工精度（dù）。因此，回轉（zhuǎn）軸中定位夾緊機構（gòu）的應用，不但（dàn）能夠為回轉軸指（zhǐ）定角度加工提（tí）供較高的定位精度（dù），還能夠分散傳動機構定位（wèi）加工時的受力，將力直接傳遞給（gěi）箱體，使驅動係統和傳動機構得到釋放，從而保證回轉軸具有較高的傳動剛性。本文針對雙擺角萬能銑頭（tóu）和（hé）數控轉台回轉軸的定位夾（jiá）緊功（gōng）能，介（jiè）紹了設計中幾種常用的定位夾緊機構，並闡述了回轉進給機構中定位夾緊機構的設計（jì）和應用方法。

1 固定角度的定位夾（jiá）緊機構

1．1 端齒盤式定位夾緊機構

端（duān）齒盤式（shì）定位夾緊機構具有（yǒu）固定角度分度定位功能，通過動齒盤與靜齒盤的脫開、轉位和齧合即可（kě）實現回轉軸的（de）鎖緊和高精度的分度定位。如圖 1 所示，其最小分度單位受齒（chǐ）盤的齒數限製，由於誤差平均（jun1）效應（yīng），齒盤（pán）的齒數越多，定位精度也越高，常用的端齒盤定位（wèi）精（jīng）度（dù）一般可達±2″以上。因（yīn）此，此類機構常用於有固定角度分度（dù）功能的（de）數控轉台、數控刀架和角度頭（tóu）等功能部件（jiàn）的設計中，通（tōng）過齒盤的分度定位功能在某一固定角度來鎖緊回轉軸，實現工（gōng）件某一（yī）固定角度的定位加工。

同時端齒盤還具有傳（chuán）動扭矩大、傳動（dòng）剛性好等特點，設計中為了保證分度定位能夠提供足夠的扭矩和較高的保持剛性，通常通過液壓拉釘或碟簧等機構在軸向方向上對端齒盤施加一定的軸（zhóu）向（xiàng）預緊力來鎖緊動靜齒盤，其受力關係如圖 2 所示。當回轉軸能夠傳遞的最大回轉扭矩為 Tmax時，齒（chǐ）盤在圓周方向上對應的切向力為 Ft，兩者具有以下關係:

式中:d1和 d2分（fèn）別為齒的內徑和外徑。為了在（zài）承受最大回轉扭矩 Tmax時，兩齒盤不脫開，施加的最小（xiǎo）預緊力Fa為（wéi）:

式中（zhōng）:α為齒盤（pán）的齒形角。通過式(1)和式(2)可知（zhī）在設計（jì）夾緊（jǐn）機構（gòu）時，夾緊機構提供的預緊力 F 應滿足（zú）如下關係:

式中:μ 為安全係數，一般（bān）為 1．8 ～3。

目前，齒盤常見的齒形結構主要有直齒、楔形齒和弧（hú）形齒（chǐ） 3 種齒麵，齒形沿圓周向心分布，正常（cháng）接觸後具有自動定心功能和良（liáng）好的互換性，因此，端齒盤（pán）通常還用於銑頭的換頭機構的快速定位連接（jiē）。

本次沈陽機床設計研究院承擔的“十一五” 重大專項項目 AC 軸雙擺角數控萬能銑頭的樣機（jī） MH30fhc，采用的（de）就是端齒盤式分度定位機構來實現 A 軸單元的快換功能。齒（chǐ）盤連接的設計方案替代了傳統的鍵連接傳遞（dì）扭矩，圓錐麵定心的連接方式不僅結構緊湊、連接剛性好，實現了 C 軸單元對 A 軸單元（yuán）的大扭矩傳遞，而且具有定心速度快、定位精度高的特點，很（hěn）好地保證了不（bú）同 A 軸單元和通用 C 軸單元的快速和高精度定位連（lián）接。

1． 2 三齒盤定位（wèi）夾緊機構

三齒盤定位夾緊機構與端齒盤式定位夾緊機（jī）構同屬於固定角度（dù）分（fèn）度定位機構，但兩者分度動作不同，端齒盤在定（dìng）位分度過程中需要動齒盤（pán）和相關的回轉部（bù）件整體相對於靜齒（chǐ）盤（pán）有一定的（de）抬起量，如圖 3 所示。

而三齒盤是通過一公用齒盤的動作間接齧合動靜齒盤，從而達到回（huí）轉（zhuǎn）部件的定位分（fèn）度（dù）的目的，如圖 4 所示。三齒盤的這一結構特性雖然傳動剛度較端齒盤略差，但避免了端齒盤（pán）式（shì）定位夾緊（jǐn）機構在回轉軸的設計應用中（zhōng）整體回轉單元的抬起動作，因此在重載數控（kòng）轉台的設計中具有明顯的優勢，定位速度（dù）快，也能避免回轉機構動作時切屑的（de）進入，如圖（tú） 4 所示。

三齒盤定位夾緊（jǐn）機構與端（duān）齒盤式定位夾緊機（jī）構同屬於固定（dìng）角度分度定位機構，但兩者分度（dù）動作不同，端齒盤在定位分（fèn）度過程中需要動齒盤和相（xiàng）關的回轉部件整體相對於靜齒盤（pán）有一定（dìng）的抬起量，如圖 3 所示。

除此之外，三齒盤定位夾緊機構也（yě）常用於車銑複合加工中心的動力主軸（zhóu）和 B 軸回轉（zhuǎn）機構中（zhōng）來（lái）實現車削加工時動力主（zhǔ）軸車削刀具準（zhǔn）確定位、提高回轉機構的傳動（dòng）剛性和指定角度的強力切削。

2 任意角度的定位夾緊機構

在數控機床回轉軸的設計中，應用齒盤式定位夾緊機（jī）構隻能實（shí）現（xiàn）指定角度和傾斜度的孔（kǒng）或（huò）表（biǎo）麵的定位加工，從（cóng）加工範圍上（shàng）來（lái）講，這限製了數控機床的加工能力。因此，任意角度定位夾緊機構是為了實現工件任意角度加（jiā）工特征的定（dìng）位加工而設計的。由（yóu）於夾緊機構本身並（bìng）不具有分度功能，回轉軸的任意（yì）角度的定位夾緊功能首（shǒu）先需要靠回轉軸的驅動係統（tǒng）、傳動係（xì）統和角度編（biān）碼器組成的閉環結構來實現角度分度定位，分度精度由角度（dù）編碼器決定，再通過夾緊機構對回轉軸定位鎖緊完（wán）成。此類定位夾緊機構不但能夠（gòu）實現回（huí）轉軸回轉範圍內任意角度的分度定位，而且還使回轉（zhuǎn）機構的驅（qū）動係統和（hé）傳動機構得到釋放，將切削力由夾緊係統直接分（fèn）散到箱體，提高了回轉軸分度定位時（shí）的傳動剛性，易於實現（xiàn）大扭矩的定位加工。目（mù）前（qián），常見的任意角度定位（wèi）夾緊機構主要有碟片式（shì）定位夾緊（jǐn）機（jī）構和環抱式定位夾緊（jǐn）機（jī）構（gòu）兩（liǎng）種。

2． 1 碟片式定位夾緊機構

碟片式定位夾緊機構的結構形式很（hěn）多，圖 5 為 Fi-bro 公司轉台的定位夾緊機構。其主要原理是通過活塞對安裝於回轉軸旋轉單元的彈簧碟片施加（jiā）一（yī）定的軸向力（lì），使（shǐ）彈簧碟片與固定環型麵的端麵貼合產（chǎn）生摩擦力（lì），從而達到回轉（zhuǎn）軸定位夾（jiá）緊（jǐn）的目的。碟片式（shì）定（dìng）位夾緊機構可以通過增（zēng）加活塞內介質的壓力以及彈簧碟片的作用麵積，來提高機構的夾緊扭矩。但受空間結構的限製，碟片的作用麵積一般較（jiào）小，因（yīn）此，夾緊扭矩受（shòu）到了限製，目前隻在回轉扭矩（jǔ）小的轉台和（hé）銑頭上得到了應用。

圖 5 為（wéi） Fi-bro 公司轉台的定位（wèi）夾緊機構。其主要原理（lǐ）是通過活塞對安裝於（yú）回轉軸旋轉單元的彈簧碟片施加一定的軸向力，使彈簧碟片與（yǔ）固定環型麵的端麵（miàn）貼合產生摩擦（cā）力，從而達到回轉軸定位夾緊的（de）目的。碟片式（shì）定位夾緊機構可（kě）以通（tōng）過增加活塞內介質的壓力以及彈簧（huáng）碟片的作用麵積，來提高機構的夾緊扭矩。但受空間結構的限製，碟片的作用麵積一般較小，因此，夾緊扭矩（jǔ）受到了限製，目前隻在回轉扭矩小的（de）轉台（tái）和銑頭上得到了應用。

為了增大碟片式夾緊機構的夾緊扭矩，部分廠商嚐試了一種多（duō）碟片式夾緊（jǐn）機構，成倍地增加了（le）摩擦接觸麵積(如圖 6 所示)，從而增大了碟片夾緊的扭矩，較單片碟片式夾緊機構可以達到兩（liǎng）倍以上的夾緊扭矩，取得了很好的效果。

為了增（zēng）大碟片（piàn）式夾緊機構的夾緊扭矩，部分廠商（shāng）嚐試了一種多碟片式夾緊機構，成倍地增加（jiā）了摩擦接觸麵積(如圖 6 所示)，從而增大了碟（dié）片夾緊的扭矩，較單片碟片式（shì）夾緊機構可以達到（dào）兩倍以上的夾緊扭矩，取得了很好的效果。

碟片式定位夾緊機構在設計時（shí）除了考（kǎo）慮（lǜ）到扭矩因素之外，還要考慮夾緊機構在回轉單元中的布置（zhì）位（wèi）置，在（zài）空間允許的條件下，盡量增大刹（shā）車片的作用麵積，且靠近工（gōng）件的受力麵，以提高定位加工（gōng）時結構的傳動剛性。對（duì）於具有對稱特征的回轉（zhuǎn）機構，如雙擺角數控萬能銑頭 A 軸的叉形體結構和雙（shuāng）擺台的搖籃式結構，

夾緊機構最好也對稱布置於機構的兩側。這不但能夠彌補碟片式刹車機構夾緊扭矩小的不足，回轉軸定位夾緊時的保持剛性也會得到改善。除此之外，由於（yú）是軸向受力夾緊機構，設計時還要考慮到機構定位夾緊（jǐn）時（shí）的受力關係，使活塞的夾緊力傳遞到箱（xiāng）體之上，避免台麵浮動而影響（xiǎng）回轉結構（gòu）的穩定（dìng）。

碟片式定位夾緊機構的夾緊動作可以通（tōng）過液壓和氣壓 2 種方式實現。由於液壓夾緊方式很容易獲得較高的壓（yā）力，因此可以獲得更（gèng）大的夾緊扭矩。但相對於液壓夾緊方式來講，氣壓夾緊（jǐn）方式則具有清潔（jié）、可（kě）靠性高和夾緊速度快等優點。

2． 2 環抱式定位夾緊機構

環（huán）抱式（shì）定位（wèi）夾緊是通過夾緊套或環形刹車片在徑向方（fāng）向上作用於旋（xuán）轉軸的圓周表麵，從而產生摩擦扭矩對回（huí）轉軸進行角度定位的夾緊方式。目前常見的環抱式定位夾緊機構主要有液壓夾緊套和（hé）氣壓抱閘 2 種。

液壓夾緊套的工作原理是將油壓在（zài）抱閘套筒壁的密封圈之間毫無損失地轉換成徑向夾緊力，並使套筒內壁作用於回轉（zhuǎn）軸的外圓周表麵，從而產生（shēng）摩擦扭矩的夾緊方（fāng）式，如圖 7 所示。

碟片（piàn）式定位夾緊機（jī）構的夾緊動作可以通過（guò）液壓和氣壓 2 種方式實現。由（yóu）於液壓夾緊方式很容易獲得（dé）較高的壓力，因此可以獲得更大的夾緊扭矩。但相對於液壓夾緊方式來講，氣壓夾緊方式則具有（yǒu）清潔、可靠性高和夾緊速度快（kuài）等優點（diǎn）。

被夾緊的元件（jiàn）在夾緊定位發生時，既不會產生軸向推動，也不會產生扭曲，當油壓完全卸荷，套筒彈回最初（chū）狀態，再次（cì）釋放部件。此類（lèi）夾緊機構的特點是結構緊湊，夾緊扭矩大。其夾緊扭矩可（kě）根（gēn）據下式估算:

式中:T 為實際的夾（jiá）緊扭矩;d 為抱閘內（nèi）壁直（zhí）徑;L 為實際液體壓力的作（zuò）用長度;p 為液體作用壓力;μ 為抱閘與被夾緊件之間的摩擦係數。

圖 8 為我公司（sī）“十一五（wǔ）” 重大（dà）專（zhuān）項 AC 軸雙（shuāng）擺角（jiǎo）數控萬能銑頭項目樣機 MH30fhc 的 C軸回（huí）轉機構。回轉單元主要采用（yòng）力（lì）矩（jǔ）電動機串聯式驅動結構。其夾緊定位機構采用（yòng）的是液壓夾緊套的定位夾（jiá）緊方式，夾緊套的筒壁直接作用於隔（gé）套的外（wài）圓（yuán）周，較直接作用於外（wài）轉（zhuǎn）子表麵具有（yǒu）更大的作用麵積，獲得了（le）理想的夾緊扭（niǔ）矩。將驅動係統和夾緊係統較好地（dì）融合在（zài）了一起（qǐ）。此外，液壓夾（jiá）緊套直接作用於隔套的外圓周（zhōu），而不是作用於力矩電動機的外轉子（zǐ），也（yě）降低了電動機損壞的風險。

由式（shì）(4)可以得出，徑向液壓夾緊方式的夾緊扭矩與抱閘（zhá）的作用麵積、作用壓力以及抱閘和被夾緊麵的摩擦係數成正比。圖（tú） 8 為我公（gōng）司“十一（yī）五” 重大專項 AC 軸雙擺角數控萬能銑頭項目（mù）樣機 MH30fhc 的 C軸回轉（zhuǎn）機構。回轉單元主（zhǔ）要（yào）采用力矩電動（dòng）機串聯式驅動結構。其夾（jiá）緊定位機構（gòu）采用的是液壓夾緊套（tào）的定（dìng）位夾緊方式，夾緊套的筒壁直接作用於（yú）隔套（tào）的外圓周，較直接作用於外轉子表麵具有（yǒu）更大的作用麵積，獲得了理想的夾（jiá）緊扭矩。將驅動係統和夾（jiá）緊係統較好地融合在了一起。此外，液壓（yā）夾緊套直接作用於隔套的外圓周，而不（bú）是作用於（yú）力矩電動機（jī）的外轉子，也降低了電動（dòng）機損（sǔn）壞的風險。

與液壓夾緊（jǐn）套的夾緊（jǐn）方（fāng）式類似，氣動抱（bào）閘（zhá）也是利用環形刹車片作用於回轉軸的圓周表麵，從而（ér）產生摩擦扭矩（jǔ），達到回轉軸定位（wèi）夾緊的（de）目的（de）。

圖 9 為 HEMA 公司的內圓周被動式氣（qì）壓抱閘的（de）原理，OPEN 口通入空氣時，彈簧皮腔彎曲弓起，並連帶引起環形刹車片與（yǔ）回轉軸的分離，回轉（zhuǎn）軸得到釋放，當壓縮彈簧的空氣由 OPEN 口排放或（huò）皮（pí）腔外部（bù）腔體由CLOSE 口充氣增壓時，皮腔得到放鬆並伸展，從而環形（xíng）刹車片夾緊回轉（zhuǎn）軸。氣動抱閘雖（suī）然在大夾緊（jǐn）扭矩的獲得（dé）上效果不（bú）如液壓夾緊套，但其具（jù）有反應速度（dù）快、安（ān）裝簡（jiǎn）單和清潔度高的（de）優點，尤其值得一提的是，此類氣動抱閘本身（shēn）還具有安全夾緊的功能，當係統掉電時，氣源消失，彈（dàn）簧會恢複形變，抱閘自動夾緊回轉軸，能夠（gòu）有效防止係統失去動力後回轉軸由於自身重力或磁力作用產生難以預料的動作造成刀具或工件的損壞。

圖 9 為 HEMA 公司的內圓周被動式氣壓抱閘的原理，OPEN 口通入空氣時，彈簧皮腔彎（wān）曲弓起，並連（lián）帶（dài）引起環形刹車片與回（huí）轉軸的分離，回轉軸得到釋（shì）放，當壓縮彈簧（huáng）的空氣由 OPEN 口排放或皮腔外部腔體由CLOSE 口充（chōng）氣增（zēng）壓時，皮腔得到放鬆並伸展，從而環形刹（shā）車片夾緊回（huí）轉軸。氣動抱閘雖然在大夾緊扭矩的獲得上效果不如液壓夾緊套（tào），但其具有（yǒu）反應速度快、安裝簡（jiǎn）單和（hé）清潔度高的優點，尤其（qí）值得（dé）一提的是，此類氣動抱閘本身還具有安全夾緊的功能，當係統掉電時，氣源消失，彈簧會恢複形變，抱閘自動夾緊回（huí）轉（zhuǎn）軸，能夠有效防止係統失去動力後回轉軸由於自身重力或磁力作用產生難以預料的動作（zuò）造成刀具或工（gōng）件的損壞。

3 結語

定位夾緊機構是實現數控機床回轉軸指定角度定位（wèi）加工功能的關鍵。本文針（zhēn）對銑頭和數控轉台等回轉軸的（de）結構特點，闡述了幾種常用的定位夾緊機構的特點和實（shí）際的（de）設計及應用方法。

目前，這些（xiē）方（fāng）法在國內外（wài）各機床製造廠商（shāng）的（de）產品中得到了廣範應用。但在具體產品的設計過（guò）程中，夾緊機構的（de）選（xuǎn）擇和布置方式千差萬別，各有千秋，所以設計者應該根據實際的設計需要選擇合適的夾（jiá）緊機構實現回轉機構的角度分度定位功能。如在具有車銑複合功能的 B 軸單（dān）元（yuán）的設計（jì）中除了要布置具有任意角（jiǎo）度定位分度功能的夾緊（jǐn）機構外，還要布置能夠滿足車削加工大扭（niǔ）矩（jǔ）、高剛性要求的（de）固定角度分度定位的夾緊機構，兩（liǎng）者並用才能更好地完成機構的車削和銑削加工。

投稿箱：
如（rú）果您（nín）有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦

業界視點（diǎn）

| 更多

行業（yè）數據

| 更多

博文選萃

| 更多