车铣复合加工中心中的锁紧及锁紧力计算*

2011-09-26颜克辉孔祥志罗志久

制造技术与机床 2011年8期

关键词：摩擦片分度刚性

颜克辉孔祥志李焱罗志久李鹏

(沈阳机床设计研究院，辽宁沈阳 110142)

车铣复合加工中心属于五轴联动机床，其至少有3个线性伺服轴和2个回转伺服轴(即X/Y/Z轴和B/C轴)，以及夹持刀具的动力主轴，其中B轴、C轴和动力主轴均需要有锁紧。

1 C轴锁紧及其锁紧力计算

C轴，即绕工件主轴旋转的伺服轴，是具有分度定位和联动功能的工件回转轴。当工件需要在某一角度进行钻孔、攻丝、铣槽或铣平面加工时，需要用C轴的分度定位功能，并要求在分度定位后能进行锁紧，否则切削力会引起振动或位移而影响加工精度。

C轴的锁紧位置分为前锁紧和后锁紧，二者各有利弊。前锁紧是锁紧机构放在主轴前轴承的前端，后锁紧是锁紧机构放在主轴的后端。由于前锁紧的锁紧位置距离加工位置较近，在分度后的定向铣削、钻孔加工中，前锁紧的系统刚性较好，不易产生振动和扭曲。但前锁紧的主轴悬伸长，致使车削刚性减弱;同时，前锁紧的装配调整没有后锁紧方便，这是前锁紧的不利之处。

在我公司设计的一款车铣复合加工中心上，C轴采用的是摩擦片式的前锁紧。图1中，唇型密封圈和定摩擦片把合在固定法兰上，动摩擦片与C轴心轴把合在一起，动摩擦片与固定法兰之间预留0.2 mm间隙，定摩擦片与动摩擦片之间也预留0.2 mm间隙。当唇型密封圈的U型腔通过锁紧进油管路进压力油时，油压通过唇型密封圈使定摩擦片和动摩擦片以及动摩擦片和固定法兰之间间隙消除并产生摩擦力，使C轴心轴与固定法兰锁在一起，完成C轴的锁紧。当不给压力时，摩擦片靠自身的弹性和弹簧的弹力恢复到初始位置。摩擦片的材料选用65Mn，该材料适宜制造较大尺寸的各种扁、圆弹簧，发条，以及其他经受摩擦的零件［1］。

上述摩擦片锁紧机构的锁紧力矩计算为式中:T为锁紧扭矩，N·m;D为唇形密封圈外径，mm;d为唇形密封圈内径，mm;u为摩擦系数，一般取0.1 ～0.15［1］;P 为锁紧进油管路的压力，MPa。

2 B轴锁紧及其锁紧力计算

B轴，即为绕Y轴旋转的伺服轴，是具有分度定位和联动功能的刀具回转轴。当工件需要车削、镗孔或者在某一角度进行钻孔、攻丝、铣槽或铣平面加工时，需要用B轴的分度定位功能，并要求在分度定位后能进行锁紧，否则切削力会引起振动或位移而影响加工精度。

B轴一般有两套锁紧机构。一套是固定角度锁紧(一般为2.5°或5°的整数倍)，另一套是任意角度锁紧。固定角度锁紧是为了满足在指定角度平面强力铣削或定向结构的要求(车削或镗孔)。任意角度锁紧是为了实现任意角度的定向加工要求。

第一，企业审计人员一旦发现被审计企业存在违规违法行为，要对此进行明确界定，根据客观事实来公平合理地划分责任。

固定角度锁紧一般采用三片式端齿盘(简称三齿盘或者鼠牙盘)锁紧，其锁紧扭矩大且可靠，可实现B轴的高刚度和高定位精度。

三齿盘锁紧机构具有以下优点［2－3］:

(2)精度重复性和持久性好。由于工作时齿盘在不断对研，因此使用越久，分度精度的重复性和持久性也就越好，而且精度有可能提高。

(3)高刚性。当凹齿与凸齿啮合在一起时，齿间接触面是均匀连续的，而且所有齿面同时参加啮合，接触面积大，因此能承受较高的载荷而且具有很高的刚性。

(4)结构紧凑，维护简便。如果三齿盘放在B轴轴承前端，则锁紧位置离刀具较近，在进行车削、镗孔和定角度铣削时刀具系统整体刚性好，对加工有利。由于结构的限制，此时的装配调整可能不是很方便;同时，相对于三齿盘放在后面的结构，轴承在B轴中的位置略有靠后，但是对于采用径向、轴向均高刚性混合轴承的B轴的整体刚性几乎没有影响。尤其是对于车铣复合加工中心，这样以车为主，同时2.5°或5°的整数倍定角度加工较多的机床来讲，高的刀具系统刚性和高定位精度尤为重要，所以在B轴设计中，应尽可能地将三齿盘机构布置在B轴的前端。

在我厂设计的一款车铣复合加工中心上，其B轴固定角度锁紧采用的就是三齿盘锁紧机构，其处在B轴轴承前端(图2)。图2中动齿盘与B轴心轴固定在一起，定齿盘与Y轴滑枕固定在一起，当锁紧进油管路有压力油时，锁紧齿盘向左移动与动齿盘、定齿盘啮合，实现B轴锁紧;当脱开进油管路有压力油时，锁紧齿盘向右移动与动齿盘、定齿盘脱离啮合，B轴被释放。为了保护齿盘等零部件，此锁紧机构需要有啮合与脱开的检测装置，以防止误认为锁紧齿盘已到位时进行的操作。

三齿盘的齿形角通常有40°、60°和90°等几种，其中60°最常用。下面以60°齿形角为例，对上述三齿盘锁紧机构的锁紧扭矩进行计算，齿盘啮合处受力如图3［4］:

定齿盘所产生的轴向力:Fa1=Fu1tan30°

动齿盘所产生的轴向力:Fa2=Fu2tan30°

考虑安全系数后所需要的锁紧轴向力:Fa=f(Fa1+Fa2)

式中:T为三齿盘锁紧机构的锁紧力矩，N·m;D1为定齿盘齿圈外径，mm;d1为定齿盘齿圈内径，mm;D2为动齿盘齿圈外径，mm;d2为动齿盘齿圈内径，mm;f为安全系数，取1.8～3.0［4］;P为锁紧进油管路压力，MPa;D为锁紧进油管路腔外径，mm;d为锁紧进油管路腔内径，mm。

由于三齿盘结构只能实现有限角度锁紧，任意角度的锁紧必须用其他方式来实现，此时的锁紧机构类似上述的C轴锁紧机构，只不过需要的锁紧扭矩不一样。三齿盘机构一般处在B轴前端，由于空间结构的限制，此时任意角度锁紧机构只能处在B轴的中间或者后端，在进行加工时刚性可能略差。

3 动力主轴锁紧及其锁紧力计算

动力主轴，即为车铣复合加工中心的铣削主轴，也就是刀具主轴。由于在车削过程中，车刀是非旋转刀具，且需保证准确的中心高，要求动力主轴限制原有的旋转自由度。由于车削过程中主轴受力较大，限制旋转自由度的力相应很大，这种限制只有通过机械方式实现。目前动力主轴常用的锁紧机构为三齿盘锁紧，其在车铣复合加工中心动力主轴中的位置对加工性能有很大影响，通常有两种形式。一种是装在动力主轴前轴承的前端。这样锁紧位置离刀尖点较近，锁紧刚性好，对车削有利，尤其是对重切和振切;另外三齿盘的液压夹紧机构有消振作用，对长刀杆切削有利。另一种是装在动力主轴前轴承的后端，这种形式在铣削时，刀具受力点距主轴前轴承的距离短，有利于铣、镗、钻，对提高镗、铣削刚度，提高表面加工质量十分有利。三齿盘装在动力主轴前轴承前端，装配相对容易;三齿盘装在动力主轴前轴承后端，装配难度较大，且不利于维护［5］。

对于车铣复合加工中心这种以车为主的机床，应尽可能地把三齿盘锁紧机构放在动力主轴前轴承的前端，以有利于车削。动力主轴的三齿盘锁紧机构与上述用于B轴定角度锁紧的三齿盘锁紧机构基本相同;其锁紧力的计算方法同B轴三齿盘锁紧机构的锁紧力计算方法一样，只不过锁紧力大小不同。