气压常闭型钳制器关键部件的仿真计算分析

2018-06-03曹鹏杰关景开

机电工程技术 2018年5期

曹鹏杰，关景开

（广东高新凯特精密机械股份有限公司，广东江门 529100）

滚动直线导轨副用钳制器是精密机床升级的革命性产品，它是由主体、动力部件、钳制部件和接触部件等组成，与滚动直线导轨副配套使用的高性能功能部件[1]。该系列产品具有如下总体特点：一是安全可靠、强大的钳制力；二是安装方便，无需更改工作台尺寸；三是快速反应，起到保护机床的作用[2]；四是持久耐用，表面特殊处理，防锈性能好；五是设计新颖，避免钳紧时产生刚性冲击。

气压常闭带刹车型是通过弹簧储能作用于楔形块进而实现钳制和快速刹车，适合于长时间钳制固定工作台的设备，也可在垂直轴或直线电机驱动装置断电时刹车保护。

图1 气压常闭钳制器

气压常闭型钳制器（如图1）的关键部件的设计就是指产生钳制力的弹簧的选择和计算以及气缸活塞的受力变形仿真模拟，下面以空压常开带刹车钳制器一种规格为例，设计计算弹簧的选型和活塞受力分析[3]。

1 弹簧力的计算

设计时设定的空压钳制器的最小钳制力为：N＝3 000 N；取钳制器与导轨之间的摩擦系数为：μ＝0.15；则钳制器的夹紧力为2F＝N/μ，F≈11 480 N；根据钳制器楔形块的斜边放大效果计算公式：F＝P/tanθ，θ＝3h（楔形块的角度设计为3度）[4]，则可以推算出弹簧的总推力需要达到：P＝524 N，考虑到此力为最低临界推力，而实际上由于活塞在主体内位移的不确定性，所以初始设计推力取P＝600 N。

2 弹簧的数量确定

当弹簧数量为1根时，则这根弹簧在受压后要达到的推力为600 N，据此对加载活塞进行受力分析，如图2（活塞材料为黄铜）。

图2 活塞受力变形图

由图2可以看出当活塞只受1根弹簧的推力600 N时，活塞的最大变形量为3.37 μm。当弹簧数量为两根时，则两根弹簧在受压后要达到的总推力为600 N，据此对加载活塞进行受力分析，由图2可以看出当活塞只受2根弹簧的推力600 N时，活塞的最大变形量为2.602 μm。通过以上对比得知，活塞在相同的推力下，受两根弹簧比受一根弹簧的推力情况下变形位移更小，考虑活塞及弹簧的寿命，因此设计采用两根弹簧，根据钳制器的内部结构，弹簧采用一大一小结构，内外套合，两弹簧合力为600 N。

3 弹簧设计选型

根据已设计好的钳制器尺寸结构，可知两根弹簧的最大压紧长度：大弹簧为28.3 mm，小弹簧为27.8 mm。大弹簧的外径为21 mm，选取簧丝直径为3 mm，圈数n＝8，材料为弹簧刚弹性模量为8 104，旋绕比C＝6.67＞4，则根据弹簧刚度计算公式：

可得大弹簧的刚度为17 N/mm；设大弹簧的推力为350 N，则其压缩位移为20.5 mm，则弹簧的总长度为20.5+28.3＝48.8（mm），取H＝50 mm。则大弹簧的规格为3 18 50（mm×mm×mm）；小弹簧的外径为14 mm，线径为2 mm，圈数为10.5，则刚度为8.5 N/mm，小弹簧的推力为250 N，则其压缩位移为29 mm，则弹簧的总长度为29+27.2＝59.05（mm），取H＝60 mm。则小弹簧的规格为2 12 60（mm×mm×mm）（根据机械设计弹簧标准设计GBT 2089-2009相关计算所得）[5]。此标准适用于弹簧负荷及循环次数≤105次的情况下，若要达到钳制器设计的一百万次使用要求，则需特殊定制。