复合磨削中心B轴回转分度装置总体设计*

杜 雄 陈 禹

(上海机床厂有限公司 上海 200093)

数控高精度复合磨削中心是典型的工序复合机床，通过高效地运用现代数控技术将回转零件的外圆、外圆端面、内孔、锥面、曲面、槽、螺纹等多种磨削方式集成在一起，实现工件一次装夹完成多工序磨削的功能，在基准统一的条件下保证工序间的高精度，大大缩减工序间的辅助时间和换型的调整时间，减少机床和夹具数量，缩短加工周期，节约作业面积，显著提高经济利益。

数控高精度复合磨削中心的显著特征是在其砂轮架结构中配置了类似回转工作台的B轴回转分度装置。当今，机床回转工作台的典型机械传动机构有[1-2]：（1）蜗轮蜗杆副；（2）锥齿轮副；（3）滚珠传动副；（4）滚柱凸轮副等。其中蜗轮蜗杆副传动对轮系的传动精度要求高，不然很容易产生背隙，影响传动精度；滚柱驱动副要求元件的制造精度高，装配工艺性较差，导致成本很高。这些回转工作台机构的工作性质与磨削加工所需要的B轴回转分度装置不同，不能直接用于复合磨削中心中。当今主流复合磨削中心产品的B轴分度装置主要有伺服电机驱动鼠牙盘分度装置[3]和力矩电机直接驱动分度装置[4]两种；其中鼠牙盘传动采用的是有限齿数的齿轮，连续分度时结构复杂；而力矩电机直接驱动的B轴分度装置，省去了中间的机械传动环节，空间利用率高并可以连续分度，具有不可比拟的优势。本文充分利用回转工作台的设计理念，对复合磨削中心结构中的力矩电机直接驱动B轴回转分度装置进行总体设计。

1 设计考虑

在磨削加工过程中，力矩电机驱动使砂轮架发生回转到达加工姿态时，其自锁功能一般，为了实现砂轮架在磨削力的作用下不会绕B轴发生转动，一般是需要增设抱闸锁紧装置的。这里先对锁紧装置进行分析，之后对B轴回转分度装置进行总体设计。

2 常见锁紧装置结构分析

由于介绍国内外复合磨削中心B轴回转分度装置的论文不多，那么对其锁紧装置的分析更少，这里主要参考了一些用于其他场合类似的锁紧装置。

图1是一种轴向抱闸的专利锁紧装置[5]。活塞设置在缸内，能够上升和下降，在活塞和缸之间设置有下降用空气室与上升用空气室。在非夹紧状态下，通过图中未指示的电磁阀向上升用空气室送出压缩空气，活塞向上运动；在夹紧状态下，通过上述电磁阀，向下降用空气室送出压缩空气，活塞向下运动，使它与罩盖的摩擦面之间的夹持圆盘产生接触，形成抱闸锁紧。该装置的缺陷在于使用压缩空气夹紧，夹紧力不够大；如果安装多个夹持圆盘进行轴向夹紧，安装空间过大，维修难度高。

图2是一种轴向液压锁紧装置[6]。当工作台通过控制装置以及驱动装置转到所希望的回转位置后，从液压缸b口供油，使夹紧活塞上移，于是使固定板和制动板与液压缸上方部分产生接触，利用它们之间的摩擦力锁紧工作台。当需再次回转工作台，只要从液压缸a口进油使夹紧活塞下降，固定板和制动板脱离即可。该装置的优点是利用液压进行夹紧，夹紧力很大。为了运转的安全，一般制动板和固定板之间的间隙不能太小，这样容易导致在夹紧时固定板的变形过大，变形后的接触较难控制。要是安装多个制动板进行轴向夹紧，安装空间也要求很大，维修难度也大。

图3是一种径向抱闸的气动锁紧装置[7]，当轴转动到一定角度位置后，由供气系统通过第一气孔和第二气孔向弹簧气囊供气，气囊的变形使夹环产生径向变形抱闸而锁紧。

该装置的优点是结构简单，使用元件少；由于使用气囊进行夹紧，其可靠性和夹紧力都值得考虑。

图4是一种能径向和轴向同时抱闸的复合型锁紧装置[8]。当主轴转动一定角度位置后，液压系统进油推动夹紧活塞下移，夹紧活塞下端能够产生弹性变形的第二推压部和第一推压部先后与第一夹紧部的锥面和夹紧盘的端面接触，利用接触面产生的摩擦力而进行锁紧。利用锥面压紧，可以保证回转部分和非回转部分之间的同轴度，是一种较好的锁紧装置。

3 B轴回转分度装置总体设计

B轴分度装置采用力矩电机直接驱动，支承轴承采用滚动轴承或静压轴承两种形式，锁紧装置采用径向轴向同时抱闸的复合锁紧装置，这样有两套总体设计方案选择。

在滚动轴承支承的方案中，如果采用成对的圆锥滚子轴承作为主轴承，就会造成整个装置过高、装配实施困难，建议采用回转工作台中那样的转台轴承作为主轴承。一种常见的转台轴承如图5所示，其轴圈和座圈之间分布有3列圆柱滚子，座圈内侧的圆柱滚子确保轴承具有相当高的回转精度，座圈两端面与轴圈之间的圆柱滚子使轴承具有一定的抗偏载能力。

由于B轴分度装置在加工过程中不仅需要很高的回转精度，而且也要具备很强的抗倾覆能力，上述单一的转台轴承还不能可靠实现，还需增设一组球轴承或滚子轴承，以便于形成两支承结构。考虑到力矩电机占用的轴向空间不小，经构思后形成了图6所示的滚动轴承支承结构方案，将安装锁紧装置的空间位置取在力矩电机和转台轴承之间。

在静压轴承支承方案中，将径向静压轴承的长度稍微增加，端面轴承采用环形闭式导轨结构，那么其抗倾覆能力就非常强。由于静压轴承的回转精度很高，经构思得到图7所示的总体结构设计方案。由于此方案中静压轴承和力矩电机之间的空间利用相当紧凑，不可能在静压轴承和力矩电机之间留出图6所示的安装锁紧装置位置，只能将锁紧装置安装在立柱顶端。这样的方案也有不少优势，它便于锁紧装置的维修和保养。

针对图6和图7两套B轴分度装置总体结构设计方案，结合图4所示的轴向径向抱闸的复合型锁紧装置，将锁紧装置设计成图8所示的结构，其中心定位由轴套的内孔和制动板的下端面与立柱固定连接来实现。为了保证活塞环能够上下移动，在活塞环外圆周设置了轴环。

经过整体构思，将图8所示的锁紧装置配置到图6和图7所示的分度装置中形成了图9和图10所示的整体结构方案。

为了确保锁紧装置的密封可靠和使用寿命，在活塞环内外侧面增加安装4组O型密封圈的环形槽和2组耐磨环的环形槽。为了缓冲液压的冲击，在活塞环的顶部和锁紧环的底部各安装一圈压缩弹簧。此外，为了让锁紧环能实现上下运动，没有将锁紧环轴向固定；另外为了保证锁紧装置锁紧后不发生周向转动，锁紧环内侧设置内花键，再增加一个花键盘零件，花键盘上设置外花键，当花键盘与底座固定连接后，锁紧环只能上下运动。另外为了限制锁紧环向上运动的行程，在花键盘上又设置了轴环，这样确保锁紧环在一定行程内不会脱离活塞环。在图10所示的结构方案中，为了确保活塞套的刚性，在其内部还布置了圆柱滚子轴承。

4 结语

为了满足复合磨削中心的磨削加工需要，根据现有技术的情况，构建了滚动轴承和静压支承两种支承形式的B轴分度装置总体方案，选取轴向径向复合抱闸的锁紧装置作为其锁紧装置；在滚动轴承支承中，转台轴承为主支承，滚动球轴承为辅助支承，锁紧装置布置在转台轴承和电机之间；在静压轴承支承中，锁紧装置布置在立柱顶端，上端布置一个圆柱滚子轴承增加刚性。相关设计思路为复合磨削中心的研发和开发提供了思路，具有进一步推广和应用的价值。