直驅(qū)式A/C軸雙擺角銑頭的扭轉(zhuǎn)剛度*

鄭 鵬 閆 明 孫淑霞 張明遠(yuǎn)

(沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽110178)

雙擺角銑頭是五軸聯(lián)動數(shù)控銑床的核心部件，其結(jié)構(gòu)和性能在很大程度上決定了整臺機(jī)床的性能，是五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床市場競爭的焦點(diǎn)之一［1－3］。根據(jù)傳動方式雙擺角銑頭可以分為以蝸桿傳動為主的機(jī)械式銑頭和力矩電動機(jī)直接驅(qū)動的直驅(qū)式銑頭。機(jī)械式銑頭較早在國內(nèi)開展研究，技術(shù)比較成熟，但是該類銑頭體積大、定位精度低。直驅(qū)式銑頭采用大功率的力矩電動機(jī)直接驅(qū)動，省去了齒輪、蝸桿等中間傳動環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點(diǎn)［4－7］:(1)零部件少，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，體積小，重量輕;(2)降低了傳動件的間隙帶來的傳動誤差;(3)減少了高速傳動引起的振動、磨損、疲勞等機(jī)械故障，提高了銑頭系統(tǒng)的精度保持性。隨著力矩電動機(jī)的價(jià)格逐漸降低，機(jī)械式銑頭將逐漸被直驅(qū)式銑頭代替［8－10］。

設(shè)計(jì)了A/C軸雙擺角銑頭，其中C軸最大扭矩2.394×106N·mm，A軸最大扭矩1.350×106N·mm，C軸扭矩傳遞路線也遠(yuǎn)大于A軸，C軸扭轉(zhuǎn)剛度是該類銑頭設(shè)計(jì)的焦點(diǎn)問題。本文主要計(jì)算銑頭繞C軸的扭轉(zhuǎn)剛度，為該類型銑頭的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供技術(shù)支持。

1 A/C軸雙擺角銑頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)

所設(shè)計(jì)A/C軸雙擺角銑頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示。C軸部分安裝在滑枕內(nèi)部，外殼與滑枕相連，內(nèi)部傳動件可帶動A軸部分繞C軸作±360°的轉(zhuǎn)動，A軸的傳動件可帶動電主軸繞A軸±110°擺動。

為了使C軸輸出較大的扭矩，C軸內(nèi)部并聯(lián)安裝2臺力矩電動機(jī)，每臺力矩電動機(jī)的最大扭矩為1.197×106N·mm，最高轉(zhuǎn)速為60 r/min。在外殼和傳動部件之間裝有液壓抱閘，在銑頭加工平面時(shí)，需要鎖緊C軸傳動部分，這時(shí)在抱閘與殼體之間的空腔中打入5 MPa的高壓油，迫使抱閘發(fā)生彈性變形后抱緊隔套，抱閘能承受的最大摩擦扭矩為4×106N·mm。C軸轉(zhuǎn)動時(shí)扭矩傳遞路線如圖2所示，C軸鎖緊時(shí)扭矩的傳遞路線如圖3所示。

A軸殼體和電主軸套的材料為GS600，彈性模量173 GPa，泊松比 0.27。抱閘材料為ZCuSn10P1，彈性模量 110GPa，泊 松 比0.33。其余零件的材料均為 45鋼，彈性模量 206 GPa，泊松比 0.3。

由于A軸部分可以帶動電主軸繞A軸±110°擺動，從圖2、圖3可以看出，無論是C軸轉(zhuǎn)動還是C軸鎖緊，A軸的擺動狀態(tài)都會影響銑頭整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，下面分別計(jì)算C軸在轉(zhuǎn)動和鎖緊2種狀態(tài)下銑頭的扭轉(zhuǎn)剛度。

2 C軸轉(zhuǎn)動時(shí)銑頭扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算

根據(jù)圖1、圖2建立C軸傳動部件及A軸有限元模型，圖4中A軸處于擺角為0的狀態(tài)。在力矩電動機(jī)的2個(gè)轉(zhuǎn)子上分別均勻施加1.197×106N·mm的扭矩。約束電主軸套的下端面。計(jì)算得到C軸轉(zhuǎn)動時(shí)銑頭整體結(jié)構(gòu)的周向位移(圖5)。

圖5中，A軸最上端的周向位移最大，這是因?yàn)锳軸的扭轉(zhuǎn)半徑較大，而銑頭最上端的扭轉(zhuǎn)角最大。用下式可以把周向位移轉(zhuǎn)化為扭轉(zhuǎn)角:

式中:α為扭轉(zhuǎn)角，″;L為周向位移量，mm;r為對應(yīng)點(diǎn)的半徑，mm。經(jīng)計(jì)算，A軸擺角為0°時(shí)銑頭最大扭轉(zhuǎn)角為 5.751″。

用下式計(jì)算銑頭的扭轉(zhuǎn)剛度GT

式中:T為計(jì)算扭矩。得到此狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)剛度為4.163 ×105N·mm/(″)。

A軸擺動引起銑頭整體結(jié)構(gòu)剛度變化，計(jì)算A軸在多個(gè)狀態(tài)下銑頭整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，得到A軸擺角θ與結(jié)構(gòu)剛度GT的關(guān)系如圖6所示。

可見，A軸擺角增大，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的剛度先降低后升高，A軸擺角為90°時(shí)整體結(jié)構(gòu)的剛度最小，此狀態(tài)下的最大扭轉(zhuǎn)角為5.808″。

3 C軸鎖緊時(shí)銑頭扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算

根據(jù)銑頭的結(jié)構(gòu)(圖1)和C軸傳動時(shí)扭矩的傳遞路線(圖3)，建立 C軸鎖緊時(shí)受扭部位的有限元模型如圖7所示，圖示位置A軸擺角為0。在C軸外殼與滑枕的連接面上均勻施加2.394×106N·mm的扭矩。約束電主軸套的下端面。計(jì)算得到整體結(jié)構(gòu)的周向位移，如圖8。

根據(jù)式(1)、式(2)得到最大扭轉(zhuǎn)角為5.281″，扭轉(zhuǎn)剛度為4.533×105N·mm/(″)。A軸擺動同樣會引起銑頭整體結(jié)構(gòu)的剛度發(fā)生變化，圖9表示C軸鎖緊時(shí)A軸擺角θ與結(jié)構(gòu)剛度GT的關(guān)系。

可見，在C軸鎖緊時(shí)，A軸擺角增大，導(dǎo)致銑頭整體結(jié)構(gòu)的剛度先降低后升高，A軸擺角為90°時(shí)整體結(jié)構(gòu)的剛度最小，此狀態(tài)下的最大扭轉(zhuǎn)角為5.315″。

4 結(jié)語

介紹了自主設(shè)計(jì)的直驅(qū)式、大功率A/C軸雙擺角銑頭的機(jī)械結(jié)構(gòu)，用有限元方法計(jì)算了該銑頭在C軸轉(zhuǎn)動和C軸鎖緊2種工況下的軸向位移，進(jìn)而得到其扭轉(zhuǎn)變形和扭轉(zhuǎn)剛度。A軸的擺動狀態(tài)影響銑頭整體的扭轉(zhuǎn)剛度，計(jì)算得到了A軸擺角與銑頭整體扭轉(zhuǎn)剛度的關(guān)系曲線圖。A軸擺角為0時(shí)，結(jié)構(gòu)的剛度最大，A軸擺角為90°時(shí)整體結(jié)構(gòu)的剛度最小。銑頭在鎖緊時(shí)較傳動時(shí)的剛度大。該計(jì)算可以對銑頭設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供技術(shù)支持。

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