Kostyrka運(yùn)動(dòng)件鎖緊裝置在機(jī)床旋轉(zhuǎn)類功能部件中的應(yīng)用*

高秀峰 孫 璐

(①沈陽(yáng)機(jī)床(集團(tuán))設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧沈陽(yáng)110142;(②沈陽(yáng)鐵路局沈陽(yáng)通信段，遼寧沈陽(yáng) 110020)

旋轉(zhuǎn)類功能部件是機(jī)床功能部件的核心部件，如銑頭、轉(zhuǎn)臺(tái)、刀架等部件一直是多軸聯(lián)動(dòng)加工中心的核心部件，常用于加工具有復(fù)雜型面的精密零部件。由于許多零部件具有多角度平面，需要切削刀具除了能夠擺動(dòng)進(jìn)行多角度加工之外，還能夠?qū)崿F(xiàn)定向定角度加工，因此，這樣的加工需求就要求旋轉(zhuǎn)類功能部件應(yīng)當(dāng)具有角度分度及定位夾緊的功能。為了實(shí)現(xiàn)角度分度及定位夾緊的功能，國(guó)內(nèi)外各生產(chǎn)企業(yè)通常采用的方法有［1－3］:雙齒盤定位夾緊、三齒盤定位夾緊、剎車片定位夾緊、U形叉體定位夾緊、碟形彈簧定位夾緊和液壓夾緊套定位夾緊等方法。由于液壓夾緊套具有夾緊面積大、夾緊扭矩大、夾緊狀態(tài)穩(wěn)定可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)床旋轉(zhuǎn)類功能部件中得到了日益廣泛的應(yīng)用。而在液壓夾緊套的生產(chǎn)企業(yè)中，只有德國(guó)Kostyrka的各項(xiàng)技術(shù)最為成熟，在國(guó)內(nèi)外各機(jī)床企業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 Kostyrka運(yùn)動(dòng)件鎖緊裝置

德國(guó)Kostyrka是一家專業(yè)生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)件鎖緊裝置的世界頂級(jí)供應(yīng)商。在車床刀架、加工中心的銑頭與轉(zhuǎn)臺(tái)、壓力機(jī)的運(yùn)動(dòng)橫梁、沖剪機(jī)床的壓緊板材機(jī)構(gòu)、夾具系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)桿等場(chǎng)合有著非常廣泛的應(yīng)用。

Kostyrka運(yùn)動(dòng)件鎖緊裝置可以用于直線運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的夾緊。在機(jī)床功能部件的應(yīng)用當(dāng)中，大部分則被用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的定位夾緊。

Kostyrka用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)定位夾緊的運(yùn)動(dòng)件鎖緊裝置一共分為3類(圖1)，分別是單法蘭型液壓夾緊套、雙法蘭型液壓夾緊套與液壓夾緊環(huán)。

1.1 Kostyrka運(yùn)動(dòng)件鎖緊裝置的工作原理

Kostyrka運(yùn)動(dòng)件鎖緊裝置由彈性較強(qiáng)的銅合金構(gòu)成，如圖2及圖3所示，在銅合金的內(nèi)側(cè)或外側(cè)置有可以通入壓力油的儲(chǔ)油槽，儲(chǔ)油槽的四周置有密封裝置，當(dāng)儲(chǔ)油槽中通入壓力油時(shí)，銅合金通過(guò)彈性變形實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)件的定位夾緊;當(dāng)去除壓力油時(shí)，銅合金通過(guò)彈性變形進(jìn)行復(fù)位，從而解除對(duì)運(yùn)動(dòng)件的鎖緊。

1.2 Kostyrka運(yùn)動(dòng)件鎖緊裝置鎖緊扭矩經(jīng)驗(yàn)公式

單法蘭型液壓夾緊套夾緊扭矩經(jīng)驗(yàn)公式為

式中:Md為夾緊扭矩;d為被夾緊軸直徑;L為夾緊套軸向長(zhǎng)度;a為法蘭軸向長(zhǎng)度;P為壓力油壓力;u為摩擦系數(shù)。式(1)用于單法蘭型夾緊套，式(2)用于雙法蘭型夾緊套。

如圖4所示，液壓夾緊環(huán)夾緊扭矩經(jīng)驗(yàn)公式如為

式中:FK為摩擦力;FGA為反作用壓力;μA為A面的摩擦系數(shù);d為液壓夾緊環(huán)內(nèi)外徑的平均直徑。

1.3 Kostyrka運(yùn)動(dòng)件鎖緊裝置使用原則

Kostyrka運(yùn)動(dòng)件鎖緊裝置在使用過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)遵循以下原則。

1.3.1 安裝配合原則

(1)單/雙法蘭型液壓夾緊套在安裝之后，應(yīng)當(dāng)保證其與殼體及被夾緊軸的配合公差均為H7/g6。若配合間隙過(guò)小，則不僅增加了工件的加工難度，還增加了裝配體的裝配和調(diào)試難度;若配合間隙過(guò)大，則極有可能發(fā)生夾緊扭矩不足或定位夾緊時(shí)被夾緊軸出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象。

(2)液壓夾緊環(huán)可以安裝到被夾緊軸上或靜止的殼體上，在安裝之后，應(yīng)當(dāng)保證夾緊面與被夾緊面之間的間隙為0.1 mm。若間隙過(guò)小，則有可能發(fā)生夾緊面與被夾緊面之間的摩擦現(xiàn)象;若間隙過(guò)大，為了保證夾緊扭矩而增大壓力油的壓力，則有可能發(fā)生銅合金由于變形過(guò)大而產(chǎn)生塑性變形，最終不能復(fù)位的現(xiàn)象。

1.3.2 被夾緊軸/面的技術(shù)要求

(1)被夾緊軸/面的硬度應(yīng)當(dāng)＞25 HRC，否則，被夾緊面容易產(chǎn)生壓饋失效;同時(shí)，還應(yīng)具有足夠的被夾緊剛度，避免夾緊變形。

(2)被夾緊軸/面的表面粗糙度應(yīng)當(dāng)滿足Ra≤1.6 μm的要求。表面若太光滑，則增加了單件的加工成本;若太粗糙，則減少了夾緊面與被夾緊面之間的接觸面積，減小了夾緊扭矩，并加劇了液壓夾緊套的磨損，降低了使用壽命。

(3)單/雙法蘭型液壓夾緊套夾緊的旋轉(zhuǎn)軸在精度設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證該尺寸鏈的封閉環(huán)同軸度≤0.03 mm。

1.3.3 單/雙法蘭型液壓夾緊套安裝時(shí)的預(yù)緊原則

單/雙法蘭型液壓夾緊套兩端的密封區(qū)域并不能用于傳遞夾緊扭矩，在軸向力的作用下，有可能會(huì)發(fā)生軸向移動(dòng)而加速密封圈的磨損。因此，在安裝單/雙法蘭型液壓夾緊套時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行預(yù)緊。

(1)單法蘭型液壓夾緊套由于只有一個(gè)法蘭，因此，不能對(duì)其進(jìn)行軸向拉長(zhǎng)預(yù)緊。當(dāng)壓力油壓力較小時(shí)，由于軸向力較小，因此可以不進(jìn)行預(yù)緊。但當(dāng)壓力油壓力＞100 MPa時(shí)，在殼體靠近單法蘭型液壓夾緊套無(wú)法蘭的一側(cè)應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)凸臺(tái)，凸臺(tái)與單法蘭型液壓夾緊套的軸向間隙＜0.5 mm，當(dāng)單法蘭型液壓夾緊套發(fā)生軸向移動(dòng)時(shí)，可以依靠凸臺(tái)阻止其移動(dòng)。

(2)雙法蘭型液壓夾緊套的預(yù)緊遵循著軸向長(zhǎng)度0.03%的軸向拉長(zhǎng)預(yù)緊原則。為實(shí)現(xiàn)精確預(yù)緊，可以采取殼體軸向長(zhǎng)度與單法蘭型液壓夾緊套配置配合的方式。若產(chǎn)品的批量較大，為提高生產(chǎn)效率，也可以采取殼體軸向長(zhǎng)度公差為(0，－0.05)mm，單法蘭型液壓夾緊套軸向長(zhǎng)度公差為(0，－0.1)mm的方法實(shí)現(xiàn)近似軸向拉長(zhǎng)預(yù)緊。但非常值得注意的是，雙法蘭型液壓夾緊套在軸向預(yù)緊后，內(nèi)徑會(huì)有少量的減小，如圖5所示。為了保證夾緊面與被夾緊面之間的H7/g6配合間隙，應(yīng)當(dāng)對(duì)被夾緊軸的尺寸鏈誤差進(jìn)行嚴(yán)格的精度誤差設(shè)計(jì)。

1.3.4 單/雙法蘭型液壓夾緊套調(diào)試原則

(1)在正式通入壓力油之前，應(yīng)當(dāng)先排除單/雙法蘭型液壓夾緊套儲(chǔ)油槽中的殘留空氣。若不排除殘留空氣，則儲(chǔ)油槽在通入壓力油的過(guò)程中，殘留空氣由于液化散熱會(huì)嚴(yán)重?zé)齻麅?chǔ)油槽兩側(cè)的密封圈。在排除殘留空氣時(shí)，無(wú)論單/雙法蘭型液壓夾緊套是立式放置還是臥式放置，均應(yīng)當(dāng)遵循下入上出的原則，如圖2。

(2)在排除儲(chǔ)油槽內(nèi)部的殘留空氣之后，為了保證夾緊面與被夾緊面在全部夾緊區(qū)域配合間隙均勻，應(yīng)當(dāng)首先將液壓夾緊套的安裝螺釘不完全緊固，在通入壓力油使被夾緊軸定位夾緊之后，再將液壓夾緊套的安裝螺釘全部緊固，從而通過(guò)通油夾緊方式實(shí)現(xiàn)夾緊面與被夾緊面在全部夾緊區(qū)域配合間隙的均勻性。

2 Kostyrka運(yùn)動(dòng)件鎖緊裝置在機(jī)床旋轉(zhuǎn)類功能部件中的應(yīng)用

在機(jī)床旋轉(zhuǎn)類功能部件中，轉(zhuǎn)臺(tái)與銑頭占有極其重要的地位，此類關(guān)鍵功能部件我國(guó)一直主要依賴進(jìn)口。下文以我公司自主研發(fā)的直驅(qū)式雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)以及某公司生產(chǎn)的銑頭為例，詳細(xì)說(shuō)明Kostyrka運(yùn)動(dòng)件鎖緊裝置在機(jī)床旋轉(zhuǎn)類功能部件中的應(yīng)用特點(diǎn)。

2.1 雙法蘭型液壓夾緊套在雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)中的應(yīng)用

圖6所示為我公司自主研發(fā)的直驅(qū)式雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)，A/C軸均由外轉(zhuǎn)子力矩電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，具有優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性及運(yùn)轉(zhuǎn)精度，被廣泛的應(yīng)用于中、小規(guī)格立式及臥式五軸聯(lián)動(dòng)加工中心上。

以C軸為例說(shuō)明雙法蘭型液壓夾緊套在雙軸轉(zhuǎn)臺(tái)中的應(yīng)用特點(diǎn)。如圖7所示，雙法蘭型液壓夾緊套安裝在C軸殼體上，依靠?jī)?nèi)壁對(duì)連接在工作臺(tái)上的力矩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行夾緊。由于液壓夾緊套與力矩電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子之間接觸面積大，因此，此類定位夾緊方式具有夾緊扭矩大、夾緊狀態(tài)穩(wěn)定與可靠、夾緊剛度高等諸多優(yōu)點(diǎn)。該種結(jié)構(gòu)為多個(gè)廠家所采用。

2.2 液壓夾緊環(huán)在銑頭中的應(yīng)用

銑頭是中、大規(guī)格多軸聯(lián)動(dòng)加工中心的關(guān)鍵功能部件，被廣泛地應(yīng)用于立式、臥式、龍門式及車銑復(fù)合多軸聯(lián)動(dòng)加工中心上。銑頭從結(jié)構(gòu)上而言，可以分為單軸銑頭與雙軸銑頭;從驅(qū)動(dòng)方式而言，可以分為機(jī)械式銑頭與直驅(qū)式銑頭。

如圖8所示，以某公司生產(chǎn)的機(jī)械式單軸銑頭為例，說(shuō)明液壓夾緊環(huán)在銑頭中的應(yīng)用特點(diǎn)。銑頭擺動(dòng)軸由滑枕內(nèi)的動(dòng)力通過(guò)齒輪系進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，銑頭驅(qū)動(dòng)齒輪配置在銑頭的右側(cè);銑頭配置的主軸為機(jī)械主軸，主軸同樣是由滑枕內(nèi)的動(dòng)力通過(guò)齒輪系進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，機(jī)械主軸驅(qū)動(dòng)齒輪配置在銑頭的左側(cè);為了實(shí)現(xiàn)對(duì)擺動(dòng)軸的穩(wěn)定與可靠的定位夾緊，銑頭采取雙側(cè)夾緊的方案，液壓夾緊環(huán)被同時(shí)布置在銑頭的兩側(cè)，并呈對(duì)稱布置。與常規(guī)方案不同，圖8中的液壓夾緊環(huán)是安裝在與機(jī)械主軸同步擺動(dòng)的擺動(dòng)部件上，通入壓力油后對(duì)銑頭殼體進(jìn)行夾緊，從而實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)軸的定位夾緊。

3 結(jié)語(yǔ)

Kostyrka運(yùn)動(dòng)件鎖緊裝置由于具有夾緊面積大、夾緊扭矩大、夾緊狀態(tài)穩(wěn)定與可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，在機(jī)床旋轉(zhuǎn)類功能部件中得到了日益廣泛的應(yīng)用。通過(guò)分析Kostyrka旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件鎖緊裝置的分類形式、定位夾緊的工作原理、鎖緊扭矩的經(jīng)驗(yàn)公式、鎖緊裝置的使用原則，并詳細(xì)介紹了其在機(jī)床旋轉(zhuǎn)類功能部件中的應(yīng)用特點(diǎn)，為國(guó)內(nèi)機(jī)床旋轉(zhuǎn)類功能部件制造企業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)提供了非常有價(jià)值的借鑒意義。

［1］林劍峰，閆明，鄭鵬，等.直驅(qū)式A/C軸雙擺角銑頭模態(tài)分析［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2010，34(4):61－63.

［2］林劍峰，閆明，鄭鵬，等.直驅(qū)式雙擺角銑頭C軸傳動(dòng)部分有限元分析［J］.機(jī)械傳動(dòng)，2010，34(5):59－61.

［3］尤國(guó)強(qiáng)，張立瑩，夏曉平.一種經(jīng)濟(jì)型端齒盤數(shù)控回轉(zhuǎn)臺(tái)［J］.機(jī)械工程師，2001(6):12－13.