数控机床中功能部件夹紧机构的应用

对数控机床中主轴、铣头和转台用的夹紧机构装置的结构进行了剖析，对夹紧机构的应用分析了利弊。重点对三类功能部件产品用的夹紧机构的实现原理进行了分析，对其应用的优缺点进行研究，阐述了夹紧机构的设计思路及注意事项，为自主设计主轴、铣头和转台等数控机床中的关键功能部件提供了依据。

序言

夹紧机构是数控机床中关键的功能部件之一，主要用于产品位置定位，并提供持续扭矩。当功能部件（旋转部件）不参与角度分度或圆弧插补时，为了保证加工过程中部件不出现角度位移，提高其承受偏载的能力，一般都配有夹紧机构；许多功能部件除了具有多角度连续旋转加工功能之外，还需要能够实现定向、定角度、定位置加工。为了实现这些功能，夹紧机构的合理选择对功能部件极为重要。本文对功能部件夹紧机构的实现原理及结构设计进行详细阐述，同时对各类夹紧方式进行简述，对应用场景进行介绍，对应用优缺点进行说明，为更好地使用夹紧机构提供了依据。本文阐述的数控机床中功能部件产品分为三大类，包括主轴、铣头和转台的夹紧机构（功能部件见图1）。

a）电主轴 b）铣头 c）转台

图1　数控机床中功能部件产品

夹紧机构的定义及主要作用

（1）定义　数控机床中电主轴、转台和铣头的夹紧机构，是确保这些功能部件准确、稳定工作的关键装置。通常通过液压、气动或机械等方式产生夹紧力，将功能部件中旋转部分牢牢固定，在零件加工过程中，使其不产生相对位移，从而实现高精度的加工。

（2）主要作用　由于许多零部件具有多角度平面，需要切削刀具除了能够摆动进行多角度加工之外，还能够实现定向、定角度加工，因此，这样的加工需求就要求旋转类功能部件具有角度分度及定位夹紧的功能。

当突然切断电源或因故障电网突然停电时，电动机的转矩近似为零，若负载转动惯量很大，则电动机容易失控造成事故，这时需要夹紧并制动保证其安全。

夹紧机构分类

（1）机构类型　包括双齿盘定位夹紧、三齿盘定位夹紧、刹车片定位夹紧、U形叉体定位夹紧、碟形弹簧定位夹紧、气动钳夹夹紧和液压夹紧套定

位夹紧等。

（2）夹紧机构抱紧方式　分为主动式夹紧和被动式夹紧。

（3）夹紧实现类型　有抱轴式、抱孔式和夹紧片形式。

（4）夹紧动力源分类　有机械式夹紧机构、液压式夹紧机构、气动式夹紧机构以及电磁式夹紧机构。

主轴夹紧机构应用与研究

4.1 主轴夹紧机构应用

目前研制的主轴产品以电主轴为主。电主轴结构形式简单，结构空间小，因此可使用的夹紧机构的尺寸有限。通常使用主动式液压夹紧机构，选用类型为刹车片定位夹紧和三齿盘定位夹紧的夹紧形式（见图2、图3）。

a）刹车片1

b）圆环式锁紧液压缸

c）刹车片2

d）多点式锁紧液压缸

e）定位夹紧示意

图2　刹车片定位夹紧

a）活塞齿盘

b）固定齿盘

c）旋转齿盘

d）定位夹紧示意

图3　三齿盘定位夹紧　

4.2 三齿盘定位夹紧和刹车片定位夹紧的区别

在设计选用时需要了解两种形式的特性。固定空间下，三齿盘形式锁紧扭矩大，分度精准度可达2″，重复精度高，价格昂贵，结构较复杂，不能自制且对齿的精度要求较高，是国内外较常用的夹紧方式，公司目前使用的有72齿和360齿^[1]。刹车片定位夹紧结构简单，车削时刀尖点容易控制（寻找刀尖点见图４），不需特意调整，可任意角度进行定位，但锁紧扭矩较小。

图4　车削时寻找刀尖点

4.3 夹紧扭矩的计算研究

（1）三齿盘定位夹紧　工作原理为通油夹紧，弹簧回位，必须使用尺寸适合的预紧力使刹车片产生弹性变形，产生足够的摩擦力^[2]。三齿盘受力分析如图５所示，计算如下。

图5　三齿盘受力分析　

F_u＝Fa/tan30° （1）

式中，F_a为轴向力（N）；F_n为法向力（N）；F_u为切向力（N）。

T＝F_u（D＋d）/4 （2）

式中，T为夹紧扭矩（N·m）；D为齿外径（mm）；d为齿内径（mm）。

（2）刹车片夹紧　工作原理为通油夹紧，通油/弹簧回位，必须使用尺寸适合的预紧力拉紧液压缸装置， 弹簧克服摩擦力。

刹车片结构总成如图６所示，刹车盘和刹车片之间有0.5mm间隙，刹车片和石棉摩擦片之间间隙通过摩擦片厚度来调节。

图6　刹车片结构总成

F_u＝（μ₁＋μ₂）F_a （3）

式中，F_u为摩擦力（N）；μ₁为刹车片和石棉摩擦片摩擦系数；μ₂为刹车盘和刹车片摩擦系数；Fa为轴向力（N）。

T＝F_u（D＋d）/4 （4）

式中，T为夹紧扭矩(N·m)；D为接触面外径（mm）；d为接触面内径（mm）。

两种夹紧方式可以按照以上公式进行机械结构设计，并计算已知轴向力，通过轴向力计算出切向力（摩擦力），再计算出能达到的夹紧扭矩。需注意的是，一定要考虑安全系数v，一般v取1.8～3.0 ^[3]。

转台夹紧机构应用与研究

1）针对整体式轴承座的结构特点及加工难点，制定了合理的工艺方案，解决了深窄型腔加工难题，成功试制了合格成品零件。

2）通过利用ANSYS仿真软件及分体模拟件对刀具、切削用量进行验证与摸索，减少了刀具试制次数，缩短了试制周期，节约了试制成本。

3）带加强筋瓦块式焊接式硬质合金车刀对解决深窄型腔的加工具有良好效果，也为类似结构零件的加工提供了一种工艺方案。

5.1 转台夹紧机构应用

目前公司研制的转台产品有直驱式单轴转台和直驱式双轴转台，直驱式转台结构形式简单，结构空间大，所需夹紧扭矩大^[4]。

产品中使用被动式液压夹紧机构，选用类型为刹车片定位夹紧形式（见图7）。

图7　液压刹车片结构

产品中使用气动钳夹的结构形式来满足使用要求（见图8），分为主动式夹紧和被动式夹紧。气动钳夹主动式和被动式锁紧方式中分别有抱孔式和抱轴式，也就是气动钳夹的外圆或内孔作为接触面进行锁紧。

图8　气动钳夹结构

5.2 液压夹紧工作原理

液压刹车片夹紧结构主要为被动式夹紧。没有外力作用的情况下为夹紧状态，将夹紧盘、刹车片和底盘支撑套三个件拉紧，产生摩擦力，实现足够大的扭矩。夹紧动力源为多片多组碟簧产生，油腔内通油克服碟簧夹紧力夹紧打开，进行旋转动作，夹紧机构如图9所示。

图9　转台刹车片夹紧机构示意

5.3 气动钳夹夹紧工作原理

气动钳夹功能通过内部弹簧装置进行夹紧。

（1）被动式夹紧 当弹簧皮腔的内部压缩空气被排放，或者弹簧皮腔的外部缸体被充气增压后，弹簧皮腔得到放松伸展并径向压紧钳夹装置的内圆周和外圆周的轴向接触面，整个钳夹元件将在钳夹的接触面范围内产生弹性形变，并随之夹紧轴体。

（2）主动式夹紧　通过对弹簧皮腔的内部充入4个或6个大气压的压缩空气，或者排放弹簧皮腔外部缸体内的压缩空气，将会使弹簧皮腔发生弯曲弓起，并连带引起钳夹系统内外圆周接触面之间距离的缩短，实现夹紧动作。

另外，在夹紧状态下，还可以通过对弹簧皮腔外部缸体充入附加的4个或6个大气压的压缩空气得到附加的增压效果，提高钳夹力。

5.4 气动钳夹定位夹紧和刹车片定位夹紧的区别

转台的结构空间大，夹紧结构容易实现，自制或者外购夹紧机构均可使用。

（1）液压刹车片夹紧　可自制，成本低，夹紧扭矩较大；结构复杂，油腔结构故障率高，易漏油，反应速度慢，需加较长的延长时间，安装位置与轴承距离较远。

（2）气动钳夹夹紧 外购产品，价格和货期不可控；通气松开或夹紧，反应速度快，结构实现简单，占用空间小，安装位置与轴承距离较近；使用条件严格，要求环境温度最低为10℃， 最高为45℃，工作压力严格，压缩空气过滤等级在40μm以下。

铣头夹紧机构特点与应用

目前研制的直驱式铣头产品有单摆头和双摆头，铣头结构形式复杂，结构空间小，多轴耦合在一起，因此使用的夹紧机构的尺寸有限。双摆头通常使用主动式液压夹紧机构，单摆头通常使用被动式气动钳夹夹紧机构；还有一款单摆头使用了U形叉体定位夹紧的方式。

目前铣头上用的气动钳夹多数使用于单摆铣头（见图10），和转台上应用的方式相同。

图10　单摆头气动钳夹夹紧机构示意

6.1 液压夹紧套介绍及工作原理

目前使用的液压夹紧套均为德国Kostyrka锁紧装置（见图11），用于旋转运动定位夹紧的运动件锁紧装置一共分为3类，分别是内夹式、外夹式和端面夹紧式。在使用时可选择单法兰型液压夹紧套、双法兰型液压夹紧套。

工作原理为：液压夹紧套锁紧装置由弹性较强的铜合金构成，在铜合金的内侧或外侧置有可以通入压力油的储油槽，储油槽的四周设有密封装置。当储油槽中通入压力油时，铜合金对运动件的定位夹紧；当去除压力油时，铜合金通过弹性变形进行复位，从而解除对运动件的锁紧^[5]。

a）内夹式和外夹式锁紧套

b）端面式锁紧套

图11　德国Kostyrka锁紧装置

6.2 液压夹紧套使用要求及应用

1）应当保证其与壳体及被夹紧轴的配合公差均为H7/g6。

2）被夹紧轴/面的硬度应当＞25HRC。

3 ）被夹紧轴 / 面的表面粗糙度值应当满足Ra≤1. 6μm 的要求，不宜过高或过低。

4 ）应当保证该尺寸链的封闭环同轴度≤0.03mm。

5）轴向控制尺寸，控制预紧，压力大时间隙不宜过大或过小。

6.3 工作应用

液压夹紧套端面夹紧机构和双向夹紧机构如图12、图13所示。

图12　液压夹紧套端面夹紧机构示意

图13　液压夹紧套径向夹紧机构示意

液压夹紧套依靠高压油使其薄壁结构变形，与被夹紧件贴合产生摩擦扭矩实现制动（见图14），其锁紧扭矩计算公式如下。

图14　液压夹紧套夹紧机构示意

M_d= d（ L－a）πpμd /2　　 （5）

式中，M_d为锁紧扭矩（N · m）；d为夹紧套直径（m m）；L为夹紧套轴向长度（m m）；p为液压油压力（N）；μ为摩擦因数；a为法兰轴向长度（mm）。

从式（5）中可以看出：锁紧扭矩Md主要取决于夹紧套的直径d、液压油压力p、夹紧套工作长度L－a以及摩擦因数μ，增大夹紧套的直径、工作长度及液压油压力可增大锁紧扭矩。需要注意的是，一定要考虑安全系数，一般v取1.5～3。

6.4 液压夹紧套的优缺点

双摆铣头的结构空间紧凑，需要的夹紧机构的结构较特殊。

1）夹紧扭矩较大，锁紧常用扭矩从4000N·m到30000N·m，国内已有使用胀套高达100000N·m。

2）结构简单，占用空间小，反应速度较快，需加夹紧延时。

3）夹紧角度随意定位，定心精度高且重复性好。

4）具有夹紧面积大、夹紧扭矩大及夹紧状态稳定可靠等特点，能够提供足够的支撑刚性。

5）易变形，安装面容易摩擦，零件安装精度需控制在0.01mm左右。

6）锁紧扭矩过大时，需要考虑被夹紧零件和支撑零件的壁厚是否会因胀紧力过大而引起变形。

结束语

综上所述，夹紧扭矩主要由摩擦力产生，想要达到更大的夹紧扭矩，需增大摩擦力和扭矩、增大接触面积、增大夹紧压力或者弹簧力。通常情况下，设计夹紧的扭矩为电动机转矩的2倍，设计结构紧凑，应用中考虑调节、装配方便，可为公司带来更高的经济效益。需根据使用的工况、结构形式及体积大小等不同，选用不同结构的夹紧机构。需要注意一定要考虑安全系数，一般取1.5～3。