几种数控机床回转轴的定位夹紧方式

几种数控机床回转轴的定位夹紧方式

发表时间：2013/4/30 张文博刘春时张维官王哲来源：万方数据

关键字：数控机床回转轴定位夹紧齿盘夹紧套

信息化调查找茬投稿收藏评论好文推荐打印社区分享

本文针对双摆角数控万能铣头和数控转台等实现五轴加工中心回转进给运动的功能部件。对其回转轴的定位夹紧机构的设计进行了深入的研究。介绍了几种数控机床回转轴设计中常用的定位夹紧方式，并阐述了各定位夹紧机构在数控机床回转轴中的设计和应用方法。

双摆角数控万能铣头和数控转台是实现五轴加工中心回转进给功能的关键功能部件，不但要为五轴联动加工提供第四轴和第五轴的回转进给运动，而且要具备固定角度的分度定位或任意角度的定位夹紧功能。这是因为在对工件指定角度平面或定向特征进行定位加工时，仅靠驱动系统和传动机构通常并不能满足工件所需的定位精度要求。即使定位精度能够得到保证，当刀具或工件承受较大切削力时，尤其是在重切削时，其所处的回转轴也将承受较大的切削扭矩，这势必会带来驱动电动机发热量大、传动机构受力变形和传动刚度不足而引起刀具或工件振动等问题，从而严重影响工件的加工精度。因此，回转轴中定位夹紧机构的应用，不但能够为回转轴指定角度加工提供较高的定位精度，还能够分散传动机构定位加工时的受力，将力直接传递给箱体，使驱动系统和传动机构得到释放，从而保证回转轴具有较高的传动刚性。本文针对双摆角万能铣头和数控转台回转轴的定位夹紧功能，介绍了设计中几种常用的定位夹紧机构，并阐述了回转进给机构中定位夹紧机构的设计和应用方法。

1 固定角度的定位夹紧机构

1.1端齿盘式定位夹紧机构

端齿盘式定位夹紧机构具有固定角度分度定位功能，通过动齿盘与静齿盘的脱开、转位和啮合即可实现回转轴的锁紧和高精度的分度定位。如图l所示，其最小分度单位受齿盘的齿数限制，由于误差平均效应，齿盘的齿数越多，定位精度也越高，常用的端齿盘定位精度一般可达±2”以上。因此，此类机构常用于有固定角度分度功能的数控转台、数控刀架和角度头等功能部件的设计中，通过齿盘的分度定位功能在某一固定角度来锁紧回转轴，实现工件某一固定角度的定位加工。

同时端齿盘还具有传动扭矩大、传动刚性好等特点，设计中为了保证分度定位能够提供足够的扭矩和较高的保持刚性，通常通过液压拉钉或碟簧等机构在轴向方向上对端齿盘施加一定的轴向预紧力来锁紧动

静齿盘，其受力关系如图2所示。当回转轴能够传递的最大回转扭矩为咒。时，齿盘在圆周方向上对应的切向力为F。，两者具有以下关系：

目前，齿盘常见的齿形结构主要有直齿、楔形齿和弧形齿3种齿面，齿形沿圆周向心分布，正常接触后具有自动定心功能和良好的互换性，因此，端齿盘通常还用于铣头的换头机构的快速定位连接。

本次沈阳机床设计研究院承担的“十一五”重大专项项目AC轴双摆角数控万能铣头的样机MH30fhc，采用的就是端齿盘式分度定位机构来实现A轴单元的快换功能。齿盘连接的设计方案替代了传统的键连接传递扭矩，圆锥面定心的连接方式不仅结构紧凑、连接刚性好，实现了C轴单元对A轴单元的大扭矩传递，而且具有定心速度快、定位精度高的特点，很好地保证了不同A轴单元和通用c轴单元的快速和高精度定位连接。

1.2三齿盘定位夹紧机构

三齿盘定位夹紧机构与端齿盘式定位夹紧机构同属于固定角度分度定位机构，但两者分度动作不同，端齿盘在定位分度过程中需要动齿盘和相关的回转部件整体相对于静齿盘有一

定的抬起量，如图3所示。

而三齿盘是通过一公用齿盘的动作间接啮合动静齿盘，从而达到回转部件的定位分度的目的，如图4所示。三齿盘的这一结构特性虽然传动刚度较端齿盘略差，但避免了端齿盘式定位夹紧机构在回转轴的设计应用中整体回转单元的抬起动作，因此在重载数控转台的设计中具有明显的优势，定位速度快，也能避免回转机构动作时切屑的进人，如图4所示。

除此之外，三齿盘定位夹紧机构也常用于车铣复合加工中心的动力主轴和B轴回转机构中来实现车削加工时动力主轴车削刀具准确定位、提高回转机构的传动刚性和指定角度的强力切削。

2 任意角度的定位夹紧机构

在数控机床回转轴的设计中，应用齿盘式定位夹紧机构只能实现指定角度和倾斜度的孔或表面的定位加工，从加工范围上来讲，这限制了数控机床的加工能力。因此，任意角度定位夹紧机构是为了实现工件任意角度加工特征的定位加工而设计的。由于夹紧机构本身并不具有分度功能，回转轴的任意角度的定位夹紧功能首先需要靠回转轴的驱动系统、传动系统和角度编码器组成的闭环结构来实现角度分度定位，分度精度由角度编码器决定，再通过夹紧机构对回转轴定位锁紧完成。此类定位夹紧机构不但能够实现回转轴回转范围内任意角度的分度定位，而且还使回转机构的驱动系统和传动机构得到释放，将切削力由夹紧系统直接分散到箱体，提高了回转轴分度定位时的传动刚性，易于实现大扭矩的定位加工。目前，常见的任意角度定位夹紧机构主要有碟片式定位夹紧机构和环抱式定位夹紧机构两种。

2.1碟片式定位夹紧机构

碟片式定位夹紧机构的结构形式很多，图5为Fibro公司转台的定位夹紧机构。其主要原理是通过活塞对安装于回转轴旋转单元的弹簧碟片施加一定的轴向力，使弹簧碟片与固定环型面的端面贴合产生摩擦力，从而达到回转轴定位夹紧的目的。碟片式定位夹紧机构可以通过增加活塞内介质的压力以及弹簧碟片的作用面积，来提高机构的夹紧扭矩。但受空间结构的限制，碟片的作用面积一般较小，因此，夹紧扭矩受到了限制，目前只在回转扭矩小的转台和铣头上得到了应用。

为了增大碟片式夹紧机构的夹紧扭矩，部分厂商尝试了一种多碟片式夹紧机构，成倍地增加了摩擦接触面积(如图6所示)，从而增大了碟片夹紧的扭矩，较单片碟片式夹紧机构可以达到两倍以上的夹紧扭矩，取得了很好的效果。

碟片式定位夹紧机构在设计时除了考虑到扭矩因素之外，还要考虑夹紧机构在回转单元中的布置位置，在空间允许的条件下，尽量增大刹车片的作用面积，且靠近工件的受力面，以提高定位加工时结构的传动刚性。

对于具有对称特征的回转机构，如双摆角数控万能铣头A轴的叉形体结构和双摆台的摇篮式结构，夹紧机构最好也对称布置于机构的两侧。这不但能够弥补碟片式刹车机构夹紧扭矩小的不足，回转轴定位夹紧时的保持刚性也会得到改善。除此之外，由于是轴向受力夹紧机构，设计时还要考虑到机构定位夹紧时的受力关系，使活塞的夹紧力传递到箱体之上，避免台面浮动而影响回转结构的稳定。

碟片式定位夹紧机构的夹紧动作可以通过液压和气压2种方式实现。由于液压夹紧方式很容易获得较高的压力，因此可以获得更大的夹紧扭矩。但相对于液压夹紧方式来讲，气压夹紧方式则具有清洁、可靠性高和夹紧速度快等优点。

2.2环抱式定位夹紧机构