CK6025型车铣复合数控机床的主轴碟刹部件设计.pdf

CK6025 型车铣复合数控机床的主轴碟刹部件设计 引言 在车铣复合数控机床上用到的关键技术-主轴定位锁紧，它的精准性和稳定性影响着车铣复合数控机床的加工精度与整机性能，在整个数控机床结构设计进程中主轴定位锁紧是要重点考虑的一项技术。碟刹部件是在机床加工需锁紧时，主轴在伺服电机制动下，制止在某一个精确位置，碟刹部件进而动作，用锁紧力来夹紧主轴。在主轴锁紧中，主轴不会产生轴向移动和圆周扰动1。一般的定位锁紧装置（碟刹部件），如槽轮机构、棘轮机构和插销式锁紧机构等，不能进行任意连续的分度及实现任意角度定向加工要求，它们在分度时通常仅能将圆周分成数量限制的几个等分角，而且定位精度差。主?S 后置圆锥摩擦锁紧装置要用到弹簧元件，弹簧长期使用易变形，从而影响定位精度。这种结构存在如下缺点：定位工件的精度比较差，很难加工出高精度的工件，且只能配套专机使用，经济效益差等缺点2。通过对比以上锁紧机构的优缺点，为了解决 CK6025 型车铣复合数控机床的主轴定位锁紧难题，研制出一款装配简便、结构紧凑、锁紧稳定的主轴碟刹部件迫在眉睫3。设计 CK6025 型车铣复合数控机床主轴碟刹部件，解决了以往机构设计中定位锁紧费时费力、精确度差和无法实现无级分度定位锁紧等问题，为以后主轴部件结构设计与改造提供了新的思路。1 主轴碟刹部件的结构及原理 当数控机床的主轴在带有 C 轴功能时，须配套碟刹部件。主轴碟刹部件的主要功能分为两类：第一类是在机床进行钻孔、攻丝或铣平面时，用到 C 轴的分度定位功能，并在分度定位后能进行主轴锁紧。第二类是在主轴用 C 轴功能参与插补，对零件连续铣削时，刹车系统低压刹车，此时主轴处于阻尼旋转状态，可以减少主轴振动，提高零件表面的加工质量4。主轴碟刹部件是保证高速精密数控机床加工出高质量零件的必要保障，其设计亦是数控机床主轴上的一项关键技术。1.1 主轴碟刹部件结构 为实现无级分度定位锁紧，此次设计的 CK6025 型车铣复合数控机床实物图如图 1 所示，其碟刹部件结构如图 2、3所示，由作为动力源的薄型油缸 1，作为传动机构的刹车销轴 2，作为夹紧元件的刹车盘 3，油缸座 4，底板 5，分油器6 和液压系统组成，其中刹车销轴是成对使用，对称分布在刹车盘两侧，同时压紧或松开。薄型油缸采用 Chelic 公司的 HCF 系列薄型油缸。主轴碟刹部件作为一种液压夹紧装置，它的工作介质是压力油。2 主轴碟刹部件的设计计算 因为 CK6025 型车铣复合数控机床碟刹部件的动力源由油压缸提供，所以计算所需的数据大部分与油压缸有关。2.1 主轴碟刹部件的制动效能分析 碟刹部件与碟刹部件的摩擦系数、结构特征等相关。分析碟刹部件的制动效能，并经计算获得刹车销轴产生的最大摩擦力、最大摩擦力矩、最大制动力矩、制动效能因素及刹车销轴对刹车盘的压紧力等数据，给碟刹部件的精确设计起到了重要的帮助。表 1 为主轴碟刹部件主要设计参数。2.1.1 最大压紧力和制动力矩的计算 在碟刹部件中，如果刹车销轴的动作表面与刹车盘接触正常，并且接触面处单位压力均匀分布，那么一侧刹车销轴对刹车盘的压紧力为：（1）碟刹部件的制动力矩为：（2）液压制动管路压力小于 14MPa，即，摩擦系数，活塞直径，R 表示作用的半径-刹车销轴中心线到刹车盘圆心的距离，。因此一侧的刹车销轴给刹车盘的最大压紧力是：（3）碟刹部件因锁紧产生的最大制动力矩是：（4）2.1.2 最大摩擦力与摩擦力矩的计算 一侧的刹车销轴产生的最大摩擦力是：（5）一侧刹车销轴的最大摩擦力矩可以表示为该侧最大摩擦力与作用半径的乘积，为刹车盘最大制动力矩的，即：（6）2.1.3 制动效能分析 主轴碟刹部件的制动效能通常用制动效能因素 BF 来衡量，BF 用下列式子表示：（7）式中：fN1、fN2-刹车销轴和刹车盘摩擦副间的摩擦力；P-刹车销轴上的作用力。制动器效能因素主要用于评价不同的结构类型的制动器效能。制动效能因素可用刹车盘的作用半径上产生的摩擦力与输入力之比表示：（8）式中：-制动器的摩擦力矩；R-作用半径；P-刹车销轴上的作用力。主轴碟刹部件在刹车盘的两侧对称设置刹车销轴，其对刹车盘的作用力各为 P，而在刹车盘两侧工作面的作用半径上所受的摩擦力为 2fP，f 表示刹车盘与刹车销轴之间的摩擦系数，因此，碟刹部件的制动因素可表示为：（9）在制动的过程中伴随着热衰退，进而导致摩擦系数变化，而当摩擦系数变化时，BF 值变动较小，制动器的制动效能稳定性就会越好。通过对主轴碟刹部件的制动能效计算分析，结果表明本文设计的主轴碟刹部件满足制动要求。2.2 主轴碟刹部件工作步骤 CK6025 型车铣复合数控机床主轴碟刹部件的工作过程如下：碟刹部件工作时，首先使电磁换向阀处于左位，单向阀保证液压油沿阀体箭头方向正向流动，即在其内部完成推动挡板压缩弹簧打开阀芯，油液顺利通过，反之，则不能通过。接着油液流入薄型油缸左腔，油缸活塞推动刹车销轴右移，继而刹车销轴牢牢压紧刹车盘，使主轴保持静止，最终完成铣削工序。需要松开时，首先使电磁换向阀处于右位，接着油液通过单向阀进入油缸右腔，推动活塞杆向左移动，然后油液顺着油路流入油箱，最后刹车销轴恢复初始位置，松开被压紧的刹车盘。总结 文章设计的主轴碟刹部件有如下特点：a 制动速度快；刹车销轴和刹车盘间隙不大于 2.53.5mm，较好地减少了制动时间。b 制动感良好；因为碟刹部件采用刹车销轴压紧刹车盘的方式，所以可以得到与压紧力成正比的制动力，制动感好。c 热稳定性好；文章设计的主轴碟刹部件结构是开放式的，因此很大程度上解决了摩擦热降低制动效果的问题。d 制动稳定；e 结构紧凑，整体质量轻，安装维护较简便；本次设计的 CK6025 型车铣复合数控机床主轴碟刹部件体积小，通用性强，安装方便，采用液压油作为工作介质，使主轴碟刹部件工作更加稳定、可靠，而且液压油价格便宜，取材方便。综合以上优点得以最终实现机床的无级精确分度定位使得产品加工精度提高，加工质量更好，继而让企业效益得到提升。