摆头力矩电动机夹紧机构设计及优化分析

蔡春刚 任志辉 冷 磊 贺行健 杜长林

(大连光洋科技工程有限公司，大连辽宁 116600)

为了增加摆头高速切削和重切削的能力，并防止在加工过程中机床或系统异常掉电以致摆头失控损坏被加工工件，摆头的A、C轴力矩电动机必须提供夹紧功能。

1 C轴力矩电动机夹紧机构设计

目前，成熟的夹紧方案主要有如下2种:

(1)对旋转体的外圆柱面夹紧

这种夹紧方案主要特点是:①周向夹紧比较稳定，夹紧之后不容易产生偏斜;②夹紧面积可以很大，从而夹紧力矩可以做到很大，有利于提高整个部件的切削刚性;③圆柱面夹紧机构方式安装和调整比较方便;④夹紧套(即夹紧的执行部件)制造精度要求较高，工艺难度较大。这种技术方案是直驱式摆头、直驱式回转工作台及车铣复合用电主轴上应用比较多的方案。

(2)对旋转体的端面夹紧

这种机构类似于汽车的刹车盘，但具体的结构有所不同。这种结构主要应用在直驱回转工作台上，这是因为一般机床的回转工作台体积较大，这就方便了端面夹紧机构的设计，也可以把夹紧力矩做到很大。但它的难度在于夹紧机构的制造精度要求较高，安装和调整也比较困难。

鉴于上述特点和直驱式摆头的内部结构特点，我们采用第一种夹紧方案。图1所示是专为摆头C轴设计的夹紧套的实物照片。其夹紧原理如图2所示。该结构通过液压油由进油孔进入到油腔，此时回油孔封死，油腔内的液压油压力达到一定程度以后，迫使夹紧套产生弹性变形并紧密贴合电动机转子，使夹紧套和电动机转子的结合面间产生接触压力从而产生足够大的摩擦力，完成力矩电动机的刹车制动及夹持作用。夹紧扭矩可由下式估算获得:

式中:Md为作用在外径为d的回转体上的夹紧扭矩，N·m;L为有效夹紧长度，m;p为液压油的压力，Pa;μ为摩擦系数，根据我们的材料特性，取0.07～0.12。

利用有限元方法对夹紧套进行强度与刚度的考核。根据其工作原理，夹紧套必须工作在其材料的弹性极限范围，以此为条件来优化其结构，最终确定夹紧套与被夹持体——电动机转子之间的配合公差。

2 C轴力矩电动机夹紧套机构优化

图3所示为根据外圆柱面夹紧原理设计的一种夹紧套(如图4所示)和被夹紧转子配合(下称方案一)在最大允许油压为6 MPa作用下的应力分析图及变形分析图。由图3a可知，在6 MPa液压力的作用下，在夹紧套的油腔上端局部区域产生了应力集中，最大应力为121.8 MPa，已经超过了初选材料的屈服强度(弹性极限)的下限值。由此可知，所选材料必须要求其屈服强度大于121.8 MPa，并且留有一定的裕度。这样便提高了对材料性能的要求，增加了材料处理的工艺成本。

根据方案一改进的夹紧套(如图5所示)和转子配合(下称方案二)如图6所示，夹紧套和被夹紧转子的装配图在最大允许油压6 MPa作用下的应力分析图及变形分析图分别如图6a和6b所示。方案二的不同之处在于改变了夹紧接触区域的始末位置，加大了接触区域的范围，使得油腔两端的密封圈凹槽对应的夹紧套的内圆柱面也直接接触到转子外圆柱面。

由图6可知，夹紧套的最大应力为51 MPa，远小于材料的屈服强度下限值120 MPa;并且转子的变形量为0.048 6 mm，小于方案一的0.051 mm，并没有由于夹紧面积的增大而增大，反而有少许减小。由此可见，方案二是较为合理的优化设计。

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