多齒盤式可回轉主軸部件的設計研究

李鳳春

（天津市第二機床有限公司，天津300409）

1 引 言

近幾年來，作為加工各行業所用大型軸承的關鍵設備，立式圓臺磨床快速發展，它的加工領域已經涉及到發電、冶金、國防等行業?，F在市場上見到的立式圓臺磨床的磨削主軸根據加工工件要求有固定式和轉角度兩種方式。轉角度機構可以通過很多種方式實現，伺服電機帶動多齒盤式主軸轉角機構就是其中一種，這種方式不僅結構簡單，更重要的是分度定位精度高，能自動定心，齒面磨損對定位精度影響小，承載能力強，剛度好。本文介紹伺服電機帶動多齒盤式主軸轉角機構的設計方法和應用情況。

2 多齒盤式主軸轉角機構的基本結構

2.1 多齒盤工作原理和特點

如圖1 所示，多齒盤機構一般由兩個齒數和齒形相同的端面齒盤對合而成，齒長沿著半徑方向。通常一個齒盤不動，另一個齒盤與分度回轉部件固連。分度轉位時，動齒盤抬起與定齒盤分離，然后轉位。轉至要求位置時，停止轉動，動齒盤與定齒盤合上，兩齒被壓緊嚙合。這時大多數齒都緊密接觸，以獲得高的定位精度和重復定位精度。

特點：定位精度高，能自動定心，定位精度不受軸承間隙和正反轉的影響，齒面磨損對定位精度影響不大，承載能力強，定位剛度好。

2.2 基本結構

根據多齒盤的特點，把多齒盤用在立式磨床的主軸分度機構上。如圖2（a），磨削主軸15 通過螺釘與轉盤9 固定在一起，動齒盤7 與轉盤9 固定在一起，定齒盤8 與滑板10 固定在一起。轉盤9與滑板10 通過6 個液壓缸（如圖2（b））中的碟形彈簧鎖緊，液壓缸常態為鎖緊狀態，即碟形彈簧常態為有一定的壓縮量，多齒盤靠碟形彈簧的這個壓縮量的回復力鎖緊。當加工需要主軸轉角度時，立式磨床的數控系統給出指令，使液壓系統通過油缸蓋12 向液壓缸內同壓力油，活塞13 壓縮碟形彈簧，帶動油缸螺釘14 頂開轉盤9，使得動齒盤7 與定齒盤8 脫開。然后數控系統驅動伺服電機1，通過減速機2 驅動蝸桿3、帶動蝸輪4，使齒輪軸5 旋轉，與齒輪軸5 嚙合的內齒圈6 轉動，從而帶動轉盤9 和磨削主軸15 旋轉。旋轉到位置后，由數控系統發出指令，伺服電機停止運動時，液壓系統停止向液壓缸供油，活塞13 在碟形彈簧的回復力下自動復位，拉緊油缸螺釘14，鎖緊轉盤9，主軸可以進入加工狀態。

圖1 多齒盤機構原理圖

圖2

3 多齒盤選型及鎖緊系統的設計

3.1 多齒盤選型設計

根據機床加工要求，主軸可360°分度，所以多齒盤取齒數Z=360。如圖1，根據多齒盤設計方法用齒盤的轉矩Mn查表，估算齒盤外徑D，估算齒寬B。Mn=15120N·mm。根據結構，D 盡可能取大值，D=575mm，B=25mm。

式中，Mn-齒盤承受的扭矩；Mr-齒盤受的顛覆力矩；ρ-摩擦角，一般ρ=5°～6°；s-安全系數，一般取s=1～1.5；Fr-齒盤承受的徑向力（在嚙合截面內）；F0-齒盤承受的軸向力，方向與F 同向時取“-”，反之取“+”號。

表1 多齒盤夾緊力參數表

根據2MK95160 立式圓臺磨床磨削主軸和轉盤的重量，加上加工時的磨削力，估算得表1 中的值，因為多齒盤的軸是臥式應用的，F0可以認為是零。

計算得夾緊力F=13871N。

3.2 鎖緊系統的設計

多齒盤所需的夾緊力為F=13871N。

設轉盤和動齒盤被6 個油缸螺釘頂起時，碟形彈簧最多變形量為0.5h0，根據2MK95160 立式圓臺磨床用的多齒盤結構和尺寸，多齒盤完全脫開需要2mm 的位移。

綜合算來則每個液壓缸用5 個碟形彈簧。如圖2（b），這種碟形彈簧排列的方式，根據碟形彈簧壓縮受力的計算方法，只給3 個變形的受力就可以達到5 個變形的目的。

6 個液壓缸，每個液壓缸用5 個碟形彈簧，在多齒盤鎖緊時，每個碟形彈簧變形量為0.2h0，多齒盤受到的鎖緊力為F′＝6×3P0.2=6×3×4186.7=753606N

F′遠遠大于F，表示選用每個液壓缸用5 個碟形彈簧和這種排列方式足以滿足此設計中主軸轉角機構的鎖緊。

多齒盤完全脫開時，活塞壓縮碟形彈簧的力為

則多齒盤完全脫開時，液壓缸通油壓力為

4 實際應用

該主軸轉角機構在2MK95160 立式圓臺磨床上使用檢驗，在給6 個液壓缸通10MPa 的額定油壓下，轉盤完全脫開，在伺服電機的驅動下，轉盤以額定轉速1r/min 旋轉，油缸卸壓后，轉盤鎖緊，定位精度達到了±2"。并且鎖緊剛度好，完全達到機床的加工要求。

5 結 語

經多齒盤在磨削主軸旋轉機構中的使用證明，多齒盤分度定位精度高，并且具有很高的穩定性和可靠性。這一系列的特點使得多齒盤機構在機床中的應用恰到好處，也擴大了立式圓臺磨床的加工范圍。

［1］ 陳心昭，權義魯.現代實用機床設計手冊［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［2］ 陳祖琛.機床零部件標準匯編［M］.北京：機械電子工業部北京機床研究所，1990.