鄭 鵬 閆 明 孫淑霞 張明遠(yuǎn)

(沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧沈陽110178)

雙擺角銑頭是五軸聯(lián)動數(shù)控銑床的核心部件，其結(jié)構(gòu)和性能在很大程度上決定了整臺機床的性能，是五軸聯(lián)動數(shù)控機床市場競爭的焦點之一［1－3］。根據(jù)傳動方式雙擺角銑頭可以分為以蝸桿傳動為主的機械式銑頭和力矩電動機直接驅(qū)動的直驅(qū)式銑頭。機械式銑頭較早在國內(nèi)開展研究，技術(shù)比較成熟，但是該類銑頭體積大、定位精度低。直驅(qū)式銑頭采用大功率的力矩電動機直接驅(qū)動，省去了齒輪、蝸桿等中間傳動環(huán)節(jié)，其結(jié)構(gòu)具有如下優(yōu)點［4－7］:(1)零部件少，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，體積小，重量輕;(2)降低了傳動件的間隙帶來的傳動誤差;(3)減少了高速傳動引起的振動、磨損、疲勞等機械故障，提高了銑頭系統(tǒng)的精度保持性。隨著力矩電動機的價格逐漸降低，機械式銑頭將逐漸被直驅(qū)式銑頭代替［8－10］。

設(shè)計了A/C軸雙擺角銑頭，其中C軸最大扭矩2.394×106N·mm，A軸最大扭矩1.350×106N·mm，C軸扭矩傳遞路線也遠(yuǎn)大于A軸，C軸扭轉(zhuǎn)剛度是該類銑頭設(shè)計的焦點問題。本文主要計算銑頭繞C軸的扭轉(zhuǎn)剛度，為該類型銑頭的設(shè)計和改進(jìn)提供技術(shù)支持。

1 A/C軸雙擺角銑頭的機械結(jié)構(gòu)

所設(shè)計A/C軸雙擺角銑頭的機械結(jié)構(gòu)如圖1所示。C軸部分安裝在滑枕內(nèi)部，外殼與滑枕相連，內(nèi)部傳動件可帶動A軸部分繞C軸作±360°的轉(zhuǎn)動，A軸的傳動件可帶動電主軸繞A軸±110°擺動。

為了使C軸輸出較大的扭矩，C軸內(nèi)部并聯(lián)安裝2臺力矩電動機，每臺力矩電動機的最大扭矩為1.197×106N·mm，最高轉(zhuǎn)速為60 r/min。在外殼和傳動部件之間裝有液壓抱閘，在銑頭加工平面時，需要鎖緊C軸傳動部分，這時在抱閘與殼體之間的空腔中打入5 MPa的高壓油，迫使抱閘發(fā)生彈性變形后抱緊隔套，抱閘能承受的最大摩擦扭矩為4×106N·mm。C軸轉(zhuǎn)動時扭矩傳遞路線如圖2所示，C軸鎖緊時扭矩的傳遞路線如圖3所示。

A軸殼體和電主軸套的材料為GS600，彈性模量173 GPa，泊松比 0.27。抱閘材料為ZCuSn10P1，彈性模量 110GPa，泊 松 比0.33。其余零件的材料均為 45鋼，彈性模量 206 GPa，泊松比 0.3。

由于A軸部分可以帶動電主軸繞A軸±110°擺動，從圖2、圖3可以看出，無論是C軸轉(zhuǎn)動還是C軸鎖緊，A軸的擺動狀態(tài)都會影響銑頭整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，下面分別計算C軸在轉(zhuǎn)動和鎖緊2種狀態(tài)下銑頭的扭轉(zhuǎn)剛度。

2 C軸轉(zhuǎn)動時銑頭扭轉(zhuǎn)剛度計算

根據(jù)圖1、圖2建立C軸傳動部件及A軸有限元模型，圖4中A軸處于擺角為0的狀態(tài)。在力矩電動機的2個轉(zhuǎn)子上分別均勻施加1.197×106N·mm的扭矩。約束電主軸套的下端面。計算得到C軸轉(zhuǎn)動時銑頭整體結(jié)構(gòu)的周向位移(圖5)。

圖5中，A軸最上端的周向位移最大，這是因為A軸的扭轉(zhuǎn)半徑較大，而銑頭最上端的扭轉(zhuǎn)角最大。用下式可以把周向位移轉(zhuǎn)化為扭轉(zhuǎn)角:

式中:α為扭轉(zhuǎn)角，″;L為周向位移量，mm;r為對應(yīng)點的半徑，mm。經(jīng)計算，A軸擺角為0°時銑頭最大扭轉(zhuǎn)角為 5.751″。

用下式計算銑頭的扭轉(zhuǎn)剛度GT

式中:T為計算扭矩。得到此狀態(tài)下的扭轉(zhuǎn)剛度為4.163 ×105N·mm/(″)。

A軸擺動引起銑頭整體結(jié)構(gòu)剛度變化，計算A軸在多個狀態(tài)下銑頭整體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，得到A軸擺角θ與結(jié)構(gòu)剛度GT的關(guān)系如圖6所示。

可見，A軸擺角增大，導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的剛度先降低后升高，A軸擺角為90°時整體結(jié)構(gòu)的剛度最小，此狀態(tài)下的最大扭轉(zhuǎn)角為5.808″。

3 C軸鎖緊時銑頭扭轉(zhuǎn)剛度計算

根據(jù)銑頭的結(jié)構(gòu)(圖1)和C軸傳動時扭矩的傳遞路線(圖3)，建立 C軸鎖緊時受扭部位的有限元模型如圖7所示，圖示位置A軸擺角為0。在C軸外殼與滑枕的連接面上均勻施加2.394×106N·mm的扭矩。約束電主軸套的下端面。計算得到整體結(jié)構(gòu)的周向位移，如圖8。

根據(jù)式(1)、式(2)得到最大扭轉(zhuǎn)角為5.281″，扭轉(zhuǎn)剛度為4.533×105N·mm/(″)。A軸擺動同樣會引起銑頭整體結(jié)構(gòu)的剛度發(fā)生變化，圖9表示C軸鎖緊時A軸擺角θ與結(jié)構(gòu)剛度GT的關(guān)系。

可見，在C軸鎖緊時，A軸擺角增大，導(dǎo)致銑頭整體結(jié)構(gòu)的剛度先降低后升高，A軸擺角為90°時整體結(jié)構(gòu)的剛度最小，此狀態(tài)下的最大扭轉(zhuǎn)角為5.315″。

4 結(jié)語

介紹了自主設(shè)計的直驅(qū)式、大功率A/C軸雙擺角銑頭的機械結(jié)構(gòu)，用有限元方法計算了該銑頭在C軸轉(zhuǎn)動和C軸鎖緊2種工況下的軸向位移，進(jìn)而得到其扭轉(zhuǎn)變形和扭轉(zhuǎn)剛度。A軸的擺動狀態(tài)影響銑頭整體的扭轉(zhuǎn)剛度，計算得到了A軸擺角與銑頭整體扭轉(zhuǎn)剛度的關(guān)系曲線圖。A軸擺角為0時，結(jié)構(gòu)的剛度最大，A軸擺角為90°時整體結(jié)構(gòu)的剛度最小。銑頭在鎖緊時較傳動時的剛度大。該計算可以對銑頭設(shè)計和結(jié)構(gòu)改進(jìn)提供技術(shù)支持。

［1］Yang Qing－dong，Liu Guo－ping.Dynamics analysis of special structure of milling－h(huán)ead machine tool［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering(English Edition)，2008，21(6):103－107.

［2］Brunemann B.Mobile milling head with torque motor drive:US，7470095［P］.2008－12－30.

［3］Baraki S，Sawada M.Machining tests to identify kinematic errors on five－ axis machine tools［J］.Precision Engineering，2010，34(3):387 －398.

［4］林劍鋒，閆明，鄭鵬.直驅(qū)式A/C軸雙擺角銑頭模態(tài)分析［J］.機械傳動，2010，34(4):61－63.

［5］Foo G，Rahman M F.Direct torque control of an IPM －synchronous motor drive at very low speed using a sliding－mode stator flux observer［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(4):933 －942.

［6］Leqqe D.Tube end milling head:US，7648313［P］.2010－01－19.

［7］馬仕明.大功率大扭矩擺角銑頭結(jié)構(gòu)特性分析與仿真研究［D］.北京:北京工業(yè)大學(xué)，2008.

［8］Zaid S A，Mahgoub O A.Implementation of a new fast direct torque control algorithm for induction motor drives［J］.IET Electric Power Applications，2010，4(5):305 －313.

［9］劉磊，楊慶東.幾種雙擺式銑頭的結(jié)構(gòu)分析與精度保持性研究［J］.機械制造研究，2009，38(3):13－15.

［10］Bertsche R W.Direct drive multiple axes rotary spindle head for milling machine:US，885081［P］.2006－06－07.