旋转工作台制动用薄壁刹紧环的设计研究

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Design and research of thin sleeve used in breaking rotary tableHAO Meiling①，JING Guofeng②Yantai Vocational Coleage，Yantai 264670，CHN；Yantai Universal Machine Tool Accessory Group Co.，Ltd.，Yantai 264002，CHN)Abstract：In the process of developing a certain type of NC direct drive rotary table，in order to increase the brakingreliability of this product，within the conditions of rotary table radial space is narrow，large tighteningtorque requirement，we developed the thin sleeve used in breaking the rotary table.In this paper，in theview of the material S mechanics，using finite element analysis software to analyze the break structure。

Based on the good machining process，calculate the reasonable thickness- t of the sleeves and the gap. At last，we carried out the production successfuly，and achieved the goal of good economic benefit。

Keywords：NC Rotary Table；Thin Structure；Break；Elastic Deformation；FEA某型直驱转台以其具有高转速、大转矩以及高精度(配有编码器)的特性，在机械加工领域得到广泛应用。在实际生产中，直驱转台不仅可以在旋转状态下与主机形成复合运动加工零件，也需要工作台面在刹紧状态下进行工作。基于上面提到的其能承受大切削力矩的特点，则相应的对直驱转台的刹紧可靠性提出了极高的要求。

刹紧可靠性决定了机械加工时零件的精度以及表面质量。我们在试制该型转台过程中，发现原有的-套刹紧系统可靠性不高。工作台面处于刹紧状态时，施加相应的载荷，于工作台最大外圆处支表读数，弹性变形回复后 ，残余位移仍达到 0.04 mm，不符合 0.02mm的设计要求。为此，我们拟增加-套刹紧系统以提高刹紧可靠性。

1 结构原理鉴于该型转台采用的是直驱电动机，导致转台内部径向空间狭小，且用户限定了轴向高度。在此条件下，我们设计开发了结构紧凑的薄壁刹紧环。其结构示意图如图 1所示。

与基体 (固定)相联图1薄壁刹紧环及外围结构示意图其工作原理为薄壁刹紧环与基体相联接(基体固定)，薄壁刹紧环薄壁处在内侧呈圆周分布的液压力高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项 ：高档数控机床用数控转台产业化关键技术开发与应用(2012ZX04002-41)- ·设计与研究Des叼n and Research的作用下产生弹性变形 ]，紧贴在旋转体内壁，产生摩擦力，进而达到刹紧旋转体的效果。

2 重要参数的分析该薄壁零件在设计过程中需要确定几个重要的参数，罗列如下。

(1)作用于薄壁处的液压力 F。该值的确定应遵循两个原则：①薄壁在该力的作用下处于完全弹性变形；②保证作用于旋转体内壁的力达到刹紧要求。

(2)薄壁厚度 t。该数值在整个刹紧环的设计中处于重要地位，需寻求平衡点。该值如果较小，则薄壁变形效果越好，即刹紧能力越强。但同时，较小的壁厚将会增加机械加工的难度，应力集中、热形变等因素将会造成壁厚不均匀 J，影响刹紧能力。而壁厚值过大，将造成变形困难，需提供极大的液压力 F。

(3)薄壁刹紧环与旋转体之间的间隙 Or.。该数值同样需寻求平衡点。既不能过大，也不能过校过大会促使薄壁刹紧环必须产生大变形量才能起到刹紧作用，这将使薄壁环处于频繁的大变形-大回复-大变形”的过程中，严重影响其寿命。间隙过小则对薄壁刹紧环的机械加工带来困难，如前所说，薄壁的加工过程中会有变形、应力集中，导致在没有刹紧时，薄壁的高点已经与旋转体内壁形成摩擦，降低薄壁环的使用寿命3 参数的确定3.1 所用材质力学性能通过分析该薄壁刹紧环的工作原理，我们认为该薄壁环既要求良好的变形能力又要求足够的强度。因此选定了某合金钢 ，其力学性能见表 1。

表 1 力学性能参数弹性模量/(N/m ) 2.05×101l材质 泊松比 O. 32某合金钢，锻坯正火质量密度/(krVm。) 7 850屈服强度/(N/m ) 7.85×108 抗剪模量/(N/m。) 8×10 0张力强度/(N/m ) 1.11×109 热扩张系数/℃- 1.23×l03.2 F计算方法该力的确定，我们主要采用逆向验算推导法。准则是：现有结构在用户提供的液压刹紧力作用下，能否达到要求的2 400 N·m的刹紧力矩。本文涉及的转台使用时，用户提供的锁紧压力为6 MPa，根据图 1的结构示意图，计算压力 值为F P ·SP ·7r·d.h 6×10 x3.14x309x10- x71×10-413 330.76 N (1)刹紧力矩则应该为： 紧 ·詈等 等(2)F锁紧F-F弹性变形 (3)3.3 初选 t及薄壁厚度的确定主要依据加工的工艺性以及受力变形特征。我们在开发过程中，采用工装措施，边加工边通油冷却、设定相对较小的切削用量等措施，已经实现加工厚度为0.8 iTlm的薄壁(直径较小)。但基于本文所涉及的薄壁零件直径较大，控制点太多的问题，我们对于 t的确定是依据长期积累的工艺经验，初步设定为3 mil，对于间隙 设定为0.2 mm。

3.4 FEA验证利用有限元分析方法确定 F弹性变形以及验算参数 t和 。基于 Solidworks中有限元分析插件 Simulation，直接进行建模加载4 J。由于该零件是薄壁零件，因此在设置网格时，采用了雅克比点为4点的标准实体网格，这样能尽最大可能准确模拟出该零件的受力变形。

网格参数设置见表 2。薄壁刹紧环在仿真过程中的边界约束条件及载荷添加方法如图2。

表 2 网格参数设置网格类型 实体网格 单元大/J'，/mm 5.809 74所用网格器 标准网格 公差/mm 0.290 487雅克比点 4点 网格品质 高图2 网格划分、边界约束及载荷分布图经过多次不同F值的输入模拟(图3)，得出输人液压力 F、变形量、最大应力 、最大应变的数值关系。

根据表3模拟量数值关系表，绘制该合金钢的F-(力-变形量)曲线图，如图4所示。图中实线表示通过有限元分析模拟出的数值拟合曲线 ，虚线则是材料等 ul0 l平 j