数控机床中的功能部件钢球定位分度盘的精确设计

胡工

摘要：本文对钢球定位分度盘机构在数控机床、转搭式组合机床以及各种回转工作台中的精确设计，分析了影响分度定位精度的因素，提出了解决方法并给出了使用实例。
在数控机床和转搭式组合机床以及各种回转工作台中，常用的分度工作台分度、转位和定位工作是按照控制系统的指令自动进行的，每次转位回转一定的角度(90°、60°、45°等)，但实现工作台转位的机构却很难达到分度精度的要求，所以要有专门的定位元件来保证，因此，分度定位元件往往是分度工作台设计、制造和调整的关键部分。目前常用的定位元件有插销定位、反靠定位、齿盘定位和钢球定位等。为了获得高精度的分度，广泛采用钢球定位分度盘机构。它具有齿盘定位的一些优点，自动定心和分度精度高，且制造简单，钢球可外购，尤其对尺寸较小的高精度分度回转工作台采用钢球定位也很理想。钢球定位是利用钢球直径大小可以预选到误差很少范围的原理，从而获得精密的分度精度。本文进行了钢球定位分度盘机构的结构设计，分析了影响钢球定位分度盘机构的分度精度的因素，并提出了解决方法。
1 结构工作原理
( I3 I! t/ M& y0 c7 z) h  l9 o1 t" ?钢球定位分度盘机构的结构见图1。它依靠高精度的基圆盘4和高精度的钢球来提高分度机构的精度。用￠8钢球120粒无间隙地排列在￠297.61238毫米的基圆柱上，并接触于同一端面，压紧圈5套在钢球外面，30°的一圈斜口正对着钢球，当压紧圈压紧时，将钢球压紧在基圆柱和端面上。除此之外，为防止钢球沿圆周转动而破坏分度，在某一对钢球之间装一个高强度钢做成的楔头圆柱销12，其头部是45°楔面，以保证高精度分度。这种机构可以用来加工齿牙盘(即端面齿分度盘)等高精度分度的工件。
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& ~, ^& y; p4 ^7 M  ^工作时，当手柄7顺时针转动时，使升降螺套9带动主轴与工作台1上升，此时压紧圈5带动钢球上升，即可转动工作台进行分度。最后逆时针转动手柄7，就能使升螺套9下降并夹紧，钢球的分度原理如图2所示。

2 影响分度精度的因素分析及解决方法
3 x* ]9 m3 [: p6 @2.1 钢球的选择
钢球的尺寸精度是分度精度高低的决定因素。为此，钢球的精度是以预选的方法来保证的。用1微米的测微仪，预选直径误差为1微米的钢球240粒，按要求钢球的直径大小误差与真圆度最好预选在0.5微米以下。
  ]1 b) f$ i7 z+ J; M- w2.2 基圆盘的加工
基圆盘的基圆直径要求较高，基圆直径的计算如下：
# `7 c" \! @) @6 H9 Z3 P: p. N2 G7 I" A; R举例如图3，钢球直径为￠8毫米。已知圆周等分n=120，所以∠AOB=3°，AB为钢球连心线，所以AB=8，OC为三角形中∠AOC的角的平分线，于是△ACO为直角三角形，而∠AOC=1°30′，则：AO=AC/sin1º30ˊ=4/0.02617695=152.80619 毫米，因此，基圆盘4的基圆柱的直径d为：
( F! W% q, h* C5 bd=2×ao=2(AO-Aa1)=297.61238毫米
" }. J, ^9 s$ u: {, c(其中Aa为钢球半径，Aa=4毫米)
磨削和测量基圆是比较困难的，为了解决这一难题，我们采用的加工方法是：先将淬硬的基圆盘磨准两平面，平行度在0.01毫米以内，以平面为基准磨削内孔，应保证平面与内孔中心垂直度为0.001/100毫米，然后装上特制的心轴，以内孔和端面为基准磨削基圆。磨削基圆同时磨出端面。将￠297.6123毫米磨到+0.1毫米的基础上，每磨小0.01~0.02毫米为一次，即将工件连同芯轴一起拆下(不可将零件从芯轴上拆下)。

0 \) M& j0 c, R* H* m7 ]2.3 预装工作
将上述加工好的零件与压紧圈及选好的120粒钢球在台体上进行试装，用精密塞尺测出钢球的最大间隙，然后再上磨床磨小直径相当于最大间隙的1/3;这样反复多次磨削与试装，直到测不出钢球的间隙，这时测出的直径尺寸应是计算出来的尺寸。这一道工序加工时应十分小心和不厌其烦，并应注意良好的清洁与环境温度。磨削时砂轮应注意平稳，外圆与端面应同时磨小，零件装在心轴上到磨床的两顶针间转动时，最大一点振摆不应超出0.01毫米。
基圆圆柱面的硬度最好在HRC55以上，硬度低了，经钢球多次松压后就会产生压痕，一出现压痕，分度精度就随之下降。
6 S% f* i' W+ ]. ?, f: B7 n6 a, C2.4 基圆盘等分精度的测量方法
/ O9 I" r! K0 |3 s+ g具体方法可以用多面棱体和准直仪，也可以用准直仪对照反光镜的方法来测定误差。
3 使用实例
% T" n  R  _) z1 [, ]- ~我们在本装置中把钢球预选精度在0.002毫米以下，利用1秒的准直仪与反光镜配合检查等分精度的最大累积误差为4秒。利用这分度盘安装在花键磨床上磨出的￠120毫米，120等分的齿牙盘经初步测定,啮合后按齿数计算啮合数达95﹪以上，沿齿高，齿宽上接触面达到70﹪以上，把这一对齿牙盘安装在转塔动力头上经综合检查，等分误差在0.02毫米以内(重复定位误差)，大大提高了加工的精度。
4 注意事项
(1)装配压紧圈时，当钢球与斜面接触时，压紧圈与台体之间间隙保持在0.1毫米以内比较合适。
% F1 ^, v7 B( K9 _9 r! a" B+ |(2)分度盘的钢球压紧采用上述结构，究竟能承受多大扭转力矩，有待进一步做出试验。(目前从实际使用情况看，本装置用于磨削等分精密刻线，钻等分的小孔等均能达到比较高的分度精度)，对扭力或冲击力大的切削加工，用本分度盘并不适宜。【MechNet】
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