小模數(shù)滾齒機(jī)的數(shù)控改型設(shè)計(jì)

呂建平

(南京第二機(jī)床廠有限公司，江蘇南京210019)

0 引言

儀表、機(jī)械、電子、電動(dòng)工具等行業(yè)對(duì)小模數(shù)齒輪的加工精度和效率的要求越來(lái)越高，但普通小模數(shù)滾齒機(jī)很難達(dá)到這一要求，因?yàn)楦呔刃∧?shù)齒輪的加工目前仍采用滾齒機(jī)展成法滾切加工。盡管小模數(shù)齒輪加工的設(shè)備體積很小，但根據(jù)加工的要求其整體結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)一點(diǎn)不會(huì)比大型齒輪機(jī)床差，且要求的高速傳動(dòng)更給制造帶來(lái)很大難度，就是專(zhuān)業(yè)的齒輪機(jī)床生產(chǎn)廠家在一些關(guān)鍵零件的制造上往往也很難有效控制精度，加上極高的裝配要求，普通的滾齒機(jī)切削精度幾乎達(dá)不到現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的6級(jí)精度［2］，由于機(jī)床體積小，傳動(dòng)鏈長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給維修帶來(lái)極大的不便，拆裝之后也很難在用戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整恢復(fù)精度。

隨著數(shù)控技術(shù)不斷進(jìn)步，滾齒機(jī)使用的數(shù)控系統(tǒng)不斷以嶄新的面貌問(wèn)世，用電子齒輪箱和伺服系統(tǒng)取代原來(lái)的機(jī)械傳動(dòng)鏈，使得這種滾齒機(jī)的制造簡(jiǎn)單化、批量化成為可能，也有效地提高了加工精度和效率，滿(mǎn)足用戶(hù)的需求。

1 數(shù)控滾齒機(jī)解決問(wèn)題的思路

以一種普通的小模數(shù)滾齒機(jī)為例，該滾齒機(jī)可以加工模數(shù)為1.5mm，最大直徑為58mm，最大螺旋角為45°的齒輪，滾齒機(jī)主軸的轉(zhuǎn)速可達(dá)2350r/min。其傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖

從傳動(dòng)原理簡(jiǎn)圖看，主電動(dòng)機(jī)1經(jīng)過(guò)減速機(jī)構(gòu)2，一路經(jīng)萬(wàn)向連軸節(jié)8，一對(duì)螺旋傘齒輪，一對(duì)減速齒輪將動(dòng)力傳到刀軸9，另一路經(jīng)差動(dòng)、分齒機(jī)構(gòu)3將動(dòng)力傳到換向變速機(jī)構(gòu)4，再經(jīng)滑座軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)5滑座快慢速轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)6將動(dòng)力傳到滑座;差動(dòng)分齒機(jī)構(gòu)3分出動(dòng)力傳到工作臺(tái)蝸輪副7，帶動(dòng)整個(gè)傳動(dòng)鏈按照預(yù)先計(jì)算并調(diào)整好的進(jìn)給速度，進(jìn)行展成滾切運(yùn)動(dòng)。在這一系列的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中，有38只齒輪，一對(duì)皮帶輪，一個(gè)差動(dòng)包，一個(gè)離合器，一個(gè)萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)，兩對(duì)蝸輪副在工作，機(jī)床出廠配備的齒輪多達(dá)207個(gè)。

同時(shí)液壓系統(tǒng)輔助完成：滑座徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)(這個(gè)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還帶有較復(fù)雜的微量進(jìn)給定位裝置)實(shí)現(xiàn)完整的加工動(dòng)作。

該滾齒機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，存在以下缺點(diǎn)：

1)傳動(dòng)鏈很長(zhǎng)也很復(fù)雜，傳動(dòng)精度因剛性不足而降低，造成加工精度下降;

2)工作臺(tái)蝸輪副制作要求精度高，現(xiàn)行加工方式難以保證零件精度，從而直接影響到被加工工件精度;

3)限于該機(jī)床結(jié)構(gòu)必須使用萬(wàn)向連軸節(jié)機(jī)構(gòu)，從而影響動(dòng)力傳遞精度;

4)內(nèi)部空間小，傳動(dòng)支撐多用滑動(dòng)結(jié)構(gòu)，零件精度和裝配要求高;

5)結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)械、液壓裝置交錯(cuò)，難以維修。

主傳動(dòng)鏈上的萬(wàn)向聯(lián)軸節(jié)8直接影響了刀具主軸的動(dòng)力傳遞精度和剛性;工作臺(tái)下一對(duì)蝸輪副7(i=1∶5，蝸輪30齒，蝸桿為6頭)又是加工的難點(diǎn)，按照現(xiàn)有的加工設(shè)備和制造水平，幾乎無(wú)法加工出4級(jí)精度的蝸輪副［3］;刀架和工作臺(tái)的精度會(huì)直接反映在被加工工件上。傳動(dòng)鏈上所有齒輪都采用磨齒工藝，勢(shì)必大大增加了成本。如果不磨齒，不僅影響傳動(dòng)精度，運(yùn)行噪聲也很大。

在長(zhǎng)串的傳動(dòng)鏈中，各部件的傳動(dòng)齒輪精度、軸套配合間隙，銜接環(huán)節(jié)的剛性甚至分齒掛輪都對(duì)被加工齒輪的精度產(chǎn)生影響。因?yàn)橹鱾鲃?dòng)的高速運(yùn)行，整個(gè)傳動(dòng)鏈都在高速運(yùn)行，潤(rùn)滑一旦出現(xiàn)問(wèn)題，立即引起其中零部件損壞，造成機(jī)床故障。

針對(duì)以上問(wèn)題，采用數(shù)控方式首先可以縮短傳動(dòng)鏈，在簡(jiǎn)化傳動(dòng)系統(tǒng)的同時(shí)，提高零部件加工精度或改變結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)一步解決刀架、工作臺(tái)兩大關(guān)鍵部件的傳動(dòng)剛性和精度，就能有效克服普通滾齒機(jī)的缺點(diǎn)。

2 數(shù)控改型設(shè)計(jì)的效果

采用4軸數(shù)控方式，刀架驅(qū)動(dòng)和工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)采用電子齒輪箱，不失為性?xún)r(jià)比最好的選擇。數(shù)控改型設(shè)計(jì)的傳動(dòng)原理如圖2所示。

主軸電動(dòng)機(jī)1僅通過(guò)一對(duì)(30/30)的齒輪，直接將動(dòng)力傳到刀具主軸2上;伺服電動(dòng)機(jī)1通過(guò)一對(duì)軸交角90°(12/60)的齒輪連接到工作臺(tái)4上;伺服電動(dòng)機(jī)2和伺服電動(dòng)機(jī)3均通過(guò)滾珠絲桿直接驅(qū)動(dòng)刀架滑座在滾切運(yùn)動(dòng)中的軸向和徑向兩個(gè)方向的進(jìn)給。相應(yīng)的液壓系統(tǒng)改變?nèi)鐖D3所示。

液壓系統(tǒng)主要只執(zhí)行刀架滑座運(yùn)行的平衡和工件夾緊兩個(gè)功能，同時(shí)留有供用戶(hù)備選的上下料以及工件去毛刺功能動(dòng)力口。

比較上述普通和數(shù)控兩種傳動(dòng)方式，可見(jiàn)：

圖2 數(shù)控改型傳動(dòng)原理圖

圖3 液壓原理圖

1)刀架部件數(shù)控改型后傳動(dòng)鏈上取消了原來(lái)的萬(wàn)向連軸節(jié)和一對(duì)螺旋傘齒輪，只留下一組齒數(shù)比為30/30的圓柱齒輪，使得刀架的傳動(dòng)精度和剛性大幅提高;

2)工作臺(tái)部件將原有的蝸輪副變?yōu)橐粚?duì)90°軸交角的齒輪，其傳動(dòng)比仍為1∶5，經(jīng)過(guò)磨齒，這一對(duì)齒輪的精度可達(dá)4級(jí)精度［4］，保證了工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)精度;

3)伺服電動(dòng)機(jī)都是直接驅(qū)動(dòng)相關(guān)部件運(yùn)動(dòng)，原有的減速機(jī)構(gòu)、差動(dòng)分齒機(jī)構(gòu)、換向變速機(jī)構(gòu)、滑座軸向進(jìn)給機(jī)構(gòu)、滑座快慢速轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)都被取消，機(jī)床的傳動(dòng)剛性自然大大提高;

4)機(jī)床各部件運(yùn)動(dòng)精度保證應(yīng)歸功于數(shù)控系統(tǒng)的精確控制，尤其是數(shù)控系統(tǒng)中的電子齒輪箱，其精確的分齒控制確保了機(jī)床刀架和工作臺(tái)嚴(yán)格按照要求的比例轉(zhuǎn)速運(yùn)行，從而使加工出的工件精度可達(dá)5級(jí)［2］;

5)由于伺服電動(dòng)機(jī)的大速比調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)也相應(yīng)調(diào)整，原來(lái)刀架滑座軸向進(jìn)給的快慢速運(yùn)動(dòng)分別由主傳動(dòng)分支和一個(gè)電動(dòng)機(jī)切換驅(qū)動(dòng)，現(xiàn)在的伺服電動(dòng)機(jī)2取代了這兩部分，承擔(dān)了滑座軸向進(jìn)給和快速移動(dòng);

6)伺服電動(dòng)機(jī)3取代了原液壓系統(tǒng)中復(fù)雜的微量調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)油缸，變固定移動(dòng)速度為可調(diào)節(jié)的進(jìn)給和快速移動(dòng)速度;

7)為了保證切削的平穩(wěn)性，將原有刀架平衡油缸改為平衡閥加增壓油缸系統(tǒng)，使該部分運(yùn)行阻尼隨時(shí)可調(diào)，以適應(yīng)不同零件的切削都達(dá)到滿(mǎn)意的效果;

8)液壓系統(tǒng)(包括驅(qū)動(dòng)油缸)也比原來(lái)大大簡(jiǎn)化，其作用主要只平衡刀架切削力和尾架夾緊工件。并將原有去毛刺液壓動(dòng)力改為用戶(hù)可選配置(即標(biāo)準(zhǔn)機(jī)床不帶有該功能，用戶(hù)需要可作為附件供給，減少不需要該功能用戶(hù)的負(fù)擔(dān))。

9)機(jī)械結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，不僅使制造便利易行，而且多出的空間可以對(duì)機(jī)床的箱體剛性進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，還給維修裝拆帶來(lái)便利。

10)原來(lái)的滑動(dòng)支撐基本改為滾動(dòng)支撐，使加工、裝配都變得容易，潤(rùn)滑充分，減少了傳動(dòng)故障的可能性。

原來(lái)普通滾齒機(jī)，經(jīng)數(shù)控改型設(shè)計(jì)制造后，加工的齒輪精度穩(wěn)定提高，由于可調(diào)節(jié)的范圍加大，加工參數(shù)可以更接近實(shí)際加工所需的要求，效率也有所提高。機(jī)床主要參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 普通滾齒機(jī)與數(shù)控滾齒機(jī)參數(shù)對(duì)比

可見(jiàn)無(wú)論是性能參數(shù)范圍還是快速運(yùn)行速度都有了進(jìn)一步的改善提高。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)比普通型和數(shù)控改型設(shè)計(jì)的滾齒機(jī)，基本可加工齒輪規(guī)格參數(shù)都不發(fā)生變化，也就是說(shuō)機(jī)床的基本性能都很好的保持原有水平，但主軸轉(zhuǎn)速可以提高到3000r/min(主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可達(dá)10000r/min)，且為很精準(zhǔn)的無(wú)級(jí)調(diào)速;值得一提的是：滑座兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)軸改為數(shù)控方式，可調(diào)節(jié)范圍加大并變?yōu)闊o(wú)級(jí)調(diào)速，當(dāng)滑座徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)連動(dòng)時(shí)，可以加工鼓型齒和小錐度齒輪，使機(jī)床增加了新的功能。操作界面為參數(shù)輸入方式，很方便的輸入需要的加工參數(shù)就可以進(jìn)行切削，并可以保存多種零件加工程序，以后的加工只要調(diào)出存儲(chǔ)的程序即可，節(jié)省了大量的機(jī)床調(diào)整勞動(dòng)量和出錯(cuò)率。數(shù)控滾齒機(jī)極大地簡(jiǎn)單了零件制造及裝配調(diào)試過(guò)程，克服了普通滾齒機(jī)因零件的先天不足，裝配切削調(diào)整繁雜，重復(fù)勞動(dòng)量大的弊病。

另外，機(jī)床的可靠性大幅提高，維修量極少，即使檢修拆裝也很方便。進(jìn)而在數(shù)控系統(tǒng)中配置遠(yuǎn)程監(jiān)控后，隨時(shí)可掌控機(jī)床的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出解決方案，最大限度降低用戶(hù)因軟故障帶來(lái)的停機(jī)、加工件報(bào)廢的甚至損壞機(jī)床的后果，提高經(jīng)濟(jì)效益。

［1］徐灝，等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)［S］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1991.

［2］GB/T2363－1990 小模數(shù)漸開(kāi)線齒輪精度［S］.國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn) 1991.10.1.實(shí)施.

［3］GB100089－88：圓柱蝸桿、蝸輪精度［S］.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 1990年起執(zhí)行.

［4］GB/T13924－2008：漸開(kāi)線圓柱齒輪精度［S］.現(xiàn)行國(guó)家齒輪精度檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn).

［5］FANUC公司數(shù)控系統(tǒng)、伺服電機(jī)手冊(cè)［S］.日本FANUC株式會(huì)社的數(shù)控系統(tǒng)和伺服電機(jī)的樣本.