雙齒輪齒條消隙結(jié)構(gòu)在重型數(shù)控落地銑鏜床中的應(yīng)用

王海軍，丁巖

（齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 設(shè)計(jì)研究院，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

0 引 言

隨著機(jī)械加工制造業(yè)的發(fā)展，以及國(guó)防、能源、航空航天等領(lǐng)域的快速發(fā)展和進(jìn)步，加工產(chǎn)品的大型化、重型化對(duì)重型數(shù)控落地銑鏜床的進(jìn)給系統(tǒng)提出了越來(lái)越高的要求。重型數(shù)控落地銑鏜床的進(jìn)給系統(tǒng)，要求對(duì)部件的位置和進(jìn)給速度等同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，而且要求有較高的定位精度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。但重型數(shù)控落地銑鏜床進(jìn)給系統(tǒng)由于經(jīng)常執(zhí)行自動(dòng)變向動(dòng)作，如果傳動(dòng)鏈中齒輪傳動(dòng)副存在間隙，反向時(shí)就會(huì)使進(jìn)給運(yùn)動(dòng)滯后，影響傳動(dòng)鏈的系統(tǒng)精度，從而影響加工精度。因此，要想得到高的加工精度，就必須消除齒輪傳動(dòng)副中的間隙，以提高重型數(shù)控落地銑鏜床的定位精度［1］。在重型數(shù)控落地銑鏜床的X軸進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們采用了雙齒輪齒條結(jié)構(gòu)來(lái)消除齒輪傳動(dòng)副中的間隙，從而大大地提高了機(jī)床X 軸進(jìn)給的定位精度。

1 重型數(shù)控落地銑鏜床結(jié)構(gòu)及功能簡(jiǎn)介

重型數(shù)控落地銑鏜床主要由床身、滑座、進(jìn)給箱、立柱、主軸箱、滑枕等主要部分組成（如圖1），滑座在床身上移動(dòng)稱(chēng)為X 軸，主軸箱在立柱上垂直移動(dòng)稱(chēng)為Y 軸［1］，滑枕在主軸箱中移動(dòng)稱(chēng)為W 軸，鏜軸在滑枕中的移動(dòng)稱(chēng)為Z 軸?；跈C(jī)床的結(jié)構(gòu)及工藝特點(diǎn)，重型數(shù)控落地銑鏜床是一種加工范圍極廣、自由度很大的機(jī)床，主要用來(lái)加工形狀復(fù)雜、要求精度較高的箱體類(lèi)零件，如銑削平面、鉆削、鏜孔和加工端面等，在一次裝夾后能完成較多的工序。

其方滑枕端面可裝多種特殊附件，從而擴(kuò)大了機(jī)床能力和工藝范圍。數(shù)控落地銑鏜床適用于汽輪機(jī)、重型電機(jī)、船舶、重型機(jī)床和其他重型機(jī)器制造業(yè)的單件、小批加工形狀復(fù)雜的大型零件［2］。

2 重型數(shù)控落地銑鏜床X 軸特點(diǎn)分析

與其他機(jī)床相比，重型數(shù)控落地銑鏜床X 軸具有以下特點(diǎn)：

圖1 機(jī)床外觀圖

2.1 X 軸行程大

由于該機(jī)床主要用于汽輪機(jī)、重型電機(jī)、船舶、重型機(jī)床和其他重型機(jī)器殼體等大型零件的加工，因此需要X 軸具有較大的行程，X 軸行程一般為8～12 m，根據(jù)用戶(hù)的要求甚至可達(dá)到30 m。

2.2 負(fù)載大

由于此軸需要帶動(dòng)滑座、進(jìn)給箱、立柱、主軸箱等約重50 t 的部件移動(dòng)，再加上切削力、慣性等因素，X 軸至少需要提供15 t 的推力。

如果X 軸的進(jìn)給采用絲杠結(jié)構(gòu)，則絲杠的拉壓變形約占整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)總變形的30%～50%，當(dāng)機(jī)床進(jìn)給軸較長(zhǎng)時(shí)，普通滾珠絲杠難以勝任大負(fù)荷傳動(dòng)，并且長(zhǎng)滾珠絲杠的制造也有較大的難度［1］。

圖2 雙齒輪齒條傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于負(fù)重大等因素的影響，立柱移動(dòng)時(shí)阻力會(huì)有一定的波動(dòng)，很容易發(fā)生爬行現(xiàn)象。基于以上情況，在X 軸進(jìn)給系統(tǒng)中采用具有消隙功能的雙齒輪齒條進(jìn)給結(jié)構(gòu)，這樣可有效地避免采用滾珠絲杠的弊端以及X 軸進(jìn)給定位精度不準(zhǔn)、爬行現(xiàn)象的發(fā)生［1］。

3 X 軸進(jìn)給箱結(jié)構(gòu)及消隙原理

如圖2 所示，滑座沿床身的水平移動(dòng)由X 向的進(jìn)給箱驅(qū)動(dòng)，進(jìn)給箱位于滑座的空腔內(nèi)，末級(jí)傳動(dòng)元件為高精度齒條1?；M(jìn)給傳動(dòng)由伺服進(jìn)給電機(jī)2 驅(qū)動(dòng)，經(jīng)多級(jí)齒輪降速，并通過(guò)Ⅲ軸上的兩個(gè)小齒輪3、4 同步傳到兩個(gè)Ⅳ軸上，最后再傳到Ⅴ、Ⅴ′軸上，Ⅴ軸是兩個(gè)懸伸的齒輪軸，齒輪與固定在床身上的齒條嚙合，則伺服電機(jī)的動(dòng)力通過(guò)Ⅴ軸齒輪與齒條的嚙合，帶動(dòng)滑座在床身上做水平移動(dòng)。

在Ⅲ軸上部裝有碟形彈簧柔性自動(dòng)消隙結(jié)構(gòu)，消隙時(shí)將Ⅲ軸上部法蘭盤(pán)里面的螺母5 向下擰緊，則螺母5通過(guò)推力軸承6 壓緊蝶形彈簧7，碟形彈簧7 又壓在Ⅲ軸上，最終Ⅲ軸向下移動(dòng)（軸兩端的軸承是軸向不定位的圓柱滾子軸承），這時(shí)因?yàn)棰筝S上的兩個(gè)小齒輪為旋向相反的斜齒輪，向下移動(dòng)后，斜齒輪齒面將使與之相嚙合的兩個(gè)Ⅳ軸上的齒輪做微量旋向相反的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后這種旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)又傳到Ⅴ軸的兩個(gè)懸伸的齒輪上，使得兩個(gè)齒輪的齒面分別壓緊在齒條上兩處相反的齒面上，從而實(shí)現(xiàn)了消除傳動(dòng)間隙。

4 結(jié) 語(yǔ)

采用預(yù)載雙齒輪齒條結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜一些，對(duì)裝配工人技術(shù)水平的要求也相應(yīng)提高，但是預(yù)載雙齒輪齒條結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)，解決了長(zhǎng)行程高負(fù)載下滾珠絲杠難以解決的問(wèn)題，同時(shí)有效地消除了齒輪與齒輪、齒輪與齒條間的側(cè)隙，保證了立柱平穩(wěn)移動(dòng)，在實(shí)際使用中有效地解決了機(jī)床X 進(jìn)給軸的爬行現(xiàn)象［1］和X 軸反向時(shí)定位精度不準(zhǔn)的問(wèn)題。現(xiàn)在，預(yù)載雙齒輪齒條結(jié)構(gòu)已在重型數(shù)控落地銑鏜床中得到了普遍應(yīng)用，并取得了滿(mǎn)意的效果。

［1］ 楊學(xué)華.機(jī)械設(shè)計(jì)中齒輪傳動(dòng)側(cè)隙的解決方法［J］.昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)：理工版，2007，32（5）：9－13.

［2］ 齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司.TK6920 型數(shù)控落地銑鏜床使用說(shuō)明書(shū)（機(jī)械部分）［M］.