機械雙擺頭中的蝸輪蝸桿消隙結(jié)構(gòu)

大連東方專用機床有限公司 (遼寧 116113) 李 凡

大連連城數(shù)控機器股份有限公司 (遼寧 116036) 張樹禮

雙擺頭又稱叉型銑頭、五軸頭，可完成主軸旋轉(zhuǎn)運動及A、C軸的連續(xù)擺動。A、C軸擺動運動及機床的X、Y、Z軸的直線運動，構(gòu)成機床的五坐標運動。以雙坐標擺動主軸頭為例，其主軸傳動是以齒輪傳動的結(jié)構(gòu)形式實現(xiàn)，A、C軸的傳動以蝸輪蝸桿的方式實現(xiàn)，這種風格的主軸頭體可以實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩切削，但各個坐標的擺動速度及主軸的旋轉(zhuǎn)速度往往由于結(jié)構(gòu)的限制，不能做到非常理想，在黑金屬加工方面就具有明顯的優(yōu)勢，這種結(jié)構(gòu)也是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方式。國外專業(yè)頭體生產(chǎn)廠家及各個有能力設(shè)計生產(chǎn)的主機廠家已經(jīng)非常成熟，并且已經(jīng)大量裝備到機床上，已經(jīng)有一定的歷史了，其裝備的機床主要特點為重型化、復(fù)合化，主軸轉(zhuǎn)速基本能達到3500～4500 r/min，主軸轉(zhuǎn)矩可以達到1000 N·m左右，坐標軸的回轉(zhuǎn)速度一般在20 r/min左右，其配置的機床可實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩的5軸加工，5面加工等其他普通機床難以實現(xiàn)的特殊加工部位的大轉(zhuǎn)矩加工，普遍應(yīng)用在造船、礦山、機車等行業(yè)的大型箱體類等異性零件及復(fù)雜零件的粗、精加工領(lǐng)域。

長期以來，雙擺頭技術(shù)被國外壟斷。我國航空、發(fā)電、造船等領(lǐng)域大都從國外進口，來完成高質(zhì)量的葉輪、螺旋槳等空間曲面的加工。而我國生產(chǎn)的龍門加工中心所配用的角度頭，大都是如圖1所示結(jié)構(gòu)的直角頭。

圖1

近年來，隨著技術(shù)的進步，我國在國家重大科技項目上，對雙擺頭技術(shù)進行了攻關(guān)研究，一是適合高速加工的電主軸式雙擺頭;二是適應(yīng)重切削大轉(zhuǎn)矩的機械式雙擺頭的研究，使國產(chǎn)雙擺頭成功問世，其技術(shù)水平和質(zhì)量接近或達到世界同類產(chǎn)品的先進水平。

機械雙擺頭雖然體積不大，但結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，既有主電動機驅(qū)動系統(tǒng)，使主軸旋轉(zhuǎn);又有擺動電動機驅(qū)動系統(tǒng)，使主軸完成擺動動作，在5軸龍門加工中心中稱為A軸;另外，還有回轉(zhuǎn)電動機驅(qū)動系統(tǒng)，使主軸頭完成繞垂直軸的回轉(zhuǎn)動作，在5軸龍門加工中心中稱為C軸。

由圖2可見，機械雙擺頭3個驅(qū)動系統(tǒng)在有限的空間里組合在一起，不僅設(shè)計難度大，制造與裝配更為復(fù)雜，因此，在未出現(xiàn)電主軸雙擺頭之前，世界上只有幾個國家能制造。由于機械雙擺頭要求運動精度高，因此，其傳動的直齒輪、錐齒輪和蝸輪蝸桿的精度要求更高。僅以主軸頭回轉(zhuǎn)系統(tǒng)為例 (C軸)，所采用的蝸輪蝸桿傳動，就采用了特殊的消隙結(jié)構(gòu)。由于蝸輪蝸桿傳動摩擦力較大，磨損嚴重，運行一定時間后螺旋齒與蝸輪齒之間會產(chǎn)生較大間隙，而高精度雙擺頭是不允許有較大間隙的。下面是一種機械雙擺頭的參數(shù):

圖2

機械傳動A、C軸可交換擺動主軸頭(蝸輪蝸桿傳動):軸功率28/43 kW;主軸最高轉(zhuǎn)速5600 r/min;主軸最大轉(zhuǎn)矩638/971 N·m;A/C軸轉(zhuǎn)速 25°/s;A/C軸回轉(zhuǎn)分辨率為 0.001°;A/C軸驅(qū)動轉(zhuǎn)矩7000 N·m;A/C夾緊轉(zhuǎn)矩20000 N·m;刀柄形式為BT50/JT50;刀具夾緊方式:碟形彈簧;刀具松開方式:液壓;擺動軸到主軸頭距離270 mm;A軸擺動范圍:±100°;C軸擺動范圍:±n×360°。

從上述參數(shù)中看到，A/C軸的回轉(zhuǎn)分辨率是0.001°，精度如此之高，若蝸輪蝸桿的間隙過大，A/C的重復(fù)定位精度就會很低，滿足不了高精度5軸機床的加工需要。因此，在蝸桿的設(shè)計時，采用了分體式消隙結(jié)構(gòu)。

圖3是可調(diào)整傳動間隙的蝸輪蝸桿傳動裝置，其結(jié)構(gòu)原理是安裝在機體上的蝸輪蝸桿，蝸桿做成分體式，即由套筒式蝸桿和心軸式蝸桿組成。心軸式蝸桿一端的軸體部分插裝在套筒式蝸桿的內(nèi)孔，并固定聯(lián)接成一體的結(jié)構(gòu)。套筒蝸桿外側(cè)的蝸桿齒與心軸蝸桿外側(cè)的蝸桿齒形成與蝸輪相嚙合的蝸桿螺旋齒。在套筒蝸桿的一端裝有軸承，在心軸蝸桿的一端也裝有軸承，兩端固定安裝在機體上，并設(shè)有調(diào)整軸向間隙的調(diào)整墊。

圖3

當蝸輪蝸桿使用一段時間后，如果蝸桿螺旋齒與蝸輪齒間隙變大，可隨時改變調(diào)整墊厚度，以調(diào)整軸向間隙的大小，從而保持蝸桿螺旋齒與蝸輪齒的間隙處于理想狀態(tài)，達到運行平穩(wěn)、噪聲小、動力傳遞精度高的目的。