大型滾齒機(jī)回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計(jì)

楊增旺 賁道春 丁晨晨

(江蘇鵬飛集團(tuán)股份有限公司，江蘇 海安 226623)

大型滾齒機(jī)回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計(jì)

楊增旺 賁道春 丁晨晨

(江蘇鵬飛集團(tuán)股份有限公司，江蘇 海安 226623)

以SKG13050型數(shù)控滾齒機(jī)回轉(zhuǎn)工作臺為例，介紹了滾齒機(jī)回轉(zhuǎn)工作臺的靜壓導(dǎo)軌、回轉(zhuǎn)定心軸承、蝸輪蝸桿副側(cè)隙調(diào)節(jié)等結(jié)構(gòu)和主要零件的設(shè)計(jì)，回轉(zhuǎn)工作臺零部件經(jīng)過采購、制造、安裝，與床身、立柱、滾刀架部件和電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等裝配調(diào)試，通過齒輪試切和機(jī)床投產(chǎn)滾切實(shí)踐，回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計(jì)滿足滾齒機(jī)性能要求。

滾齒機(jī)；靜壓導(dǎo)軌；恒壓；恒流；側(cè)隙

隨著市場的不斷發(fā)展變化，公司為配套大型回轉(zhuǎn)窯和管磨機(jī)等設(shè)備傳動用的大模數(shù)、大直徑齒輪也相應(yīng)增多，特別是直徑在10 m，模數(shù)40 mm以上齒輪滾切加工的滾齒機(jī)還是空白，如有大型回轉(zhuǎn)窯或礦用管磨機(jī)生產(chǎn)合同含有上述大型傳動用齒輪，則需外協(xié)加工，但生產(chǎn)周期長，質(zhì)量難控制，且運(yùn)輸困難,費(fèi)用高；如新購一臺能加工此范圍齒輪的滾齒機(jī)則要上千萬元。為適應(yīng)生產(chǎn)需求，公司決定研制一臺SKG13050型四軸聯(lián)動數(shù)控滾齒機(jī),即B軸：滾刀主軸回轉(zhuǎn)運(yùn)動；C軸：工作臺回轉(zhuǎn)運(yùn)動；X軸：徑向進(jìn)給運(yùn)動；Z軸：軸向進(jìn)給運(yùn)動；采用交流伺服電動機(jī)驅(qū)動，西門子840D控制系統(tǒng),編程環(huán)境運(yùn)用展成運(yùn)動原理，完成φ13 m以下圓柱直、斜齒輪等外齒形滾切。

1 SKG13050型滾齒機(jī)回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計(jì)方案

滾齒機(jī)工作臺被人們稱為滾齒機(jī)的心臟,因?yàn)闆Q定滾切運(yùn)動誤差的分度蝸輪裝配在它上面。而工作臺實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的導(dǎo)軌副及回轉(zhuǎn)定心軸承等結(jié)構(gòu)性能，對保證工作臺的承載能力，工作臺的分度精度、重復(fù)定位精度等起著重要作用。

SKG13050型滾齒機(jī)工作臺回轉(zhuǎn)驅(qū)動采用兩套由IFT6136伺服電動機(jī)、PGB210-050-SKAM1專用減速箱、雙螺距變齒厚蝸桿直聯(lián),水平對稱布置與蝸輪嚙合，蝸輪與回轉(zhuǎn)工作臺固定連接，應(yīng)用靜壓導(dǎo)軌,實(shí)現(xiàn)工作臺繞其定心軸承旋轉(zhuǎn)。

主要技術(shù)參數(shù)：

(1)工作臺直徑7 000 mm。(2)工作臺轉(zhuǎn)速0～0.14 r/min。(3)滾切齒輪直徑4 600～13 000 mm。(4)工作臺(含胎具)重量W1=76 t。(5)最大加工齒輪重量W2=100 t。

2 靜壓導(dǎo)軌設(shè)計(jì)與計(jì)算

2.1 靜壓導(dǎo)軌供油方式

常規(guī)重載滾齒機(jī)靜壓系統(tǒng)中廣泛采用定量技術(shù)對系統(tǒng)供油，通過定量泵來實(shí)現(xiàn)，供油方式可分為恒壓式和恒流式。恒壓式靜壓導(dǎo)軌是通過調(diào)節(jié)油腔的流量來調(diào)節(jié)油膜的厚度，如圖1所示。恒流式不需要節(jié)流器，采用多個(gè)油泵對每個(gè)油腔進(jìn)行流量供油，并用控制閥來調(diào)整不同載荷下形成油膜，如圖2所示。恒流式供油靜壓導(dǎo)軌不僅壓力儲備大、過載能力強(qiáng)、剛度高，更重要是它工作的可靠性高，而且調(diào)整和維護(hù)非常簡單方便，完全能滿足現(xiàn)代大型機(jī)床對導(dǎo)軌的要求，特別適合用在低速、重載的場合[1]。因此，SKG13050型數(shù)控滾齒機(jī)其靜壓導(dǎo)軌選擇恒流式供油方式。

2.2 靜壓導(dǎo)軌的承壓力計(jì)算

靜壓導(dǎo)軌為多油腔，一般為3～20個(gè)。油腔數(shù)過多，不利于提高承載能力，且增加制造安裝的困難，油腔數(shù)過少，單個(gè)油腔油液流量大，溫升高，承載能力波動大，工作臺運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)差。兼顧承載能力和穩(wěn)定性，根據(jù)靜壓支承座直徑大小設(shè)計(jì)為16個(gè)油腔，每個(gè)油腔除內(nèi)外環(huán)回油槽外，還設(shè)置徑向回油槽，徑向回油槽作用有兩個(gè)，既可作內(nèi)外環(huán)回油連接通道，還可以作油腔之間斷壓槽用，以免壓力互相干擾[2]。一般取徑向回油槽寬與周邊回油槽寬相等。

根據(jù)工作臺直徑和導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)，可初步確定導(dǎo)軌外環(huán)封油邊半徑R=3 380 mm；內(nèi)環(huán)封油邊半徑r=2 760 mm，徑向封油邊的寬度b≈0.25(R-r)，取b=150 mm，根據(jù)徑向封油邊寬度計(jì)算導(dǎo)軌油腔半徑R1、r1為[3]：

(1)

根據(jù)上式及初選的導(dǎo)軌參數(shù)計(jì)算R1=3 230 mm，r1=2 910 mm,徑向回油槽寬設(shè)計(jì)為a=50 mm，靜壓導(dǎo)軌油腔結(jié)構(gòu)如圖3所示。

每個(gè)油墊有效承載面積Ae計(jì)算[4](可用CAD量取)：

Ae=π[(R-b/2)2-(r1-b/2)2]/n

-(a+b)(R-r-b)

(2)

根據(jù)公式計(jì)算Ae=0.472 3 m2。

空載時(shí)單個(gè)供油點(diǎn)所需供油壓力P0為：

P0=W1×9.8/(16Ae)=0.098 5 MPa

滿載時(shí)單個(gè)供油點(diǎn)所需供油壓力：

Pmax=(W1+W2)×9.8/(16Ae)=0.228 MPa

每個(gè)油墊流量q計(jì)算如下：

流過每個(gè)油墊封油邊的流量由兩部分組成，即徑向圓弧封油邊的q1和周向查封油邊的q2，計(jì)算公式分別為[5]：

(3)

(4)

式中：h為油膜厚度，m。大型機(jī)床h=(3～6)×10-5m[6]，取6×10-5m；P為油腔的壓力，Pa；n為油腔個(gè)數(shù)；μ為液壓油的動力粘度，Pa·S(46號抗磨液壓油的粘度查資料40 ℃時(shí)，μ40℃=(41.4～50.6)×10-3Pa·S，取μ40℃=46×10-3Pa·S)；θ為油腔油封邊中線夾角，(°)。

綜合式(3)、(4)得每個(gè)油墊流量9計(jì)算公式為：

q=aph3p/μ

(5)

式中：

根據(jù)公式計(jì)算一個(gè)油腔在40 ℃滿載的流量q40℃=1.75L/min，40 ℃滿載整個(gè)導(dǎo)軌的流量q總=1.75×16=28L/min。

為保證靜壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性和剛性,根據(jù)有關(guān)廠家樣本選用16點(diǎn)多點(diǎn)齒輪分油器供油。

2.3 油膜的剪切功率計(jì)算

當(dāng)工作臺旋轉(zhuǎn)時(shí)，油在導(dǎo)軌間受剪切，必然消耗功率。由于液體靜壓導(dǎo)軌無直接金屬接觸，也就無金屬摩擦損失。但工作臺導(dǎo)軌與底座導(dǎo)軌有相對速度，其間油受剪切，計(jì)算公式為[7]：

剪切力：F ′=μAv/h

(6)

剪切力矩： M= F ′r

(7)

剪切所消耗功率：N=1.075×10-7μA r2n2/h

(8)

式中：A為底座上的靜壓下導(dǎo)軌與工作臺導(dǎo)軌實(shí)際接觸面積，mm2(油腔徑向回油槽不計(jì)算在內(nèi)，可用CAD量取A=7 083 800mm2)；r為導(dǎo)軌寬度的幾何中心到導(dǎo)軌圓心半徑，mm(r=(3 380+2 760)/2=3 070mm)；n為工作臺最高轉(zhuǎn)速，r/min(齒輪坯校正裝夾用，取n=0.14r/min)；μ為液壓油的動力粘度，Pa·s(46號抗磨液壓油的粘度10 ℃時(shí)，μ10℃=0.25Pa·s)。取46號機(jī)械油，10℃時(shí)剪切消耗功率：N=1.075×10-7μA r2n2/h=58kW

上述計(jì)算是基于短時(shí)間內(nèi)溫度變化較大、滿載、高速時(shí),實(shí)際情況為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性,根據(jù)季節(jié)冬夏分別選用32號和46號抗磨液壓油,油膜剪切消耗功率較小，貯油箱容量選用大于1 000L，能保持安全可靠工作。

油膜剛度計(jì)算：

J=F/e

(9)

式中：J為油膜剛度，N/μm；F為載荷，N(F=(W1+W2)×9.8=1 724 800 N)；e為從原始載荷狀態(tài)開始計(jì)算的位移量，μm(e=0～60 μm)。根據(jù)公式得Jmin=1 724 800/60=28 747 N/μm。

3 回轉(zhuǎn)工作臺定心軸承結(jié)構(gòu)

數(shù)控滾齒機(jī)回轉(zhuǎn)工作臺主要由靜壓支承座、回轉(zhuǎn)工作臺、主軸軸承定心機(jī)構(gòu)、蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)等零部件組成,如4圖所示。

回轉(zhuǎn)工作臺定心精度直接影響齒輪加工精度,回轉(zhuǎn)定心常用V型導(dǎo)軌和滾動軸承及靜壓軸承等結(jié)構(gòu)形式。SKG13050滾齒機(jī)回轉(zhuǎn)工作臺由兩套對稱布置的蝸桿驅(qū)動蝸輪使工作臺旋轉(zhuǎn),其工作臺回轉(zhuǎn)定心采用滾動軸承方式(如圖4)，空心的主軸固定在靜壓支承座上,軸上裝有兩只基本尺寸精度和旋轉(zhuǎn)精度為P2級、徑向游隙1組的高精度、高剛度的雙列圓柱滾子軸承,保證工作臺的回轉(zhuǎn)定心與軸向浮動(靜壓導(dǎo)軌要求),軸承外圈與傳動軸套連接,傳動軸套再與工作臺連接,空心軸孔內(nèi)安裝潤滑軸承的輸送油管和工作臺旋轉(zhuǎn)編碼器導(dǎo)線,潤滑油由上而下潤滑兩軸承,最后由下端輸出,保證軸承的潤滑與冷卻。

4 回轉(zhuǎn)工作臺蝸輪蝸桿副嚙合側(cè)隙調(diào)整

蝸輪蝸桿嚙合側(cè)隙影響工作臺分度精度、重復(fù)定位精度和動態(tài)性能。為了防止制造安裝和滾齒機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后嚙合齒面的磨損，嚙合側(cè)隙超過設(shè)計(jì)值，需要對蝸桿蝸輪的嚙合側(cè)隙進(jìn)行調(diào)整,以使其始終保持在最小的必要限度內(nèi)。

雙驅(qū)動的主副兩蝸桿均采用雙導(dǎo)程，齒厚從一端向另端均勻地逐漸增厚或減薄,其左右兩端面有不同的導(dǎo)程,即左右兩側(cè)面具有不同的模數(shù),如圖5。

蝸桿套在蝸桿軸上,在蝸桿支承座調(diào)裝固定后,通過圖示左側(cè)的圓螺母等零件旋松,取出鑲?cè)雺|圈止口的兩半調(diào)節(jié)墊片3,改變其墊片厚度,即可軸向移動蝸桿,從而調(diào)整蝸輪副的嚙合側(cè)隙。其優(yōu)點(diǎn)嚙合側(cè)隙可調(diào)整得很小,很精確,傳動穩(wěn)定,精度保持性好。

與蝸桿軸直聯(lián)的驅(qū)動機(jī)構(gòu)其IFT6136伺服電動機(jī)由西門子840系統(tǒng)控制, 通過控制兩電動機(jī)的電流變化來控制電動機(jī)的扭矩,即系統(tǒng)的預(yù)載能力,實(shí)現(xiàn)兩電動機(jī)同步驅(qū)動,工作臺高精度的精密分齒、差動功能。

5 回轉(zhuǎn)工作臺主要零件設(shè)計(jì)

5.1 靜壓支承座

靜壓支承座是回轉(zhuǎn)工作臺底座，其上端面設(shè)有16個(gè)靜壓導(dǎo)軌油腔和回油槽，外側(cè)設(shè)有與水平床身連接的凸臺和蝸桿支承座安裝平臺，下端與地基用地腳螺栓連接，采用壁龕式地腳螺栓型腔結(jié)構(gòu)，減少了占地面積，增大了零件剛度，靜壓支承座最大外徑達(dá)8 m,重量近90 t,用鑄鐵(HT250)鑄造而成。該件因外形和重量大,其鑄造和運(yùn)輸困難，設(shè)計(jì)時(shí)采用對半分體拼裝式,為使兩件拼裝組成支承座其上的靜壓導(dǎo)軌不產(chǎn)生相對滑移和變形，保證零件強(qiáng)度和剛度，采用水平導(dǎo)向鍵和垂直圓柱銷組合定位，用高強(qiáng)度螺栓把合連接(如圖6)，兩件拼裝前在分型面有靜壓導(dǎo)軌和回油槽等處安裝橡膠密封條,保證兩件組成的靜壓支承導(dǎo)軌面的密封。

5.2 工作臺

工作臺下側(cè)與蝸輪止口配合螺栓連接,上側(cè)與齒輪滾切胎具連接,臺面上設(shè)徑向T型槽。為了提高工作臺的剛度,工作臺下側(cè)非連接部位布置環(huán)向和徑向加強(qiáng)筋,且T型槽背面均設(shè)計(jì)有徑向加強(qiáng)筋。工作臺用鑄鐵(HT250)鑄造而成，其外徑7 m, 重量62 t,因外形和重量大,其鑄造和運(yùn)輸困難,采用兩半榫接的方式對合安裝，用水平榫槽配合與垂直圓柱銷組合定位,由雙頭螺柱和高強(qiáng)度螺栓上下兩排布置連接,如圖6。臺面上表面的螺孔用帶密封圈的堵塞密封,工作臺拼裝對合面用橡膠鑲條密封,防止在使用過程中切削液滲漏到工作臺內(nèi)部，造成工作臺故障和損壞。

5.3 蝸輪

蝸輪是回轉(zhuǎn)工作臺的關(guān)鍵件,其上面與工作臺連接,下面與靜壓支承座的導(dǎo)軌面接合,由蝸桿傳遞動力驅(qū)動工作臺旋轉(zhuǎn)。根據(jù)工作臺運(yùn)動參數(shù)與結(jié)構(gòu)要求，按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì)，其齒數(shù)為424、模數(shù)16 mm，用QT600-3整體鑄造，經(jīng)齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核，其強(qiáng)度滿足要求。

6 結(jié)語

設(shè)計(jì)的滾齒機(jī)回轉(zhuǎn)工作臺有關(guān)零部件經(jīng)專業(yè)廠協(xié)作制造，與數(shù)控滾齒機(jī)床身、立柱、滾刀架部件以及電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組裝連接，如圖7。滾齒機(jī)經(jīng)過安裝和各控制系統(tǒng)調(diào)試，回轉(zhuǎn)工作臺進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，結(jié)果證明該工作臺具有很強(qiáng)的承載能力，浮起高度穩(wěn)定，運(yùn)行平穩(wěn)，完全能滿足滾齒機(jī)承載加工要求。通過對滾齒機(jī)各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)綜合檢測和齒輪滾削試驗(yàn)，滾切齒輪精度達(dá)7級。SKG13050型滾齒機(jī)的投產(chǎn)加工，滿足了大型回轉(zhuǎn)窯和管磨機(jī)等傳動用模數(shù)50 mm、φ13 m以下齒輪加工要求，節(jié)約齒輪生產(chǎn)成本，拓寬了公司產(chǎn)品系列，提高了企業(yè)市場競爭能力。

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Design for rotary working table of large-scale hobbing machine

YANG Zengwang, BEN Daochun, DING Chenchen

(Jiangsu Pengfei Group Co., Ltd., Haian 226623, CHN)

Taking the rotary working table of SKG13050 CNC hobbing machine as an example, introduces the structures such as static pressure rail, rotary centering bearing, and adjustment for pair side cap of worm gear of rotary working table of hobbing machine and the design for the main parts, through purchase, fabrication and installation, the parts of rotary working table will be assembled and commissioning with the machine body, vertical column, hob head parts and electric system, hydraulic system, control system, through gear trial cut and tool putting into production to hobbing practice, the rotary working table design satisfies the performance requirements of hobbing machine.

hobbing machine; hydrostatic guideway; constant voltage; constant current; lateral clearance

TG61+2;TH123+1;TH137.7+51

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.12.008

楊增旺：男，1964年生，高級技師， 工作及研究方向?yàn)榻ú?、礦山機(jī)械及加工工裝設(shè)備的設(shè)計(jì)，己發(fā)表論文5篇，近年來申請授權(quán)實(shí)用新型專利9件、發(fā)明專利2件，獲縣市科技進(jìn)步獎5項(xiàng)， 獲建材行業(yè)技術(shù)革新獎8項(xiàng)等。

藝) (

2016-05-10)

161216