一種小模數(shù)數(shù)控滾齒機(jī)的設(shè)計(jì)

章葉根

（浙江嘉力寶精機(jī)股份有限公司，浙江 紹興 311800）

YS3116CNC5五軸四聯(lián)動(dòng)小模數(shù)數(shù)控滾齒機(jī)是本公司在2014年年底新開發(fā)的一款高速高效滾齒機(jī)。我們將數(shù)控高速滾齒機(jī)創(chuàng)新的設(shè)計(jì)原理、先進(jìn)的技術(shù)及幾代人在滾齒技術(shù)領(lǐng)域獲得的寶貴經(jīng)驗(yàn)有機(jī)的結(jié)合在一起，開發(fā)出一款人人都能操作的數(shù)控滾齒機(jī)。

YS3116CNC5小模數(shù)數(shù)控滾齒機(jī)能加工模數(shù)2毫米以下，直徑160毫米以下的各種直齒（軸）/斜齒圓柱齒輪（軸），鼓形齒、小錐度齒輪，適用于汽車、摩托車、電動(dòng)工具等行業(yè)的齒輪加工。該機(jī)床的高速體現(xiàn)在滾刀主軸的轉(zhuǎn)速達(dá)到了3000r/min，工作臺(tái)的最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到500r/min。滾刀中心到工作臺(tái)面的距離是150毫米到450毫米，滾刀中心到工作臺(tái)中心的范圍在15毫米到215毫米之間，齒輪的軸向和徑向方向的切削范圍很廣。滾刀切向竄刀為100毫米，可以在刀架上裝長(zhǎng)度為140毫米、直徑最大為80毫米的滾刀，大大提高滾刀的使用率。

該滾齒機(jī)在機(jī)械傳動(dòng)方面均采用了直連或近直連的方式，有效的縮短了傳動(dòng)鏈，減少了傳動(dòng)誤差，提高了滾齒精度：X、Y、Z軸采用高精度滾柱絲杠通過(guò)彈性聯(lián)軸器和伺服電機(jī)相連，滾柱絲杠采用預(yù)拉伸力拉緊機(jī)構(gòu)，使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化直線運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙傳動(dòng)，并增加剛性，X、Y、Z向的移動(dòng)均采用高精度高剛性的直線導(dǎo)軌。

傳統(tǒng)的數(shù)控滾齒機(jī)的滾刀軸（B軸）一般采用的結(jié)構(gòu)是有幾對(duì)總減速比為1:4左右的消隙齒輪，其中大齒輪主軸中部，伺服電機(jī)連接小齒輪（有些刀架的傳動(dòng)鏈中間還有過(guò)橋齒輪），主軸尾部處裝有打刀機(jī)構(gòu)，滾刀的夾緊通過(guò)內(nèi)部的蝶形彈簧后拉，松開的時(shí)候依靠打刀缸將拉刀桿前推。這個(gè)結(jié)構(gòu)的刀架，傳動(dòng)鏈傳動(dòng)精度損失大，體積較大。傳統(tǒng)數(shù)控滾齒機(jī)的工作臺(tái)主軸（C軸）中部也是由一對(duì)減速比為1:8左右的高精度消隙齒輪來(lái)提供動(dòng)力傳動(dòng)，一般的消隙機(jī)構(gòu)制作復(fù)雜，加工精度要求高，裝配困難。此種刀架和工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要配備專門的油路潤(rùn)滑系統(tǒng)，并對(duì)油路的清潔非常重要，是數(shù)控機(jī)床里不可缺的一塊成本。

而我司設(shè)計(jì)的新一代數(shù)控滾齒機(jī)恰好解決了這一問(wèn)題，在滾刀軸（B軸）采用大功率伺服電機(jī)和高速主軸尾端直連，并在主軸設(shè)計(jì)一徑向腰型孔，穿上銷軸，連接上拉刀桿；再在機(jī)構(gòu)中間段設(shè)計(jì)一高速旋轉(zhuǎn)液壓缸，連接銷軸，刀具夾緊還是通過(guò)內(nèi)部的蝶形彈簧將滾刀拉桿后拉，使拉爪收緊；松開的時(shí)候依靠打刀活塞將推動(dòng)銷軸并帶動(dòng)拉刀連接套使?jié)L刀拉桿前推。該主軸兩端均采用高精度回轉(zhuǎn)軸承定位，軸承采用油脂潤(rùn)滑，兩端密封，主軸尾部和主軸伺服電機(jī)用高精度大扭矩的株洲聯(lián)軸器連接；竄刀軸（Y軸）安裝在滑動(dòng)托板上，Y軸滾珠絲杠通過(guò)Y軸聯(lián)軸器與加速比位1:20的Y軸行星減速機(jī)相連，Y軸伺服電機(jī)提供動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)竄刀。該直線運(yùn)動(dòng)行程范圍為0～100mm；該刀架機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，精度高（見圖1）。

圖1 刀架結(jié)構(gòu)圖

工作臺(tái)主軸 （C軸）通過(guò)上下兩對(duì)高精度高剛性的主軸承作為定位支撐，主軸軸承均采用油脂潤(rùn)滑，傳動(dòng)比為1:5的高精度行星減速機(jī)的輸出端插入主軸尾部，并用抱箍鎖緊，保證無(wú)反向回轉(zhuǎn)間隙。伺服電機(jī)輸出軸之間插入行星減速機(jī)的輸入端，采用減速機(jī)自帶的脹緊套鎖住電機(jī)軸，保證在傳動(dòng)過(guò)程中無(wú)反向間隙。在主軸上端的防護(hù)罩內(nèi)采用機(jī)械密封和填料密封，可有效的阻止?jié)袂袝r(shí)候切削液進(jìn)入主軸內(nèi)部。該工作臺(tái)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行精度高，密封性能好，實(shí)踐證明這樣的連接方式不僅剛性高，而且精度損失降到最低（見圖2）。

圖2 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

整個(gè)機(jī)床取消了油路潤(rùn)滑系統(tǒng)，只保留了定量潤(rùn)滑系統(tǒng)用來(lái)定時(shí)定量潤(rùn)滑各類滾珠絲杠和直線導(dǎo)軌。

在設(shè)計(jì)床身、立柱、工作臺(tái)等部件的時(shí)候，都對(duì)主要部件進(jìn)行有限元分析和熱力學(xué)分析，如立柱設(shè)計(jì)采用了雙層壁結(jié)構(gòu)，并在各層中灌沙，不僅有效防止了機(jī)床的共振，而且提高了刀架的切削剛性。

該滾齒機(jī)采用了美國(guó)捷準(zhǔn)公司專門為我司開發(fā)設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)，圖形化界面使得輸入更加友好簡(jiǎn)便，編程容易，可進(jìn)行多次循環(huán)切削?？蛻糁灰斎臊X輪的參數(shù)，就可以進(jìn)行滾齒切削，不需要像普通數(shù)控滾齒機(jī)那樣輸入G指令。

我們?cè)谠O(shè)計(jì)機(jī)床的時(shí)候?yàn)闇p少?gòu)U油廢氣對(duì)環(huán)境的污染，充分為用戶考慮，采用了干式切削和濕式切削，供用戶選擇。無(wú)論是干式切削還是濕式切削，該滾齒機(jī)均是理想的高速滾齒設(shè)備。

YS3116CNC5五軸四聯(lián)動(dòng)小模數(shù)數(shù)控滾齒機(jī)特點(diǎn)。

（1）機(jī)床五軸數(shù)控，可采用單頭或多頭滾刀進(jìn)行高速滾齒加工。

（2）各運(yùn)動(dòng)軸獨(dú)立伺服電機(jī)直接控制，傳動(dòng)鏈短、精度高、轉(zhuǎn)速高、滾刀軸最高轉(zhuǎn)速3000r/min、工件軸最高轉(zhuǎn)速500r/min。

（3）床身、立柱、工作臺(tái)等基礎(chǔ)件采用三維造型經(jīng)過(guò)有限元應(yīng)力和熱力學(xué)分析，結(jié)構(gòu)合理、剛性好。

（4）機(jī)床可進(jìn)行干式切削，亦可進(jìn)行濕式切削，干切加工效率通常是常規(guī)濕切機(jī)床的2～3倍。

（5）加工區(qū)域完全密閉，內(nèi)置大斜度光滑不銹鋼內(nèi)罩，考慮切削下落的床身結(jié)構(gòu)，床身內(nèi)置自動(dòng)排屑器，切屑自動(dòng)落到排屑器上，獨(dú)立的液壓站；設(shè)計(jì)、安裝調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、可靠。

（6）各潤(rùn)滑點(diǎn)自動(dòng)潤(rùn)滑，鐵屑自動(dòng)排屑，省事省力更方便。

（7）操作系統(tǒng)界面友好，參數(shù)輸入簡(jiǎn)單。

YS3116CNC5五軸四聯(lián)動(dòng)小模數(shù)數(shù)控滾齒機(jī)在切齒精度上已經(jīng)達(dá)到了6級(jí)，部分精度超過(guò)5級(jí)。在速度上如滾切圓柱齒輪模數(shù)為1毫米，齒數(shù)為40，厚度為10毫米的齒輪，3個(gè)齒輪一起加工的情況下，最快只需50秒左右，一個(gè)齒輪的加工速度在16秒左右；加工完成的零件表面粗糙度可達(dá)1.6微米以上，不需要再剃齒加工。目前該滾齒機(jī)已經(jīng)投放市場(chǎng)，市場(chǎng)反響非常好，公司已經(jīng)開始批量生產(chǎn)。

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