重型臥式數(shù)控車床液壓消隙和阻尼的C軸分度系統(tǒng)

雷宇 劉磊

摘 要：帶有銑削和鉆削功能的重型臥式數(shù)控車床通常要用到c軸分度系統(tǒng)，設(shè)計(jì)中最常見的有雙電機(jī)伺服分度系統(tǒng)和單電機(jī)機(jī)械消隙/阻尼分度系統(tǒng)。雙電機(jī)伺服分度系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對簡單，但成本較高；單電機(jī)c軸分度系統(tǒng)傳動鏈機(jī)械結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，成本低，但系統(tǒng)的保持性較差。本文推薦一種帶有液壓消隙和阻尼的分度系統(tǒng)，其同時(shí)具有低成本和高保持性的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：阻尼；消隙；主軸分度；油缸保壓

重型臥式數(shù)控車床常用的c軸分度系統(tǒng)有雙電機(jī)伺服分度系統(tǒng)[1]和單電機(jī)機(jī)械消隙/阻尼分度系統(tǒng)。雙電機(jī)伺服分度系統(tǒng)所需電氣配套元件和機(jī)械零件數(shù)量較多，成本較高；單電機(jī)c軸分度系統(tǒng)機(jī)械件易磨損，碟簧組發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致分度系統(tǒng)處于變量狀態(tài)，主軸分度的保持性不高，需要時(shí)常對機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整才能達(dá)到理想工作狀態(tài)。

為克服以上缺點(diǎn)，我們設(shè)計(jì)了一種新的液壓消隙和阻尼結(jié)構(gòu)，可以保證傳動鏈的精度，并提高主軸分度的穩(wěn)定性。

1 主要結(jié)構(gòu)

如圖1-2所示，該系統(tǒng)包括主軸箱及其主傳動鏈、主傳動鏈液壓換擋系統(tǒng)、c軸伺服分度傳動鏈，c軸伺服分度切換系統(tǒng)，c軸傳動鏈液壓消隙系統(tǒng)、大齒輪液壓阻尼系統(tǒng)等。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1主傳動鏈換擋裝置

如圖1所示，主傳動鏈由4級傳動鏈組成。通過撥叉調(diào)整軸Ⅲ的滑移齒輪來實(shí)現(xiàn)換擋功能，完成高速鏈和低速鏈的自動切換?；讫X輪的位置通過圖2Ⅲb軸來控制：當(dāng)換擋油缸

2.2 C軸伺服分度切換

如圖l所示，當(dāng)主軸要運(yùn)行C軸分度功能時(shí)，主運(yùn)動轉(zhuǎn)速降低至臨界轉(zhuǎn)速，撥叉（10）移動到位置B，主傳動鏈斷開。此時(shí)C軸齒輪切換油缸（11）推動C軸切換齒輪（17）與Ⅲ軸大齒輪嚙合。完全嚙合后，給油缸限位單元（14）信號，動作停止。

接到完成伺服分度信號后，c軸齒輪切換油缸（11）拉動C軸切換齒輪（17）與Ⅲ軸大齒輪脫離。達(dá)到預(yù)定位置后，動作停止。

2.3液壓消隙單元

如圖3所示，當(dāng)油缸（25）接到油缸限位單元（14）閉合信號后，推動撥叉（24）向右運(yùn)動，滑移斜齒輪（20）向遠(yuǎn)離Ⅲ軸斜齒輪（18）的方向運(yùn)動，使得III軸斜齒輪（18）和滑移斜齒輪（20）的齒面分別作用于Ⅳ軸大齒輪的兩個(gè)方向，達(dá)到消隙的效果。

接到完成伺服分度信號后，油缸（25）卸除壓力，滑移斜齒輪（20）恢復(fù)到自然狀態(tài)，并隨Ⅲ軸斜齒輪（18）一起跟隨主傳動鏈轉(zhuǎn)動。

2.4大齒輪阻尼單元

收到c軸伺服分度開始信號后，液壓站向阻尼油缸供油，通過串聯(lián)腔體結(jié)構(gòu)使得兩邊彈性法蘭（28）內(nèi)部壓力平衡，變形一致。阻尼塊（29）在彈性法蘭（28）受到油壓變形的作用下對Ⅳ軸大齒輪形成阻尼，對主軸分度動作起到平穩(wěn)和抗震的作用；當(dāng)主軸分度動作完成后，液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)油腔壓力，將分度定位后的Ⅳ軸大齒輪卡緊，動作完成（見圖4）。

3 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

3.1液壓消隙單元

如圖5所示，油缸預(yù)緊力F在斜齒輪圓周方向產(chǎn)生的分力為F切，所產(chǎn)生的扭矩為T。本結(jié)構(gòu)的拉力油缸處于恒壓狀態(tài)，可自動補(bǔ)償磨損值，為了完全消除反向間隙，并增加齒面接觸剛度，應(yīng)：

式中：

Tn——齒輪計(jì)算轉(zhuǎn)矩，N·m；

P——電機(jī)額定功率，KW9；

nJ——該消隙軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，r/min；

B——斜齒輪螺旋角。

根據(jù)以上公式可以求出油缸最小拉力，并得出油缸需求的壓力值。

3.2大齒圈阻尼單元

3.2.1鎖緊狀態(tài)

進(jìn)入鎖緊狀態(tài)時(shí)，摩擦力矩必須大于主軸（包括花盤、工件等）整體的最大慣性矩，即Tf≥M∑。

由保壓油缸對大齒圈的正壓力F產(chǎn)生的摩擦力f=2μF，由摩擦力f產(chǎn)生的扭矩為Tf=2π·f·R[2-3]。

由運(yùn)動學(xué)公式：可以求出油缸的最小正壓力F，取值后設(shè)定系統(tǒng)F值恒定輸出。

式中：

R——摩擦力作用點(diǎn)處的齒圈半徑，m；

nmax——?jiǎng)傮w最大轉(zhuǎn)動速度，r/min；

J∑——人共總轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；

α——角加速度rad/s2；

Pi——?jiǎng)傮w折算半徑，m；

Mi——?jiǎng)傮w質(zhì)量，kg；

T——?jiǎng)傮w設(shè)置制動時(shí)間，s。

3.2.2阻尼狀態(tài)

大齒圈在c軸分度狀態(tài)下產(chǎn)生的最大慣性矩為M∑，阻尼狀態(tài)下需綜合掉由傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的機(jī)械振動，根據(jù)公式aTf=M∑[3]，a為計(jì)算常數(shù)，可以求出油缸正壓力范圍。

所有油缸壓力設(shè)定值確定后，進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動狀態(tài)模擬，在軟件分析狀態(tài)下校核系統(tǒng)是否滿足設(shè)計(jì)需要，反復(fù)試驗(yàn)達(dá)到許用要求。

4 實(shí)際應(yīng)用效果

本結(jié)構(gòu)利用油缸恒壓原理，克服了因機(jī)械結(jié)構(gòu)磨損產(chǎn)生間隙而導(dǎo)致的不定因素，使得消隙預(yù)緊力、阻尼、卡緊力等保持不變。大大降低了維護(hù)保養(yǎng)的難度，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的c軸分度功能。本結(jié)構(gòu)可適用于數(shù)控臥式車床等相關(guān)類似應(yīng)用。齊齊哈爾二機(jī)床（集團(tuán)）股份有限公司自行研制CXK61200X100/40重型數(shù)控臥式車銑床主軸箱c軸分度系統(tǒng)便依賴于此技術(shù)，該系統(tǒng)對主軸分度定位給予了充分對保障，實(shí)際應(yīng)用效果非常顯著，受到客戶信賴。

[參考文獻(xiàn)]

[1]焦衛(wèi)兵，常雪梅.高精度重型數(shù)控機(jī)床c軸進(jìn)給分度裝置消隙結(jié)構(gòu)的研究[C].哈爾濱：第三屆十省區(qū)市機(jī)械工程學(xué)會科技論壇暨黑龍江省機(jī)械工程學(xué)會年會，2007.

[2]李 宏.實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊[M].沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999

[3]機(jī)床設(shè)計(jì)手冊編寫組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊第三冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1986.