大模數(shù)、少齒數(shù)數(shù)控滾齒機(jī)的設(shè)計(jì)

吳文杰 石旗勇

(浙江萬豐科技開發(fā)股份有限公司研究院，浙江紹興31200)

數(shù)控滾齒機(jī)床技術(shù)較其他數(shù)控機(jī)床技術(shù)更復(fù)雜，發(fā)展起步較晚，但起點(diǎn)較高，近些年發(fā)展迅速。高水平的全數(shù)控CNC滾齒機(jī)已成為國際市場的主流[1]，國產(chǎn)數(shù)控滾齒機(jī)產(chǎn)品系列逐步齊全。但是，近些年，隨著我國礦山機(jī)械、風(fēng)電設(shè)備、大型船舶、石油機(jī)械等行業(yè)的快速發(fā)展，各種模數(shù)M7～20 mm，齒數(shù)Z6～17，模數(shù)大、齒數(shù)少的高精度圓柱齒輪應(yīng)用量劇增。與加工普通齒輪相比，滾齒法加工少齒數(shù)齒輪的固有特點(diǎn)是滾刀轉(zhuǎn)速低而工作臺轉(zhuǎn)速太高[2]，如果要保證最佳的切削速度，工作臺的轉(zhuǎn)速比加工較多齒數(shù)齒輪時(shí)快得多，對分度蝸輪副的使用壽命威脅很大，長期使用，必致磨損速度加快，使機(jī)床精度迅速下降[3]。

模數(shù)大、齒數(shù)少的齒輪對加工裝備的功能、規(guī)格、精度、效率及使用成本等方面提出了更高的要求。目前，市場上缺乏專門加工大模數(shù)、少齒數(shù)齒輪的高效數(shù)控滾齒機(jī)，開發(fā)一種高效的大模數(shù)、少齒數(shù)數(shù)控滾齒機(jī)具有重要意義。

筆者公司開發(fā)的大模數(shù)、少齒數(shù)數(shù)控滾齒機(jī)最大加工模數(shù)為20 mm，最大加工直徑為600 mm，刀具主軸最高轉(zhuǎn)速為500 r/min，工作臺最高轉(zhuǎn)速為48 r/min，主軸電動機(jī)功率為30 kW，加工精度為IT7，較好地滿足了市場需求。

1 機(jī)床總體設(shè)計(jì)及布局

1.1 大模數(shù)、少齒數(shù)數(shù)控滾齒機(jī)總體設(shè)計(jì)要求

和同規(guī)格常規(guī)數(shù)控滾齒機(jī)相比，大模數(shù)、少齒數(shù)滾齒機(jī)在結(jié)構(gòu)上具有以下特點(diǎn):

(1)滾齒機(jī)刀架允許安裝滾刀的最大直徑應(yīng)比常規(guī)滾齒機(jī)允許安裝滾刀最大直徑要大。

(2)滾刀刀桿直徑相應(yīng)的增大以適應(yīng)安裝更大模數(shù)滾刀。

(3)滾刀主軸功率及轉(zhuǎn)速比常規(guī)滾齒機(jī)的大，以滿足高速切齒的需要。

(4)工作臺中心至滾刀中心的最小距離應(yīng)盡可能的小，以滿足滾切齒數(shù)少、直徑小的齒輪的需要。

(5)工作臺允許的最高轉(zhuǎn)速要成倍的增大，機(jī)床傳動系統(tǒng)及整機(jī)的剛性要更強(qiáng)。

1.2 機(jī)床機(jī)械布局

大模數(shù)、少齒數(shù)數(shù)控滾齒機(jī)采用立式敞開式布局，工作臺固定，大立柱移動的結(jié)構(gòu)形式，工件主軸垂直布置在刀具主軸的右下方，刀架布置在大立柱上，通過大立柱移動實(shí)現(xiàn)徑向進(jìn)給。這樣的布局一方面可以避免大模數(shù)齒輪及其夾具因較大自重對滾削加工帶來的不利影響，另一方面通過大立柱移動更利于切削力的分配。機(jī)床總體外形簡圖見圖1。

床身為高強(qiáng)度、高剛性的雙層壁、高筋板的對稱結(jié)構(gòu)，表面平整光滑，設(shè)置大斜面排屑槽，利于切屑順利排出；床身內(nèi)部設(shè)置切削油循環(huán)冷卻流道，通過切屑油循環(huán)使得床身達(dá)到穩(wěn)定的熱平衡，從而提高機(jī)床的加工精度。

主軸系統(tǒng)包括大立柱、刀架滑板和滾刀箱。大立柱通過矩形大平面鑲鋼導(dǎo)軌與床身相連接，實(shí)現(xiàn)X軸移動；刀架滑板通過矩形大平面鑲鋼導(dǎo)軌與大立柱相連，實(shí)現(xiàn)Z軸移動；滾刀箱通過高剛性圓錐滾子軸承支撐在刀架滑板上，由伺服電動機(jī)驅(qū)動實(shí)現(xiàn)β角度的回轉(zhuǎn)，滾刀箱的夾緊和放松由液壓油缸實(shí)現(xiàn)；大功率交流主軸電動機(jī)直接安裝在滾刀箱上部，經(jīng)過高精度圓柱斜齒輪將運(yùn)動傳至滾刀主軸，每一級齒輪傳動帶有一齒差消隙結(jié)構(gòu)，減小傳動誤差；滾齒機(jī)刀架加大設(shè)計(jì)，預(yù)留更大的滾刀安裝空間和刀桿，滿足安裝大模數(shù)滾刀的要求。

工作臺固定在床身上，工作臺回轉(zhuǎn)采用雙分度蝸桿蝸輪驅(qū)動結(jié)構(gòu)確保在大齒輪的加工或逆方向的滾切加工中具有良好的精度；采用蝸輪專用減磨合金(LZA4205)替代常規(guī)的錫青銅作為分度蝸輪材料提高蝸輪副的極限轉(zhuǎn)速以滿足少齒數(shù)齒輪加工需求；工作臺內(nèi)置工件夾緊油缸，方便工件裝夾。

1.3 切削力的計(jì)算及主軸電動機(jī)選型

滾齒過程中產(chǎn)生的切削力直接影響機(jī)床能耗、刀具磨損和破損[4]。滾削力增大，必然會加大工藝系統(tǒng)的力變形，降低齒輪加工精度[5]。大模數(shù)、少齒數(shù)數(shù)控滾齒機(jī)切削量大，切削速度高，切削力大，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)有必要對主要技術(shù)參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算。

根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)理論可知，數(shù)控滾齒機(jī)主軸電動機(jī)總功率P總:

式中:P總為主軸電動機(jī)總功率，kW；P切為切削功率，又稱有效功率，kW；P空為空載功率，又稱無效功率，kW；η為傳動效率，一般取0.7～0.85。

(1)切削功率P切的計(jì)算

式中:FZ為切削力，N；V為切削速度，m/min。

國外基于金屬切削理論和實(shí)驗(yàn)得出滾削力計(jì)算公式，具有較高的準(zhǔn)確度[6]。例如德國普法特公司總結(jié)出的滾削力計(jì)算公式[7]:

化簡可得:

式中:m為被切齒輪法向模數(shù)，mm；S為軸向進(jìn)給量，mm/r；T為吃刀深度，T=t/2.25m；t為進(jìn)刀深度，mm；i為滾刀溝槽數(shù)；X為齒輪修正系數(shù)；Z為被切齒輪齒數(shù)；A為滾刀系數(shù)，A=D/2m；β為齒輪螺旋角，(°)；D為滾刀直徑，mm；Cw為工件材料系數(shù)，見表1；Cg為滾刀頭系數(shù)，見表2。

表1 工件材料系數(shù)

表2 滾刀頭系數(shù)

式(3)與式(4)中，各切削參數(shù)可根據(jù)《JB/T 8360-2013數(shù)控滾齒機(jī)技術(shù)條件》第8條:“機(jī)床負(fù)荷試驗(yàn)”確定。本課題切削參數(shù)定為:模數(shù)m=16 mm，齒數(shù)Z=15，螺旋角β=0°，進(jìn)刀深度t=32 mm，材料為45號正火鋼，滾刀外徑D=250 mm，滾刀頭數(shù)K=1，切削速度V=25 m/min，軸向進(jìn)給量S=2 mm/r，滾刀槽數(shù)i=10，主軸轉(zhuǎn)速n=32 r/min。將以上數(shù)據(jù)代入式(4)得:FZ=40 444 N，則:

P切=40 444×25/60 000=16.9(kW)

(2)空載功率P空的計(jì)算

機(jī)床工作時(shí)，由于各傳動件的質(zhì)量、攪油、軸承摩擦、空氣阻力等諸多因素，驅(qū)動電動機(jī)要消耗掉一部分功率。這部分功率跟傳動預(yù)緊程度、裝配質(zhì)量好壞有關(guān)，且會隨著傳動件轉(zhuǎn)動速度的增加而不斷增大。一般情況下，小型機(jī)床傳動過程中的空載功率可按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:

式中:d為主軸直徑，mm；n為主軸轉(zhuǎn)速，r/min。本課題主軸直徑為d為=180 mm，則:

綜上所述，取η=0.85，則:

結(jié)合FANUC-ail系列主軸電動機(jī)規(guī)格，選擇FANUC-ail 30/6000型主軸電動機(jī)，該電動機(jī)額定功率為30 kW，額定轉(zhuǎn)速為1 150 r/min，額定功率上線轉(zhuǎn)速為3 500 r/min。

2 滾齒自動編程軟件設(shè)計(jì)

滾齒法已被證明是通過切削方法在齒圈上產(chǎn)生齒形最經(jīng)濟(jì)的方法[8]，滾齒機(jī)得到廣泛的應(yīng)用。但是，齒輪加工數(shù)控機(jī)床大多采用手工編程的方法，其弊端是，需要編程人員具備一定的專業(yè)知識和職業(yè)技能，另外也容易出錯(cuò)[9]。實(shí)際上，對于每一種齒輪類型來說，雖然加工工件的形狀有大有小且較為復(fù)雜，但是決定其形狀的參數(shù)是有限的[10～12]，這為實(shí)現(xiàn)滾齒加工程序自動編程奠定了基礎(chǔ)。

在其他數(shù)控機(jī)床上，由于技術(shù)難度小、成本低，基于SIEMENS和FANUC等主流數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行軟件功能二次開發(fā)，已成為一種主流開發(fā)方式。因此，筆者選擇FANUC-31i數(shù)控系統(tǒng)為大模數(shù)、少齒數(shù)滾齒機(jī)控制系統(tǒng)，并基于該系統(tǒng)二次開發(fā)滾齒自動編程軟件。滾齒自動編程軟件原理圖見圖2，軟件中各個(gè)模塊之間相互獨(dú)立，模塊接口方式公開。用戶只需要根據(jù)所加工齒輪類型輸入基本參數(shù)即可通過自動編程軟件生成機(jī)床能識別的NC程序。

2.1 軟件數(shù)學(xué)模型

自動編程軟件的成功建立在正確的數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)之上，生成NC程序的模型包括:確定刀具和工件的相對運(yùn)動軌跡，計(jì)算滾齒刀具關(guān)鍵坐標(biāo)值包括對刀點(diǎn)、換刀點(diǎn)以及運(yùn)動速度計(jì)算等。滾齒工作模型見圖3，滾齒刀具關(guān)鍵坐標(biāo)值按下式進(jìn)行計(jì)算:

當(dāng)齒輪為直齒輪時(shí):

當(dāng)齒輪為斜齒輪時(shí):

式中:SZ為軸向行程，mm；E為軸向法加工時(shí)的接近行程，mm；E直為加工直齒時(shí)接近行程，mm；E斜為加工斜齒時(shí)接近行程，mm；da0Ue為滾刀接近安全允量，一般Ue=2mm；為滾刀直徑，mm；da2為齒輪直徑，nm；Ua為滾刀退出安全允量，一般Ua=2mm；b2為工件齒寬，mm；F為滾刀超越行程，mm；δ為滾刀安裝角，(°)；t為進(jìn)刀深度，mm；SX為徑向行程，mm；S0為徑向進(jìn)給安全量，mm。

2.2 人機(jī)界面設(shè)計(jì)

自動編程軟件人機(jī)界面設(shè)計(jì)應(yīng)該具有簡潔、清晰、美觀的界面，每一個(gè)操作流程應(yīng)盡可能多通過圖形說明或?qū)?yīng)，盡量少用文字描述，這樣能給操作者帶來好的體驗(yàn)，也能降低操作錯(cuò)誤率。圖4為直齒圓柱齒輪加工編程界面，界面右側(cè)為工件模型識別圖，左側(cè)是工件參數(shù)輸入框，下部為參數(shù)輸入類型。當(dāng)選中某一操作類型時(shí)，該類型高亮顯示，表示當(dāng)前正在進(jìn)行該類型參數(shù)編輯狀態(tài)。當(dāng)輸入的參數(shù)類型不符合規(guī)范、相互矛盾、出現(xiàn)錯(cuò)誤或者超出限制時(shí)，系統(tǒng)會根據(jù)自身程序校驗(yàn)結(jié)果顯示在界面下部“HDI”欄，提示錯(cuò)誤信息，操作者可以根據(jù)提示進(jìn)行修改，當(dāng)輸入全部正確時(shí)，“HDI”欄顯示“???”。

3 結(jié)語

針對國內(nèi)市場的需要，本文提出一種大模數(shù)、少齒數(shù)數(shù)控滾齒機(jī)，并對機(jī)床的總體功能要求、機(jī)械布局、主切削力計(jì)算及主電動機(jī)選型進(jìn)行了論述。經(jīng)試驗(yàn)樣機(jī)試制及使用證明，具有可行性。

自動滾齒編程軟件界面簡潔、清晰、美觀，操作簡單，提高了編程效率和準(zhǔn)確度，同時(shí)降低了對機(jī)床操作者的技能要求，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。