大型數(shù)控插齒機(jī)液壓主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析

江薇

摘要：為了滿(mǎn)足產(chǎn)品生產(chǎn)的高質(zhì)量和高品質(zhì)，需要考慮產(chǎn)品對(duì)插齒機(jī)的要求，提升齒輪加工的精度和質(zhì)量，從而帶來(lái)更好的經(jīng)濟(jì)效益。液壓系統(tǒng)是數(shù)控插齒機(jī)主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，能有效改進(jìn)原有的曲柄連桿系統(tǒng)帶來(lái)的急回特性問(wèn)題。液壓驅(qū)動(dòng)能實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速功能，輸出的扭矩相對(duì)較大，從而擴(kuò)大了插齒機(jī)刀具變速的范圍。在工作過(guò)程中也不會(huì)因?yàn)榈毒咄Ｖ箮?lái)扭矩失衡等機(jī)械事故問(wèn)題。大型插齒機(jī)切削力、長(zhǎng)度和穩(wěn)定性的要求不斷提升，需要對(duì)數(shù)控插齒機(jī)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)加以改進(jìn)。文章簡(jiǎn)要分析了大型數(shù)控插齒機(jī)液壓主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)。

Abstract： In order to meet the high quality and high quality of product production， it is necessary to consider the requirements of the product on the gear shaper， improve the precision and quality of gear processing， and thus bring better economic benefits. The hydraulic system is the main motion drive of the CNC gear shaper， which can effectively improve the quick return characteristics of the original crank connecting rod system. The hydraulic drive can realize the stepless speed regulation function， and the output torque is relatively large， which expands the range of the gear shaper tool speed change. In the working process， there will be no mechanical accidents such as torque imbalance caused by the tool stop. The requirements of cutting force， length and stability of large-scale gear shaper are constantly increasing， and it is necessary to improve the design of the hydraulic drive system of CNC gear shaper. The article briefly analyzes the hydraulic main drive system and design of a large-scale CNC gear shaper.

關(guān)鍵詞：數(shù)控插齒機(jī);液壓主驅(qū)動(dòng);系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Key words： CNC gear shaper;hydraulic main drive;system design

中圖分類(lèi)號(hào)：TG61+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）18-0096-02

0? 引言

機(jī)械加工業(yè)的不斷發(fā)展，機(jī)械零部件的精確度要求不斷提升，高精密度加工設(shè)備也是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的重要需求對(duì)象，借助數(shù)控技術(shù)，提升機(jī)械加工的自動(dòng)化和智能化，減少加工誤差。數(shù)控機(jī)械逐漸替代了傳統(tǒng)的機(jī)械加工設(shè)備，中小數(shù)控插齒機(jī)的刀架結(jié)構(gòu)主要包括刀軸、滑塊蝸輪蝸桿等，大型數(shù)控插齒機(jī)中，當(dāng)前結(jié)構(gòu)存在入刀和出刀部位切削速度相對(duì)較慢、中間部位的力度相對(duì)較小，難以滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。借助液壓主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，能有效解決大型數(shù)控插齒機(jī)難以切割大型齒輪等問(wèn)題。

1? 數(shù)控插齒機(jī)運(yùn)動(dòng)原理分析

插齒機(jī)主要是采取展成法實(shí)現(xiàn)其成型原理，采用專(zhuān)用的插齒刀對(duì)齒輪進(jìn)行加工，這種道具和齒輪具有相同的外形，道具齒牙能形成刀口對(duì)機(jī)械部件進(jìn)行切割，在此過(guò)程中，刀具沿工件軸線方向做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)切削功能。在刀具和工件多次無(wú)間隙運(yùn)動(dòng)后，工件表面能形成齒輪外輪廓線[1]。數(shù)控插齒機(jī)切削運(yùn)動(dòng)的特征與普通插齒機(jī)一樣，主要組成部分包括主運(yùn)動(dòng)、展成運(yùn)動(dòng)及切入運(yùn)動(dòng)。主運(yùn)動(dòng)是插齒刀根據(jù)軸線方向做直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，根據(jù)插齒刀往復(fù)形成的次數(shù)表示;展成運(yùn)動(dòng)則是在插齒的過(guò)程中，插齒刀需要與齒坯保持和圓柱齒輪的嚙合運(yùn)動(dòng)關(guān)系，刀具轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒時(shí)，工件也需要轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒。切入運(yùn)動(dòng)，主要是插齒時(shí)，插齒刀一次進(jìn)給到全齒深，但會(huì)因吃刀太大對(duì)刀具和工件進(jìn)行損壞，因此，在實(shí)際運(yùn)作中插齒刀是逐漸切入的過(guò)程。插齒刀對(duì)于工件來(lái)講是徑向切入運(yùn)動(dòng)，數(shù)控裝置控制刀具對(duì)刀點(diǎn)到切入點(diǎn)整個(gè)移動(dòng)過(guò)程逐漸切入，等全齒深后停止徑向進(jìn)給，工件轉(zhuǎn)過(guò)一圈后，所有的輪齒切削完成，這稱(chēng)之為一次切入[2]。實(shí)際工作中，因輪齒全齒深相對(duì)較大或者是工件硬度較強(qiáng)，也可以采取二次或者三次切入，切入的比例大小需要結(jié)合刀具材料、全齒深尺寸、角度及工件材料等加以綜合判斷。

2? 數(shù)控插齒機(jī)系統(tǒng)功能需求分析

其一是沖程長(zhǎng)度。根據(jù)市場(chǎng)發(fā)展需求，當(dāng)前插齒切削的最大切削長(zhǎng)度是600mm，有效往復(fù)沖程是650mm，且最小的切削長(zhǎng)度是60mm，最小往復(fù)沖程長(zhǎng)度是100mm。其二是最大切削力。根據(jù)文獻(xiàn)資料研究分析，刀具模數(shù)為20，進(jìn)給深度是15mm時(shí)，單沖程的最大切削面積是11.61mm2。這個(gè)切削面積也可以作為機(jī)床的切削參數(shù)，工件的最大剪切應(yīng)力預(yù)設(shè)可以為：Deta=3137MPa。其切削力為36.42kN。其三是切削的速度設(shè)計(jì)。在具體工作中，液壓缸活塞桿會(huì)影響到油缸上下油腔的面積，根據(jù)這一特點(diǎn)，可以采用改變刀軸下行切削運(yùn)動(dòng)與上行空程運(yùn)動(dòng)的時(shí)間比例的大小，減小其影響。根據(jù)油腔截面積的比例，將截面積與時(shí)間比例逐漸靠近1：2，同時(shí)還要確保數(shù)控插齒機(jī)滿(mǎn)足下行和上行時(shí)間比例2：1的沖程運(yùn)動(dòng)[3]。結(jié)合油缸活塞摩擦特點(diǎn)，其最大連續(xù)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度最大值設(shè)置為28m/min，在分析機(jī)械加工特性的基礎(chǔ)上，確保插齒切削的速度保持在10m/min。上行最大速度為25m/min，下行最大速度為12.5m/min。其四是其它功能需求。要考慮平衡活塞桿連接的刀軸和滑塊自重800kg，油缸活塞在最高點(diǎn)和最低點(diǎn)中任意兩點(diǎn)之間做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，因此，可以在任意設(shè)定的位置，確保活塞停止運(yùn)動(dòng)。油缸內(nèi)置位置傳感器的分辨率可以為0.005mm，此外，油缸的有桿腔和無(wú)桿腔都有壓力傳感器，液壓系統(tǒng)能確保下滑截止閥下滑的功能。

3? 基于液壓驅(qū)動(dòng)的數(shù)控插齒機(jī)運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要考慮插齒機(jī)運(yùn)動(dòng)是否能確保產(chǎn)品的要求，還要考慮數(shù)控插齒機(jī)與原有的插齒機(jī)的占地面積、經(jīng)濟(jì)性等方面的問(wèn)題。對(duì)于插齒刀和齒坯運(yùn)動(dòng)主要由哪些工件和刀具完成，涉及到插齒機(jī)運(yùn)動(dòng)功能的分配問(wèn)題，這與插齒機(jī)本身的控制方式無(wú)關(guān)，但是與插齒機(jī)的布局有很大關(guān)聯(lián)。

3.1 運(yùn)動(dòng)方案的選擇與設(shè)計(jì)? 數(shù)控插齒機(jī)主要采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其中的伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)帶動(dòng)曲柄連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)連桿傳遞到滑塊上，插齒刀上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，最終形成插齒的主運(yùn)動(dòng)。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中，其長(zhǎng)度會(huì)影響到滑塊行程的長(zhǎng)度，連桿的長(zhǎng)度則對(duì)滑塊的位置設(shè)定產(chǎn)生影響，在實(shí)際工作中可以借助ADAMS軟件仿真后測(cè)量滑塊移動(dòng)的速度[4]?；瑝K移動(dòng)的速度在一定周期內(nèi)具有變化性，要確保插齒速度均勻，在速度測(cè)量中可以選擇速度曲線谷點(diǎn)或者是中峰點(diǎn)附近的速度，將其作為插齒時(shí)切削速度曲線。要提升插齒的質(zhì)量，我國(guó)有研究采用雙曲柄滑塊六桿機(jī)構(gòu)，更好地實(shí)現(xiàn)插齒機(jī)主運(yùn)動(dòng)，對(duì)桿長(zhǎng)進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)。數(shù)控插齒機(jī)運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)圖如圖1所示，其中，Cf1為進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、Cf2為展成運(yùn)動(dòng)、Zp為主運(yùn)動(dòng)、Ya為切入運(yùn)動(dòng)。

3.2 液壓驅(qū)動(dòng)方案分析? 分析數(shù)控插齒機(jī)主軸的功能，其一是插齒運(yùn)動(dòng)液壓驅(qū)動(dòng)，二是插齒運(yùn)動(dòng)速度無(wú)級(jí)可調(diào)，此外，沖程能實(shí)現(xiàn)慢速移動(dòng)，能在任何位置停止[5]。根據(jù)數(shù)控插齒機(jī)的主軸功能，對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在插齒刀做切削運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，對(duì)閥門(mén)、蓄能器、組合調(diào)速閥、插裝閥等進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3.3 展成運(yùn)動(dòng)方案和切入運(yùn)動(dòng)方案? 將主運(yùn)動(dòng)方案、數(shù)控插齒機(jī)展成運(yùn)動(dòng)和切入運(yùn)動(dòng)結(jié)合，根據(jù)布局繪制最終形成運(yùn)動(dòng)方案。插齒機(jī)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，主要涉及到聯(lián)軸器、蝸輪蝸桿減速器等，工件轉(zhuǎn)動(dòng)主要是通過(guò)減速器、聯(lián)軸器等機(jī)構(gòu)，工作臺(tái)由渦輪的帶動(dòng)下，帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。工件轉(zhuǎn)動(dòng)需要符合展成運(yùn)動(dòng)的要求，這主要是由控制系統(tǒng)控制實(shí)現(xiàn)。要切出全齒，需要工件徑向進(jìn)給，工件由伺服電動(dòng)機(jī)減速器、滾珠絲桿帶動(dòng)下，確保工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)徑向進(jìn)給。

3.4 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)? 數(shù)控插齒機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)可以根據(jù)Y51160插齒機(jī)的技術(shù)指標(biāo)，需要對(duì)參數(shù)、用途、性能指標(biāo)等加以說(shuō)明。具體參數(shù)主要是按照Y51160為主要參數(shù)，需要注意的是，數(shù)控插齒機(jī)最大加工直徑比機(jī)械插齒機(jī)小，這主要是大直徑內(nèi)齒輪使用數(shù)控銑齒機(jī)。最大加工齒寬可增加到380mm。數(shù)控插齒機(jī)的最大模數(shù)為16mm，最大加工齒寬為380mm，刀具往復(fù)行程數(shù)設(shè)置為10-60str/min，徑向進(jìn)給量0-500/分，工作臺(tái)快速移動(dòng)速度為1r/min[6]。

3.5 主軸機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)? 數(shù)控插齒機(jī)機(jī)械系統(tǒng)，主要涉及到與主軸運(yùn)動(dòng)相關(guān)的機(jī)械零部件構(gòu)成的整個(gè)系統(tǒng)，其中涉及到主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、展成運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、讓刀運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。這三個(gè)系統(tǒng)的載荷不同，性質(zhì)和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也存在差異。一是主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。液壓缸的設(shè)計(jì)主要尺寸包括液壓缸的內(nèi)徑、缸長(zhǎng)度等設(shè)計(jì)。內(nèi)徑的設(shè)計(jì)主要是結(jié)合液壓缸的荷載量和工作壓力計(jì)算進(jìn)行確定，如果壓力小于5MPa，活塞桿直徑需要設(shè)計(jì)為缸內(nèi)徑的0.5倍，內(nèi)部長(zhǎng)度的確定，需要根據(jù)加工齒輪的齒寬和切入的長(zhǎng)度關(guān)系進(jìn)行確定。數(shù)控插齒機(jī)的連接軸和主軸與普通插齒機(jī)相同，可以直接參考普通插齒機(jī)的零件尺寸。其二是展成運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這個(gè)系統(tǒng)主要是二級(jí)渦輪蝸桿減速器，減速器中傳動(dòng)零件的尺寸設(shè)計(jì)，需要結(jié)合功率和速度基本參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如模數(shù)、齒數(shù)等，計(jì)算渦輪的尺寸并設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)。其三是主軸讓刀運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。讓刀運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，插齒承受的力相對(duì)較小，這需要結(jié)合裝配要求進(jìn)行確定，結(jié)合其工作原理，對(duì)讓刀機(jī)構(gòu)的構(gòu)件長(zhǎng)度和尺寸進(jìn)行確定。讓刀系統(tǒng)中，一個(gè)構(gòu)件會(huì)有多個(gè)零件，零件的數(shù)量尺寸都需要考慮裝配關(guān)系。

3.6 主軸強(qiáng)度校核? 在了解現(xiàn)有的主軸材料、結(jié)構(gòu)、尺寸和承載力等基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行校核。首先是對(duì)材料及力學(xué)特性、結(jié)構(gòu)尺寸、形狀等進(jìn)行分析。主軸材料需要根據(jù)其耐磨性和變形情況分析，考慮主軸插齒中受到的負(fù)荷及往復(fù)滑動(dòng)等，對(duì)其剛度、強(qiáng)度和耐磨性進(jìn)行分析[7]。一般來(lái)講，其抗拉強(qiáng)度為1080MPa，硬度為230，彎曲疲勞極限為525MPa。校核方法可以根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行校核，也可以根據(jù)軸的彎扭合成強(qiáng)度，對(duì)軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，對(duì)數(shù)控插齒機(jī)液壓主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究，需要計(jì)算和分析原件的功能和參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀軸進(jìn)行驅(qū)動(dòng)提供復(fù)插齒運(yùn)動(dòng)，更好地解決大型和精密性齒輪的切削問(wèn)題，更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化。

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