【文章內(nèi)容簡介】 削”、“高精度切削”、“硬齒面切削”等現(xiàn)代加工工藝進入齒輪加工領域，基于傳統(tǒng)機械傳動鏈的機床難于滿足這些需求，因此國外的部分廠家才開始研制“零傳動”齒輪加工機床，但機床的售價很高(是一般數(shù)控機床的2～3倍)，設計原理和技術(shù)資料嚴格保密，形成了技術(shù)壟斷的局面。如：Gleason—Pfauter公司研制的P60、P100、 P2GP130滾齒機；Liebherr公司制造的LC80、LC1LC150、LC180滾齒機；Koepfer公司制造的Koepfer160滾齒機，Hurth公司制造的S160滾齒機等，這些機床都部分應用了零傳動技術(shù)及其它相關(guān)新技術(shù)(結(jié)構(gòu)特性、熱特性、刀具磨損、誤差補償?shù)?，使得齒輪加工機床的性能達到了一個新的高度，如前述的LC80干式切削滾齒機，滾刀主軸最高轉(zhuǎn)速為9000rpm，工作臺轉(zhuǎn)速為800rpm；P60臥式滾齒——磨齒復合機床，刀具主軸轉(zhuǎn)速達12000rpm，工作臺轉(zhuǎn)速達3000rpm。這些滾齒機在高速切削的條件下仍能達到DIN6～7級精度。這些技術(shù)參數(shù)對于傳統(tǒng)齒輪加工機床根本是不可能的，而我國機床制造行業(yè)也沒有可能獲得其設計/制造技術(shù)。為了打破國外的技術(shù)壟斷，盡快提高我國齒輪加工機床的設計/制造水平，本項目以傳動原理中最復雜的齒輪加工機床為對象，提出以“零傳動”功能部件為核心，通過對“零傳動”的關(guān)鍵科學問題進行深入系統(tǒng)的研究，建立起“零傳動”齒輪加工機床的多因素綜合設計模型。在此模型指導下，對機床設計/制造中關(guān)鍵的理論和技術(shù)進行深入系統(tǒng)的研究，以研究成果為指導，研制成功一臺基于零傳動功能部件的高速、高精度滾齒機原型，為我國機床行業(yè)趕超世界先進水平打下堅實的基礎。2 零傳動滾齒機設計關(guān)鍵技術(shù)研究 零傳動滾齒機概述滾齒機正朝著全數(shù)控化、高速高精度、零傳動、綠色環(huán)保的方向發(fā)展，我們研究的零傳動滾齒機正是在這個發(fā)展趨勢下應運產(chǎn)生的。零傳動滾齒機實現(xiàn)了全數(shù)控、高速高精度、干式切削，是滾齒機朝著全數(shù)控化——數(shù)控高速化后更進一步發(fā)展的結(jié)果，它的實現(xiàn)還得益于滾刀制造技術(shù)的提高和數(shù)控技術(shù)、電主軸及力矩電機等技術(shù)的發(fā)展。為此，我們研制了一臺基于零傳動原理的滾齒機床。 機床用途及產(chǎn)品適用范圍滾齒機是使用最廣泛的齒輪加工機床，數(shù)控滾齒機同機械式傳動滾齒機在切削原理方面是一樣的，即：一方面，利用一對齒輪互相嚙合傳動時其兩輪的齒廓互為包絡的原理——展成原理來加工的，也就是只要滾刀與工件齒形共軛，就可以采用展成法加工；另一方面，由于全數(shù)控滾齒機的各軸均為獨立伺服驅(qū)動并帶檢測反饋功能，這樣對于圓柱體上的等分與不等分槽(或齒)，其也可以完成加工；同時，由于數(shù)控滾齒機的各軸為獨立伺服驅(qū)動，對于徑向進給和軸向進給可很容易實現(xiàn)插補運算控制，從而使機床可完成小錐度齒輪、鼓形齒輪的加工。、斜齒圓柱齒輪的精密、高效加工，可進行硬齒面齒輪的一次成形加工或二次對刀成形加工，、斜齒圓柱齒輪的精密加工。通過閉環(huán)的X軸控制可進行高精度小錐度齒輪、鼓形齒輪的加工。此機床可廣泛用于汽車、摩托車、儀器、儀表、玩具、電動工具、漁具等行業(yè)的各種不同精度的齒輪的大批量、高效率加工。 設計輸入——技術(shù)規(guī)格參數(shù)和性能參數(shù)最人加工直徑——————————————100mm最人加工模數(shù)——————————————最人軸向行程——————————————150mm加工齒數(shù)范圍——————————————4～100齒滾刀架可轉(zhuǎn)動范圍————————————50176。最人滾刀直徑——————————————63mm滾刀軸轉(zhuǎn)速———————————————500～4000rpm工件軸轉(zhuǎn)速———————————————5～495rpm軸向運動快速——————————————5000mm/min徑向運動快速——————————————5000mm/min切向運動快速——————————————5000mm/min1） 控制參數(shù)控制軸數(shù)：6軸，A、B、C、X、Y、Z軸聯(lián)動軸數(shù)：4軸，B、C、X、Z或B、C、Y、Z坐標軸精度： 直線坐標：X、Y、Z——1m 旋轉(zhuǎn)坐標：A、B、C——176。伺服系統(tǒng)：采用Siemens 840D數(shù)字控制系統(tǒng)2） 精度指標機床幾何精度按照JB/《數(shù)控滾齒機 精度》檢驗出廠機床直線坐標位置精度按照GB/T806499《數(shù)控滾齒機 精度》檢驗出廠機床工作精度按照JB/《數(shù)控滾齒機 精度》檢驗出廠機床加工566級(GB1009588）機床加工工藝能力： 零傳動滾齒機需要研究的關(guān)鍵技術(shù)從機床的主要技術(shù)規(guī)格參數(shù)和性能參數(shù)可以看出，項目所研制的滾齒機的加工速度和加工精度要明顯高于我國目前最先進的數(shù)控滾齒機的性能參數(shù)，達到國際同類產(chǎn)品的性能指標。項目所研制的零傳動滾齒機在工件主軸與滾刀主軸的傳動原理上完全取消機械傳動副，不僅可以大幅度提高機床加工齒輪零件的精度，也可以解決機械傳動鏈中由于磨損造成的機床精度不穩(wěn)定問題。此外零傳動數(shù)控滾齒機還可極大地簡化機床的機械結(jié)構(gòu)，提高機床的動靜剛度，也有利于實現(xiàn)可重構(gòu)機床的設計和制造。零傳動數(shù)控滾齒機的上述特點使得它完全適用于高速、高精度、硬齒面加工，在機床設計中也從進行干式切削的方面進行了充分考慮，在提高生產(chǎn)效率、降低制造成本的同時做到環(huán)境保護、清潔加工，滿足綠色環(huán)保性的要求。在干態(tài)高速滾齒時，切削能量大約需要8～18kW，絕大部分會轉(zhuǎn)化為熱能。我們期望熱量主要由切屑迅速帶走，而傳導給刀具和工件的熱量盡量小。這樣，有利于延長刀具壽命，使工件的熱膨脹減少，而機床溫升盡快穩(wěn)定下來。實現(xiàn)零傳動高速干式滾齒的前提條件①提供足夠高的切削速度和切削功率；②從保證工件質(zhì)量和延長滾刀壽命出發(fā)，處理好能量分配；③循環(huán)時間短；④熱敏性低。這四個必要條件對機床提出了巨大的挑戰(zhàn)。零傳動高速干式滾齒機突破了傳統(tǒng)齒輪加工機床的結(jié)構(gòu)設計原理，研究和開發(fā)高速、高精度零傳動滾齒機是齒輪機床的重大變革。那么零傳動滾齒機的設計和研究就不能完全等同于普通數(shù)控滾齒機，既要實現(xiàn)零傳動，又要滿足干式切削。 滾齒機床的傳動系統(tǒng)設定 傳統(tǒng)滾齒機床的傳動系統(tǒng)傳統(tǒng)齒輪加工機床運動關(guān)系復雜，以滾齒機為例，在齒輪機床中存在著主運動傳動鏈、展成分度鏈、差動傳動鏈、軸向進給傳動鏈、徑向進給傳動鏈、切向進給傳動鏈、刀架回轉(zhuǎn)運動鏈等，(只表示了滾刀、工件旋轉(zhuǎn)運動和軸向進給運動)。主運動傳動鏈：聯(lián)系電機和滾刀主軸之間的傳動鏈，由它決定滾刀的切削速度，是“外聯(lián)系”傳動鏈。展成分度鏈：從刀具旋轉(zhuǎn)到工作臺旋轉(zhuǎn)的傳動關(guān)系，用以嚴格保證加工過程中工件的分度運動，確保工件展成齒形的正確性。工作臺的最終傳動副采用蝸桿——蝸輪副。在刀具旋轉(zhuǎn)到工作臺旋轉(zhuǎn)的傳動鏈中采用了光杠傳動()，以完成工作臺徑向進給運動。差動傳動鏈：當加工斜齒輪時，或?qū)菨L齒滾刀作切向進給時，隨著工件的軸向運動或切向運動，工件應有附加轉(zhuǎn)動，這種運動關(guān)系就是通過差動傳動鏈來實現(xiàn)。進給傳動鏈：工件的軸向、切向、徑向進給。徑向進給傳動鏈(Y3150E、YW3180等機型)實現(xiàn)工作臺的徑向進給。分度交換掛輪：在展成分度鏈中，為了適應工件齒數(shù)與刀具頭數(shù)的變化，專門設計了交換掛輪，以保證工件的正確分度。差動交換掛輪：在差動傳動鏈中，為了適應工件的螺旋角、齒數(shù)和模數(shù)的變化，設計了交換掛輪，以保證加工的正確性。 傳統(tǒng)滾齒機床傳動鏈示意圖這種機床調(diào)整既復雜又費時?？焖仝呥M、工進、快退的位置和距離都需精心調(diào)整或試切才能完成，且需要的輔件多。 普通數(shù)控滾齒機床傳動系統(tǒng)自從20世紀80年代初數(shù)控技術(shù)引入齒輪加工機床以來，齒輪加工機床的技術(shù)水平有了明顯的提高。近年來，由于計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展和高精度、高速響應伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，全功能數(shù)控齒輪加工機床已成為國際市場上的主流產(chǎn)品。全功能數(shù)控指不僅齒輪機床的各軸進給運動是數(shù)控的，而且機床的展成運動和差動運動也是數(shù)控的。這類數(shù)控系統(tǒng)的刀具主軸一般采用變頻裝置控制，工件主軸通過數(shù)控指令經(jīng)伺服電動機單獨驅(qū)動()。在滾刀和工作臺之間已不存在傳統(tǒng)的分齒和內(nèi)聯(lián)系傳動鏈，而代之以電子齒輪箱，所以大大簡化了機械傳動結(jié)構(gòu)，降低了傳動誤差，但為了給切削加工提供必要的扭矩和剛性，增加滾齒加工平穩(wěn)性，通常在伺服電機和工作臺之間保留蝸桿——蝸輪作為最終傳動副，有時也會根據(jù)電機和工作臺的安裝位置情況，增加一兩對傳動齒輪副。近幾年國內(nèi)外各主要齒輪加工機床生產(chǎn)廠家都將主要精力放在縮短機床的傳動鏈方面，但仍然無法完全取消滾珠絲杠副、蝸輪蝸桿副和高精度齒輪副等機械傳動元件，使得機床的加工精度、速度和可靠性等指標無法得到根本性的改善。 普通滾齒機床傳動鏈示意圖 零傳動滾齒機的傳動系統(tǒng)滾刀主軸回轉(zhuǎn)運動和工件主軸回轉(zhuǎn)運動均去掉一般數(shù)控滾齒機中的高精度齒輪副或蝸輪副，采用內(nèi)置主軸電機(電主軸，用于滾刀主軸)、內(nèi)置力矩電機(DDR電機，用于工件主軸)分別驅(qū)動，這樣就消除了由于傳動裝置而產(chǎn)生的誤差，如反向間隙、嚙合誤差等，其傳動精度主要決定于反饋裝置的精度，由于直接驅(qū)動只有很少的運動部件，所以噪音很小，系統(tǒng)中唯一的磨損件是軸承，維護減少，如果軸承采用定期潤滑，整體電主軸裝置就能達到零維護?？梢钥闯?，使用零傳動技術(shù)，機床的結(jié)構(gòu)將會得到最大限度的簡化，它是機床設計和制造技術(shù)的一次重大革新。 零傳動滾齒機床傳動鏈示意圖 滾刀主軸——工件主軸速度匹配性設計研究在滾齒切削中，最能體現(xiàn)高效加工的機床參數(shù)是滾刀主軸的轉(zhuǎn)速、工作臺主軸的轉(zhuǎn)速、軸向進給速度、各直線坐標(X、Y、Z軸)及滾刀角度旋轉(zhuǎn)調(diào)整軸(A軸)的快速運動速度。在機床設計時，滾刀主軸的最高轉(zhuǎn)速設計、工作臺的最高轉(zhuǎn)速設計應綜合考慮下面幾個因素：滾刀所能承受的切削速度——隨著新型刀具材料、新的涂層方法的不斷出現(xiàn)和走向?qū)嵱茫缬操|(zhì)合金刀具、陶瓷刀具切削速度可達250m/min以上、高速鋼加TiN或TiAlN等涂層刀具也能達120m/min以上，對于中等模數(shù)齒輪采用這些刀具加工時，滾刀的轉(zhuǎn)速一般在5OOrpm左右。然而對于汽車轉(zhuǎn)向器行業(yè)的齒輪，由于直徑小，要求的滾刀直徑也小(否則會傷及工件定位面)，在采用淬硬加工時，滾刀的轉(zhuǎn)速要達800～1OOOrpm。滾刀旋轉(zhuǎn)運動、工作臺旋轉(zhuǎn)運動的傳動方式，滾刀主軸的支承方式、工作臺主軸的支承方式——傳統(tǒng)的機械傳動式滾齒機受傳動鏈較長，又必須采用蝸桿傳動和傘齒輪傳動來滿足傳動路線、方向要求，以及滾刀主軸、工作臺主軸采用滑動軸承支承方式等限制，機床滾刀主軸轉(zhuǎn)速一般在5OOrpm以下，工作臺轉(zhuǎn)速一般在30rpm以下。然而全數(shù)控滾齒機由于采用獨立電機驅(qū)動而使傳動鏈大大縮短，高速高精度的無隙齒輪傳動結(jié)構(gòu)的可實施性，以及高精度滾動軸承的出現(xiàn)與成熟，使?jié)L刀主軸轉(zhuǎn)速、工作臺主軸轉(zhuǎn)速大大提高得以可行。跟隨數(shù)控系統(tǒng)一起發(fā)展與成熟的內(nèi)置主軸電機和DDR力矩電機技術(shù)，這也使數(shù)控滾齒機的滾刀主軸的最高轉(zhuǎn)速、工作臺的最高轉(zhuǎn)速都大大提高得以可行。在機床設計時，軸向進給速度、各直線坐標(X、Y、Z軸)及滾刀角度旋轉(zhuǎn)調(diào)整軸(A軸)的快速運動速度設計應綜合考慮下面幾個因素：機床剛性——各部件及整機結(jié)構(gòu)體現(xiàn)出機床剛性，直線導軌的運用、合理的筋壁厚度及結(jié)構(gòu)布置使機床的剛性大大增強。機電參數(shù)的匹配——合理的機電參數(shù)匹配設計既可解決部件低速運動及在MDA單步指令進給運動中的誤差，又可解決部件在高速運動過程中的超調(diào)。傳動路線、傳動方式——得益于各軸獨立驅(qū)動的較短的傳動路線，使各直線坐標的快速速度大大提高，減少了切削加工中的輔助時間，提高了加工效率。 滾刀主軸最高轉(zhuǎn)速的設計滾刀主軸和工件主軸轉(zhuǎn)速的高低是衡量滾齒機性能的一個重要指標。從市場調(diào)研及用戶提供的信息來看，目前很多用戶已開始使用硬質(zhì)合金滾刀加工零件，主要的原因是硬質(zhì)合金的耐磨性高，滾刀的生產(chǎn)工藝已經(jīng)成熟，價格在不斷下降，同時滾刀的切削轉(zhuǎn)速高，可大大提高生產(chǎn)效率，因此高效滾齒機的主軸最高轉(zhuǎn)速應以能滿足硬質(zhì)合金滾刀的切削速度為參考。近幾年，不使用切削液的干切削已成為改善生態(tài)環(huán)境、實現(xiàn)清潔化生產(chǎn)的一條重要途徑，國內(nèi)外主要的齒輪加工機床廠家都在大力開發(fā)數(shù)控高速干切滾齒機。目前干切削加工工藝需要的線速度從250m/min～400m/min，按目前國內(nèi)用戶常用的模數(shù)1mm、直徑為32mm的滾刀取最大值計算： （）因此為了適應干切削加工工藝的需要，滾刀主軸最高轉(zhuǎn)速確定為4000rpm。 滾刀主軸最低轉(zhuǎn)速的設計考慮到采用常規(guī)的硬質(zhì)合金滾刀進行高效加工時，通常使用的滾刀線速度在80m/min～100m/min，同時為加強滾刀的剛性需要使用大直徑滾刀，按國內(nèi)常用的模數(shù)1mm、直徑為40mm的滾刀考慮，切削4齒時的速度為： （）考慮到用戶可根據(jù)切削零件的具體情況對滾刀轉(zhuǎn)速進行微量調(diào)整，增加10%的速度調(diào)整余量，因此滾刀主軸最低轉(zhuǎn)速確定為550rpm。 工件主軸最高轉(zhuǎn)速的設計工件主軸轉(zhuǎn)速應與滾刀主軸轉(zhuǎn)速相匹配。目前用戶加工齒輪的齒數(shù)范圍在6～100齒以內(nèi)，如果選擇常見少齒數(shù)為8～10齒，當滾刀主軸最高轉(zhuǎn)速為4000rpm，此時的工件主軸轉(zhuǎn)速為400～500rpm。并且最高轉(zhuǎn)速的選擇要與切削時工件軸所需扭矩相結(jié)合，確定所選擇DDR力矩電機的最高轉(zhuǎn)速為495rpm，即為工件主軸最高轉(zhuǎn)速。 （） 工件主軸最低轉(zhuǎn)速的設計按加工齒輪齒數(shù)為100，使用標準硬質(zhì)合金滾刀加工，滾刀轉(zhuǎn)速為1000～1200rpm，此時的工件主軸轉(zhuǎn)速為10～12rpm，考慮到各種其它因素，選擇工件主軸最低轉(zhuǎn)速為5rpm。 （）3 零傳動滾齒機床的總體布局 零傳動滾齒機床的總體布局研究在滾齒機設計中，機床總體布局的好壞直接影響機床滿足給定加工工藝的適應程度、機床的精度、動靜剛度、抗振性、可靠性、制造工藝性、操作宜人性、維修方便性、占地面積、結(jié)構(gòu)復雜程度及外觀等。同時，總體布局的好壞也將決定機床整機的技術(shù)經(jīng)濟性能，對機床開發(fā)的成敗、機床的生存能力和市場競爭能力起著至關(guān)重要的作用。 影響總體布局設計的主要因素