數(shù)控高速滾齒機總體布局及尾座部件設計

數(shù)控高速滾齒機總體布局及尾座部件設計1緒論齒輪是機械產品的重要基礎零件，它以其恒功率輸出、承載能力大、傳動效率高等優(yōu)點而被廣泛應用于機床、汽車、摩托車、農機、建筑機械、工程機械、航空、兵器、工具等領域，其質量、性能、壽命直接影響到各類機械的總成質量。齒輪因其形狀復雜，技術問題多，制造難度較大，也造成齒輪加工機床的高度復雜性，所以齒輪制造水平在較大程度上反映了一個國家機械工業(yè)的水平。近年來，隨著汽車、機械、航天等工業(yè)領域的不斷發(fā)展，對齒輪提出了更高的要求：傳動速度大、承載能力強、使用壽命長、運行噪音小、制造成本低，相應地對齒輪的設計、加工、檢測等方面也提高了要求。在這種背景下，現(xiàn)代設計方法、先進制造技術、計算機技術及相關技術的交叉融合，使齒輪相關技術的研究進入了一個嶄新的階段。1.1齒輪加工技術圓柱齒輪的加工方法很多，按齒廓形成原理，可以分為成形法和展成法兩大類。成形法是用刃部形狀與被切齒輪槽形狀相同的成形刀具來加工齒輪的，屬于成形法的齒輪加工方法有銑齒、拉齒、沖齒、成形磨齒、壓鑄等。展成法又稱滾切法，是加工時切削刀具與工件作相對展成運動，刀具和工件的瞬心線相互作純滾動，兩者之間保持確定的速比關系，所獲得加工表面就是刀刃在這種運動中的包絡面?，F(xiàn)代齒輪生產中，主要是展成法。屬于展成法的齒輪加工方法有滾齒、插齒、剃齒、珩齒、展成法磨齒、車齒等。①滾齒加工滾齒是一種高效的、應用最廣泛的一種齒廓加工方法，是依照交錯軸斜齒輪嚙合原理進行加工的。滾齒精度一般可達7~8級，當采用高精度滾刀和高精度滾齒機時，可滾切5級精度的齒輪。目前滾齒加工的先進技術有：1）多頭滾刀滾齒，可以大幅度提高生產效率，滾刀頭數(shù)最多可達7頭，但各頭之間的偏差影響齒輪的齒向精度。2）硬齒面滾齒技術，國外硬齒面滾齒精度達DIN6級，加工費用僅為磨齒的1/3，效率較普通的磨齒高1～5倍，且無磨削燒傷或裂紋。3）滾齒機數(shù)控化，大幅度提高了機床的加工精度及工藝能力指數(shù)，增加了機床的可靠性并且擴大了機床的加工范圍。4）干切工藝。德國Liebherr公司的LC80系列滾齒機，美國Gleason一Pfauter公司的GP130系列滾齒機，日本三菱重工公司的GN10系列滾齒機等均可以采用高速干式切削加工。國內齒輪機床制造廠家在齒輪加工干切技術方面，目前正處于研究的初級階段。在CIMT2005機床展上，日本三菱公司展出的GE15A滾齒機上，采用了表面涂有超級干切涂層的MACH7高速鋼滾刀，線速度達250m/min；重慶機床廠展出的YKS3112滾齒機上，采用了表面涂有DUAL涂層的硬質合金滾刀，線速度達181m/min。干式滾削具有高的生產率、高精度和高的工件質量，無切削液，工件不受油液污染，符合環(huán)保要求，屬于無污染的綠色加工工藝。②插齒加工插齒也是廣為采用的切齒方法，它是用形狀為齒輪或齒條的插齒刀具，與被加工齒輪按一定的速度作相嚙合運動的同時，刀具沿齒長方向作往復運動形成切削加工，特別適合于加工內齒輪和多聯(lián)齒輪。采用特殊刀具和附件后，還可加工棘輪、內外花鍵、扇形齒輪、齒條、端面齒輪等。插削速度最高可達1000～2500次/min沖程數(shù)，加工精度達5～6級。插齒技術的研究重點有：1）插齒機的數(shù)控化，以便加工橢圓齒輪、非圓齒輪和特殊形狀的齒輪。2）提高插齒機的沖程次數(shù)，從而提高插齒效率。3）硬齒面齒輪的插削工藝的研究。4）數(shù)控插螺旋齒，以提高螺旋齒輪的加工精度。③剃齒加工剃齒方法除了人們所熟知的平行軸剃齒、對角剃齒外，徑向剃齒的發(fā)展近年來格外引人注目。徑向剃齒由于只作徑向進給運動而省掉了軸向或對角進給，因而效率大大提高。徑向剃齒時，齒輪的齒形和齒向修形均靠剃齒刀修形完成。剃齒刀齒面輪廓形狀和精度要求高，齒形要求中凹，齒向要反鼓，同時對剃齒刀刃口槽形位置、形狀（如刃口錯位排列）、矩形槽都有很高要求，因此剃齒刀設計和制造上都有相當?shù)碾y度。近年來由于徑向剃齒刀的研制成功，使徑向剃齒這一高效方法在越來越多的齒輪加工中得到應用。國內一些工具廠近年來成功地研制出徑向剃齒刀，同時不少齒輪制造廠引進了相應的剃齒刀修磨機床，因而徑向剃齒工藝在我國也得到了越來越廣泛的應用。由與徑向剃齒比平行剃齒或對角剃齒產生更大的徑向擠壓力，因此要求機床具有更高的剛性。重慶機床廠近年開發(fā)的YA4232A剃齒機和YAT4232徑向剃齒機均具有很高的剛性，適合于汽車、摩托車和機床齒輪的剃齒加工。④珩齒加工珩齒技術的發(fā)展經歷了從自由珩到強迫珩，從最初的齒輪式外嚙合珩到蝸桿珩再到現(xiàn)在的內嚙合珩等階段。最初的齒輪式外珩齒技術，采用的是自由珩技術，靠珩輪輪齒對工件齒輪表面進行光整加工，可有效地改善齒面質量。80年代，卡譜（Kapp）公司推出的VAC65型珩齒機，采用了稱為Coronieren的硬齒面精加工方法。其珩磨輪是一個有高精度內齒輪的鋼環(huán)，內齒輪齒面上電鍍單層CBN磨料。工具齒輪與工件齒輪間采用電子同步系統(tǒng)相聯(lián)系，運轉中通過進給使工件齒輪的各項誤差逐漸得到修正，從而達到十分穩(wěn)定的精度。目前晰齒都用于中、小模數(shù)的齒輪。我國大連理工大學研究了可控電解珩磨工藝，解決大模數(shù)齒輪的珩齒，其特點是不受齒輪模數(shù)、齒數(shù)、尺寸及結構形式限制，可在滾齒的基礎上，將齒形精度提高1～2級，表面粗糙度降低到Ra0.5m以下。⑤磨齒加工磨齒是獲得高精度齒輪最有效和可靠的方法。由于現(xiàn)在多用硬齒面的齒輪，磨齒成為高精度齒輪的主要加工方法。目前碟形砂輪和大平面砂輪磨齒精度可達DIN2級，蝸桿砂輪磨齒精度達DIN3～4級，錐形砂輪磨齒精度達DIN4～5級。磨齒的主要問題是效率低、成本高，所以提高磨齒效率，降低費用成為當前主要研究方向。近年來出現(xiàn)的新技術有：1）改進磨削方法，Maag公司提出了“K"磨削法和Niles公司提出了“雙面磨削法”，提高了磨齒效率。2）應用立方氮化硼砂輪高效磨齒，比用單晶剛玉砂輪磨削效率提高5-10倍，被磨削表面不易發(fā)生燒傷和裂紋，疲勞強度高。3）采用數(shù)控技術，提高了效率和自動化程度，獲得了穩(wěn)定和可靠的精度。4）開拓新的磨削原理和磨齒工藝，瑞士賴斯豪爾公司新開發(fā)的RZP200型磨齒機采用了環(huán)面蝸桿砂輪磨削的連續(xù)成形磨齒工藝，其效率是普通磨齒法的5倍。以上幾種圓柱齒輪工藝方法與加工精度的比較見表1.1表1.1圓柱齒輪工藝加工方法和加工精度比較工藝方法 工藝方法簡圖 加工精度 加工特點生產率高，通用性大，滾齒 5～9連續(xù)分度滾齒，運動誤差易保證適用于中小模數(shù)齒輪加工，通用性好，廣插齒 5～8泛用于內齒輪、雙聯(lián)及多聯(lián)齒輪加工主要用于齒輪的滾、插預加工后的精加工，和磨齒相比，具剃齒 5～7有效率高，成本低，齒面無燒傷和裂紋等優(yōu)點效率高，成本低，表面質量好，齒面無燒珩齒 6～8 傷，尤其適用于作硬齒面滾、插后改善表面粗糙度的后續(xù)工序磨成型砂生產率很高，砂輪是7～8專用的，適用于較大齒輪磨齒批量生產齒輪蝶形砂采用碟形砂輪的棱邊4～7磨削不加冷卻液，生輪磨齒產率較低蝸桿砂生產率很高，特別適5～7用于成批生產和大量輪磨齒生產1.2傳統(tǒng)滾齒機分析傳統(tǒng)滾齒機典型機型Y3150E，傳動系統(tǒng)圖如圖1.1所示。傳統(tǒng)的滾齒機傳動采用單電機驅動，用分流傳動方式驅動多個執(zhí)行機構，內聯(lián)傳動鏈嚴格的速度同步與行程同步關系是靠具有準確傳動比的傳動元件（齒輪、蝸輪、蝸桿等）實現(xiàn)的，調整環(huán)節(jié)采用掛輪以保證足夠精度的傳動比與調整范圍。傳動系統(tǒng)有五條傳動鏈：主運動傳動鏈、展成運動傳動鏈、軸向進給傳動鏈、附加運動傳動鏈、快速空行程傳動鏈。這些傳動使?jié)L齒機只具有滾切圓柱齒輪、蝸輪的加工能力，其工作范圍不僅較窄，而且機械結構復雜，且傳動鏈上的工作元件多。例如展成運動鏈和附加運動鏈除了要必須經過合成運動機構外，從首端件到末端件還各自需要經過9對齒輪、蝸桿蝸輪、以及10根左右軸的順序傳遞；軸向進給傳動鏈則需要經過8對齒輪、蝸桿蝸輪、絲杠螺母、7根軸的順序傳遞。這些傳動鏈不僅傳動元件多，積累誤差大，而且誤差還交替?zhèn)鬟f，尤其是展成運動鏈和附加運動鏈有一部分重復使用，這樣就易形成誤差的交替?zhèn)鬟f，從而將附加運動的傳動誤差，傳入到要求分度運動準確性很高的展成運動上。傳統(tǒng)機械滾齒機的滾刀主軸轉速最高為500rpm，工作臺轉速最高為32rpm。傳統(tǒng)機械傳動鏈滾齒機已經不適合新型機床對傳動精度與傳動速度的要求。由于各傳動元件的制造和安裝誤差，使得內聯(lián)傳動鏈首端件和末端件不能按理想的傳動關系運動，存在傳動誤差。滾齒機傳動鏈精度是指按規(guī)定的工件齒數(shù)調整后，工件主軸相對于滾刀主軸回轉運動的轉角誤差。傳動鏈中的傳動環(huán)節(jié)與傳動元件越多，傳動誤差的來源越多，傳動誤差也越大，傳動鏈的傳動誤差是影響齒輪加工精度的主要因素。提高內聯(lián)傳動鏈的傳動精度一直是此類機床的研究重點。圖1.1Y3150E滾齒機傳動系統(tǒng)圖1.3數(shù)控滾齒機分析二十世紀80年代以來，數(shù)控滾齒機進入了實用階段。隨著計算機技術、電子技術和自動控制技術的發(fā)展，國外滾齒機產品中，數(shù)控滾齒機已占主導作用，我國研制的數(shù)控滾齒機始于二十世紀80年代中期。數(shù)控滾齒機的機械結構，在很多方面繼承了傳統(tǒng)機械滾齒機的特點，但由于應用了數(shù)控技術所以在結構上作了相應的改進，以充分發(fā)揮機電一體化的優(yōu)勢?，F(xiàn)代數(shù)控滾齒機，各個運動都由單獨的伺服電機驅動，交流主軸電機直接安裝在刀架上，經過幾對高精度圓柱斜齒輪傳至滾刀主軸，區(qū)別于傳統(tǒng)滾齒機設計中主軸運動由普通或變頻電機通過較長傳動鏈傳至主軸，而此設計大大降低了傳動誤差，提高了傳動精度，并增強了相關的傳動特性和傳動剛性，轉速可達1500rpm。工作臺采用大直徑高精度圓柱斜齒輪傳動，改變了傳統(tǒng)的工作臺由蝸輪、蝸桿傳動的形式，提高了加工效率，采用高精度、高剛性滾動軸承支承，最高轉速可達150rpm，顯著提高了機床的加工精度。數(shù)控滾齒機采用全數(shù)字控制，并帶有EGB（ElectronicGearBox）電子齒輪箱，由它代替了傳統(tǒng)機械滾齒機各種交換齒輪的功能，所以機床各項運動精度高，調整方便。機床的柔性好，切削循環(huán)可設置一次、二次方框循環(huán)，L循環(huán)等多種切削循環(huán)方式，除可加工圓柱直齒輪、斜齒輪、短花鍵軸、鏈輪、蝸輪等外，還可加工多種錐齒輪、鼓形齒等特殊齒形的齒輪。圖1.2數(shù)控滾齒機傳動系統(tǒng)圖數(shù)控滾齒機由于傳動鏈大大縮短，減少了軸、軸承和齒輪等元件的制造誤差、間隙和裝配誤差的影響；另一方面由于剛度的提高和熱變形的減少保持了精度的穩(wěn)定性；第二是可以方便地對機械誤差進行補償。所以相對傳統(tǒng)機械滾齒機來說，機械誤差對加工精度的影響能得到有效的控制。圖1.2是國內目前最先進的數(shù)控滾齒機傳動系統(tǒng)圖。1.4滾齒加工技術的發(fā)展趨勢滾齒是國內外應用最廣的切齒方法，一些國家滾齒機的擁有量約占所有齒輪機床總量的45～50%。為適應齒輪加工行業(yè)對制造精度、生產效率、提高質量及清潔生產的要求，滾齒機及滾齒加工技術出現(xiàn)了以下幾個發(fā)展趨勢：①全數(shù)控化所謂的全數(shù)控化，指不僅齒輪加工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，即機床的各運動軸進行CNC控制及軸間實現(xiàn)聯(lián)動。齒輪加工機床全數(shù)控化后具有如下特點：1）機床結構發(fā)生革命性的變化齒輪加工機床全數(shù)控化使得機床傳動鏈大大縮短，并且各軸間沒有機械傳動的聯(lián)系，與傳統(tǒng)機床相比機床的結構大大簡化，增強了機床的剛性。機床結構的簡化，更有利于實現(xiàn)結構的模塊化。2）提高齒輪的加工精度機械傳動鏈縮短或完全被取代，刀具磨損的自動補償，計算機技術的快速發(fā)展，新的智能控制算法的應用，伺服系統(tǒng)的脈沖當量的進一步減小，從而提高了機床的加工精度及工藝能力指數(shù)。3）提高齒輪加工的效率完全排除了交換齒輪和行程擋塊的調整，縮短調整時間，而且可在一次安裝下不經過任何調整就可加工多聯(lián)齒輪。工件程序可以儲存供再次加工時調用，調整時間顯著縮短，一般調整時間僅是非數(shù)控系統(tǒng)的10%～30%。4）高精度快速地加工非圓齒輪、修形齒輪由于數(shù)控技術的采用，可以方便調整、控制各軸間的運動關系，從而加工出橢圓齒輪等各種非圓齒輪和各種修形齒輪，且加工精度遠高于傳統(tǒng)的機械靠模加工方法。5)高度自動化和柔性化可實現(xiàn)任意工作循環(huán)，縮短調整時間，便于實現(xiàn)小批量多品種加工。同時機床本身柔性大為增加，易于實現(xiàn)機床重組，易于組成柔性齒輪制造系統(tǒng)，實現(xiàn)齒輪制造的柔性自動化過程。②零傳動技術的應用“零傳動”即直接驅動，由電機直接驅動刀具、回轉工作臺的回轉及直線進給系統(tǒng)，完全取消所有機械傳動環(huán)節(jié)，實現(xiàn)動力源對機床工作部件的直接傳動傳動鏈的長度為“零”。一般數(shù)控滾齒機的滾刀主軸由變頻交流主電機通過一到兩對斜齒輪驅動，直接驅動工件主軸的分度副，一般采用高精度蝸輪副或特殊齒形的多頭雙蝸輪副以及大尺寸齒輪副，各進給軸通過滾珠絲杠副實現(xiàn)旋轉運動向直線運動的轉換。近幾年國外的各齒輪制造廠家在小直徑（<200mm）、小模數(shù)（m<3mm）齒輪加工方面已推出滾刀軸和工件軸直接驅動的機型如。Gleason—Pfauter公司制造的P60、P100、P210、GP130，Liebherr公司制造的LC80、LC120、LC150、LC180,Koepfer公司制造的Koepfer160，Hurth公司制造的5160等。直接驅動的實現(xiàn)是使用電主軸直接驅動滾刀主軸，用同步力矩伺服電機直接驅動工作臺。由于直接傳動，去掉了高精密齒輪等關鍵零件，這樣就消除了由于傳動裝置而產生的誤差，如反向間隙、嚙合誤差等。而各進給軸仍通過滾珠絲杠副實現(xiàn)旋轉運動向直線運動的轉換，如果各進給軸采用直線電機直接驅動，將完全實現(xiàn)零傳動。零傳動齒輪加工機床不僅可以大幅度提高機床的加工精度和加工速度，也可以完全解決機械傳動鏈中存在的磨損問題，可以長期保持機床的精度。此外，零傳動方案還可極大地簡化機床的機械結構，提高機床的動靜剛度，也有利于實現(xiàn)可重構機床的設計和制造。③高速、高精度滾齒機的高速化，主要是指機床擁有高的刀具主軸轉速和高的工作臺轉速。它們是影響切削效率的主要指標。傳統(tǒng)機械滾齒機的滾刀主軸轉速最高為500rpm，工作臺轉速最高為32rpm。電主軸和大扭矩同步力矩伺服電動機的應用使刀具主軸和工作臺轉速得到提高。Gleason—Pfauter公司制造的P60臥式滾齒——磨齒復合機床，刀具主軸轉速達12000rpm，工作臺轉速達3000rpm。德國Liebherr公司制造的LC80干式切削滾齒機，滾刀主軸轉速為9000rpm，工作臺轉速為rpm。國外廠家在小直徑小模數(shù)方面均有刀具主軸轉速達3000rpm，工作臺轉速達1000rpm的機型。在CIMT2005機床展上，日本三菱公司展出的GE15A滾齒機上，采用了表面涂有超級干切涂層的MACH7高速鋼滾刀，線速度達250m/min，滾切模數(shù)1.4mm，齒數(shù)34,螺旋角22.5的齒輪，切削時間為lOs，加上上下料等輔助時間，加工一個齒輪總循環(huán)時間僅為14.3s。提高加工精度的途徑可分為兩大類，一是提高機床本身的精度，二是通過誤差補償來減少加工誤差。由于采用了高精度、具有預加負荷的高剛性直線導軌、滾珠絲杠、滾動軸承、電主軸、大扭矩同步力矩伺服電動機，使齒輪加工機床在高速加工的條件下精度得到保證并有所提高。電主軸精度一般為徑向振擺0.002mm，軸向跳動0.001mm；大扭矩同步力矩伺服電動機定位精度達0.5"，重復定位精度達0.01"。直線運動軸的定位精度小于0.008mm，重復定位精度小于O.OO5mm。影響齒輪加工精度的因素很多，除了電氣方面的以外，還有如機床結構特性與熱特性、刀具磨損、機床主軸運動誤差、各種靜態(tài)載荷，以及工件裝火和機床振動等因素。所有這些因素都可以通過建模（如神經網(wǎng)絡建模）來加以補償。由于計算機技術的迅速發(fā)展和插補算法的不斷改進，數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和曲線擬合精度可以達到很高。采用多種智能控制方式，可以改善伺服系統(tǒng)的跟蹤響應特性，也可以提高加工精度。滾齒盡管一般用于粗加工，但在高速切削的條件下仍能達到DIN6～7級精度，為其后的精加工工序獲得高精度提供了保證。④環(huán)?；娝苤?，金屬切削中的切削液具有冷卻、潤滑和排屑等作用，可獲得良好的加工質量，并提高刀具耐用度和生產率。但隨著近年來切削速度和切削功率的急劇提高，單位時間內金屬切除量大量增加，切削液的用量也越來越大，并且在高速切削過程中，切削液產生飛濺、形成油霧，不僅提高了企業(yè)生產成本，還污染了生態(tài)環(huán)境，并損害了工人的身體健康。為此，通常將加工區(qū)用保護罩封閉起來，安裝上油霧分離器，使排出的只是不含油的霧，而切削油則重新流回機床內循環(huán)利用。但這并不能從根本上解決環(huán)保問題，因為變質切削液的更換排放會嚴重污染環(huán)境。因此，不使用切削液的干切削就成為改善生態(tài)環(huán)境，降低生產成本的有效措施，也是實現(xiàn)清潔化生產的一條重要途徑。國內外著名的齒輪加工機床制造商及齒輪刀具制造商，均把研制滿足環(huán)保要求的干式切削機床和刀具作為產品開發(fā)的一項首要的任務來抓。有的機床甚至不采用液壓油及循環(huán)潤滑油，實現(xiàn)綠色制造及清潔加工。干式切削要解決的問題是刀具壽命問題、刀具價格問題和切屑的安全迅速地排走問題。采用硬質合金涂層刀具進行干切削，盡管第一次購刀價格比濕式刀具價格高，但因切削效率高且刀具壽命長，還節(jié)省了切削液及噴淋過濾裝置的費用，從而單件齒輪的加工成本反而有所降低，同時又符合環(huán)保無污染的要求。據(jù)日本三菱重工資料報道，采用高速干式切削刀具的使用壽命是濕式切削的3倍，刀具費用降低47％，加工效率提高2倍，單件齒輪加工成本（刀具費、設備費、切削油費、人員費）降低40％。因此，干式切削降低了單件齒輪的加工成本。目前，國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。例如:德國Liebherr公司的LC80系列滾齒機，美國Gleason—Pfauter公司的GP130系列滾齒機，日本三菱重工公司的GN10系列滾齒機等均可以采用高速干式切削加工。國內齒輪機床制造廠家在齒輪加工干切技術方面，目前正處于研究的初級階段。在CIMT2005機床展上，日本三菱公司展出的GE15A滾齒機上，采用了表面涂有超級干切涂層的MACH7高速鋼滾刀，線速度達250m/min；重慶機床廠展出的YKS3112滾齒機上，采用了表面涂有DUAL涂層的硬質合金滾刀，線速度達181m/min。⑤復合化齒輪機床（特別是大型齒輪機床）有集多種工藝于一體的趨勢。如Hurth公司的WF3500滾齒機，將插齒、滾齒（包括滾內齒輪）、磨齒和齒輪檢測集于一體，工件一次裝夾只需更換切削頭，就可實現(xiàn)相應的齒輪加工功能，同時還可以對加工過程中的齒輪進行檢測，以決定加工用量。Gleason公司的P60滾齒—磨齒復合機床，能完成先用銑刀加工雙頭蝸桿，再用CBN磨輪磨該蝸桿，并具有去除蝸桿端面毛刺的功能。同時該機床還配有自動對齒機構和工件自動上下料機械手及料倉。Liebherr公司的LC80型滾齒機，機床采用模塊化設計，只要更換切削頭，就可組合成滾齒、單分度銑齒或插齒。重慶機床廠的YKS3120系列六軸數(shù)控高速滾齒機，能在一次安裝中加工不同模數(shù)、不同齒數(shù)、不同螺旋角及不同螺旋方向的雙聯(lián)齒輪及單分度銑槽，并可配備自動對齒機構、去除齒輪端面毛刺及工件自動上下料裝置，在該系列機床上還可進行硬齒面滾齒。⑥網(wǎng)絡化數(shù)控系統(tǒng)的通訊聯(lián)網(wǎng)功能不斷加強。開放式的CNC系統(tǒng)已成為數(shù)控行業(yè)不可抵擋的趨勢，開放性的CNC系統(tǒng)可以方便地進入各級通用網(wǎng)絡，從而可以柔性地實現(xiàn)DNC、FMS、CIMS和FA（自動化工廠）。NC技術使FMS和CIMS成為可能；FMS和CIMS的發(fā)展反過來要求CNC系統(tǒng)應具有通訊和聯(lián)網(wǎng)功能，以便實現(xiàn)CIM環(huán)境中的信息集成和系統(tǒng)管理?，F(xiàn)代CNC系統(tǒng)一般都具有用于通訊的串行口和DNC接口，高檔數(shù)控系統(tǒng)充分利用Internet/Intranet的功能，使網(wǎng)絡化生產、遠程調試、遠程診斷等功能得以實現(xiàn)。⑦智能化由于計算機技術及數(shù)控技術的發(fā)展智能技術也逐漸用于高性能數(shù)控齒輪機床中，具體表現(xiàn)在：1）完成加工質量與加工過程智能控制。根據(jù)對工件在線檢測的結果和實時采集的機床狀態(tài)，預測工件的加工質量，并及時調整加工過程的工藝參數(shù)，以保證機床的加工精度。2）智能診斷。故障診斷的智能化表現(xiàn)在兩方面：一方面是機床會對曾經產生的故障作記錄，當下次碰到該故障時，它會首先提示可能的原因；另一方面，現(xiàn)場信息經過壓縮，存貯在機床的“黑匣子”中，一旦機床發(fā)生的故障超出其自身的診斷能力，就可以通過Internet從網(wǎng)上專家系統(tǒng)獲得支持，進行交互式的遠程協(xié)同診斷。1.5零傳動滾齒機及其關鍵技術的研究進展1.5.1零傳動滾齒機國內外研究進展目前為止，國際上著名的齒輪加工機床生產廠家：美國Gleason—Pfauter、德國Liebherr、日本的三菱重工等企業(yè)都投入大量的人力、物力和財力研究零傳動技術在齒輪加工機床中的應用，這些廠家在小直徑（<200mm）、小模數(shù)(m<3mm)齒輪加工方面推出的最新產品都部分應用了零傳動技術及其它相關新技術，使得齒輪加工機床的性能達到了一個新的高度。如：Gleason—Pfauter公司研制的P60、P100、P210、GP130滾齒機；Liebherr公司制造的LC80、LC120、LC150、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。LC80干式切削滾齒機，滾刀主軸最高轉速為9000rpm，工作臺轉速為800rpm；P60臥式滾齒——磨齒復合機床，刀具主軸轉速達12000rpm，工作臺轉速達3000rpm。在回轉運動方面取消機械傳動副，不僅大幅度提高了機床的加工精度和加工速度，也可以完全解決機械傳動鏈中存在的磨損問題，可以長期保持機床的精度，此外，還極大地簡化了機床的機械結構。但是，這些廠家提供的機床價格卻非常昂貴，高達400萬元人民幣/臺。圖1.3為Liebherr公司生產的LC80直接驅動滾齒機。圖1.3LiebherrLC80直接驅動滾齒機目前國內齒輪加工機床的最高水平如下：在工作臺直線移動方面，采用數(shù)控驅動系統(tǒng)代替普通滾齒機的各種交換掛輪，采用交流伺服電機通過多對降速齒輪副和一對滾珠絲杠副來驅動機床的運動部件；在滾刀回轉運動方面，采用交流伺服電機通過2～3對降速齒輪副來實現(xiàn)；在工作臺回轉運動方面，絕大多數(shù)齒輪加工機床仍然需要采用多對高精度齒輪副和一對高精度蝸輪蝸桿副實現(xiàn)。由于存在著大量的機械傳動元件，對機床的加工精度產生極大的影響，也使得機械結構變得更為復雜，調整維修也極不方便。例如，我國最大的齒輪加工機床生產廠——重慶機床廠于2000年通過鑒定的YKS3120六軸四聯(lián)動數(shù)控高速滾齒機曾被列入“國家重大技術裝備創(chuàng)新項目”，被稱為是國產高檔數(shù)控滾齒機的里程碑，但該機床仍然采用了滾珠絲杠副和齒輪傳動鏈。因此目前為止國內在零傳動齒輪機床方面還是一個空白。二十世紀八十年代末，日本人TakashiEmura，ZhaoweiZhong等人就進行了直接驅動滾齒機的研究，他們利用伺服電機直接驅動滾刀和工件，其他運動仍采用齒輪、絲杠等減速機構。所研究的原型機床可以加工模數(shù)1.5mm、直徑57mm,JIS2級精度（相當于GB/T6級）的齒輪。經檢索，有關零傳動滾齒機研究的文獻僅此而已。2005年日本三菱重工MichiakiHashitani等進行了直接驅動磨齒機的研究，如圖1.4所示，用同步內置電機分別驅動刀具軸和工件軸，刀具軸和工件軸速度分別可達4500rpm和1500rpm。為了減小負載周期波動的影響，運用前饋系統(tǒng)可以減小15％的周期誤差，極大地提高了機床的加工精度。圖1.4ZE15A直接驅動磨齒機主軸和工作臺軸結構圖1.5.2電主軸在高速運轉條件下，傳統(tǒng)的齒輪變速系統(tǒng)已不能適應要求，代之以寬調速交流變頻系統(tǒng)實現(xiàn)機床主軸的變速。一般高速加工采用電主軸作為機床的主軸形式，電主軸將轉子和機床主軸的旋轉部件做成一體，把機床的主傳動鏈的長度縮短為零，故可稱之為“零傳動”。由十直接傳動，減少了高精密齒輪等關鍵零件，消除了齒輪的傳動誤差。與皮帶、齒輪的末端傳動方式相比，主電機內置于主軸前后軸承之間，可大大提高主軸系統(tǒng)的剛度和固有頻率。同時，集成式主軸也簡化了機床設計中的一些關鍵性的工作，如簡化了機床外型設計，易于實現(xiàn)主軸定位?？傊娭鬏S結構緊湊、重量輕、慣性小，響應特性好，并可避免振動與噪聲，精度高，是高速主軸單元的理想結構。設計電主軸時，除選擇適當?shù)臒o外殼電機外，應著重解決散熱與軸承選用兩個問題。由于主軸電動機兩端就是主軸軸承，電動機的發(fā)熱會直接降低軸承的工作精度，如果主電動機的散熱解決得不好，將會影響到機床工作的可靠性和穩(wěn)定性。通常在定子繞組的外部設計冷卻系統(tǒng)，用循環(huán)冷卻液體吸收和帶走定子散發(fā)的熱量，保持主軸單元殼體均勻的溫度分布。另外，約有1/3的發(fā)熱量是由電機轉子產生的，轉子散熱條件差，又直接安裝在主軸上，設計中應盡量減小電機徑向的傳熱熱阻，使轉子的發(fā)熱量盡可能多地通過氣隙傳到定子和殼體中去，并由冷卻液帶走。因為一般機床中用電主軸速度都大于10000轉，絕大多數(shù)都采用陶瓷滾動軸承，這種軸承的結構和尺寸系列與普通鋼質滾動軸承完全相同，只是將滾動體材料換成氮化硅陶瓷，故又稱混合軸承。氮化硅陶瓷材料的密度只有鋼的40，熱膨脹系數(shù)只有鋼的25%，而彈性模量為鋼的1.5倍，硬度為鋼的2.3倍。用這種材料做滾動體，可得到低溫升、高剛度和長壽命的高速滾動軸承，很好地保證主軸的精度。當前國內外生產電主軸廠家多達幾十家。在國外的廠家中，以德國GMN公司和瑞士Fischer公司名氣最大，德國Siemens和口本Fanuc公司也有相應的產品。國內電主軸的生產以洛陽軸承研究所最為著名，廣東工業(yè)大學對電主軸的動靜態(tài)特性、熱態(tài)特性以及軸承的選用等關鍵技術的研究已比較深入。電主軸目前多用于加工中心、磨床、銑床、鉆床等數(shù)控機床。1.5.3力矩電機一般滾齒機工作臺的回轉傳動系統(tǒng)采用伺服電機。通常，單個伺服電機輸出扭矩小，在低速旋轉時，效率不高。為使回轉裝置實現(xiàn)穩(wěn)定、高效運轉，必須采用減速機構。一般滾齒機直接驅動工件主軸的分度副采用高精度蝸輪副或是特殊齒形的多頭雙蝸輪副以及大尺寸齒輪副。這些機構，都使其結構復雜、體積龐大，并且產生齒隙和空轉，致使控制精度降低，加工精度下降。因此，為了減小齒隙的影響，有時在齒輪的嚙合部位施加預負荷，但由此又會產生振動、噪音及齒輪的異常磨損等，從而損害了工作臺原有的性能。不用減速機構而使用直接驅動負載的力矩電機，是解決減速機構存在的齒隙、空轉等問題的有效手段。力矩電機也叫做DDR（DirectDriveRotary)電機，是近幾年出現(xiàn)的一種新型電機，是一種低速大扭矩電機。DDR電機由定子、轉子及反饋裝置組成，負載直接與轉子剛性連接，也就是說轉子與滾齒機工作臺直接連接，這樣就消除了由于傳動裝置而產生的誤差，DIN6～7級精度。這些技術參數(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。為了打破國外的技術壟斷，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/制造中關鍵的理論和技術進行深入系統(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鍵技術研究2.1零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)展的結果，它的實現(xiàn)還得益于滾刀制造技術的提高和數(shù)控技術、電主軸及力矩電機等技術的發(fā)展。為此，我們研制了一臺基于零傳動原理的滾齒機床。2.1.1機床用途及產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。所研制的零傳動滾齒機主要用于模數(shù)小于1.5mm的直齒圓柱齒輪、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，也可進行模數(shù)小于2.5mm的直齒圓柱齒輪、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。2.1.2設計輸入——技術規(guī)格參數(shù)和性能參數(shù)1.技術規(guī)格參數(shù)最人加工直徑——————————————100mm最人加工模數(shù)——————————————2.5mm最人軸向行程——————————————150mm加工齒數(shù)范圍——————————————4～100齒滾刀架可轉動范圍————————————50°最人滾刀直徑——————————————63mm滾刀軸轉速———————————————500～4000rpm工件軸轉速———————————————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/min2.機床性能參數(shù)1）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旋轉坐標：A、B、C——0.001°伺服系統(tǒng)：采用Siemens840D數(shù)字控制系統(tǒng)2）精度指標機床幾何精度按照JB/T8360.1-1996《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/T8064-99《數(shù)控滾齒機精度》檢驗出廠機床工作精度按照JB/T8360.1-1996《數(shù)控滾齒機精度》檢驗出廠機床加工5-6-6級(GB10095-88）機床加工工藝能力：Cpk1.332.1.3零傳動滾齒機需要研究的關鍵技術從機床的主要技術規(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構，提高機床的動靜剛度，也有利于實現(xiàn)可重構機床的設計和制造。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)齒輪加工機床的結構設計原理，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。2.2滾齒機床的傳動系統(tǒng)設定2.2.1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、刀架回轉運動鏈等，簡圖如圖2.2所示(只表示了滾刀、工件旋轉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：從刀具旋轉到工作臺旋轉的傳動關系，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。在刀具旋轉到工作臺旋轉的傳動鏈中采用了光杠傳動(圖2.2中未畫出)，以完成工作臺徑向進給運動。差動傳動鏈：當加工斜齒輪時，或對角滾齒滾刀作切向進給時，隨著工件的軸向運動或切向運動，工件應有附加轉動，這種運動關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。圖2.2傳統(tǒng)滾齒機床傳動鏈示意圖這種機床調整既復雜又費時?？焖仝呥M、工進、快退的位置和距離都需精心調整或試切才能完成，且需要的輔件多。2.2.2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)控技術引入齒輪加工機床以來，齒輪加工機床的技術水平有了明顯的提高。近年來，由于計算機技術的迅猛發(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)控指令經伺服電動機單獨驅動(如圖2.3所示)。在滾刀和工作臺之間已不存在傳統(tǒng)的分齒和內聯(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構，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。近幾年國內外各主要齒輪加工機床生產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。圖2.4普通滾齒機床傳動鏈示意圖2.2.3零傳動滾齒機的傳動系統(tǒng)滾刀主軸回轉運動和工件主軸回轉運動均去掉一般數(shù)控滾齒機中的高精度齒輪副或蝸輪副，采用內置主軸電機(電主軸，用于滾刀主軸)、內置力矩電機(DDR電機，用于工件主軸)分別驅動，這樣就消除了由于傳動裝置而產生的誤差，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?？梢钥闯觯褂昧銈鲃蛹夹g，機床的結構將會得到最大限度的簡化，它是機床設計和制造技術的一次重大革新。圖2.4零傳動滾齒機床傳動鏈示意圖2.3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)是滾刀主軸的轉速、工作臺主軸的轉速、軸向進給速度、各直線坐標(X、Y、Z軸)及滾刀角度旋轉調整軸(A軸)的快速運動速度。在機床設計時，滾刀主軸的最高轉速設計、工作臺的最高轉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)和走向實用，如硬質合金刀具、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，滾刀的轉速一般在5OOrpm左右;然而對于汽車轉向器行業(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，滾刀的轉速要達800～1OOOrpm。滾刀旋轉運動、工作臺旋轉運動的傳動方式，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，機床滾刀主軸轉速一般在5OOrpm以下，工作臺轉速一般在30rpm以下。然而全數(shù)控滾齒機由于采用獨立電機驅動而使傳動鏈大大縮短，高速高精度的無隙齒輪傳動結構的可實施性，以及高精度滾動軸承的出現(xiàn)與成熟，使?jié)L刀主軸轉速、工作臺主軸轉速大大提高得以可行。跟隨數(shù)控系統(tǒng)一起發(fā)展與成熟的內置主軸電機和DDR力矩電機技術，這也使數(shù)控滾齒機的滾刀主軸的最高轉速、工作臺的最高轉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)及滾刀角度旋轉調整軸(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——各部件及整機結構體現(xiàn)出機床剛性，直線導軌的運用、合理的筋壁厚度及結構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。傳動路線、傳動方式——得益于各軸獨立驅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。2.3.1滾刀主軸最高轉速的設計滾刀主軸和工件主軸轉速的高低是衡量滾齒機性能的一個重要指標。從市場調研及用戶提供的信息來看，目前很多用戶已開始使用硬質合金滾刀加工零件，主要的原因是硬質合金的耐磨性高，滾刀的生產工藝已經成熟，價格在不斷下降，同時滾刀的切削轉速高，可大大提高生產效率，因此高效滾齒機的主軸最高轉速應以能滿足硬質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)清潔化生產的一條重要途徑，國內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，按目前國內用戶常用的模數(shù)1mm、直徑為32mm的滾刀取最大值計算：nv100040010003979rpm（2.1）Bmaxd32因此為了適應干切削加工工藝的需要，滾刀主軸最高轉速確定為4000rpm。2.3.2滾刀主軸最低轉速的設計考慮到采用常規(guī)的硬質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：nv1000801000636rpm（2.2）Bmind40考慮到用戶可根據(jù)切削零件的具體情況對滾刀轉速進行微量調整，增加10%的速度調整余量，因此滾刀主軸最低轉速確定為550rpm。2.3.3工件主軸最高轉速的設計工件主軸轉速應與滾刀主軸轉速相匹配。目前用戶加工齒輪的齒數(shù)范圍在6～100齒以內，如果選擇常見少齒數(shù)為8～10齒，當滾刀主軸最高轉速為4000rpm，此時的工件主軸轉速為400～500rpm。并且最高轉速的選擇要與切削時工件軸所需扭矩相結合，確定所選擇DDR力矩電機的最高轉速為495rpm，即為工件主軸最高轉速。nCmaxn4000(400~500)rpm（2.3）Bmaxmin2.3.4工件主軸最低轉速的設計按加工齒輪齒數(shù)為100，使用標準硬質合金滾刀加工，滾刀轉速為1000～1200rpm，此時的工件主軸轉速為10～12rpm，考慮到各種其它因素，選擇工件主軸最低轉速為5rpm。nnB1000~1200(10~12)rpm（2.4）CminZ100max3零傳動滾齒機床的總體布局3.1零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、結構復雜程度及外觀等。同時，總體布局的好壞也將決定機床整機的技術經濟性能，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重要的作用。3.1.1影響總體布局設計的主要因素分析影響滾齒機總體布局的因素很多，主要有以下幾個方面:①滾齒機動力特性的影響滾齒在切削原理方面采用展成逼近的切削原理，帶切削槽及螺旋升角的滾刀的旋轉運動形成假想齒條的直線運動，工件根據(jù)滾刀的螺旋升角、旋轉方向也按相應的方向作回轉運動。由于切削原理、刀具參數(shù)及刀具結構型式，使?jié)L齒切削過程的機理遠比車、磨、銑、刨等工藝方法的機理復雜得多。在滾齒動力特性中影響機床總體布局的最顯著的因素有三個方面：1）滾齒過程是一種斷續(xù)切削，在滾刀轉速越高時，切削力變化頻率越高；2）滾齒過程中滾切力大小是變化的，滾齒負荷具有很明顯的沖擊性質；3）滾齒過程中滾切力方向是變化的。上述三點滾齒的動力特性決定了對滾齒機動靜剛度有著特殊要求，為了避免在滾齒時出現(xiàn)共振，機床的固有頻率應遠離切削力變化頻率，亦即在機床工作區(qū)間內，機床的固有頻率不應與切削力變化頻率的頻帶重疊。由于各種滾齒機生產效率、規(guī)格及刀具參數(shù)等的不同，對滾齒機動靜剛度的要求也不相同。對于采用優(yōu)質高速鋼或硬質合金鋼滾刀進行高速切齒的機床，顯然要求其應比普通機床的動靜剛度高得多。對于大規(guī)格的機床而言，由于切削模數(shù)大，切削力及切削力矩變化更大，因而要求機床的剛度更高。②滾齒機滾齒工作方式的影響滾齒機滾齒工作方式分為軸向進給加工、徑向進給加工、切向進給加工、對角進給加工。一般而言，目前對角進給加工方式應用較少，前三種進給加工方式應用較多。對于數(shù)控滾齒機而言，前三種進給加工方式均應具備。這些工作方式決定機床的運動及布局。③滾齒機各部件運動分配的影響滾齒機除了滾刀和工作臺的旋轉完成展成運動之外，一般還必須具備軸向進給運動，徑向進給運動，切向進給運動，這些運動的有無及分配不同，機床的布局也隨之變化。徑向進給運動可以由立柱運動來完成，也可以由工作臺運動來完成。運動的分配則要根據(jù)工件的參數(shù)、加工精度要求、對機床的生產率要求及剛性要求而定。機床總體布局的選擇應保證機床各種運動分配的實現(xiàn)。④滾齒機傳動型式的影響機械滾齒機的傳動鏈是由機械內聯(lián)系傳動鏈來實現(xiàn)的，機床的主運動——滾刀旋轉運動及工作臺旋轉運動現(xiàn)在流行兩種方式:一種是由置于床身上的交流電機來實現(xiàn)，另一種是置于大立柱內的交流電機或變頻調速電機來實現(xiàn)。機床的進給運動也可以根據(jù)與主運動的鏈接點不同而各異。數(shù)控滾齒機的傳動是靠CNC（ComputerNumericControl）系統(tǒng)以電子齒輪箱（EGB——ElectronicGearBox）的形式實現(xiàn)的，各運動是由獨立的伺服電機或交流主軸電機傳動的，根據(jù)數(shù)控軸的數(shù)量和機床規(guī)格的不同，機床的總體布局也是有較大差異的。⑤滾齒機自動化程度及生產效率高低的影響機床的布局應適應機床的自動化程度及生產效率的要求。汽車齒輪加工等大批量生產的行業(yè)需要的高效、高速滾齒機，必須保證機床生產率較高，自動化程度高，以便于實現(xiàn)單機自動化或納入生產線自動化。為此，機床除必須有一定剛性外，為便于自動上、下料，工件軸線位置最好是固定的，即機床的工作臺最好是固定的，采用立柱移動來實現(xiàn)進給運動。同時，大量切屑的排除，大流量冷卻系統(tǒng)的防護、切削過程中油霧的收集等，對機床總體布局也有較大影響。⑥工件尺寸、形狀、重量對機床布局的影響對于小規(guī)格的工件(一般直徑在125mm以下)，為了便于工件裝夾、上下料及自動化要求，一般采用臥式布局，由滑板的平穩(wěn)進給進行加工，這樣，有利于提高齒輪加工精度和降低齒面粗糙度;對于中小型規(guī)格的工件(一般直徑在200～1250mm以內)，這種規(guī)格的機床一般采用立式布局，在這種規(guī)格中，對于400mm規(guī)格以內的機床，一般根據(jù)自動化程度采用工作臺固定，主柱移動的布局；而對于1250mm以上的大規(guī)格機床，一般采用工作臺固定，立柱移動的布局，并且對工作臺的承載(重量)能力也有嚴格要求，結構上也必須采用一定措施加以解決。⑦機床的總體布局應有利于減少熱變形及其影響機床工作時，所消耗能量的相當部分轉變?yōu)闊崃浚箼C床各部分的溫度不一致而出現(xiàn)熱變形，這對機床的幾何精度、工作精度有較大影響，特別是對批量生產的高效機床影響更大，它是決定機床加工工序能力大小的一個重要因素。所以，總體布局采取對應措施，減小熱變形及其影響，提高機床的熱穩(wěn)定性，在機床布局時，一般采取措施有：1）隔離熱源將液壓油箱、冷卻油箱、電氣控制箱、主電機等熱源置于機床外，這一點對精密機床尤為重要。2）合理布置熱源，使機床達到熱平衡，以減小相對熱變形。3）合理選擇布局，使機床熱變形對機床精度影響減小到最小程度。例如，立式布局中的工作臺固定、立柱移動布置方式中，將后立柱布置在工作臺上與布置在床身上的兩種方式中，后一種結構可以消除工作臺分度副發(fā)熱對后立柱外支架支承軸承孔中心線與工作臺回轉軸線的同軸度的影響。⑧機床的總體布局應使機床操作、調整方便，并使機床具有良好的加工工藝性、裝配工藝性及維修方便性。⑨機床的總體布局應使機床外形美觀、大方、穩(wěn)定、協(xié)調。這一點很大程度上是靠機床防護罩的設計來滿足機床整體效果的。機床的油漆色澤(彩)也要滿足人機工程學的要求。3.1.2滾齒機總體布局方案比較分析根據(jù)論文第2.4.1節(jié)的綜合分析，滾齒機按工件主軸的空間布置方式分為立式(見圖2.5)和臥式(見圖2.6)兩大類。根據(jù)滾齒加工的展成切削原理、各部件運動分配的不同，立式和臥式又可分為多種。表2.1從機床的可操作性、家具的安裝盒調整、切屑處理、機床中心高等方面對立式和臥式滾齒機作了詳細的比較。圖2.5立式滾齒機床 圖2.6臥式滾齒機床表2.1立式和臥式滾齒機的比較立式滾齒機的工件主軸垂直布置，這對于大、中型盤狀齒輪的安裝、夾持和調整操作都比較有利，多數(shù)大、中型滾齒機都是立式。臥式滾齒機的工件主軸水平布置，加工長軸齒輪和小模數(shù)齒輪的滾齒機多為臥式。根據(jù)機床的加工范圍和綜合因素分析，零傳動滾齒機選擇臥式布局，下面分析比較常見的幾種臥式布局形式：①工件主軸進給，運動中產生的間隙、振動會影響零件的加工精度。②工件主軸不進給，由滾刀滑座兼作軸向和徑向進給，根據(jù)滾刀主軸的位置又分兩種情況:1)滾刀主軸位于工件下方:不利于排屑，萬能性好，滾刀軸旋轉角可以在90范圍內。2)滾刀主軸位于工件后方:利于排屑，容易實現(xiàn)工件裝卸料的自動化，滾刀軸旋轉角受到限制，達不到90范圍。根據(jù)Z軸布置形式可分兩種情況：1.Z軸水平布置滾刀架穩(wěn)定性好；2.Z軸垂直布置，其排屑性更優(yōu)，滾刀架穩(wěn)定性稍差。經過以上幾種臥式滾齒機布局結構形式的比較，從機床結構緊湊、提高機床剛性、提高機床高效切削能力、易于排屑的角度考慮，零傳動滾齒機的基本布局形式參照YKJ3610機床的布局形式，即工件主軸采用臥式布局，工件主軸固定，軸向、徑向進給拖板位于工件主軸后方，Z軸水平布置，采用類似立式滾齒機的高剛性滾刀架的整體布局方式。圖2.7為機床布局總圖。圖2.7機床布局總圖3.2零傳動滾齒機床的傳動系統(tǒng)設計3.2.1零傳動滾齒機運動概述滾齒加工相當于一對交錯軸斜齒圓柱齒輪的空間嚙合。滾刀是一個螺旋角很大而齒數(shù)極少的斜齒圓柱齒輪，其實質就是一個蝸桿。由這種蝸桿組成的滾刀，沿平行于軸線方向或垂直于螺旋線方向開一些容屑槽，刀齒后面經過鏟磨加工。切削加工過程中，滾刀和工件的軸線相互交叉，在一定速比關系下作空間嚙合，按包絡(展成)原理來完成共軛齒形的加工。這種對滾的關系與一對蝸輪副相同，而齒廓是靠連續(xù)的展成切削來形成的。切削金屬的進給運動是相對于工件徑向、軸向或切向的直線運動，它取決于為適應具體要求所采用的工作循環(huán)。機床各運動軸均由獨立的交流伺服電機驅動，以電子齒輪箱完成切齒時的分度運動、進給運動、差動補償運動。圖2.8是零傳動滾齒機二維外觀模型。本機床設計為六軸四聯(lián)動全數(shù)控滾齒機，該六軸為：A——滾刀架旋轉運動；B——滾刀主軸回轉運動；C——工件主軸回轉運動；X——滾刀架徑向進給運動；Y——滾刀架切向進給運動；Z——滾刀架軸向進給運動。聯(lián)動軸為：B，C，Y，Z或B，C，X，Z滾齒加工機床工作時是采用展成（范成）原理進行連續(xù)切削加工的。滾齒機的各運動的函數(shù)運算關系是：分度運動：n KnC Z B軸向差動進給補償運動：nKnsinvcZBZmzn切向差動進給補償運動：nKncosvcZBZmyn軸向和切向同時差動進給補償運動：nKnsinvcosvcZBZmzZmynn式中——與齒輪的旋向、滾刀的旋向、Z軸或Y軸的運動方向有關；Z——工件齒數(shù)；K——滾刀頭數(shù)；——滾刀主軸轉速，rpm；B——工作臺轉，rpm；c——工件螺旋角；——刀架安裝角；，v——分別為Z軸、Y軸的移動速度，mm/min；y——工件法向模數(shù)，mm。n圖2.8零傳動滾齒機三維模型3.2.2零傳動滾齒機各運動軸的傳動設計要實現(xiàn)高速干式滾齒，滾齒機刀具主軸與工作臺主軸的高速及高精度同步回轉是先決條件。傳統(tǒng)滾齒機是通過展成傳動鏈將這兩個運動連在一起的，滾刀主軸采用滑動軸承，工作臺采用蝸輪副分度和滑動軸承支承，這就使得這兩個運動的轉速都不高，通常滾刀主軸實際能使用的轉速在350rpm以內，工作臺的轉速在25rpm以下，在這種轉速下要實現(xiàn)高速、高精度、干式切削是不可能的。簡化滾齒機的傳動系統(tǒng)，不僅可以縮短傳動鏈，提高機床的傳動精度，增加了機床的動、靜剛性及熱平衡，便于機床的安裝及維修，而且傳動系統(tǒng)的簡化帶來了機床結構的簡化，可以節(jié)約機床的用材，減少機床的機械加工，從而減少滾齒機制造過程中對環(huán)境的影響及節(jié)約能源。零傳動滾齒機利用先進的數(shù)控技術、伺服技術、計算機軟件技術、電主軸技術、力矩電機技術等實現(xiàn)了傳動系統(tǒng)極大的簡化。圖2.9為零傳動滾齒機傳動系統(tǒng)圖。該圖中的蝸輪蝸桿傳動副，與傳統(tǒng)機床的傳動系統(tǒng)相同，實現(xiàn)刀架轉位。圖2.9傳動系統(tǒng)圖①滾刀主軸、工件主軸回轉運動傳動設計B軸(滾刀主軸回轉運動)和C軸(工件主軸回轉運動)均去掉一般數(shù)控滾齒機中的高精度齒輪副或蝸輪副，采用內置主軸電機(電主軸，用于滾刀主軸)、內置力矩電機(DDR電機，用于工件主軸)分別驅動，這樣就消除了由于傳動裝置而產生的誤差，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，整體主軸裝置就能達到零維護。圖2.10為滾刀主軸和工件主軸結構圖，表2.2對齒輪傳動和直接驅動滾刀軸、工件軸性能進行了比較。表2.2齒輪傳動和直接驅動滾刀軸、工件軸性能比較項目齒輪傳動滾刀軸、工件軸直接驅動滾刀軸、工件軸速度低高加速度低高抗干擾相對強相對弱夾緊轉矩大相對小定位精度較高（主要決定于編碼器分高（主要決定于編碼器分辨辨率和降速機械）率、機械剛度和軸承剛度）機械噪聲大低維修必需（由于機械磨損）基本不需要裝配相對容易需要思考（由于磁拉力）冷卻一般不需要自然冷、氣冷、液冷（決定于連續(xù)轉矩和散熱情況）外形尺寸不緊湊（電機外裝）緊湊（電機內裝）機械結構 復雜 簡單②機床徑向及軸向運動的傳動設計X軸（滾刀架徑向進給運動）、Z軸（滾刀架軸向進給運動）、Y軸（滾刀架切向進給運動）均采用伺服電機與高精度預加載荷的滾珠絲杠直聯(lián)的傳動方式。滾珠螺旋傳動具有傳動效率高、運動平穩(wěn)、傳動可逆和不自鎖、定位精度高、同步性高等特點。這樣結構緊湊，傳動精度高。③刀架調整角度用蝸桿傳動設計相對于兩垂直相錯軸間具有固定傳動比的回轉運動，蝸桿傳動是運用最廣的傳動方式。蝸桿傳動具有降速比大、結構緊湊、工作平穩(wěn)、無噪聲、能阻滯扭轉振動，以及當蝸桿螺旋升角小于摩擦角時，有反向鎖緊作用等特點。這些特點使蝸桿傳動在機床中得以廣泛應用，特別是對于需要傳遞較大功率（扭矩）及改變傳遞運動方向的運動軸中?？刂茲L齒機刀架角度回轉為調整軸，只有在加工雙聯(lián)齒輪或換加工品種時才使用。因此，在絕大部分滾齒機中，采用蝸桿副傳動調整刀架角度。蝸桿傳動的設計是極其成熟的技術，在此不再贅述。圖2.10滾刀主軸和工件主軸結構圖4尾座部件設計4.1液壓缸主要技術性能參數(shù)的計算4.1.1液壓缸工作壓力的確定根據(jù)各類液壓設備常用壓力表機

床設備類型工作壓力/MPa

磨床≤2

組合機床車床、銑床、鏜床等拉床、龍門刨床≤6.3 2～4 ≤10由液壓缸的公稱壓力系列（GB7938——87），MPa0.6311.62.546.31016202540選定設計的液壓缸的工作壓力P1=4MPa。4.1.2液壓缸的總效率的確定液壓缸的總效率有以下效率組成：（１）機械效率m，由活塞及活塞桿密封處的摩擦阻力所造成的摩擦損失，在額定壓力下,通常可?。簃=0.9～0.95。（２）容積效率v，由各種密封件泄露造成，通常?。夯钊芊鉃閺椥圆牧蠒r：v＝１活塞密封為金屬環(huán)時：v＝0.98（３）作用力效率d,當排油直接回油箱時：d＝１（４）液壓缸的總效率t：tmvd＝0.911＝0.94.1.3液壓缸的理論作用力的計算液壓缸的理論作用力P：P=P0/(t)=3920/(0.60.9)=7260N負載率，一般=0.5～0.7，取＝0.6。t液壓缸的總效率，t=0.90活塞桿的實際作用力,P0=400Kg=3920N4.1.4液壓缸內徑的選取根據(jù)常用液壓缸理論推力表DAP11=4MPa(mm)(C㎡)P(KN)32 8.04 3.2240 12.57 5.0250 19.63 7.8563 31.17 12.47選取液壓缸的內徑為D=50mm,此時活塞的輸出力P=7850N,符合條件.4.1.5活塞運動速度的選取活塞運動速度v過低可能造成液壓缸爬行,導致液壓缸無法正常工作.故vmax0.05m/s,根據(jù)法MARREL和CPOAC公司采用的液壓缸活塞的許用最大線速度,小型系列缸內徑,mmvmax32~630.580~1000.4125~2000.25選取此液壓缸活塞的運動速度為v=0.15m/s.4.1.6液壓缸速比的選取為了避免產生過大的背壓或造成活塞桿太細,穩(wěn)定性不好,活塞的速比不應太大或太小.根據(jù)下表,選取活塞桿的直徑d=22mm,此時速比=1.25速比缸筒內徑D(mm)21.461.331.251.15d(mm)36282522184.1.7液壓缸流量的計算對于單活塞桿液壓缸,當活塞桿伸出時:Q= D2V103=4125104

9103=17.67L/min當活塞桿縮回時：Q= (D2d2)V103=

41

(2500

484)106

9103=14.21L/minD——液壓缸內徑，md——活塞桿直徑，mv——活塞桿運動速度，m/minv——液壓缸容積效率。當活塞密封為彈性密封材料時：v＝14.1.8活塞行程的確定活塞的最大允許行程L=320dkPK=320222278505=782mm＞65mm。根據(jù)活塞行程系列（GB2349-80），mm25 50 80 100125160200250320400500選取活塞行程為L=80mm。PK——活塞桿彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力，PkPnkNP——活塞桿縱向壓縮力，Nnk——安全系數(shù)，通常nk=3.5~6，取5。d——活塞桿直徑。4.2液壓缸主要零部件設計4.2.1液壓缸缸筒的設計（1）缸筒結構：根據(jù)缸筒的額定工作壓力，用途和使用環(huán)境，缸筒采用內螺紋連接，此種連接方法具有重量較輕，外徑較小的優(yōu)點。（2）缸筒材料：一般要求具有足夠的強度和沖擊韌性，對焊接的缸筒要求有良好的焊接性能。因缸筒與端蓋焊接，所以選用S35號鋼，機械預加工后再調質。（3）缸筒計算：1）缸筒內徑：前邊已經求得缸筒的內徑D=50mm2）缸筒壁厚：缸筒壁厚0C1C20——缸筒材料要求強度最小值（mm）C1——缸筒外徑公差余量。2——-腐蝕余量。缸筒底部為平時，其厚度可以按照四周嵌住的圓盤強度進行近似的計算：0.4330 p＝0.4330×4104=8.8ｍｍ考慮到缸筒底部設有油口管道，選取25mm——筒底厚P——缸筒最大工作壓力——筒底材料許用應力，選取方法與上述缸筒厚度計算相同。5）缸筒頭部法蘭厚度計算h4Fb103(ral= 472600.00530103104=3.9mm選取其厚度為10ｍｍ．F——法蘭在缸筒最大內壓下，所承受的最大壓力，Na——法蘭外圓半徑。6）鋼筒螺紋連接部分校核計算鋼筒與端部螺紋連接時，鋼筒螺紋處的強度計算如下：螺紋處的拉應力4KF106(d2D2)0437850(59.8862502)=27.6MPａ螺紋處的切應力為：K1KFd01060.2(d2D2)00.1237260640.2(59.8863503)=10.28MPa合成應力為： 232n27.62310.282＝33.7MPa104MPaF——缸筒端部承受的最大推力。D——缸筒內徑。0——螺紋外徑。1——螺紋底徑。K——擰緊螺紋系數(shù)?！菁y連接的摩擦系數(shù)。17）缸筒與端部焊接校核：缸筒與端部用焊接連接時，其焊縫應力計算如下：4F(D2d2)1061 1=

47850(702662)0.7=26.7MPa104MPaF-----缸筒最大推力。D-----缸筒外徑。――焊縫底徑。1——焊接效率。4.2.2活塞的設計1）活塞結構形式：采用整體活塞，迷宮型間隙密封。用于精度高，直徑小，速度低的液壓缸。沒有容易刮傷的密封件，不會因密封件的損壞而發(fā)生泄露。與缸筒的配合公差等級，形位公差等級要求高，表面粗糙度參數(shù)值小，一般需配研。2）活塞與活塞桿的連接活塞與活塞桿采用螺母連接?；钊c活塞桿之間設置靜密封。3）活塞材料：對于無導向環(huán)的活塞，采用高強度鑄鐵HT200——300或球墨鑄鐵。5）活塞的尺寸及加工公差?；钊鈴降呐浜弦话悴捎胒9，外徑對于內孔的同軸度公差不大于0.02ｍｍ，斷面于軸線的垂直度公差不大于0.04mm/100mm，外表面的圓度和圓柱度一般不大于外徑公差之半。4.2.3活塞桿的設計1）活塞桿的結構：為了裝有位置傳感器，可采用空心管。為了避免活塞桿在工作中產生偏心負載力，適應液壓缸的安裝要求，提高作用效率，考慮到本設計缸工作時軸線固定不動，所以采用螺栓頭連接2）活塞桿的材料和技術要求：活塞桿采用45號缸，調質處理，并淬火，淬火深度為0.5～1mm。3）活塞桿的計算：a：活塞桿的直徑計算。前面已經計算出活塞桿的直徑為22mm對于空心活塞桿：d4106Pd211則dd24106P1=1(22103)24106785085=19.1mm取為18mmb：活塞桿的強度計算在活塞桿穩(wěn)定工況下，如果只受軸向推力或拉力，可以近似的采用直桿承受拉壓負載的簡單強度計算公式計算：4P106d247850106484106＝20.7MPa≤材料的許用應力，無縫鋼管＝100～110MPa對于活塞桿上的螺紋，退刀槽等危險截面，其合成應力：＝1.8P2nd22＝1.87850296＝72MPa≤C：活塞桿彎曲穩(wěn)定性驗算：當受力P完全在軸線上時，按照1PP2EI10621.801147.9k10.0451nK2L2n0.25kBk＝400KN滿足要求——實際彈性模數(shù)1EE1.801051(1a)(1b)a——材料組